氨肟化反應(yīng)釜內(nèi)擋板安裝角度的模擬及應(yīng)用

孫潔華，張曉輝

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

氨肟化反應(yīng)釜內(nèi)擋板安裝角度的模擬及應(yīng)用

孫潔華，張曉輝

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

運(yùn)用CFD軟件模擬氨肟化反應(yīng)釜內(nèi)擋板安裝角度不同時(shí)的攪拌效果，通過(guò)流場(chǎng)分析，找出擋板安裝角度對(duì)氨肟化反應(yīng)的影響，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。結(jié)果表明：在氨肟化反應(yīng)釜內(nèi)，擋板安裝角度為+30°時(shí)比安裝角度為-30°時(shí)具有更快、更均勻的混合效果，更有利于改善反應(yīng)效果；對(duì)氨肟化反應(yīng)釜進(jìn)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(jī)功率為22 kW，改造后氨肟化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性有所提高，有效提高了環(huán)己酮肟質(zhì)量，降低了裝置消耗。

環(huán)己酮肟 氨肟化反應(yīng) 反應(yīng)釜 擋板 安裝角度 模擬 應(yīng)用

氣固液攪拌槽反應(yīng)器是工業(yè)中常用的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油化工、生物醫(yī)藥等行業(yè)。2003年8月中國(guó)石化股份有限公司巴陵分公司利用中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的“單釜連續(xù)淤漿床合成環(huán)己酮肟成套新技術(shù)”，建成70 kt/a環(huán)己酮氨肟化制環(huán)己酮肟工業(yè)試驗(yàn)裝置投料開(kāi)車，實(shí)現(xiàn)氨肟化反應(yīng)工藝工業(yè)化生產(chǎn)，其以環(huán)己酮、雙氧水和液氨為原料，以叔丁醇為溶劑，應(yīng)用鈦硅分子篩為催化劑，采用淤漿反應(yīng)床進(jìn)行氨肟化反應(yīng)生成環(huán)己酮肟。若氨肟化反應(yīng)轉(zhuǎn)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)是以電子計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對(duì)流體力學(xué)的各類問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究，以解決各種實(shí)際問(wèn)題，是進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞及燃燒、多相流和化學(xué)反應(yīng)研究的核心和重要方法, 廣泛應(yīng)用于航天設(shè)計(jì)、汽車設(shè)計(jì)、生物醫(yī)藥工業(yè)、化工處理工業(yè)、渦輪機(jī)設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、HVAC&R 等諸多工程領(lǐng)域[1]。

作者運(yùn)用CFD軟件模擬氨肟化反應(yīng)釜內(nèi)擋板安裝角度不同時(shí)的攪拌效果，模擬分析了擋板安裝角度對(duì)氨肟化反應(yīng)的轉(zhuǎn)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(dǎo)裝置實(shí)際生產(chǎn)。

1 模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 氨肟化反應(yīng)機(jī)理

對(duì)鈦硅分子篩催化環(huán)己酮生成環(huán)己酮肟的反應(yīng)機(jī)理[2-3]的認(rèn)知主要以羥胺機(jī)理占主導(dǎo)地位，氨先被鈦硅分子篩催化氧化生成羥胺，羥胺再通過(guò)非催化過(guò)程直接與環(huán)己酮反應(yīng)生產(chǎn)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(yīng)速率很快[3]。

環(huán)己酮氨肟化反應(yīng)過(guò)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(guò)氧化物：

(1)

(2)生產(chǎn)羥胺：

(2)

(3)羥胺與環(huán)己酮發(fā)生肟化反應(yīng)：

(3)

(4)總反應(yīng)方程：

C6H10NOH+2H2O

(4)

此反應(yīng)屬氣固液三相反應(yīng)體系[4]，根據(jù)上述機(jī)理可以得知：影響轉(zhuǎn)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(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、反應(yīng)配料比、反應(yīng)停留時(shí)間、傳質(zhì)效果等。在催化劑濃度和性能一定的情況下，通過(guò)上述各變量的協(xié)同優(yōu)化，強(qiáng)化主反應(yīng)速度并抑制副反應(yīng)的發(fā)生是提升氨肟反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及選擇性的關(guān)鍵，而傳質(zhì)效果是控制好反應(yīng)的重要因素。

1.2 模擬條件

根據(jù)目前裝置生產(chǎn)現(xiàn)狀制定3種方案進(jìn)行考察和研究，模擬擋板的安裝角度對(duì)流場(chǎng)和混合情況的影響，具體參數(shù)見(jiàn)表1，擋板安裝角度見(jiàn)圖1。

表1 模擬技術(shù)參數(shù)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(guò)對(duì)數(shù)值模擬可以獲得攪拌器的扭矩(Tq)，通過(guò)計(jì)算獲得3種方案的攪拌功率(P)。根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)的方法獲得反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)，通過(guò)對(duì)軸向不同截面的軸向速度進(jìn)行面積積分，可以獲得釜內(nèi)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(xiàn)，擋板的安裝角度對(duì)P有一定的影響，擋板安裝角度為-30°比安裝角度為+30°時(shí)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(huì)使反應(yīng)釜內(nèi)物料的混合度降低，導(dǎo)致氨肟化反應(yīng)效果變差。

注：模擬P時(shí)由于未完全與操作工況一致，比如未考慮進(jìn)出流動(dòng)，會(huì)與實(shí)際測(cè)量結(jié)果存在差距，但不影響效果對(duì)比。

2.2 流場(chǎng)分析

通過(guò)CFD模擬得到3種方案的反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)分布見(jiàn)圖2。為了使底部的進(jìn)料和頂部的進(jìn)料能夠快速、充分混合，反應(yīng)器采用軸流攪拌器。從流型來(lái)看，流體由攪拌槳向下排出，然后由底沿壁向上運(yùn)動(dòng)形成大循環(huán)。從流場(chǎng)速度的大小分布發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)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(jìn)行接觸和反應(yīng)，也不利于催化劑循環(huán)到反應(yīng)器上部。方案3是通過(guò)增加槳葉直徑的方式來(lái)增加功率輸入，進(jìn)而增強(qiáng)反應(yīng)器上部的速度(見(jiàn)圖2c)。

圖2 3種方案的反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)分布Fig.2 Flow field distribution in reactor for three plans

2.3 擋板安裝角度對(duì)混合效果的影響

混合過(guò)程的模擬是通過(guò)添加示蹤粒子，求解示蹤粒子的輸運(yùn)方程，進(jìn)而獲得反應(yīng)器的物料混合情況。通過(guò)監(jiān)測(cè)不同位置示蹤粒子的濃度來(lái)判斷混合時(shí)間，在反應(yīng)器不同的位置來(lái)檢測(cè)示蹤粒子的濃度變化過(guò)程，8個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分布在反應(yīng)器的上中下各部位，監(jiān)測(cè)位置見(jiàn)圖3。

圖3 反應(yīng)器檢測(cè)點(diǎn)位置示意Fig.3 Schematic diagram of detection point position in reactor

物料的混合過(guò)程與流場(chǎng)相關(guān)，3種方案的物料混合過(guò)程都是從軸向下到達(dá)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(guò)程就能發(fā)現(xiàn)擋板的安裝方式對(duì)混合效果的影響。從圖4可以看出，在混合時(shí)間為5s時(shí)，方案1的示蹤粒子已經(jīng)到達(dá)了槳葉下方，接近罐底，而方案2的示蹤粒子才剛剛達(dá)到槳葉附近。這說(shuō)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(shí)比安裝角度為-30°時(shí)具有更快的混合效果。

取示蹤粒子濃度達(dá)到95%時(shí)所需的時(shí)間為檢測(cè)點(diǎn)的混合時(shí)間，3種方案8個(gè)不同位置檢測(cè)點(diǎn)的混合時(shí)間見(jiàn)表3。從表3可以發(fā)現(xiàn)，方案1和方案2上部的混合時(shí)間比較大，說(shuō)明其上部的流體流動(dòng)是比較弱的，從平均混合時(shí)間發(fā)現(xiàn)方案2的混合時(shí)間最長(zhǎng)，其次是方案1，然后是方案3。即方案3的混合時(shí)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(shí)間時(shí)擋板安裝角度對(duì)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(shí)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(yīng)用效果

2014年9月，采用方案3對(duì)裝置反應(yīng)釜進(jìn)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(yīng)釜檔板安裝角度由-30°改為+30°，攪拌電機(jī)功率由18.5 kW改為22 kW。裝置反應(yīng)釜改造后，氨肟化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率略有提升，但反應(yīng)選擇性大幅提高。具體情況見(jiàn)表4。

表4 裝置反應(yīng)釜改造前后產(chǎn)物分析指標(biāo)對(duì)比Tab.4 Analytical index contrast between products before and after reactor reformation

4 結(jié)論

a. 運(yùn)用CFD軟件模擬反應(yīng)釜內(nèi)部攪拌效果，從流場(chǎng)分析和擋板的安裝角度進(jìn)行研究，結(jié)果表明，擋板安裝角度為+30°比安裝角度為-30°時(shí)反應(yīng)釜具有更快、更均勻的混合效果，有利于改善反應(yīng)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(jī)功率由18.5 kW改為22 kW，改善了反應(yīng)效果。

c. 氨肟化反應(yīng)釜改造后，環(huán)己酮氨肟化反應(yīng)的轉(zhuǎn)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(yīng)效果，提高了環(huán)己酮肟質(zhì)量，降低了裝置的消耗。

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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(nèi)酰胺生產(chǎn)技術(shù)研究及管理。E-mail：sunjh.blsh@sinopec.com。

TQ234.2+1

A

1001- 0041(2017)02- 0055- 04