氨肟化反應釜內擋板安裝角度的模擬及應用

孫潔華，張曉輝

(中國石化股份有限公司巴陵分公司己內酰胺事業(yè)部,湖南 岳陽 414000)

氨肟化反應釜內擋板安裝角度的模擬及應用

孫潔華，張曉輝

(中國石化股份有限公司巴陵分公司己內酰胺事業(yè)部,湖南 岳陽 414000)

運用CFD軟件模擬氨肟化反應釜內擋板安裝角度不同時的攪拌效果，通過流場分析，找出擋板安裝角度對氨肟化反應的影響，并應用于實際生產。結果表明：在氨肟化反應釜內，擋板安裝角度為+30°時比安裝角度為-30°時具有更快、更均勻的混合效果，更有利于改善反應效果；對氨肟化反應釜進行改造，采用ZCX型攪拌漿葉，漿葉直徑1 700 mm，擋板安裝角度為+30°，攪拌電機功率為22 kW，改造后氨肟化反應的轉化率和選擇性有所提高，有效提高了環(huán)己酮肟質量，降低了裝置消耗。

環(huán)己酮肟 氨肟化反應 反應釜 擋板 安裝角度 模擬 應用

氣固液攪拌槽反應器是工業(yè)中常用的設備，廣泛應用于石油化工、生物醫(yī)藥等行業(yè)。2003年8月中國石化股份有限公司巴陵分公司利用中國石化石油化工科學研究院開發(fā)的“單釜連續(xù)淤漿床合成環(huán)己酮肟成套新技術”，建成70 kt/a環(huán)己酮氨肟化制環(huán)己酮肟工業(yè)試驗裝置投料開車，實現氨肟化反應工藝工業(yè)化生產，其以環(huán)己酮、雙氧水和液氨為原料，以叔丁醇為溶劑，應用鈦硅分子篩為催化劑，采用淤漿反應床進行氨肟化反應生成環(huán)己酮肟。若氨肟化反應轉化率和選擇性降低，不但使原材料消耗增加，而且增加廢水處理難度，影響環(huán)保。

計算流體動力學(CFD)是以電子計算機為工具，應用各種離散化的數學方法，對流體力學的各類問題進行數值實驗、計算機模擬和分析研究，以解決各種實際問題，是進行傳熱、傳質、動量傳遞及燃燒、多相流和化學反應研究的核心和重要方法, 廣泛應用于航天設計、汽車設計、生物醫(yī)藥工業(yè)、化工處理工業(yè)、渦輪機設計、半導體設計、HVAC&R 等諸多工程領域[1]。

作者運用CFD軟件模擬氨肟化反應釜內擋板安裝角度不同時的攪拌效果，模擬分析了擋板安裝角度對氨肟化反應的轉化率和選擇性的影響，以期找到最適合的擋板安裝角度，用于指導裝置實際生產。

1 模擬實驗

1.1 氨肟化反應機理

對鈦硅分子篩催化環(huán)己酮生成環(huán)己酮肟的反應機理[2-3]的認知主要以羥胺機理占主導地位，氨先被鈦硅分子篩催化氧化生成羥胺，羥胺再通過非催化過程直接與環(huán)己酮反應生產環(huán)己酮肟。Mantegazza等以鈦硅分子篩為催化劑用雙氧水氧化氨獲得羥胺，且反應速率很快[3]。

環(huán)己酮氨肟化反應過程如下：

(1)鈦硅分子篩催化劑與雙氧水相互作用形成鈦的過氧化物：

(1)

(2)生產羥胺：

(2)

(3)羥胺與環(huán)己酮發(fā)生肟化反應：

(3)

(4)總反應方程：

C6H10NOH+2H2O

(4)

此反應屬氣固液三相反應體系[4]，根據上述機理可以得知：影響轉化率和選擇性的主要因素包括催化劑濃度、催化劑性能、反應溫度、反應壓力、反應配料比、反應停留時間、傳質效果等。在催化劑濃度和性能一定的情況下，通過上述各變量的協(xié)同優(yōu)化，強化主反應速度并抑制副反應的發(fā)生是提升氨肟反應轉化率及選擇性的關鍵，而傳質效果是控制好反應的重要因素。

1.2 模擬條件

根據目前裝置生產現狀制定3種方案進行考察和研究，模擬擋板的安裝角度對流場和混合情況的影響，具體參數見表1，擋板安裝角度見圖1。

表1 模擬技術參數Tab.1 Simulation of technical parameters

圖1 擋板安裝角度示意Fig.1 Schematic diagram of baffle installation angle

2 模擬分析

2.1 功率與循環(huán)流量

通過對數值模擬可以獲得攪拌器的扭矩(Tq)，通過計算獲得3種方案的攪拌功率(P)。根據計算流體力學的方法獲得反應器內的流場，通過對軸向不同截面的軸向速度進行面積積分，可以獲得釜內的不同位置的循環(huán)流量(Qv) ：

(5)

(6)

式中：H是指液位高度；z是指沿軸向方向的距離。

從表2發(fā)現，擋板的安裝角度對P有一定的影響，擋板安裝角度為-30°比安裝角度為+30°時的P小約7%。而在方案3中，ZCX漿型的P最高，為12.88kW，Qv的排序和P的排序是一樣的，P越高，Qv越大。方案3的Qv最大，為2.74m3/s，方案2的Qv最小，為2.13m3/s，Qv的減小會使反應釜內物料的混合度降低，導致氨肟化反應效果變差。

注：模擬P時由于未完全與操作工況一致，比如未考慮進出流動，會與實際測量結果存在差距，但不影響效果對比。

2.2 流場分析

通過CFD模擬得到3種方案的反應器內流場分布見圖2。為了使底部的進料和頂部的進料能夠快速、充分混合，反應器采用軸流攪拌器。從流型來看，流體由攪拌槳向下排出，然后由底沿壁向上運動形成大循環(huán)。從流場速度的大小分布發(fā)現，反應器靠近液面處的流體速度非常小，不利于底部的雙氧水與頂部的環(huán)己酮進行接觸和反應，也不利于催化劑循環(huán)到反應器上部。方案3是通過增加槳葉直徑的方式來增加功率輸入，進而增強反應器上部的速度(見圖2c)。

圖2 3種方案的反應器內流場分布Fig.2 Flow field distribution in reactor for three plans

2.3 擋板安裝角度對混合效果的影響

混合過程的模擬是通過添加示蹤粒子，求解示蹤粒子的輸運方程，進而獲得反應器的物料混合情況。通過監(jiān)測不同位置示蹤粒子的濃度來判斷混合時間，在反應器不同的位置來檢測示蹤粒子的濃度變化過程，8個檢測點分布在反應器的上中下各部位，監(jiān)測位置見圖3。

圖3 反應器檢測點位置示意Fig.3 Schematic diagram of detection point position in reactor

物料的混合過程與流場相關，3種方案的物料混合過程都是從軸向下到達槳葉下方后，沿壁面向上分散。

比較方案1和方案2的混合過程就能發(fā)現擋板的安裝方式對混合效果的影響。從圖4可以看出，在混合時間為5s時，方案1的示蹤粒子已經到達了槳葉下方，接近罐底，而方案2的示蹤粒子才剛剛達到槳葉附近。這說明方案1的物料混合要比方案2快，即擋板安裝角度為+30°時比安裝角度為-30°時具有更快的混合效果。

取示蹤粒子濃度達到95%時所需的時間為檢測點的混合時間，3種方案8個不同位置檢測點的混合時間見表3。從表3可以發(fā)現，方案1和方案2上部的混合時間比較大，說明其上部的流體流動是比較弱的，從平均混合時間發(fā)現方案2的混合時間最長，其次是方案1，然后是方案3。即方案3的混合時間最短，優(yōu)于方案1，更優(yōu)于方

案2，即擋板安裝角度為+30°比安裝角度為-30°的具有更均勻的混合效果。

圖4 不同混合時間時擋板安裝角度對混合效果的影響Fig.4 Effect of baffle installation angle on mixing effect at different mixing time

方案混合時間/s12345678平均值125.8934.5336.1734.5627.8023.4621.8024.8828.64240.2637.4627.7533.5025.1719.9339.5123.0830.83326.4325.7123.4822.1917.6316.5030.9916.8222.32

3 應用效果

2014年9月，采用方案3對裝置反應釜進行了攪拌型式和擋板的改造：將槳葉換成ZCX型，攪拌槳葉直徑由1 350 mm改為1 700 mm，反應釜檔板安裝角度由-30°改為+30°，攪拌電機功率由18.5 kW改為22 kW。裝置反應釜改造后，氨肟化反應的轉化率略有提升，但反應選擇性大幅提高。具體情況見表4。

表4 裝置反應釜改造前后產物分析指標對比Tab.4 Analytical index contrast between products before and after reactor reformation

4 結論

a. 運用CFD軟件模擬反應釜內部攪拌效果，從流場分析和擋板的安裝角度進行研究，結果表明，擋板安裝角度為+30°比安裝角度為-30°時反應釜具有更快、更均勻的混合效果，有利于改善反應效果。

b. 將攪拌槳葉換成ZCX型，槳葉直徑由1 350 mm改為1 700 mm，攪拌電機功率由18.5 kW改為22 kW，改善了反應效果。

c. 氨肟化反應釜改造后，環(huán)己酮氨肟化反應的轉化率由99.89%提高到99.91%、選擇性由99.78%提高到99.84%，有效改善了反應效果，提高了環(huán)己酮肟質量，降低了裝置的消耗。

[1] 尹曄東，王運東，費維揚.計算液體力學(CFD)在化學工程中的應用[J].石化技術,2000(3):166-169.

Yin Yedong,Wang Yundong,Fei Weiyang.Computational fluid dynamics for chemical engineering[J].Petrochem Tech,2000(3):166-169.

[2] 朱澤華.鈦硅分子篩在己內酰胺工業(yè)中的應用研究進展[J].合成纖維工業(yè),2000,23(4):27-30.

Zhu Zehua.The application of titanium silicate molecular sieve in caprolactam industry[J].Chin Syn Fiber Ind,2000,23(4):27-30.

[3] 葛倩,盧建國,朱明喬.環(huán)己酮肟鈦硅分子篩催化劑的研究進展[J].合成纖維工業(yè),2015,38(1):54-58.

Ge Qian, Lu Jianguo, Zhu Mingqiao.Research progress of titanium silicalite molecular sieve for cyclohexanone ammoximation[J].Chin Syn Fiber Ind,2015,38(1):54-58.

[4] 章勇潔,王亞權,劉騰飛,等.TS-1催化的酮氨肟化反應機理的進一步研究[J].石油化工,2004,33(S1):730-732.

Zhang Yongjie, Wang Yaquan, Liu Tengfei, et al. Further study on catalytic ammoxidation mechanism of cyclohexanone[J]. Petrochem Tech,2004,33(S1):730-732.

Simulation and application of baffle installation angle in ammoximation reactor

Sun Jiehua, Zhang Xiaohui

(CaprolactamDivision,SINOPECBalingCompany,Yueyang414000)

The mixing effect was simulated with CFD software at different baffle installation angle in ammoximation reactor. The influence of the baffle installation angle on the ammoximation reaction was studied through the analysis of flow field and was applied in the practical production. The results showed that the mixing effect was more efficient and uniform at the baffle installation angle of +30° than at -30° in ammoximation reactor, which was beneficial to improving the reaction effect; and the conversion rate and the selectivity of ammoximation reaction were increased in some degree, respectively, the quality of cyclohexanone oxime was improved and the plant consumption was decreased when the ammoxiation reactor was reformed by applying ZCX stirring blades with the diameter of 1 700 mm, the installation angle of +30° and stirring motor power of 22 kW.

cyclohexanone oxime; ammoximation reaction; reactor; baffle; installation angle; simulation; application

2017- 01-15； 修改稿收到日期：2017- 02-24。

孫潔華(1970—)，女，工程師，主要從事己內酰胺生產技術研究及管理。E-mail：sunjh.blsh@sinopec.com。

TQ234.2+1

A

1001- 0041(2017)02- 0055- 04