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2、陵石化公司设备研究院 摘要：本文给出了列管式固定床反应器的环形流遭内的压力系数 穿孔阻力系数，平行琉 和错流形式的反应器管间压力分布以弱温度试验结果综台这些研究结果，可以为大型列 管式固定床反应器的设计提供可靠的理论依据 一 、刖 昌 对于反应热效应大、收率对温度敏感、又要求高转化率和高选择性的反应过程，列管 式固定床反应器是可供选用的比较理想的反应设备。目 前在苯酐、乙二酵、醋酸乙烯、异 丁醛氧化、二甲氧基氧化吸收等生产过程中加以采用，我国已有的和在建的大型列管式固 定床反应器基本上郝是引进的，它们都采用全焊接结构，从国外制造后整体运进现场反 应器内部无法了解和测绘，对其设计方法也无从知晓与
3、国外相比，我国自选设计的列管 式固定床反应器在工艺水平和规模上都有较大的差距，其标志之一是，国内反应器设计规 模较小且还存在着较大径向 温差， 垫 坐 ! 但截匾上 删 温差大约为 2 -3 。 C，径向温差过大，会使反应选择性下降，单耗和能耗增加，催化剂局部 结焦严重，产品质量不能保证以苯酐生产过程为例，反应温度过低，反应不完全；反应 温度过高，发生过氧化反应：两者均使产品收率降低 列管式固定床反应器的设计是以单管实验结果为基础的即用一根与工业反应器中同 样规格管子进行反应动力学研究，取得数据，设计放大时只需增加反应督的数目要使放 大后的反应器的综台性能保持单管实验时的水平、必须解决反应气体
4、在众多反应营内均匀 分配及营间载热体温度径向分布均匀的问题列管式固定床反应器管间温度径向分布是否 均匀，是与其流动情况密切相关的 列管式固定床反应器以管间载热体的流动形式，可分为平行流式和错流式两种图 l 是列管式固定柬反应器的示意图列管式固定床反应器的管间流动，可分为两太部分来研 究：一是环形流道( 也即是弯曲流道) 中均匀分流与均匀合流的问题，二是反应器内管间流 动问题后者又可分为平行流式反应器内的管廊流动和错流式反应器内的管间流动两者 流动的型式不一样，传热效果不一样对平行流式反应器，管间流动问题主要是防止大部 分载热体沿着反应器壁面附近区域作轴向流动而形成“ 短路” ， 使中心部分的载
5、热体变成“ 死 水区” 其均布手段是增设上 、下分布板，利用板上不同宽度的环隙或不同数目的小孔， 中国石化总公司发展部资助项目 4 O 沿径向形成不同的匪力，使管闻每条流道上阻力相等，以达到载热体流动均匀从而温度 均匀的目的对错流式反应器管间流动的主要问题是如何避免载热体在流经折流后形成 旋涡区 死水区 ，) ，以达到小径向碍 羞的目 的 、 基于上面的分析，研究工作可按下列步骤进行： 1，研究环形流道内均匀分流及均匀合流的流动规律； 2研究矩形 L 在分流、合流条件下的穿孔阻力系数，必须选取适当大小的孔与环形流道 内压力分布情况相匹配：同时为了适应以后管间流动的需要，也对圆形孔、环形孔在分、
6、 合流条件下的穿孔阻力系数及排管阻力系数进行研究； 3 、对错流式及平行流式反应器管间漉动进行冷横实验研究； 4、对错流式及平行流式反应器载热体与反应管的传热同题进行研究 孽 孽 平行旅式 错蕊式 图 1 列管式届定床反应器流动型式示意图 二、列管式固定床反应器的流动和传热研究 1 、环形流道 内均匀分流及均匀合流的流动规律 ( a )分流( 合流) 开孔面积 如果壳程背压，流道人口( 或出口 ) 和流道内某一第 i 处位置压力分别为 P | 、 P 0 和 P 。 ， 则有关系： P 口 一 P o P 。 ) 一 ( P 一 P o ) 。 一 C p 1 。2 或 ( 一 P a ) ，
7、 ： ，等 。 式 中p为流体密度 ， 和 为穿孔阻力系数和穿孔速度， C p 和 u 。 为流道 内压力系数和流道 人口处初始速度， 为总阻力系数 41 设开 L 数为N个，第 i 个开孔面积为A ，流道的截面积为 ，在等量分流情况下， 即 = + H ，经整理 ，不难得出分流条件的开孔面积 A 大小： 等 J 嚣 同样方法可以得到合流条件的开孔面积 太小： 鲁 J ( b )径向进( 出) 口环形流道内的均匀分( 合) 流压力系数 图 2 给出常见的环形流道进( 出) 口位置图 图 3给出在几组不同流量( 即不同大小的均匀穿孔流量) 下的实验结果从关联的无量 纲压力系数看，在不同流量下，压
8、力系数的分布基本是致的 图 3 a中，分流流体在进 口中心点压力最高，这是 由于动压力转化 为驻点压力 的结果 压力在流动急剧转弯处 附近最小，这是旋涡造成的结果若以进口动压力为 1，最大与最 小的幅值可达三倍多 此外，驻点 区及旋涡区的影响范围太约可达到整个环形流道的二分 之一区域环形流道的其它部分的流动比较符合通常的动量型分流流动的规律，压力在端 点处有所上升 4 2 圈 2 环形魂谴避( 出) 口位置雷 l I _ I I l 治 一 一 ： ：_ 图 3 ( a ) 径肉进 口分流流动压力系散分布留 2 l O 3| d u 图 3 b中， 合流流体在出口处( 相当于分流的进口处) 流
9、动的分离及冲击影响远较分流时 为小，其大部分分离区域在出口接管内，而不在环形流道内压力分布特点是：( 1 ) 在环形 流道的中心地带有一个压力升值，这是由于二侧流体在中心 合造成的( 2 ) 压力最高点在 流道内距出口处最远的远端点 而且压力幅值也比较大，这是因为远端点处流道内流速较 小， 并且还要以高的压力推动不断进入流道的穿孔流体到达出口处( 3 ) 内外侧压力差明显 大于分流流动 图 3 ( b 】 径向出口合流流动压力系数分 布图 2、分、合流条件下穿孔阻力系数以及排管阻力系数的研究 在列管式固定床反应器管间流动的研究工作中 古青_重 要的位置 一 在研究 、 几种型式的孔在分流 合流
10、条件下穿 了解了环形流道及其它营问流道内的 压力分布后，必须以具有不同穿孔阻力系数的孔与之匹配，以求获得均匀的流动因此， 花了大量的时间进行这项工作，同时也对排管阻力进行了测定 图 4 给出 了分 流 、合 流条件下 穿孔阻力系数 的典型数 据 图 中阻力 系数 =A 尸 ， 卢 l ，u I 为 穿孔流 速；u o 为主 流 道平 均流 速， 对 分流指分 流 前的流 速， 对合 流指合流后的主流道流速图4中 D E L T D E ( 或5 棚 ) 为穿孔壁厚与孔 口水力直径的比值 从 图4 中可以看出如下特点： U帆 1 )分 图 4 穿孔甩力 系致 ( 1 )当 U 1 ， U o 值
11、比较时，均随 U l 【J 0 的增大而下降 但下降幅度随 U 】 ， U 。 的增大而逐 渐减小当 U l， 【 J 0 增大到一临界值时，E均不再脏 u l， U o 的增加而明显变化，接近一常值， 可以认为此时 已与操作因素( 流速比) 无关 C 2 )在实验涉及的范围内，对相同的 U t A J o ，随着8 d的值增加而下降，即对同样 L 径的 L ，厚的孔 比薄的 L 阻力系数要小，当然，这一结果只在一定的8 d范围内正确当 6 ， d 很大时，由于磨擦阻力的增加，穿孔阻力会随着8 d 的增大面增加排管阻力系数归纳 为下面的公式： =,r A R e ( F o ) P= W c
12、p ) 2 Z 式中： 修正系数； A 与排管中心距，管距有关的修正系数： R e = wc p d J r ； wcp 一流 速，W - Q I F Q- 辑 e 量： d r冰 力直径； z 横向排管列数 3、错流和平行流管问流动和传热研究 4 在解决了环形流动的均匀分流及合流后，必须解决反应器管间均匀流动的问题 正 如本文分析中所说明的那样 ，解决管间均匀流动问题，其最终目的是要解决载热体与反应 管之间均匀传热f司 题由于热阻主要在反应管内 对错流式反应器， 因管外传热系数较大， 情况更是如此，因此对流动均匀度的要求可 适当放宽事实上，当载热体在管间作径向 流动，从四周流向反应器中央，或
13、作反向流动时，由于通道面积的变化，其流速还可以变 化几倍，这说明载热体错流流 题是流 动不能有短路及大的旋涡区( 死水区) 对错流式反应器来说，主要是避免后者为此在开 展的系列实验中包括：挡板与管间隙漏孔大小的调节影响；折流区导流叶片安装对降低阻 力和减小旋涡的作用及其影响大小等图 5和图 6 给出了的实验与计算结果： 4 4 r ( I 曲 0 -= 0 0 2 4M 图 5 错流流动压力分布图 罔 6 昔问流体温度分布图 实验中发现：隙漏孔的折流扛导流叶片对消除旋涡( 死水区) 有重要作用， 漏孔过大 隙漏量过多造成错流流量的减小，必然影响管阃传热总量，而导流叶片的安装不失为一个 有力的措
14、施 b 对平等流反应器， 载热体在向反应器中心流动的过程中， 不断有载热体通过环形孔 转弯与反应管呈平行流动，然后再折向径向流动由于错流流动的沿程阻力损失比平行流 流动的大得多( 特 近区域 流动，而中央部分只有少量的载热体流过这就造成反应管间流速分布极不均匀，对载热 体与反应管之间的均匀传热带来不利影响解决这一问题的基本思路是：使载热体沿各条 流路流动时， 实现均布的基本手段就是在反应器内设置二块分布板( 图 1 ) ， 有目的地调节各 流路的流动阻力用分布板调节流动阻力可有二种办法，一是根据分布情况，使分布板的 开孔具有不同的阻力；另一办法是，分布板上的环隙全都是等宽度的，即反应管穿过的孔
15、 的直径相同t另外再根据压力分布的情况 按一定规律加工不同数量的小孔，这些小孔可 具有相同的直径，也可具有不同的孔径图7 给出了平行流在有上下分布板条件下的不同 区域内压力测试结果，以此可以为开孔调节提供依据，图 8 给出了分布板上附加开孔的直 径分布，不难看出在中心区域( 即r K O = O 处) 开孔集中以增加中心区域的流量分配 c 反应器内流速分布对传热的影响 列管式固定床反应器中反应气体与载热体之间的热量传递由以下三个过程所组成，总 的传热系数可表示成： i = +日n i m * 总的传热量 Q = K x A t x A 以顺酐反应器为例： 物性参数：进12 1 温度 to = 1 5 0 。 C，出口温度 t I = 3 6 5 屯 空逮S V = 2 5 0 0 h r “ ， 反应 物浓 度较 低， 以 空 气为 圭 气体表观速度 U ：2 米 眇，p = O 8 0 8 K g M3 ，C p = 0 2 4 5 K ca ! K g 。 C 2 5x l 0 “ 2 e p ，kr = 0 0 3 4 3 W m s 。 C 反应管内径：d t 0 0 2 5 m 外径：
