帶芯管的管式反應(yīng)器中流體力學(xué)的實驗研究

于立富，孫懷宇

（沈陽化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142）

氯乙烯轉(zhuǎn)化器是一種固定床催化反應(yīng)器，是氯乙烯合成工藝中的關(guān)鍵設(shè)備[1]。轉(zhuǎn)化器列管內(nèi)填充經(jīng)HgCl2浸漬、干燥的活性炭催化劑，反應(yīng)溫度為160～180℃[2]，混合反應(yīng)氣體走管程，列管之間循環(huán)冷卻介質(zhì)（庚烷等）[3，4]。該反應(yīng)屬于固定床強(qiáng)放熱反應(yīng)，存在的問題是反應(yīng)集中在管長方向上的局部進(jìn)行，容易在此部分引起飛溫而導(dǎo)致催化劑失活。這種情況限制了管中反應(yīng)氣的流速，使轉(zhuǎn)化器生產(chǎn)能力難于進(jìn)一步提高。

在管式反應(yīng)器內(nèi)加入芯管，可以改變轉(zhuǎn)化器管內(nèi)氣體的流動分布，分散放熱區(qū)域，降低局部的高溫，從而增大反應(yīng)器的流動速度，提高生產(chǎn)能力。本文通過對加入芯管后的管式反應(yīng)器進(jìn)行流體力學(xué)實驗及模擬計算，以得到在芯管上開不同孔徑情況下對應(yīng)的夾層及芯管的流速和阻力系數(shù)[5]，并通過擬合得到其阻力系數(shù)的公式。此研究有助于掌握反應(yīng)器中的流體流動特性，為進(jìn)一步設(shè)計及優(yōu)化[6]帶芯管式轉(zhuǎn)化器打下基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

本實驗裝置如圖1所示，主要由風(fēng)機(jī)、空氣轉(zhuǎn)子流量計、Φ70×2.5mm外管、Φ10×1.5mm芯管、U形管壓差計等構(gòu)成。外管內(nèi)同心安裝芯管，管長為1000mm,在芯管500mm位置圍繞一周開孔。芯管與轉(zhuǎn)化器列管之間填充粒狀活性炭。實驗中芯管開孔孔徑分別為2.5，3.0和3.2mm，個數(shù)為9個孔。

圖1 流體力學(xué)實驗裝置Fig.1 Fluid mechanics experimental device

1.2 實驗方法

本實驗用空氣作為工作介質(zhì)。為說明氣體的流程，在圖2中使用字母進(jìn)行了標(biāo)識，A表示夾層入口、B表示夾層側(cè)芯管開孔、C表示芯管側(cè)開孔、D表示階層出口、E表示芯管出口、F表示芯管入口。

圖2 測量裝置圖Fig.2 System measurement

通過測量氣體流經(jīng)活性炭夾層（A→B→D）的壓差，可以計算出活性炭層的阻力。再使空氣從夾層A流入，通過夾層B流經(jīng)芯管開孔C，并從芯管末端E流出，計算出阻力ABCE。根據(jù)流體阻力公式可以得到芯管阻力ABD。通過計算BC=ABCE-AB-CE得到芯管開孔處的阻力。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，處理分析，擬合出芯管開孔處出阻力系數(shù)f關(guān)于雷諾數(shù)Re 的關(guān)系式[7]。

2 結(jié)果與討論

2.1 芯管開孔大小對夾層和芯管流速的影響

空氣進(jìn)入反應(yīng)器后從夾層流入，并分別從芯管和夾層流出（A→B→D與A→B→C→E），在芯管不同開孔孔徑情況下氣體在芯管和夾層中的流動情況：

圖3 不同孔徑情況下芯管氣體流量分布Fig.3 Air flow distribution in core tube under different aperture

圖4 不同孔徑情況下夾層氣體流量分布Fig.4 Air flow distribution in interlayer under different aperture

圖5 不同孔徑情況下芯管/夾層氣體流量比率Fig.5 Air flow rate in core tube and interlayer under different aperture

在相同入口流量條件下，空氣只由夾層流入，并分別從芯管和夾層流出，與實際生產(chǎn)相類似，只是芯管中氣體流動方向相反。通過圖5可以看出，孔徑越大，芯管的出口流量越大，夾層的出口流量越小。當(dāng)處于相同芯管開孔孔徑的條件下，芯管的出口流量要遠(yuǎn)大于夾層的出口流量，說明芯管中的流動阻力系數(shù)遠(yuǎn)小于夾層中的阻力系數(shù)。

2.2 芯管開孔大小對夾層和芯管阻力系數(shù)的影響

2.2.1 空氣從夾層進(jìn)入并從芯管末端流出 封閉芯管兩端，空氣從夾層進(jìn)入，從夾層末端流出（A→B→D）。測量空氣通過夾層中活性炭顆粒時的流動情況。阻力系數(shù)定義式為:

式中 ΔΡ：壓差，Pa；ζ：阻力系數(shù)；Z：管長，m；V：夾層中空氣實際流速，m·s-1；ρ：空氣密度，kg·m3。利用公式（1）求取阻力系數(shù)。

圖6 氣體通過夾層時阻力系數(shù)Fig.6 Resistance coefficients when air flow the interlayer

通過圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體只通過活性炭夾層時，阻力系數(shù)隨著入口流量的增加而逐漸變小。其阻力系數(shù)擬合公式為：Y=59230+9.4X-0.003X2，X表示入口的流量，Y表示夾層的阻力系數(shù)。

2.2.2 空氣從夾層進(jìn)入，經(jīng)過芯管開孔處并從芯管末端流出 空氣進(jìn)入反應(yīng)器后只從夾層部分流入，氣體流經(jīng)上半部分夾層后穿過芯管開孔從芯管末端流出（A→B→C→E），在芯管不同開孔孔徑情況下氣體的流動情況：

圖7 氣體流經(jīng)夾層從芯管流出時阻力Fig.7 Resistance coefficients when air flow the interlayer out of the core tube

圖7為上半部分夾層阻力、開孔處阻力、下半部分芯管的阻力之和，此時的阻力系數(shù)隨著流量的增加呈減小趨勢。

由于芯管為光滑管，氣體流經(jīng)管道時管道沿程阻力系數(shù)（fAD）根據(jù)文獻(xiàn)[8，9]可得。

對于氣體來說，其阻力系數(shù)可用以下簡化公式進(jìn)行估算：

式中 d：直徑，芯管內(nèi)壁光滑η取1。

圖8 芯管開孔處的阻力系數(shù)及擬合曲線Fig.8 Resistance coefficients and fitting curve of open pore of core tube

由圖8可以看出，空氣進(jìn)入夾層，并分別從芯管和夾層流出，在保持相同入口流量條件下，芯管開孔處阻力系數(shù)情況:

同一孔徑：阻力系數(shù)均隨著入口總流速的增加而呈增大趨勢，其中孔徑為2.0mm時阻力系數(shù)最大。

不同孔徑：在總進(jìn)口流速較大和較小的情況下，阻力系數(shù)隨總進(jìn)口流速的增加而呈減小趨勢；在總趨勢上，3.2mm的阻力系數(shù)最小，孔徑為2.0mm的阻力系數(shù)最大。

擬合公式為：f2.0=9610+2.14Re

擬合公式為：f2.5=9484+2.15Re

擬合公式為：f3.2=8767+2.19Re

開孔處的阻力系數(shù)隨著入口流量的增加而呈增加趨勢，由圖8知，在入口流量約為2400L·h-1時，芯管開孔處的阻力系數(shù)最小。

3 結(jié)論

本文主要針對芯管上不同開孔大小的芯管式轉(zhuǎn)化器進(jìn)行研究，將空氣用作工質(zhì)流體來進(jìn)行冷態(tài)實驗操作。得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)空氣進(jìn)入夾層，分別從芯管和夾層同時流出時，在相同的入口流量時，開孔直徑越大，夾層和芯管的出口流量分流越明顯；在相同的孔徑的條件下，隨著入口流量的增加，夾層和芯管的出口流量差值減小；說明芯管中的流動阻力系數(shù)遠(yuǎn)小于夾層中的阻力系數(shù)。

（2）空氣從夾層流入，流經(jīng)芯管開孔處，并從芯管末端流出，數(shù)據(jù)處理后得到空氣在芯管開孔處的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系。

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