液相催化加氢釜搅拌改造设计的 CFD 研究

王炉钢 汤利亚 赵建明

（杭州原正化学工程技术有限公司，杭州 310012）

液相催化加氢釜搅拌改造设计的 CFD 研究

王炉钢 汤利亚 赵建明

（杭州原正化学工程技术有限公司，杭州 310012）

对液相催化加氢过程进行了计算流体力学（CFD）模拟计算，研究了DT 601叶轮在不同搅拌转速下的吸气速率和搅拌功耗。结果表明DT 601叶轮的吸气能力随搅拌转速的提高而增强，还存在一个最小转速，低于此转速则失去吸气能力；搅拌功耗随搅拌转速的增大而增大，在研究的转速范围内，近似成线性关系。结合改造前的搅拌配置，确定了改造后的电机功率和搅拌转速。工业应用结果表明，改造后各项技术指标均有改善，改造获得了成功。

液相催化加氢；CFD；搅拌；吸气速率；功耗

液相催化加氢技术已经在有机化工行业得到了广泛应用，例如硝基化合物加氢、羰基化合物加氢、高级脂肪酸及酯加氢和脂肪氰加氢等[1]。液相催化加氢反应体系通常包含原料、溶剂、氢气和催化剂等，多数情况下形成一个气-液-固三相体系，传质过程较复杂[2]。针对这一过程的搅拌设计中，需要同时关注固-液传质效率和气-液传质效率。

某液相催化加氢釜，改造前搅拌采用推进式叶轮（SP 306）；采用气体分布器将氢气通入釜内。SP 306叶轮外观见图1 (a)，它是一类高效的轴流型叶轮，在相同的搅拌功耗下，可以实现强烈的轴向循环流动，对于催化剂的充分悬浮是有利的。但是这类叶轮的剪切能力弱，对于反应物料在催化剂内部的扩散以及气泡的破碎是不利的。通入釜内的氢气，部分溶解在液相中参与了反应，未溶解的部分则穿过液相，排出加氢釜外。因此，该加氢釜的固-液、气-液传质效率均不高。工业生产结果也表明，该加氢釜产品收率偏低，催化剂用量偏大，以及氢气消耗量过大。

改造的思路是：选择剪切能力强的叶轮，使旋转的叶轮能够自行吸入加氢釜上部空间的氢气，在氢化釜内反复循环，并被叶轮打碎成细小的气泡。这样可以大大提高固-液相和气-液相的传质效率。改造方案在具体实施上，把SP 306叶轮改为四直叶圆盘涡轮叶轮（DT 601），DT 601叶轮外观见图1 (b)，它是一类典型的径流型叶轮，剪切能力强；把搅拌轴的下轴改为空心并且在上端（高于液位）与末端开孔，以期实现自行吸入氢气。本次改造无需重点考虑催化剂的悬浮，因其粒径很细，密度也相对较小，很容易实现充分悬浮，这已在冷模试验和工业生产过程中得到了证实。

随着CFD技术的迅速发展，通过CFD模拟的方法可以获取不同过程流体的速度场、浓度场和温度场等详细信息，很大程度上弥补了测试手段的不足，为设备的设计和优化提供指导。CFD模拟结果直观，可以节约时间和成本，已经得到了广泛的应用[3,4]。本文拟采用CFD模拟的方法指导加氢釜搅拌的改造设计。

图1 改造前后叶轮外观Fig.1 Agitators before and after reconstruction

1 加氢釜参数

加氢釜示意图见图2。加氢釜内径D=1 500 mm，液深H=1 450 mm；叶轮直径d=600 mm，位于液面以下h=1 000 mm；挡板4块均布，长度L=1 100mm，宽度w=140 mm，离釜壁间隙c=40 mm；空心轴内径b=30 mm。搅拌配备的电机功率为18.5 kW，搅拌转速为210 r/min。

液相密度950 kg/m3，黏度0.01 Pa·S。催化剂密度2 710 kg/m3，平均粒径0.75 mm。氢气理论消耗量为8.2 kg/批。

图2 加氢釜尺寸参数示意图Fig.2 Parameters of the reactor

2 CFD模拟计算

2.1 计算模型

采用欧拉-欧拉双流体模型[5,6]来模拟气液两相流，模型基本方程包括质量守恒方程和动量守恒方程，因不考虑温度变化，故不包括能量守恒方程。假设气相为不可压缩、大小均匀的球形，不考虑气泡的凝并和破碎，也不考虑两相间的质量和能量传递。在保证计算精度的前提下，相间作用力仅考虑曳力。采用标准k-ε双方程模型封闭守恒方程。

边界条件的设定。设定气相入口为压力进口，出口为压力出口。反应釜内壁、挡板、搅拌轴和搅拌器等均选用壁面边界条件，其中反应釜内壁和挡板定义为静止壁面条件，搅拌器和搅拌轴定义为运动壁面条件且相对于旋转坐标系的运动速度为零。

2.2 计算方法

采用有限体积法离散守恒方程，将偏微分方程格式的守恒方程转化为代数方程组，离散采用二阶迎风差分格式。压力和速度间的耦合采用SIMPLE算法。采用多重参考系法（MRF）来处理运动的桨叶和静止的槽壁之间的相互作用。

本加氢釜在整个计算区域范围内均采用非结构化四面体网格进行离散。为保证计算精度，对桨叶和搅拌轴区域作了网格加密处理。为考察计算结果的网格无关性，对搅拌转速为210 r/min的工况，划分网格总数分别为1 168 786和1 592 183时的吸气量和搅拌功耗进行了研究。结果发现，计算出的吸气量和搅拌功耗变化幅度小于3 %。结合计算机的计算能力，确定采用1.2×106左右的网格数。

3 结果与讨论

3.1 吸气原理分析

当叶轮以较高转速旋转时，会使周围局部区域的液体动能增加而压力能减少，从而形成负压区。从DT 601叶轮的流型来看，其典型流型是液体以较高速度从叶轮排出，以叶轮为界形成上、下两个流动循环。其中下循环受到了釜底形状的影响，形成了空位状态，则会加强负压程度。在进气口处与叶轮下方的压差推动下，液面上方的气体由空心轴上端开孔处自行吸入，沿空心轴向下，并由末端开孔处排出。图3是搅拌转速为210 r/min时的压力云图。由图3可见，在叶轮的正下方有一个显著的负压区。

图3 搅拌转速为210 r/min时的压力云图Fig.3 Contours of pressure under the rotation speed of 210 r/min

3.2 吸气速率和搅拌转速的关系

（2）开设专业英语课程时机的愿望。在希望开设课程的学生中，有586人（36.3%）认为大一开设合适，647人（40.2%）认为大二开设合适，299人（18.6%）认为大三开设合适，53人（3.3%）认为大四开设合适，26人（1.6%）认为大五及以后开设合适。

吸气速率和搅拌转速的关系见图4。图中可见，搅拌转速越高，吸气能力越强。图中还可见，存在一个最小转速，当低于此转速时，吸气能力为零。这是因为氢气要自行吸入加氢釜，需要克服叶轮处与液面处之间的静液柱压力，以及出气口处的阻力。随着搅拌转速的增大，空心搅拌轴中的气液界面将逐渐下降，直到氢气从末端开孔处排出。

应当注意的是，吸气能力并非越强越好。一方面吸气能力强意味着搅拌转速高，即搅拌功耗大。另一方面，当吸入的气量过大时会形成气穴，甚至叶轮被大团的气体所包裹，严重影响气-液传质效率。

图4 吸气速率和搅拌转速的关系Fig.4 Relationship between spiratory speed and rotation speed

3.3 搅拌功耗和搅拌转速的关系

搅拌功耗可以通过下式求得

式中 P—搅拌功耗，W；

N—搅拌转速，rad/s；

M—扭矩，N·m。

通过CFD模拟计算可以得到叶轮的扭矩值，从而由式（1）计算得到搅拌功耗。

图5 搅拌功耗和搅拌转速的关系Fig.5 Relationship between power consumption and rotation speed

4 工业应用

基于CFD模拟计算结果，结合改造前的搅拌配置，确定电机功率为18.5 kW，搅拌转速为210 r/min。这样原搅拌系统中电机、减速机等均可利用，只需更换搅拌轴下轴及叶轮。将改造之后的搅拌方案进行工业应用。改造前后各选取三个批次的加氢反应作对比，各项技术指标情况见表1。表中可见，在反应时间相同的前提下，改造后催化剂用量减少，产品收率提高，氢气消耗量更是显著减少，从而大大提升了经济效益。

表1 改造前后的技术指标对比Tab.1 Technical parameters before and after reconstruction

5 结束语

（1）本次改造用剪切型叶轮替代循环型叶轮，以促进反应物料在催化剂内部的扩散以及气泡的破碎。

（2）本次改造将搅拌器改造成具有自行吸入氢气的能力，大大提高了气-液传质效率。DT 601叶轮的吸气能力随搅拌转速的提高而增强；存在一个最小转速，低于此转速则失去吸气能力。

（3）搅拌功耗随搅拌转速的增大而增大，在本文研究的转速范围内，近似成线性关系。

（4）设计液相催化加氢过程的搅拌，需要同时关注固-液传质效率和气-液传质效率。以此为指导思想对原搅拌器进行改造设计，改造后各项技术指标均有改善，改造获得了成功。

[1]张超林.硝基苯液相催化加氢制苯胺技术进展[J].现代化工，2007，12：11-14.

[2]王春云，李明东.加氢操作反应机理及装置功能特性[J].化肥设计，2008，46(6)：11-15.

[3]王伟.折叶涡轮桨搅拌器流型及温度分布数值模拟[J].化工机械，2011，38(5)：597-599.

[4]张德安，张仂.计算流体力学(CFD)在制盐行业中的应用及前景[J].盐与化工，43(8)：8-14.

[5]Lahey R T；Drew D A.On the Development of Multidimensional Two-Fluid Models for Vapor/Liquid Two-Phase Flows[J].Chem.Eng.Comm.，1992，118：125-139

[6]Hua J S，Wang C H.Numerical Simulation of Bubble Driven Liquid Flows[J].Chem.Eng.Sci.，2000，55(19)：4159-4173

《化工与医药工程》征稿启示

《化工与医药工程》（CN31－2101/TQ）（原《医药工程设计》）创刊于1980年，是经国家科技部、国家新闻出版广播电影电视总局正式批准，面向国内外公开发行的专业技术期刊。由中国石油化工集团公司主管，中石化上海工程有限公司主办。本刊征稿的具体范围为：

化工工艺与工程化工工艺、工艺系统及过程控制的研究、开发与设计；工厂设计与优化（包括设备与装置布置、配管工程与土建工程）

医药工艺与工程医药工艺、工艺系统及过程控制的研究、开发与设计；工厂设计与优化（包括设备与装置布置、配管工程与土建工程以及洁净厂房的GMP认证）

装备应用与研究装备（包括机械、设备、仪表及控制系统、电气等）技术应用与研究

HSE与节能减排环境保护、三废处理、噪音控制与防护；过程安全风险的识别与控制、劳动安全与防护；职业卫生与防护；过程与装备的节能与减排

综述与专论专题介绍、分析以及探索类文章

欢迎各高校、工程公司、设计院、生产企业的师生、技术人员投稿。

投稿邮箱cpe.ssec@sinopec.com

常务副主编邮箱kebao666@126.com chenkebao.ssec@sinopec.com

CFD Study of Reconstruction of Agitating System for Liquid Phase Catalytic Hydrogenation Vessel

Wang Lugang, Tong Liya, Zhao Jianming
（Hangzhou Yuanzheng Chemical Engineering Technology and Equipment Co., Ltd.Hangzhou, 310012）

By using computational fluid dynamics (CFD), the catalytic hydrogenation process in liquid phase was simulated.The inspiration rate and the power consumption of the agitator DT 601 were studied under different rotation speed.The results showed that the inspiration capacity of DT 601 would increase with the increase of the rotation speed.A minimum rotation speed existed, under which the inspiration capacity disappeared.The power consumption would also increase with the increase of the rotation speed, and both of them have approximate linear relation with rotary speed.Taking account of the former agitation configuration, the motor power and the rotation speed were determined.It has been shown from industrial application that various technical parameters were found to be improved after the reform.That meant the technical reconstruction was successful.

catalytic hydrogenation in liquid phase； CFD； agitation； inspiration speed； power consumption

TQ 051.7

：A

：2095-817X（2015）02-0001-004

2015-02-09

王炉钢（1979—），男，工程师，从事化工工艺及设备的设计。