李曉霞,吳黎濤

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

流化床反應器廣泛應用于聚乙烯、聚丙烯的生產過程，是聚合反應過程的核心設備。流化床反應器一般由筒體、分布器和擴大段三部分組成【1】。其中，為實現流化床反應器的流態(tài)化操作，分布器是必不可少的主要構件。雖然分布器在整個流化床上方的直接作用范圍僅0.2～0.3 m，然而其對反應器獲得良好的流化效果、穩(wěn)定的操作以及傳質、傳熱效果、氣泡的生成長大等過程均起著決定性的作用【2】。尤其在聚合反應過程中，如因分布器結構設計不當使得分布器上方存在顆粒不動的死區(qū)，將會引發(fā)局部過熱現象乃至出現熔融結塊【1】。

在流化床聚合反應器中，分布器的主要作用包括：1)優(yōu)化流體的分布，并使得流體通過分布器的能耗最?。?)在分布器附近形成良好的氣固接觸，使得所有粒子都處于運動狀態(tài)，從而消除死區(qū)；3)支撐數十噸到數百噸聚乙烯或聚丙烯粉料的長周期操作，尤其是在緊急停車后，需保證聚乙烯或聚丙烯粉料不會通過分布器漏入下方的氣室中。

流化床聚合反應器內的分布器有多種結構形式，例如多孔板形分布器、泡罩形分布器、錐形分布器、兩對頂圓錐組成的氣體分布器、由固定和活動分布器組成的分布器、在多孔板上安裝氣流再分布構件的分布器等【2-3】。文獻研究結果表明，多孔板上會存在死區(qū)，而死區(qū)高度隨氣體速度的增加和銳孔間距的減小會明顯降低。在多孔板上安裝氣流再分布部件，對于防止、消除死區(qū)和強化傳熱、傳質具有顯著效果【4】。一般而言，氣相聚合流化床多選用側流式的錐帽形、半圓帽形或半弧形多孔分布器。為防止聚合物顆粒沉積在分布器上，還要求錐帽連續(xù)噴氣形成氣泡。

氣體分布器的設計是流化床反應器放大設計的關鍵難題之一，本文基于某工業(yè)流化床反應器，以錐帽形多孔分布器為例，探討分布器的開孔率、壓降、孔間距等關鍵參數的設計方法。

1 設計基礎數據

本文以生產某牌號的聚烯烴流化床反應器為例進行計算。其主要參數為：分布器附近的床層表觀操作氣速U0=0.68 m/s，起始流化氣速Umf=0.12 m/s；顆粒密度ρp=921 kg/m3，堆積密度350 kg/m3，氣相密度ρg=25.1 kg/m3；起始流化時床層空隙率εmf=0.47，顆粒正常流化時床層空隙率εf=0.65；床層溫度Tb=90 ℃，分布器下部溫度Td=50 ℃；反應器壓力P=2.3 MPa；反應器直徑DT=4 m，直筒段高H=13 m，床層高度Hf=12.5 m；流化密度228 kg/m3；最大顆粒粒徑1 420 μm，平均顆粒粒徑860 μm。

2 開孔率

在分布器設計中，首先需要確定分布器的開孔率和壓降，其中開孔率是氣體均勻分布的關鍵。研究者郭慕孫【3】根據氣體分布器穩(wěn)定操作的原理，提出了分布器臨界開孔率α的概念，并將其定義為分布器的壓力降ΔPd與操作氣速無關時的分布器最大開孔率，其基本原理如圖1所示。圖1中分布器的壓力降ΔPd(單位：kg/m2)和床層的壓力降ΔPb(單位：kg/m2)之和為氣體通過流化床層的總壓力降ΔP(單位：kg/m2)。

圖1 分布器穩(wěn)定操作原理

ΔP=ΔPb+ΔPd

(1)

根據床層總壓力降隨操作氣速的變化趨勢，分布器可分為高壓降分布器、低壓降分布器和最佳壓降分布器三類。當氣速達到起始流化氣速Umf后，高壓降分布器的壓降隨操作氣速的增大而增大，低壓降分布器的壓降隨操作氣速的增大呈現先減小后增加的趨勢，最佳壓降分布器的壓降隨操作氣速的增大保持穩(wěn)定不變。

流化床反應器中采用高壓降的分布器時，床層中顆粒流化均勻，反應器系統操作穩(wěn)定，但是反應循環(huán)系統能耗較大，對于氣相聚合流化床來說是多余的能量損失，因此不宜采用高壓降的分布器。若流化床反應器采用低壓降的分布器，則部分氣體很可能以溝流和騰涌的形式通過床層，使得床層內氣體分布不均勻，導致床層易產生死區(qū)和分布器堵塞，進而影響流化床反應器的流化效果。當流化床反應器采用最佳壓降的分布器時，分布器的開孔率適中，床層的總壓降在氣速達到起始流化速度后不隨U0的增大而變化，因此分布器的操作穩(wěn)定性最好。

分布器的臨界開孔率αc的計算式為：

(2)

(3)

式中:ξ——阻力系數，對于錐帽側縫分布器，

ξ=2.0;

g——重力加速度，m/s2。

根據(2)和式(3)式可計算得出：在本設計條件下，分布器的臨界開孔率為0.023。由于實際的分布器開孔率α須小于臨界開孔率，根據工程設計經驗，該分布器開孔率取為0.020。這一數值已通過多個流化床反應器的成功運行得到了驗證，也符合一般經驗要求的開孔率范圍0.010～0.030。

3 分布器壓降

在工程設計中，流化床反應器的分布器壓降往往采用床層表觀氣速的速度頭倍數來表示，如式(4)所示。

(4)

阻力系數ξ取值范圍為1.5～2.5。對于錐帽側縫分布器，ξ=2.0。

當分布器下游無顆粒物料時，使氣體在分布器中分布均勻的最小阻力稱為分布器的臨界空床壓降(ΔPB)。當分布器下游有顆粒物料時，使流體均勻分布且流化床層具有良好穩(wěn)定性的最小壓降為分布器臨界壓降(ΔPD)，此時床層中的死床現象消失，床層中形成穩(wěn)定良好的流態(tài)化操作，氣相在分布器中也能均勻分布。將分布器的臨界空壓降比Rc定義為分布器臨界壓降(ΔPD)與分布器臨界空床層壓降(ΔPB)之比，如式(5)所示。

Rc=ΔPD/ΔPB

(5)

當床層中氣體速度逐漸增加、分布器壓降達到臨界壓降時，床層中才會出現穩(wěn)定的流化效果，因此分布器的壓降比R必須大于臨界壓降比Rc。分布器的壓降比R越大，氣體通過分布器的阻力越大，分布越均勻，但是需要的能耗越高，分布器和顆粒的磨損也相對嚴重，因此不宜采用過大的壓降比進行分布器設計。R取值范圍一般為0.1～0.4，在氣相聚合流化床分布器設計時取R≥0.3。根據上述兩種算法可得到兩個分布器壓降計算值，考慮在工業(yè)的流化床反應器中，通常床的直徑和高度較大，因此應該取其中較大值作為流化床反應器中分布器壓降的設計值。

4 開孔數、孔徑和孔間距

基于分布器上前后生成的兩個氣泡不聚并的原則，采用式(6)計算分布器上臨界開孔數Nor(最小開孔數)。

Nor=0.082g2AT/(Uo-Umf)4

(6)

式中:AT——分布器面積，m2。

根據流化床反應器內徑可以確定分布器的直徑，進而計算分布器的面積，代入式(6)即可計算分布器的臨界開孔數。在工程設計時，實際開孔數應該大于臨界開孔數，如果開孔數太少，可能會導致反應器中產生射流或者顆粒流化不充分，進而使分布器上方出現死區(qū)。

在選定分布器開孔率之后，應合理安排孔徑和孔間距，因此分布器涉及到小孔的排列方式(正三角形排列、正方形排列和同心圓排列)。根據經驗，氣相聚合流化床的分布器設計時，多采用正三角形排列。這種排列方式可以使氣流均勻且穩(wěn)定分散在流化床中，有效防止死區(qū)的形成和顆粒的沉降。同時綜合考慮機械加工需求和開孔在分布器上的排布，可確定開孔數和孔間距。對于正三角形排列，根據開孔率和開孔數、分布器面積，即可計算得到孔徑。

(7)

式中:Not——分布器開孔數;

Dt——反應器直徑,m;

dot——分布器開孔直徑,mm。

若分布器采用的孔徑過小，則顆粒容易堵塞分布器，同時造價成本高；若分布器采用的孔徑過大，則氣體通過分布器的壓降較低，導致顆粒的流化質量變差。結合多個流化床反應器的成功運行經驗，最終選擇本設計條件下的孔徑為15 mm，開孔數為1420個。

5 結論

1) 建立了氣相聚合流化床反應器錐帽形多孔分布器關鍵參數的設計方法，推薦的設計步驟為：先計算臨界開孔率，再根據推薦的壓降比計算分布器壓降，最后根據推薦的小孔排列方式及開孔率確定開孔數、孔徑和孔間距。分布器的合理設計對流化床反應器的穩(wěn)定操作至關重要，此設計方法為流化床反應器分布器的設計提供了一定的指導。

2) 利用提出的錐帽形多孔分布器的設計方案，確定實際工程設計數據與規(guī)模下(分布器直徑4 m)，分布器的開孔率為0.02，其開有1420個直徑15 mm的小孔，并按照等邊三角形排列；每個小孔上均罩有一段放置的水平半圓形錐帽，使氣流沿分布器水平噴出，以消除板上可能出現的死區(qū)，并防止顆粒落入分布器以下氣室。