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  • ISSN 1006-3080
  • CN 31-1691/TQ
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扭曲片强化裂解炉管多尺度混合特性分析

    作者简介: 柏德鸿(1990-),男,江苏扬州人,博士生,主要研究方向为反应过程计算与优化、反应器设计开发。E-mail:Dehongbaiecust@163.com;
    通讯作者: 赵玲, zhaoling@ecust.edu.cn
  • 中图分类号: TQ021.4

Analysis of Multi-scale Turbulent Mixing Character of Cracking Coil with Twisted Tape

    Corresponding author: Ling ZHAO, zhaoling@ecust.edu.cn
  • CLC number: TQ021.4

  • 摘要: 采用耦合丙烷裂解自由基动力学,对装有扭曲片的裂解炉管中的反应流体进行了模拟计算,深入分析了不同尺度的流体混合特性与结焦速率及产物分布之间的相互作用。计算结果表明,相比于空炉管,扭曲片强化炉管虽然压力损失增加5.31%,但在扭曲片下游轴向与炉管总长度之比为0.228截面处湍动能提高39.6%,全管平均特征微观混合时间仅为空炉管时对应值的1.72%,表明扭曲片对裂解过程有较好的介观和微观混合强化作用。该混合强化作用提高了管内场分布协同性,使得努赛尔准数(Nu)和史伍德准数(Sh)分别提高7.50%和2.34%,烯烃收率提高5.88%,管壁平均温度下降24.01K。旋流产生的径向分速度提高了近壁区湍动程度,使得扭曲片强化炉管径向距离(r)与炉管半径(R)之比(r/R)为0.993处的流体停留时间比空管时的对应值降低53.01%,缓解了近壁高温区流体的过度裂解结焦。此外,扭曲片强化炉管微观尺度上的混合强化促使管内达到分子尺度均匀的反应区域比空炉管增大了5.29%,解释了烯烃收率提高的原因。
  • 图 1  扭曲片几何结构示意图

    Figure 1.  Geometry structure of twisted tape

    图 2  空炉管(a)和扭曲片强化炉管(b)示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of bare coil (a) and coil with twisted tape (b)

    图 3  (a)油气混合物经过扭曲片后流线分布图;(b)Z/L=0.228位置处径向截面速度云图

    Figure 3.  (a) Flow pattern of cracking mixture fluid after passing through the twisted tape; (b) velocity contour for coil with twisted tape at Z/L=0.228

    图 4  两种炉管Z/L=0.228处径向速度分布

    Figure 4.  Radial velocity distribution for two coils at Z/L=0.228

    图 5  扭曲片下游Z/L=0.228截面处湍动能分布图

    Figure 5.  Turbulent kinetic energy distribution in the downstream of twisted tape at Z/L=0.228

    图 6  r/R=0.993处空炉管和扭曲片强化炉管的离集系数沿轴向分布趋势图

    Figure 6.  Xs variation trend at r/R=0.993 along the flowing direction for bare coil and coil with twisted tape

    图 7  空炉管和扭曲片强化炉管在Z/L=0.228处温度梯度沿径向分布

    Figure 7.  Temperature gradient for bare coil and coil with twisted tape at Z/L=0.228

    图 8  空炉管和扭曲片强化炉管在扭曲片下游Z/L=0.228处传热协同角(a)和传质协同角(b)余弦值沿径向分布趋势

    Figure 8.  Cosine value of heat transfer synergy angle (a) and mass transfer angle (b) for the bare and coil with twisted tape at Z/L=0.228

    表 1  空炉管和扭曲片强化炉管观测精度和网格收敛指数

    Table 1.  Observed precision and grid convergence index of bare coil and coil with twisted tape

    TypeGrid levelPressureVelocity
    pobsIGC/%pobsIGC/%
    Bare coilI (305 088)1.924.821.723.31
    II (487 740)1.923.171.722.66
    III (885 388)1.922.341.721.69
    IV (1 279 744)1.921.821.721.48
    Coil with twisted tapeI (874 336)1.837.121.617.19
    II (1 163 261)1.835.291.613.70
    III (1 401 079)1.832.111.611.33
    IV (1 818 209)1.831.491.611.18
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    表 2  空炉管和扭曲片强化炉管传递过程强化评价指标

    Table 2.  Transfer enhancement evaluation for bare coil and coil with twisted tape

    Type$\Delta p$NuShNu/fSh/fFPECY/f
    Bare coil28 845.5664.51139.782 734.635 925.391.0020.54
    Coil with twisted tape30 375.8769.35143.052 772.455 718.731.0520.62
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    表 3  相同转化率下空炉管和扭曲片强化炉管烯烃收率和选择性对比

    Table 3.  Y and S of olefin for bare coil and coil with twisted tape under the same conversion rate

    TypeY/%S/%
    C2H4C3H6C2H4C3H6
    Bare coil31.7516.7141.8222.00
    Coil with twisted tape32.1319.1842.3325.27
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-15
  • 网络出版日期:  2019-07-09

扭曲片强化裂解炉管多尺度混合特性分析

    作者简介:柏德鸿(1990-),男,江苏扬州人,博士生,主要研究方向为反应过程计算与优化、反应器设计开发。E-mail:Dehongbaiecust@163.com
    通讯作者: 赵玲, zhaoling@ecust.edu.cn
  • 华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,上海 200237

摘要: 采用耦合丙烷裂解自由基动力学,对装有扭曲片的裂解炉管中的反应流体进行了模拟计算,深入分析了不同尺度的流体混合特性与结焦速率及产物分布之间的相互作用。计算结果表明,相比于空炉管,扭曲片强化炉管虽然压力损失增加5.31%,但在扭曲片下游轴向与炉管总长度之比为0.228截面处湍动能提高39.6%,全管平均特征微观混合时间仅为空炉管时对应值的1.72%,表明扭曲片对裂解过程有较好的介观和微观混合强化作用。该混合强化作用提高了管内场分布协同性,使得努赛尔准数(Nu)和史伍德准数(Sh)分别提高7.50%和2.34%,烯烃收率提高5.88%,管壁平均温度下降24.01K。旋流产生的径向分速度提高了近壁区湍动程度,使得扭曲片强化炉管径向距离(r)与炉管半径(R)之比(r/R)为0.993处的流体停留时间比空管时的对应值降低53.01%,缓解了近壁高温区流体的过度裂解结焦。此外,扭曲片强化炉管微观尺度上的混合强化促使管内达到分子尺度均匀的反应区域比空炉管增大了5.29%,解释了烯烃收率提高的原因。

English Abstract

  • 热裂解过程是目前乙烯生产的主流工艺,管式裂解炉是其核心装置。由于管式裂解炉裂解过程的操作温度高达900~1 200 K[1],导致其能耗巨大(占整个工艺过程总能量的65%[2])。因此,提高乙烯裂解炉能效,实现乙烯装置的节能、高效、环保运行,对降低生产成本,提高社会经济效益具有重要意义。

    结焦是影响裂解过程能效的关键问题之一。重组分物质沉积在炉管内壁增大热阻,使得炉管外壁热负荷不得不逐步增大以维持管内油气的裂解深度,造成能耗上升。并且,累积在管壁上的结焦层缩小了炉管有效内径,造成额外的压力损失并影响裂解原料处理量。基于流场调控优化原理[3-4],工业上已开发出一系列异形管和内构件强化炉管以缓解裂解过程结焦问题,实现延长操作周期和提高能效的目的。扭曲片是强化裂解过程常用的内构件,在延长操作周期和强化传热方面效果明显[5-11]。前人已开展了大量的实验[12-13]和数值模拟工作[14-17]研究扭曲片引起的流动、传热和反应特性变化。王国清等[18]在工业裂解炉上安装扭曲片验证其抑制结焦性能,实验结果表明扭曲片使得压力损失增大20%~30%,炉管内壁温度下降20 K以上。侯晶晶等[19]模拟了在炉管上安装不同数量的扭曲片后管内流动和传热情况变化,计算结果表明扭曲片诱发的旋流能够减弱边界层传热强化,安装4组扭曲片后,乙烯收率比空管提高8.9%。前人的这些研究结果证实了扭曲片对裂解过程的传热强化效果,但对于扭曲片炉管的多尺度混合特性以及混合强化与裂解反应之间的相互影响提及较少。

    热裂解反应速率极高,是典型的混合控制过程。其特征反应时间和特征混合时间的比值小于1%,即使在850 ℃以上的高温操作条件下,该比值也不超过5%[20]。因此,强化混合对提高裂解过程表观反应速率有重要影响。混合过程按照尺度差异可划分为宏观、介观和微观三个层次:宏观混合与设备特征尺度上的宏观流动有关;介观混合借助湍流的脉动特性实现涡团间的聚并和破碎;微观混合则是通过涡团被剪切破碎至最小的Kolmogrov涡后所发生的进一步卷吸、变形和分子扩散过程[21]。由于反应是发生在分子尺度上,故包含分子扩散影响的微观混合会对反应速率产生直接影响,而宏观和介观混合则通过改变周围环境浓度,对反应过程产生间接影响。扭曲片引起的湍流场的改变必影响炉管内的介观、微观混合特性,使得结焦反应和产物分布发生变化。工业裂解炉的实验结果已表明,在相同操作条件下安装3个扭曲片的炉管其乙烯收率提高5.49%,在相同乙烯收率条件下原料处理量增加10%[22]。本文在前人研究基础上,通过定量分析裂解过程的微观/介观尺度混合行为,进一步明确湍流场中产物分布改善的原因,从而阐明混合强化和裂解反应之间的相互作用关系,为强化元件的结构设计提供依据。

    本文将详细的丙烷裂解自由基动力学与流动方程耦合,模拟和比较了空管和扭曲片强化炉管中的流动、传递和反应特性。在此基础上,从介观、微观混合角度综合评价了扭曲片的强化特性,并解释了安装扭曲片后结焦抑制和产物分布改善的原因。

    • 为分析安装扭曲片后炉管径向截面场分布特征,建立了稳态条件下炉管的三维模型。包括质量、能量、动量守恒方程和组分输运方程:

      其中x表示空间位置,下标ijk代表三维空间的不同方向;fi表示各方向上的单位质量重力分量,本文中炉管沿z方向水平放置,故fx=0,fy=g=9.81 N/kg,fz=0;$\nabla $为哈密顿算子;Ri表示组分i的表观反应速率;${\delta _{i,j}}$为克罗尼克尔函数,定义为:

      其中$h_j$j物质的焓,${\tau _{ij}}$为剪切应力,$S_{\rm h}$为反应热,EJj分别表示单位质量流体总能量、单位质量扩散通量,定义分别如式(6)和式(7)所示。

      其中Yi为组分i的质量分数,Sc为斯密特准数,Di,m表示质量扩散系数,DT,i表示温度扩散系数。

      Ri体现了湍流混合对反应的影响,通过涡耗散概念(EDC)模型求解获得[23]

      式中${\tau ^ * }$${\varepsilon ^ * }$分别表示达到分子尺度混合均匀的量纲为一的良好尺度和在良好尺度内发生反应经历的时间:

      其中$\nu $为运动黏度,$\varepsilon $为湍流耗散率。模型参数${{{C}}_\xi }$${{{C}}_\tau }$分别为2.137 7、0.408 2。参数$Y_i^*$表示良好空间内按照本征反应速率发生反应后物质i的质量分数,按照式(11)计算。

      其中ci,0c0分别表示i组分和反应原料初始浓度;$R_i^ * $i物质的本征反应速率,可表示为涉及组分i的各反应速率加和,如式(12)所示。

      ${\gamma _{i,k}}$为反应动力学第k个反应中组分i的化学计量系数,Rk为根据指前因子、活化能计算的阿仑尼乌斯速率:

      联立式(8)~(13),将1.2节所述的动力学与表观反应速率Ri联系起来,联立控制方程进行求解。

      为封闭控制方程(1)~(4),使用RNG k-ε湍流模型计算湍流黏度:

      湍流黏度按照式(16)求得:

      其中,模型参数${{{C}}_1 }\text{、}\;{{{C}}_2 }\text{、}\;{{{C}}_\mu }$${\sigma _k}\text{、}\;{\sigma _\varepsilon }$分别为1.44、1.68、0.084 5、1.0和1.3[24]

      根据各组分的物性特征,其比热容、导热系数和黏度均定义为温度的函数[25]。两组分相对扩散系数通过分子运动理论计算,组分在混合物中的扩散系数根据式(17)求得:

    • 使用Sundaram[26]提出的丙烷裂解自由基动力学模拟反应过程,该动力学由18种分子和11种自由基组成,包含80个独立的基元反应。本课题组前期的研究已证明使用该裂解动力学可获得较准确的乙烯和丙烯含量[27],满足本文探究烯烃收率变化的研究需求。

    • 计算所用空炉管的尺寸引用自实际工业生产中的毫秒炉管[28]。所用扭曲片结构如图1所示,扭曲比为2。为充分发挥扭曲片的作用,将其安装在炉管轴向位置(Z)与总长度(L)之比(Z/L)为0.218位置处,如图2所示。该位置的选择是基于空炉管的模拟结果,扭曲片对局部反应速率具有提升作用,选取轴向丙烷裂解速率衰减点作为扭曲片安装位置[27]

      图  1  扭曲片几何结构示意图

      Figure 1.  Geometry structure of twisted tape

      图  2  空炉管(a)和扭曲片强化炉管(b)示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of bare coil (a) and coil with twisted tape (b)

      考虑到扭曲片复杂的曲面造型,使用非结构网格进行填充,优化旋转曲面边上的节点排布以保证非结构网格质量在0.3以上。炉管部分则使用结构网格进行空间离散。

    • 空炉管和扭曲片强化炉管的操作条件均引用自工业实际工况[27-28]。炉管进口边界条件设置为质量进口类型,流量为0.043 62 kg/s,裂解原料稀释比为0.325($m_{{\rm H_2}{\rm O}}/m_{{\rm C_3}{\rm H_8}}\!$),进口温度903.7 K。出口设置为压力出口边界,出口压力205.7 kPa(绝压)。管壁为无滑移壁面。炉管壁面上通过自定义函数(UDF)给定轴向热通量分布,该分布根据实际操作条件耦合炉膛计算获得[28]

      综合考虑计算速度和稳定性,本文使用Coupled算法求解建立的控制方程组。除压力项使用二阶精度离散格式,其他项均采用二阶迎风格式。除能量和组分输运方程的残差设定为10−9以外,其他方程的迭代残差均设定为10−6。监控炉管出口截面处丙烷的质量分数,当变化波动小于0.1%时认为数值求解过程获得收敛解。

    • 为确保流场模拟计算数据的可靠性,必须进行模型验证和网格无关性检验。前期研究工作已通过对比工业实验数据和模拟结果得到证明,利用数学模型计算得到的C2H4和C3H6收率与其实验值误差分别为1.17%和0.41%,表明模型对丙烷裂解过程有良好的适用性[27]

      另外,为保证模拟计算获得的是网格无关解,在4种不同网格密度下分别对空炉管和扭曲片强化炉管作对比计算。通过网格收敛指数(IGC)验证网格无关性,使用观测精度pobs表征模拟结果的总体误差等级。IGC定义如下[29-30]

      其中Fs为安全系数,取常数值1.25;${\phi _0}$表示经最小二乘回归获得的取样位置处的真实值;${\phi _i}$表示第i水平网格取样位置处的模拟值;ri表示网格特征尺寸比,定义为:

      其中hi为第i水平网格的特征尺度,Ni为第i水平网格数量。

      图2(a)炉管中心轴线Z/L=0.5位置处的压力和速度模拟结果,进行不确定性分析。IGCpobs计算结果如表1所示,pobs均满足$0.5 \leqslant p_{\rm {obs}} \leqslant 2.0$,因此获得的数值解是具有一定计算精度的单调收敛解[30]。由于模拟时选择的是二阶或二阶迎风离散格式,因此pobs值均符合理论预期。IGC本质上是不同水平网格之间计算结果的相对误差。由表1可见随着网格的加密,空炉管和扭曲片强化炉管第IV水平网格的IGC值均小于2%,表明不同数量网格之间的速度和压力模拟值已经基本接近,此时所获得的数值解是网格无关的。

      TypeGrid levelPressureVelocity
      pobsIGC/%pobsIGC/%
      Bare coilI (305 088)1.924.821.723.31
      II (487 740)1.923.171.722.66
      III (885 388)1.922.341.721.69
      IV (1 279 744)1.921.821.721.48
      Coil with twisted tapeI (874 336)1.837.121.617.19
      II (1 163 261)1.835.291.613.70
      III (1 401 079)1.832.111.611.33
      IV (1 818 209)1.831.491.611.18

      表 1  空炉管和扭曲片强化炉管观测精度和网格收敛指数

      Table 1.  Observed precision and grid convergence index of bare coil and coil with twisted tape

    • 图3给出了扭曲片及其下游流线分布图和Z/L=0.228截面处速度分布云图。从图3(a)(b)中可见,流体经过扭曲片时被内部曲面分成两股,在扭曲片下游形成两个旋转方向相反的流股,速度高达102 m/s数量级。这两个流股在扭曲片下游径向截面上形成两个对称的旋转中心,如图3(b)所示。两旋转中心依靠速度差卷吸周围流体,促进近壁区低速流体和炉管内部较高速流体之间的混合,增强近壁区湍动程度并破坏速度边界层,减小速度梯度,提高径向截面上场分布均匀性。流线经扭曲片后,两股密集的流线在扭曲片下游交替缠绕,使其作用范围得以延伸。

      图  3  (a)油气混合物经过扭曲片后流线分布图;(b)Z/L=0.228位置处径向截面速度云图

      Figure 3.  (a) Flow pattern of cracking mixture fluid after passing through the twisted tape; (b) velocity contour for coil with twisted tape at Z/L=0.228

      图4所示为空炉管和扭曲片强化炉管在Z/L=0.228位置处的径向速度分布。由图4(a)可见,空炉管内油气混合物沿轴向流动,径向分速度平均值为$2.13 \times {10^{ - 4}}\;{\rm{m/s}}$,与轴向主流速度(平均值75.48 m/s)相比数量级很小,需要增大径向分速度以强化径向混合。由图4(b)可见,在Z/L=0.228截面上扭曲片强化炉管中的平均径向分速度比空炉管提高了近1 500倍。诱导产生的径向分速度提高了截面上的湍动程度,将有助于涡团之间的聚并和破碎。此外,由于旋转流动是在管中心处的扭曲片曲面上产生,故靠近炉管中心区域产生的径向速度分量较大,该速度在向管壁流动发展过程中逐渐衰减。因此,扭曲片对管中心区域的强化能力较高而对近壁区域强化能力相对较弱。

      图  4  两种炉管Z/L=0.228处径向速度分布

      Figure 4.  Radial velocity distribution for two coils at Z/L=0.228

    • 介观混合效果与流场中涡团的聚并、破碎行为相关,受到湍流剧烈程度的直接影响。提高湍流程度有助于促进涡团之间的浓度、温度和速度交换,实现介观混合强化的目标。介观混合效果可用湍动能数值的大小来评价[31]。扭曲片强化炉管下游截面上的湍动能分布如图5所示。旋流造成管中心高速流体和近壁区低速流体之间的换位流动,提高了近壁区湍动程度,有利于该区域的传热和传质强化。在Z/L=0.228径向截面上,扭曲片强化炉管的湍动能比空炉管相同位置处的湍动能提高了39.6%,体现了较好的介观混合强化特性。

      图  5  扭曲片下游Z/L=0.228截面处湍动能分布图

      Figure 5.  Turbulent kinetic energy distribution in the downstream of twisted tape at Z/L=0.228

      微观混合是在介观混合破碎产生的小涡基础上进一步发生卷吸、变形和分子扩散的过程。油气混合物要达到分子尺度上的均匀最终需依靠微观混合来实现。本文选择特征微观混合时间和离集系数两种指标,从微观混合速率和产物分布两个角度对裂解过程的微观混合效果进行评价。特征微观混合时间$({t_{\rm{M}}})$定义如下[21]

      ${t_{\rm{M}}}$是一种直接评价指标,${t_{\rm{M}}}$越小表明微观混合速率越快。根据式(21)可得,在相同操作条件下扭曲片强化炉管的${t_{\rm{M}}}$仅为空炉管${t_{\rm{M}}}$的1.72%,证明加入扭曲片后可显著改善微观混合强化效果。考虑到混合是裂解过程的控制步骤,因此强化裂解过程的介观、微观混合,有利于提高表观反应速率。

      离集系数是评价微观混合效果的间接指标,体现了微观混合对反应过程选择性的影响。在本文中,裂解原料是C3H8和H2O,目标产物为C2H4和C3H6,其他生成物为副产物,则离集系数(Xs)定义为:

      可见,较小的离集系数值预示着副产物收率降低,表明微观混合提高了目标产物的选择性。在径向距离(r)与炉管半径(R)之比(r/R)为0.993位置处空炉管和扭曲片强化炉管的离集系数沿轴向分布趋势如图6所示。由图6可见,在相同操作条件下扭曲片强化炉管的离集系数均小于空炉管离集系数,其离集系数的平均值比空炉管离集系数平均值下降3.90%,表明扭曲片强化了裂解过程的微观混合效果,目标产物烯烃选择性获得了改善。

      图  6  r/R=0.993处空炉管和扭曲片强化炉管的离集系数沿轴向分布趋势图

      Figure 6.  Xs variation trend at r/R=0.993 along the flowing direction for bare coil and coil with twisted tape

    • 空炉管和扭曲片强化炉管的传递过程评价指标计算结果如表2所示。其中,FPEC为综合传热强化因子,可表征传热强化效果的效率,定义如式(23)所示。

      Type$\Delta p$NuShNu/fSh/fFPECY/f
      Bare coil28 845.5664.51139.782 734.635 925.391.0020.54
      Coil with twisted tape30 375.8769.35143.052 772.455 718.731.0520.62

      表 2  空炉管和扭曲片强化炉管传递过程强化评价指标

      Table 2.  Transfer enhancement evaluation for bare coil and coil with twisted tape

      其中,Nu0f0分别为空炉管的努赛尔准数和阻力系数。另外,通过烯烃收率(Y)和阻力系数(f)的比值(Y/f)表征烯烃收率提高和阻力上升的相对趋势。在相同操作条件下,扭曲片强化炉管相比空炉管阻力损失增加5.31%,但其努赛尔准数和史伍德准数分别提高7.50%和2.34%,证明其传热、传质效果均获得提升。此外,扭曲片强化炉管的FPEC值比空炉管FPEC值增加5.00%,而Sh/f下降3.49%,表明相对于阻力损失,传热效果的增幅更大,传质强化增幅相对较小。在强化传热、传质的共同作用下,扭曲片强化炉管的Y/f比空炉管提高0.39%。考虑到热裂解工艺产量巨大,提高烯烃收率可获得可观的经济效益,因此一定量的阻力损失是值得的。

    • 由于裂解过程的强耦合特性,扭曲片重新分配了管内的流场,强化了介观/微观混合,必然导致产物分布的改变。表3所示为在相同转化率条件下烯烃收率(Y)和选择性(S)计算结果。

      TypeY/%S/%
      C2H4C3H6C2H4C3H6
      Bare coil31.7516.7141.8222.00
      Coil with twisted tape32.1319.1842.3325.27

      表 3  相同转化率下空炉管和扭曲片强化炉管烯烃收率和选择性对比

      Table 3.  Y and S of olefin for bare coil and coil with twisted tape under the same conversion rate

      在相同转化率条件下,扭曲片强化炉管中C2H4的收率和选择性分别小幅增加1.20%和1.22%,C3H6的收率和选择性提升效果较为显著,分别比空炉管提高14.78%和14.86%,烯烃总收率提高5.88%。表明扭曲片混合强化对裂解产物分布有较好的改善效果。在扭曲片混合强化作用下,C2H4和C3H6的净生成速率分别比空炉管提高3.97%和10.34%。其中,对乙烯生成速率贡献最大的基元反应为${{\rm{C}}_3}{\rm{H}}_7 \cdot \to $${{\rm{C}}_2}{{\rm{H}}_4} + {\rm{C}}{\rm{H}}_3 \cdot $,占乙烯净生成速率的8.83%。对丙烯生成速率贡献最大的基元反应为2-$ {{\rm{C}}_3}{\rm{H}}_7 \cdot \to {{\rm{C}}_3}{{\rm{H}}_6} + {{\rm{H}} }\cdot $,占其净生成速率的72.38%。因此,扭曲片微观混合强化主要是促进了上述两个反应发生,从而增加乙烯和丙烯的收率。

      扭曲片的加入同样会对结焦反应产生影响。工业实际生产中,炉管壁面温度的变化是监测结焦情况的最直观指标。在相同操作条件下,安装扭曲片炉管的管壁平均温度比空炉管下降24.01 K,表明扭曲片强化炉管内壁结焦情况得到改善。Plehiers等[32]在大量实验基础上总结出结焦速率估算的经验模型,该模型认为结焦速率(Rcoke)和结焦前驱体的净生成速率(rc,i)之间存在加和关系,定义如下:

      基于式(24),扭曲片强化炉管的壁面平均结焦速率比空炉管降低70.04%,体现了较好的抑制结焦效果。

    • 扭曲片强化炉管具有抑制结焦和改善产物分布作用的本质原因都可归结于其对混合效果的强化。扭曲片通过一定的压力损失重构管内流场,提升介观和微观混合效果,使得管内温度、速度和浓度分布均匀性提高。以Z/L=0.228截面处的温度梯度分布为例(图7),扭曲片显著降低了径向截面上的温度梯度,其近壁区的最大温度梯度比空炉管下降了92.69%,获得了更均匀的温度分布,有利于实现炉管内传热、传质的协同强化。分别采用式(25)和式(26)[33-36]计算传热协同角(${\theta_{{\rm{heat}}}}$)和传质协同角(${\theta_{{\rm{mass}}}}$),以表征扭曲片下游Z/L=0.228截面处协同性变化,分布趋势如图8所示。

      图  7  空炉管和扭曲片强化炉管在Z/L=0.228处温度梯度沿径向分布

      Figure 7.  Temperature gradient for bare coil and coil with twisted tape at Z/L=0.228

      图  8  空炉管和扭曲片强化炉管在扭曲片下游Z/L=0.228处传热协同角(a)和传质协同角(b)余弦值沿径向分布趋势

      Figure 8.  Cosine value of heat transfer synergy angle (a) and mass transfer angle (b) for the bare and coil with twisted tape at Z/L=0.228

      图8表明在扭曲片强化炉管下游Z/L=0.228径向截面处的传热和传质协同角余弦值均大于空炉管相应值,其平均值分别是空炉管平均值的11.47倍和12.55倍。可见扭曲片重构后的流场内速度和温度梯度、浓度梯度的夹角更小,扭曲片强化炉管内传热、传质获得强化的原因在于场分布协同性的提高。

      进一步利用涡耗散概念(EDC)单元体积分率评价湍流场中分子尺度上的混合程度。EDC单元体积分率定义为分子均匀混合区域体积占计算域总体积的分数。经计算可知,扭曲片强化炉管的EDC单元体积分率为41.97%,相比空炉管提高5.29%,这是由于前者有效反应区域的增大促使了烯烃收率的提高。

      扭曲片的抑制结焦作用可归因于径向的混合强化。扭曲片诱导产生的径向分速度提高了炉管近壁区的湍动程度从而强化混合,导致该区域流体加速。以r/R=0.993处为例,取其轴向速度分布计算停留时间,结果表明扭曲片强化炉管的停留时间从空炉管的2.49 s降低为1.17 s,减少53.01%。近壁区停留时间的缩短有利于防止低速流体过度受热,发生二次反应产生结焦,从而实现管壁的结焦抑制。

    • (1)扭曲片产生的径向分速度可有效提高近壁区湍动程度,强化介观、微观混合。尽管压力损失增加5.31%,但Z/L=0.228处扭曲片强化炉管的湍动能比空炉管提高39.6%,管内平均离集系数下降3.90%,体现了较好的介观和微观混合强化效果。

      (2)扭曲片引起的混合强化提高了径向温度、速度和浓度分布的均匀性,有利于传热、传质的协同强化,使得扭曲片强化炉管的NuSh比空炉管分别提高7.50%和2.34%,烯烃总收率与阻力系数比提高0.39%,管壁平均温度比空炉管降低24.01 K,产物分布和结焦抑制效果明显。

      (3)扭曲片能抑制结焦的原因在于其径向混合强化提高了近壁区流速,缩短了该区域流体的停留时间,并防止流体过度受热而产生结焦;烯烃收率的提高则是由于扭曲片强化微观混合使得更多区域达到分子尺度的均匀混合,EDC单元体积分率提高5.29%,反应区域的增大导致烯烃收率提高。

      符号说明:

      ci——组分i的浓度,m/s;

      Dcoil——炉管管径,m;

      E——单位质量物质的总能量,J/kg;

      f——阻力系数;

      h——焓,J/kg;

      J——质量扩散通量,kg/(m2·s);

      j——j因子;

      ${k_{\rm{e}}}$——管内流体有效导热系数,kg/(m·s);

      L——炉管管长,m;

      M——气体摩尔质量,kg/mol;

      Nu——努赛尔准数;

      p——气体总压力,Pa;

      Sh——史伍德准数;

      ${S_{\rm{h}}}$——反应热,J/(m3·s);

      T——气体温度,K;

      u——气体流速,m/s;

      Yi——组分i的质量分数;

      Y——烯烃收率,%;

      z——轴向位置,m;

      $\rho$——气体密度,kg/m3

      ${\mu _{\rm{e}}}$——有效黏度,Pa·s;

      ${\mu _{\rm{t}}}$——湍流黏度,Pa·s;

      $\nu$——运动黏度,m2/s;

      $\tau$——剪切应力,Pa;

(8)  表(3) 参考文献 (36) 相关文章 (16)

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