俞志楠，鐘思青，王 莉，周 靖

（中國(guó)石化 上海石油化工研究院，上海 201208）

大型固定床反應(yīng)器氣體預(yù)分布器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣流分布的影響

俞志楠，鐘思青，王 莉，周 靖

（中國(guó)石化 上海石油化工研究院，上海 201208）

采用冷模實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)大型固定床反應(yīng)器氣體預(yù)分布器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，考察入口氣速、筒體直徑、側(cè)壁環(huán)隙高度、底部擋板開(kāi)孔等對(duì)預(yù)分布器氣流分布的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，入口氣速小于8 m/s時(shí)，隨入口氣速的增大，環(huán)總流量比（U1/U0）降低；當(dāng)入口氣速大于8 m/s時(shí)，入口氣速對(duì)U1/U0的影響較??；隨側(cè)壁環(huán)隙高度的增大、底部擋板開(kāi)孔面積的減小，U1/U0增大；相同開(kāi)孔面積下，開(kāi)孔直徑對(duì)氣流分布的影響較??；與較小筒體直徑相比，較大筒體直徑的氣體預(yù)分布器的U1/ U0較大；由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到U1/U0與結(jié)構(gòu)參數(shù)間的無(wú)因次關(guān)聯(lián)式。

氣體預(yù)分布器；氣流分布；大型固定床反應(yīng)器

固定床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常由氣體預(yù)分布器、自由空域、惰性填料及催化劑床層等組成。氣體預(yù)分布器結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)入催化劑床層的流體流動(dòng)狀態(tài)存在顯著的作用，進(jìn)而對(duì)傳質(zhì)傳熱、反應(yīng)及催化劑效率造成影響［1］。近來(lái)，隨著反應(yīng)器大型化的發(fā)展，氣體分布對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響亦越來(lái)越大，反應(yīng)器內(nèi)流體均布逐漸成為工程開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題［2-3］。

人們對(duì)氣體分布技術(shù)進(jìn)行了大量的研究［4-10］。鐘思青等［11-13］針對(duì)氣體預(yù)分布器結(jié)構(gòu)及反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)和模擬研究，增加帶擋板的入口氣體預(yù)分布器可有效改善進(jìn)入床層氣體的徑向分布，CFX軟件的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。范玉佼等［14］采用數(shù)值模擬方法研究了入口預(yù)分布器側(cè)壁開(kāi)孔結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)入自由空域流體分布的影響；郭湘波等［15］使用CFX軟件對(duì)軸向逆重力場(chǎng)固定床流體分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)擋板開(kāi)孔可進(jìn)一步改善自由空域內(nèi)的流體分布狀態(tài)。

氣體預(yù)分布器是固定床反應(yīng)器的關(guān)鍵構(gòu)件，對(duì)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的成敗有著重要影響。但目前針對(duì)預(yù)分布器本身結(jié)構(gòu)參數(shù)方面的報(bào)道較為鮮見(jiàn)。

本工作采用冷模實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)大型固定床反應(yīng)器的氣體預(yù)分布器進(jìn)行研究，考察其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣流分布的影響，并回歸得到氣流分布的無(wú)因次關(guān)聯(lián)式，對(duì)大型固定床反應(yīng)器氣體預(yù)分布器的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

冷模實(shí)驗(yàn)使用的氣體預(yù)分布器見(jiàn)圖1，主要由直徑為D 的筒體、高為H的側(cè)壁環(huán)隙和底部開(kāi)孔擋板組成。底部擋板開(kāi)孔直徑為d、開(kāi)孔數(shù)量為n并以等邊三角形方式排列。氣體預(yù)分布器入口氣體流量和氣速分別為U0，u0；出側(cè)壁環(huán)隙的氣體流量和氣速分別為U1，u1；通過(guò)底部開(kāi)孔擋板的氣體流量為U0-U1。

氣體預(yù)分布器冷模實(shí)驗(yàn)裝置的流程見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，以壓縮空氣為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，在常溫常壓下操作?？諝庀冉?jīng)過(guò)壓縮，再經(jīng)冷卻、穩(wěn)壓后通入氣體預(yù)分布器冷模實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)入氣體預(yù)分布器的氣體將經(jīng)由分布器側(cè)壁和底部出口分流為兩股，進(jìn)入后續(xù)管道放空。進(jìn)氣流量由調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)進(jìn)行在線控制和測(cè)量。

圖1 氣體預(yù)分布器Fig.1 Gas pre-distributor.U0，u0：f ux and velocity of gas f ow at the pre-distributor inlet；U1，u1：f ux and velocity of gas f ow from the side annular gap；H：height of the side annular gap；D：diameter of the tube.

圖2 氣體預(yù)分布器冷模實(shí)驗(yàn)裝置的流程Fig.2 Flowchart for the cold model experiment of the gas pre-distributor.1 Air compressor；2 Water cooler；3 Air vessel；4 Separating tank；5 Pressure maintaining valve；6 Anti-squeak；7 Regulator valve and f ow meter；8 Experimental apparatus；9 Gas velocity meter

采用上海菱生電子儀器有限公司的笛型均速畢托管和智能壓力風(fēng)速儀對(duì)出裝置的兩股氣體的流量同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)預(yù)先安裝于管道中，單次實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)20次采集的數(shù)據(jù)取平均值獲得，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠。

1.2 影響因子的分析

影響氣體預(yù)分布器氣流分布的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為D，H，d，n，若考慮到氣體預(yù)分布器入口氣體工藝條件的影響，則有：式中，ρ和μ分別為操作條件下氣體的密度和黏度。冷模實(shí)驗(yàn)的操作條件為常溫常壓，可認(rèn)為壓縮空氣的ρ和μ為常數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不產(chǎn)生影響。對(duì)式（1）進(jìn)行無(wú)因次變換，得到：

式中，U1/U0為環(huán)總流量比，用以表征氣流分布，U1/U0越大，出側(cè)壁環(huán)隙的氣量越大；k，a，b，c為系數(shù)；為 環(huán)孔面積比，即氣體預(yù)分布器側(cè)壁環(huán)隙與底部擋板開(kāi)孔面積的比。

通過(guò)氣體預(yù)分布器的冷模實(shí)驗(yàn)研究不同u0，D，H，d，n時(shí)U1/U0的變化規(guī)律，以表征相應(yīng)條件下氣體預(yù)分布器的氣流分布。冷模實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1。其中，條件1，2，3的氣體預(yù)分布器筒體直徑為DI，條件4和5的氣體預(yù)分布器筒體直徑為DII，且DI＞DII；條件1，2，4的底部擋板開(kāi)孔面積相同。

表1 氣體預(yù)分布器的冷模實(shí)驗(yàn)條件Table 1 Experiment conditions of the cold model experiment

2 結(jié)果與討論

2.1 入口氣速對(duì)氣流分布的影響

u0對(duì)U1/U0的影響見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，在不同H/D條件下， U1/U0隨u0的增大呈相似的變化規(guī)律；當(dāng)u0＜8 m/s時(shí)，U1/U0隨u0的增大呈現(xiàn)不同程度的減小趨勢(shì)，且隨u0的不斷增大，U1/U0減小的幅度趨緩；當(dāng)u0＞8 m/s時(shí)，U1/U0不隨u0的增大而變化。

圖3 u0對(duì)U1/U0的影響Fig.3 Effects of u0on U1/U0.H/D in (a)，(b)：0.188；0.259；0.353；0.488；0.706H/D in (c)：0.176；0.224；0.312；0.429；0.806；1.165H/D in (d)：0.342；0.456；0.638；0.919H/D in (e)：0.255；0.362；▲ 0.517

2.2 筒體直徑/側(cè)壁環(huán)隙高度對(duì)氣流分布的影響

2.2.1 H的影響

由圖3還可知，隨H/D（保持D不變）的增大，U1/U0在u0的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)顯著增大。H/D對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響等同于H的影響，增加H有利于U1/U0的增大。

對(duì)圖3（a）和（d）中u0＞8 m/s時(shí)不同H/D條件下的U1/U0值進(jìn)行平均，得到H/D對(duì)的影響（見(jiàn)圖4）。由圖4可知，D一定時(shí)，隨H/D的增大單調(diào)遞增，即增大H有利于U1的增大；隨H/D的增大，梯度變化表現(xiàn)為先增大后減小，并存在一個(gè)拐點(diǎn)；當(dāng)H/D進(jìn)一步增大時(shí)，增幅遞減，即H較大時(shí)對(duì)U1/U0的影響變小。

圖4 H/D對(duì)氣流分布的影響Fig.4 Effects of H/D on U1/U0.DI，d=12.0 mm，n=37；DII，d=12.0 mm，n=37

2.2.2 D的影響

由圖4還可見(jiàn)，在相同的H/D下，DI的大于DII的。由于H/D相同且DI＞DII，故HI≥HII，而預(yù)分布器側(cè)壁環(huán)隙的面積（S）為筒體圓周與H的乘積，即

故預(yù)分布器側(cè)壁環(huán)隙面積SI總大于SII，加上二者底部擋板開(kāi)孔相同，說(shuō)明筒體直徑較大時(shí)側(cè)壁環(huán)隙阻力較小，U1/U0較大；另外，DI的U1/U0變化區(qū)間較大，說(shuō)明大筒體直徑預(yù)分布器具有更大氣流分布的調(diào)節(jié)能力。

2.3 底部擋板開(kāi)孔對(duì)氣流分布的影響

2.3.1 d的影響

d對(duì)U1/U0的影響見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，開(kāi)孔面積一定，兩種開(kāi)孔直徑的U1/U0具有相似的圖形特征，重合度較高。這表明D相同、底部擋板開(kāi)孔面積相近時(shí)，U1/U0主要受H的影響，d和n的影響較小。

圖5 d對(duì)U1/U0的影響Fig.5 Effects of d on U1/U0.H/D(DI，d=12.0 mm，n=37)：0.188；0.353；0.488；0.706H/D(DI，d=19.5 mm，n=14)：1 0.188；2 0.353；3 0.488；4 0.706

2.3.2 開(kāi)孔面積的影響

開(kāi)孔面積對(duì)U1/U0的影響見(jiàn)圖6。由圖6（a）可見(jiàn)，底部擋板開(kāi)孔面積為φ12×37 mm2的U1/U0明顯大于φ12×61 mm2的U1/U0；由圖6（b）可知，底部擋板開(kāi)孔面積為φ12×61 mm2的小于φ12×37 mm2的。這說(shuō)明在相同的條件下，底部擋板開(kāi)孔面積越大，底部擋板開(kāi)孔對(duì)氣體通過(guò)的阻力越小，因此U1/U0越小，并且U1/U0的調(diào)節(jié)范圍相對(duì)較小。

圖6 開(kāi)孔面積對(duì)氣流分布的影響Fig.6 Relationship between the open area of bottom porous plate and the gas f ow distribution.φ 12×37 mm2；φ 12×61 mm2

2.4 數(shù)據(jù)回歸

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：1）不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的氣體預(yù)分布器在不同工藝條件下的氣流分布規(guī)律一致；2）在u0較大情況下，u0對(duì)U1/U0的影響較??；3）H、D和底部擋板開(kāi)孔面積對(duì)氣流分布皆有一定的影響。

根據(jù)式（2），假設(shè)U1/U0與各影響因子之間存在函數(shù)關(guān)系；并在u0較大條件下，忽略u(píng)0對(duì)U1/U0的影響。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)式（2）進(jìn)行線性回歸，并將U1/ U0的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比的結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可知，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值較吻合，最大相對(duì)偏差為3.69%。通過(guò)相對(duì)偏差分析，回歸方程計(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.64%。

圖7 回歸數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Fig.7 Comparison between regression data and experimental data.Experimental data；— Regression data

3 結(jié)論

1）當(dāng)u0＜8 m/s時(shí)，隨u0的增大，U1/U0減??；當(dāng)u0＞8 m/s時(shí)，u0對(duì)U1/U0基本上無(wú)影響。

2）底部擋板開(kāi)孔面積相同時(shí)，d和n對(duì)U1/U0的影響較小；增大H、減小底部擋板開(kāi)孔面積可提高U1/U0；相同條件下，大筒體直徑或小底部擋板開(kāi)孔面積的預(yù)分布器具有較大的氣流分布調(diào)節(jié)能力，U1/U0變化范圍較大。

3）由實(shí)驗(yàn)結(jié)果回歸得到U1/U0與結(jié)構(gòu)參數(shù)間的無(wú)因次關(guān)聯(lián)式，回歸結(jié)果準(zhǔn)確可靠，最大相對(duì)偏差為3.69%，對(duì)氣體預(yù)分布器的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

［1］ Vortmeyer D，Haidegger E. Discrimination of Three Approaches to Evaluate Heat Fluxes for Wall-Cooled Fixed Bed Chemical Reactors［J］. Chem Eng Sci，1991，46（10）：2651 - 2660.

［2］ 陳敏恒，袁渭康. 工業(yè)反應(yīng)過(guò)程的開(kāi)發(fā)方法［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1985：9 - 21.

［3］ 戴干策，任德呈，范自暉. 化學(xué)工程基礎(chǔ)［M］. 北京：中國(guó)石化出版社，1991：139 - 151.

［4］ 中國(guó)石化股份有限公司，中國(guó)石化股份有限公司上海石油化工研究院. 軸向流絕熱固定床反應(yīng)器的分布器：中國(guó)，2865844Y［P］. 2007-02-07.

［5］ 中國(guó)石化股份有限公司，中國(guó)石化股份有限公司上海石油化工研究院. 用于軸向流固定床反應(yīng)器的氣體分布器：中國(guó)，2705231Y［P］. 2005-06-22.

［6］ 中國(guó)石化股份有限公司，中國(guó)石化股份有限公司上海石油化工研究院. 軸向流固定床催化反應(yīng)器：中國(guó)，1704153 A［P］. 2005-12-07.

［7］ 浙江大學(xué). 用于正丁烷氧化制順酐的固定床反應(yīng)器的氣體預(yù)分布器：中國(guó)，103071433 A［P］. 2013-05-01.

［8］ 張至英，戴迎春，張家庭，等. 固定床反應(yīng)器內(nèi)氣流均布技術(shù)的初步研究［J］. 化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，1986，2（3）：50 - 53.

［9］ 王興敏. 固定床加氫反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］. 煉油設(shè)計(jì)，2001，31（8）：24 - 27.

［10］ 吳民權(quán)，黃發(fā)瑞. 固定床反應(yīng)器低阻氣流均布技術(shù)研究［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，1991，6（1）：130 - 136.

［11］ 鐘思青，陳慶齡，陳智強(qiáng)，等. 軸向流固定床內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［J］. 化工學(xué)報(bào)，2005，56（4）：632 - 636.

［12］ 鐘思青，童海穎，陳祎華，等. 固定床反應(yīng)器內(nèi)氣體預(yù)分布器研究［J］. 化學(xué)工程，2006，24（4）：24 - 27.

［13］ 鐘思青，童海穎，陳慶齡，等. 軸向固定床內(nèi)構(gòu)件的研究［J］. 石油化工，2004，33（6）：540 - 543.

［14］ 范玉佼，劉向軍，蔣興宇. 固定床氣體預(yù)分流器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］. 礦冶，2012，21（4）：85 - 88.

［15］ 郭湘波，王瑾. 大型軸向固定床反應(yīng)器中流體流動(dòng)的數(shù)值模擬［J］. 石油化工，2007，36（7）：705 - 711.

（編輯 李治泉）

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Influences of Structural Parameters of Gas Pre-Distributor on the Gas Flow Distribution in Large Fixed-Bed Reactor

Yu Zhinan，Zhong Siqing，Wang Li，Zhou Jing
（SINOPEC Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology，Shanghai 201208，China）

The structural parameters of a gas pre-distributor in a large f xed-bed reactor were studied. The inf uences of inlet gas velocity(u0)，tube diameter，height of side annular gap(H) and open area of bottom porous plate on outlet gas f ow distribution were investigated by cold model experiment. The experimental results indicated that the ratio of the gas f ow f ux of side annular gap to the gas f ow f ux of pre-distributor inlet(U1/U0) reduced obviously with the increase of u0when u0was less than 8 m/s，and varied a little when u0was larger. U1/U0increased signif cantly when H increased or the open area decreased. The inf uence of the hole diameter on the gas distribution was a little when the open area was unchanged. U1/U0of the gas pre-distributor with large tube diameter made was greater than that with small tube diameter. The dimensionless correlation between U1/U0and the structural parameters was obtained by means of the regression of experimental data.

gas pre-distributor；gas f ow distribution；large f xed-bed reactor

1000 - 8144（2014）07 - 0800 - 05

TQ 051

A

2014 - 02 - 28；［修改稿日期］ 2014 - 03 - 27。

俞志楠（1981—），男，浙江省寧波市人，碩士，工程師，電話 021 - 37593026，電郵 yuzn.sshy@sinopec.com。