1、酯化反应器内搅拌器的优化设计第 25 卷第 4 期2002 年 8 月合成纤维工业CHINASYNTHETICFIBERINDUSTRYVo1.25No.4Aug.2002酯化反应器内搅拌器的优化设计肖建军包雨云黄雄斌施力田杜秋杰.(1.北京化工大学化学工程学院,北京 100029;2.仪征化纤股份有限公司 ,江苏仪征211900)摘要:搅拌功率和循环流量是考察搅拌桨性能和搅拌槽内混合效果的两个重要参数.作者在直径为500mm 和 800mm 的带导流筒的搅拌槽内,试验测试了现工业生产中酯化反应器内的搅拌桨的循环流量准数和功率准数,并根据工艺要求优选出以 CBY 螺旋浆与直叶透平桨组成的双层浆
2、式搅拌器,该搅拌桨比现工业用桨在消耗相同功率的条件下能产生更大的循环流量.关键词:循环流量功率准数搅拌器酯化反应器中图分类号:TQ320.5 文献识别码:A 文章编号:10010041(2002)040016-04聚酯生产中的酯化反应是吸热反应,在反应过程中,不但有化学反应发生,而且在气液相之间还存在着传质过程;同时该反应也是由非均相向均相转化的反应过程.现应用于聚酯生产的酯化反应器备有夹套和内列管式换热器,在酯化反应器内部还安装有导流筒和两层搅拌器,设置这些装置的目的都是为了加大反应器内的循环流量,提高反应器内反应物的混合效果,改善物料在反应器内的传热和传质而设计的.因此,从酯化反应的工艺要
3、求而言口,要提高反应速率和转化率,减少副产物的生成,必须设计和选择合适的搅拌器,以加大反应器内流体的循环流量和表面更新,提高反应器内反应物的混合效果,加快反应器内的传热,传质.使用合适的搅拌器是提高聚酯产品的质量和产率的关键因素之一 l_2.笔者以冷模试验为基础,以循环流量为着眼点,对工业用酯化搅拌器进行深入的研究,测试了酯化搅拌器的流量准数和功率准数,并根据工艺要求设计了新的搅拌桨叶型式,取得了较好的效果,为酯化搅拌器的国产化提供了参考.l 实验1.1 实验装置1.1.1 搅拌桨实验所用的桨叶型式为 5 叶下压式的简易型轴流桨(a),5 叶 CBY 螺旋桨(b) 和 5 直叶透平桨(c)三种
4、桨型,示意图见图 1.桨 a 为现工业用桨,其叶片结构正视图如图 2(a)所示,为三折叶,叶片的安装角度为,且叶片端部与叶片根部的角度一致,桨 b 为北京化工大学专利桨,叶片与流体的作用面为平滑的衄面,其叶片正视图见图 2(b)所示,叶片的根部安装角为,且沿着叶片半径方向向外角度逐渐减小,叶片的端部角度为().平桨 C 为五直叶透平桨,叶片宽度为40mm,该桨的特点能在反应器内产生较大的径向流动,因此一般将其置于导流筒下沿外端,以增大导流筒出口处的径向流动从而加大反应器内的循环流量.案嘲 ab图 1 搅拌浆示意图Fig.1Photographsofagitatorpaddles图 2 桨(a)
5、及桨(b)的叶片正视图Fig.2Frontviewdiagramsofpaddleaandb收稿日期;20011217;修订日期:20020321.作者简介:肖建军(1972 一),男,内蒙古赤峰市人,硕士.第 4 期肖建军等.酯化反应器内搅拌器的优化设计 171.1.2 搅拌槽及其内构件在直径(T)为 500mm 和 800mm 的试验用搅拌槽中,采用单层桨 a 和 b 以及双层桨 a+c 和b+c 分别进行研究,其中桨 C 作为底层桨,上下两层桨之间的间距分别为 162mm(在 800mm的搅拌槽中)和 101mm(在 500mm 的搅拌槽中),搅拌桨直径 D 为导流筒直径(71)的 94
6、.槽内安装 4 块挡板,挡板宽度为完全挡板宽度(即0.1T),导流筒内安装 5 块挡板 ,挡板宽度为 1/371,搅拌槽的内部构件尺寸如表 1 所示.在导流筒和槽壁间装有垂直列管式换热器,在工业生产中,列管式换热器的管内是反应物,管间为加热介质,在冷模实验中,以水模拟反应物,管间没有物料.实验用水的温度约为 235C.搅拌槽挡板列管换热器导流管桨叶图 3 试验系统装置图Fig,3Diagramofexperimentalsystem表 1 实验用搅拌槽及其构件的尺寸表Tab.1Experimentalagitatingvesselanditscomponentdimensions1.2 循环流
7、量测量方法循环流量的测量方法可分为接触法和非接触法_3.接触法主要以电导率法,毕托管法,示踪粒子法等较为常用,但由于在导流筒和槽壁之间要安装列管式换热器,这样毕托管法就显得不易安装和操作不方便;示踪粒子法也无能为力;电导率法对所测介质要求较高.非接触法有粒子成像法和激光多普勒法,非接触法对被测系统的透明度要求较高,在该实验系统中,由于要在导流筒和槽壁间设置列管式换热器,这样对于两种非接触法均不能实现测量,因此本文选用热电偶法,该法精度较高,热电动势便于记录,处理.1.2.1 热电偶法的标定热电偶法测量流体的速度时,由于热电偶探头为多个热电偶探针串联而成,探头的体积较大(探头最大外径约为 8mm
8、),这样其测量的速度值相对于流体的真实速度会偏小,因此在槽径为800mm,无列管而采用桨 a+C 的情况下,在不同的液位高度上,用数小球法测得的流量准数值对热电偶法测得循环流量准数值进行标定,结果示于表 2.由表 2 可见,由于热电偶法测量流体速度时,探头的存在决定了其测得的速度偏小,因此在计算循环流量准数时应补充校正偏差才为流体的真实的流量准数.表 2 标定结果表Tab.2Calibrationresults注:校正系数 k=Nqc(小璋怯)/Nc( 热电偶法 1,Nqc 表不测足流量准数.1.2.2 数据的采集和处理热电偶温差法的装置如图 3 所示.实验时,在液面上方瞬间加入约 400ml
9、 温度为 955.C 的热水,当热流体流经两平行于搅拌轴热电偶探针时,热电偶探针先后感应温度的变化,同时记录两热电偶探针的响应信号,把温度信号通过 PCLD转换为电动势信号再通过 PCL 放大器放大输入给 A/D 板,并输入计算机,最后由计算机完成数据的记录和存储,绘制出电压变化与时间(AUt)图,由两探头突变点的先后可读出流体经过两探头的时间差,两探头间的距离已知,可计算出流体流过两探头的平均流动速度.沿径向移动探头的位置,可测量出导流筒内沿半径方向流体的速度分布(假设导流筒内的速度分布呈轴对称),依据速度分布曲线积分计算出循环流量.实验选用 E 型热电偶,为增加信号的变化幅度和抗干扰能力,
10、实验中采用几支热电偶串联组成的热电偶堆.2 实验结果与分析对同一种型式的桨叶,进行转速和直径选择方案的比较较简单,而对不同型式的桨叶作比较就复杂些.OldshueE4指出 ,泵送效率( 或单位功率的泵送流量)是反映各种不同型式的搅拌桨工作18 合成纤维工业第 25 卷性能的一个关键参数.应用下述计算流量和功率的放大关系式,可以得到计算单位功率产生的流量()的方程:QN.nD.(1)PN.D(2)QP 一一 N(N10D)一(3)式中 P功率 ;N.功率准数;N.流量准数;转速;D桨叶直径;lD密度.由此可见,单位功率的泵送流量取决于个桨叶的型式,安装尺寸,转速和直径.评价若干可供选择方案的最好
11、方法可能就是在保持流量和转速为常数的基础上,对功率,流量以及单位功率产生的流量等进行了比较.为了进行这种比较,将上述各方程改写成 Q 和的函数,可得到如下述关系式:DQ(N.)一.(4)PNpQNq-5/3(5)Q/PN(Np.Q.10)一(6)因此,在流量和桨叶转速为常数的情况下,桨叶直径可以表示为:D.CN.-1/3(7)单位功率产生的流量表示成:Q/P.CNqs/3N.(8)文中对水力性能的分析主要是针对单位功率产生的流量进行分析和比较的.2.1 桨 a 与桨 a+c 的比较在槽径为 800mm 的搅拌槽中,液位均为720mm,不安装列管式换热器模型的条件下,选用单层桨 a 与双层桨 a
12、+C 进行了试验比较,试验条件和所测的数据如表 3 所示(设桨 a 的流量准数为 N.,功率准数为 N;桨 a+c 的流量准数为Nq2功率准数为 N).在保持流量和转速不变的基础上,将这些值代入式(7)和式 (8)可得:桨叶直径 J)之比为 1.37,单位功率的流量Q/P 之比为 0.4.这说明了在消耗同样功率的条件下,双层桨 a+C 产生的流量是单层桨 a 产生流量的 2.5 倍,同时单层桨 a 的桨直径为双层桨 a+C(以上层个桨叶为基准) 的 1.37 倍.表 3 桨 a 与桨 a+c 比较的试验条件和测试结果Tab.3Theexperimentalconditionsandresult
13、sofpaddleaandpaddlea+c项目参数2.2 桨 a 与桨 b 的比较在槽直径为 800mm 的搅拌槽中,液位均为720mm,安装列管式换热器模型的条件下,选用单层桨 a 与双层桨进行了试验比较,试验条件和所测的数据如表 4 所示(设桨 a 的流量准数为N 功率准数为 N.;桨 b 的流量准数为 N,功率准数为 N.).在保持流量和转速不变的基础上,将这些值代入式(7)和式 (8)可得:桨叶直径 D 之比为 1.1,单位功率的流量Q/P 之比为 0.72.说明了在消耗同样功率的条件下,单层桨 b 产生的流量是单层桨 a 产生流量的1.4 倍,同时单层桨 a 的桨直径为单层桨 b
14、的 1.1倍.表 4 桨 a 与桨 b 比较的试验条件和测试结果Tab.4Theexperimentalconditionsandresultsofpaddlesaandb项目参数2.3 桨 a+C 与桨 b+C 的比较在槽径为 800mm 的搅拌槽中,液位均为720mm,安装列管式换热器模型的条件下,选用双层桨 a+C 与双层桨 b+C 进行了试验比较,试验条件和所测的数据如表 5 所示(设桨 a+C 的流量准数为 N.,功率准数为 N.;桨 b+C 的流量准数为 N 功率准数为 N).在保持流量和转速不变的基础上,将这些值代入式(7)和式 (8)可得:桨叶直径 D 之比为 1.1,单位功率
15、的流量Q/P 之比为 0.7.说明在消耗同样功率的条件下 ,双层桨 b+C 产生的流量是双层桨 a+C 产生流量第 4 期肖建军等.酯化反应器内搅拌器的优化设计 19的 1.45 倍,同时双层桨 a+c 的桨直径为双层桨b+C 的 1.1 倍 .表 5 桨 a+c 与桨 b+c 比较的试验条件和测试结果Tab.5Theexperimentalconditionsandresultsofpaddlea+eandpaddleb+c项目参数3 结论当保持流量和转速不变时,在消耗同样功率的条件下,双层桨 a+c 产生的流量是单层桨 a 产生流量的 2.5 倍,同时单层桨 a 的桨直径为双层桨 a+c(
16、以上层桨叶为基准)的 1.37 倍;单层桨 b产生的流量是单层桨 a 产生流量的 1.4 倍,同时单层桨 a 的桨直径为单层桨 b 的 1.1 倍.双层桨b+c 产生的流量是双层桨 a+c 产生流量的 1.45倍,同时双层桨 a+C 的桨直径为双层桨 b+C 的1.1 倍.以 CBY 螺旋桨与直叶透平桨组成的双层桨式搅拌器比现工业用简易型轴流桨与直叶透平桨组成的双层桨式搅拌器的性能更为优越,可为酯化反应器的搅拌器设计提供参考.参考文献孙静珉.聚酯工艺M.北京:化学工业出版社,1982.432436张师民.聚酯的生产及应用M.北京;中国石化出版社,1997.114l17许世艾,冯连芳,顾雪萍等.
17、搅拌釜中自浮颗粒三相体系的混合时间J3.高校化学工程,2000,(14):328333OldshueJY.流体混合技术M.北京:化学工业出版社,1991.121124OptimizationdesignofagitatorintransesterificationreactorXiaoJianjun,BaoYuyun,HuangXiongbin,ShiLitian,DuQiujie(1.ChemicalEngineeringCollege,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029;2.SinopecYizhengChemicalFi
18、berCo.,Ltd,JiangsuYizheng211900)Abstract:Agitatingpowerandliquidcirculationfluxareimportantfactorsforappraisingagitatorpaddleperformanceandmixingeffectofagitatingvesse1.Thecalibrationexperimentsofthesetwofactorswereconductedinagitatingvesselesof5OOmmand48oommwithsplitterforcommercialproduction.Adoub
19、lepaddleagitatorcombinedwithCBYpropellerandstraightturbinepaddlewasdecidedaccordingtothetechnologicalrequirements.Theagitatorgeneratedgreaterliquidcirculationfluxatthesamepowerasthepolpularagitators.Keywords:liquidcirculationflux;powerdimensionlessnumber;agitator;transesterificationreactor国内外动态1000t
20、/a 芳纶生产线落户四川目前,一条 1000t/a 芳纶的生产线在四川金路集团股份有限公司开工建设,预计在 2003 年可全面建成投产.我国目前的芳纶生产能力每年尚不足 100t,而国内市场的需求量大于 1000t,主要依靠进口解决.金路集团芳纶项目的投产,将大大缓和国内的芳纶市场需求紧张的局面,其经济效益与社会效益均十分明显.目前,其芳纶的国产化,规模化生产已受到国家有关部门的高度重视,已被列入国家“十五 “重点发展项目.(通讯员江镇海)对苯二甲酸残渣焚烧处理装置通过鉴定扬子石化公司 6O 万 t/aPTA 生产装置在生产过程中产生对苯二甲酸(TA)残渣,污染了环境,对此,扬子石化公司开展了 TA 残渣焚烧处理方法的研究,研制成功 TA 残渣焚烧处理装置.日前,“TA 残渣焚烧处理装置“项目通过了中国石化集团公司鉴定.
