本發(fā)明涉及順酐生產(chǎn)裝備，具體為一種提高溫度場(chǎng)和流場(chǎng)均勻性的優(yōu)化方法、結(jié)構(gòu)及順酐反應(yīng)器。

背景技術(shù)：

1、順丁烯二酸酐是合成樹(shù)脂、涂料、增塑劑及醫(yī)藥中間體的關(guān)鍵化工原料，其工業(yè)化生產(chǎn)主要采用苯或正丁烷的氣相催化氧化工藝。反應(yīng)器作為核心設(shè)備，需在高溫及催化劑作用下實(shí)現(xiàn)高效選擇性氧化。

2、順酐反應(yīng)器是實(shí)現(xiàn)順酐生產(chǎn)工藝的重要設(shè)備之一；在順酐反應(yīng)器運(yùn)行中，溫度場(chǎng)與流場(chǎng)均勻性是決定反應(yīng)效率、產(chǎn)物選擇性及能耗的關(guān)鍵因素。然而，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的順酐反應(yīng)器，其內(nèi)部的流速分布和溫度分布不盡相同，即使是同一順酐反應(yīng)器，其內(nèi)部不同位置的流速分布和溫度分布也不盡相同，而流速分布和溫度分布的差異化直接影響反應(yīng)器催化劑的使用壽命，進(jìn)而影響整個(gè)裝置的運(yùn)行周期和運(yùn)行成本。

3、由此，為了提高熔鹽在殼側(cè)徑向截面上的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)均勻性，業(yè)內(nèi)通常認(rèn)為，可以在順酐反應(yīng)器水平折流板上設(shè)置穿流孔，用來(lái)消除局部的流動(dòng)死區(qū)。而在換熱器折流板上增加常規(guī)的豎直方向的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)具有以下弊端：

4、（1）流場(chǎng)均勻性破壞

5、流速分布畸變：垂直導(dǎo)流板可能強(qiáng)制改變主流方向，導(dǎo)致管束局部區(qū)域流速過(guò)高或過(guò)低，形成新的傳熱死區(qū)；

6、旁路流加?。喝魧?dǎo)流板與殼體間隙控制不當(dāng)，可能誘發(fā)旁路流，降低有效換熱面積利用率。

7、（2）流動(dòng)阻力與能量損失：

8、局部壓降放大：垂直導(dǎo)流板會(huì)直接阻擋流體流動(dòng)方向，增加局部壓降，生成二次渦流：導(dǎo)流板邊緣可能引發(fā)新的小尺度渦流（如邊界層分離），尤其在高速流工況下，反而加劇能量耗散。

9、同時(shí)安裝水平折流板和豎直導(dǎo)流板，在小型換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上會(huì)遇到以下問(wèn)題：

10、?（1）安裝空間限制：折流板與管束的間隙有限，垂直導(dǎo)流板的安裝可能需改變?cè)芯o湊布局，導(dǎo)致管束間距調(diào)整或殼體尺寸增大；

11、?（2）焊接與支撐難度：導(dǎo)流板需與折流板或殼體焊接，若垂直布置，可能因受力方向不同引發(fā)局部應(yīng)力集中，增加疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)。

12、?（3）維護(hù)不便：導(dǎo)流板可能阻礙管束抽裝或清洗，尤其在多管程結(jié)構(gòu)中，垂直導(dǎo)流板會(huì)進(jìn)一步限制操作空間。

13、綜上，如何設(shè)計(jì)一種可供選擇的、提高溫度場(chǎng)和流場(chǎng)均勻性的優(yōu)化方法、優(yōu)化結(jié)構(gòu)及順酐反應(yīng)器，是一個(gè)尚待開(kāi)發(fā)的研究領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種提高溫度場(chǎng)和流場(chǎng)均勻性的優(yōu)化方法、結(jié)構(gòu)及順酐反應(yīng)器，針對(duì)大型順酐反應(yīng)器的折流板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，旨在通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)方法改善反應(yīng)器的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布均勻性，從而提升其性能。通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，證明了優(yōu)化結(jié)構(gòu)能夠有效減小徑向溫差，提高熔鹽在殼側(cè)徑向截面上的溫度場(chǎng)均勻性。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)效果，本發(fā)明公開(kāi)了一種提高溫度場(chǎng)和流場(chǎng)均勻性的優(yōu)化方法，步驟如下：

3、s1、建立順酐反應(yīng)器的原始模型；順酐反應(yīng)器原始模型四分之一模型，具體為下方為入口管，上方為出口管；順酐反應(yīng)器中沿軸向共布置第一至第五5塊環(huán)形折流板，將流動(dòng)區(qū)域劃分為第一至第六6個(gè)區(qū)域；

4、s2、在原始模型的基礎(chǔ)上建立多個(gè)優(yōu)化模型；以5塊折流板為界，將順酐反應(yīng)器分為6個(gè)流動(dòng)區(qū)域；優(yōu)化模型是在第一、第三、第五3塊環(huán)形折流板內(nèi)側(cè)彎道處，沿豎直方向增設(shè)開(kāi)有導(dǎo)流孔的環(huán)形整流板；

5、s3、將原始模型和各個(gè)優(yōu)化模型導(dǎo)入模擬軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和敏感性分析，對(duì)順酐反應(yīng)器進(jìn)行流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合計(jì)算，獲得順酐反應(yīng)器徑向溫差最小的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

6、進(jìn)一步的，根據(jù)整流板數(shù)量、位置、高度、厚度、導(dǎo)流孔孔徑、孔間距、孔隙率，形成多個(gè)優(yōu)化方案：

7、優(yōu)化方案1：在第一、第三、第五塊環(huán)形折流板內(nèi)側(cè)彎道的正下方對(duì)應(yīng)的流動(dòng)區(qū)域頂部，各增設(shè)一塊豎直環(huán)形整流板；整流板高度小于所在流動(dòng)區(qū)域的整體高度，并在整流板上開(kāi)設(shè)呈環(huán)形陣列分布的導(dǎo)流孔；同一塊整流板上的導(dǎo)流孔的孔徑和孔隙率相同；

8、優(yōu)化方案2：在第一、第三、第五塊環(huán)形折流板內(nèi)側(cè)彎道的正上方對(duì)應(yīng)的流動(dòng)區(qū)域頂部，各增設(shè)一塊豎直環(huán)形整流板，整流板高度小于所在流動(dòng)區(qū)域的整體高度，并在整流板上開(kāi)設(shè)呈環(huán)形陣列分布的導(dǎo)流孔；同一塊整流板上的導(dǎo)流孔的孔徑和孔隙率相同；

9、優(yōu)化方案3：在第一、第三、第五塊環(huán)形折流板內(nèi)側(cè)彎道的正上方對(duì)應(yīng)的流動(dòng)區(qū)域內(nèi)，頂部和底部分別增設(shè)一塊豎直環(huán)形整流板，兩塊整流板之間存在供流體通過(guò)的缺口，在兩塊整流板上均開(kāi)設(shè)呈環(huán)形陣列分布的導(dǎo)流孔；同一塊整流板上的導(dǎo)流孔的孔徑和孔隙率相同；

10、優(yōu)化方案4：在第一、第三、第五塊環(huán)形折流板內(nèi)側(cè)彎道的正上方對(duì)應(yīng)的流動(dòng)區(qū)域內(nèi)，各增設(shè)一塊貫穿整個(gè)區(qū)域的豎直環(huán)形整流板，整流板高度等于所在流動(dòng)區(qū)域的整體高度，整流板上開(kāi)設(shè)呈環(huán)形陣列或三角形分布的導(dǎo)流孔；每塊整流板由上至下分為三部分，每一部分導(dǎo)流孔的孔徑和孔隙率不相同；

11、優(yōu)化方案5：將前4個(gè)優(yōu)化方案中的滿足驗(yàn)證準(zhǔn)則的模型算例在不同的入口流量條件進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算；

12、驗(yàn)證準(zhǔn)則：平均徑向溫差不超過(guò)±2℃，同一水平截面最高溫度與最低溫度差不超過(guò)4℃；

13、s2中所述的優(yōu)化模型是在上述優(yōu)化方案中，根據(jù)整流板和導(dǎo)流孔的參數(shù)組合形成的。

14、進(jìn)一步的，s3中計(jì)算策略：s3.1計(jì)算策略：選取計(jì)算模型，采用realizable?k-e湍流模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算；s3.2確定邊界條件和物性參數(shù)；s3.3針對(duì)進(jìn)出口流量分配環(huán)板和整流板上的導(dǎo)流孔，并設(shè)定阻力系數(shù)。

15、進(jìn)一步的，s3.3中的阻力系數(shù)公式如下：

16、(4)

17、(5)

18、(6)

19、上述公式中，指流體進(jìn)、出導(dǎo)流孔產(chǎn)生的阻力系數(shù)之和；指流體在導(dǎo)流孔的沿程阻力系數(shù)和加和后總的阻力系數(shù)；與均為無(wú)量綱量；為壓降，單位：pa；；為摩擦阻力系數(shù)，為孔板厚度，m；為孔徑，m；為函數(shù)；為穿流孔面積，m2；為總流通面積，m2；為孔隙率，為雷諾數(shù)，為密度，kg/m3；為速度，m/s；為水力直徑，m；為粘度，。

20、本發(fā)明還公開(kāi)了一種提高溫度場(chǎng)和流場(chǎng)均勻性的優(yōu)化方法得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，該優(yōu)化結(jié)構(gòu)是在第一、第三、第五塊環(huán)形折流板內(nèi)側(cè)彎道的正上方對(duì)應(yīng)的流動(dòng)區(qū)域內(nèi)，各增設(shè)一塊貫穿整個(gè)區(qū)域的豎直環(huán)形整流板，整流板高度等于所在流動(dòng)區(qū)域的整體高度，整流板上開(kāi)設(shè)均勻分布的導(dǎo)流孔；每塊整流板由上至下分為三部分，每一部分導(dǎo)流孔的孔徑和孔隙率并不相同。

21、進(jìn)一步的，每塊整流板規(guī)格如下：

22、整流板上方部分占板整體高度的33%~75%，整流板中間部分占板整體高度的12.5%~33%，整流板下方部分占板整體高度的12.5%~33%；

23、整流板上方部分導(dǎo)流孔孔徑為12~25mm；整流板中間部分導(dǎo)流孔孔徑為12~25mm；整流板下方部分導(dǎo)流孔孔徑為0~32mm；導(dǎo)流孔孔徑為16~30mm，孔隙率為0.2~0.775；

24、導(dǎo)流孔呈環(huán)形陣列或三角形分布，孔間距為20~32.45mm。

25、進(jìn)一步的，整流板上方部分占板整體高度的75%，孔徑12mm，孔隙率0.125；整流板中間部分占板整體高度的12.5%，孔徑12mm，孔隙率0.125；整流板下方部分占板整體高度的12.5%，孔徑12mm，孔隙率0.125。

26、進(jìn)一步的，優(yōu)化后流動(dòng)區(qū)域各截面的最大徑向溫差為2.00℃，平均徑向溫差為1.74℃。

27、本發(fā)明還公開(kāi)了一種順酐反應(yīng)器，該順酐反應(yīng)器包括提高溫度場(chǎng)和流場(chǎng)均勻性的優(yōu)化方法得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

28、本發(fā)明的有益效果是：

29、（1）針對(duì)在順酐反應(yīng)器內(nèi)安裝豎直導(dǎo)流板存在的諸多問(wèn)題，本發(fā)明選擇在直徑7~9m的大型順酐反應(yīng)器內(nèi)安裝豎直整流板，這種反應(yīng)器中心有較大的不布管區(qū)域，為豎直整流板的安裝留下了較大的空間。大型順酐反應(yīng)器為固定床反應(yīng)器，殼程介質(zhì)清潔度高，無(wú)抽芯和清洗的需求，不存在維護(hù)的問(wèn)題。

30、（2）本技術(shù)中的整流板為整塊結(jié)構(gòu)，可以焊接在反應(yīng)器管板與水平折流板之間或焊在兩塊折流板之間；焊接長(zhǎng)度大焊接坡口形式可以選擇對(duì)接接頭，強(qiáng)度易于保證。對(duì)整流板位置、數(shù)量、結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，使流場(chǎng)在此板上均勻分布，降低了應(yīng)力集中和疲勞的風(fēng)險(xiǎn)。

31、（3）本發(fā)明通過(guò)建立原始模型和多個(gè)優(yōu)化模型，并利用計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合計(jì)算，在整流板上劃分了不同的區(qū)域及開(kāi)孔率，使整流板不同區(qū)域的阻力系數(shù)不同，消除了旋渦、擾流等改變流體流速和影響傳熱的因素，在大大降低傳統(tǒng)導(dǎo)流板阻力的基礎(chǔ)上，流體通過(guò)整流板后均勻分布，降低了應(yīng)力集中和疲勞的風(fēng)險(xiǎn)，改善反應(yīng)器整體傳熱效果。

32、本發(fā)明通過(guò)使用軟件進(jìn)行優(yōu)化前后的流動(dòng)傳熱分析，證明了優(yōu)化結(jié)構(gòu)能夠有效減小徑向溫差，優(yōu)化后流動(dòng)區(qū)域各截面最大徑向溫差從6.08℃減小至2.00℃，顯著提高熔鹽在殼側(cè)徑向截面上的溫度場(chǎng)均勻性，且有效改善流動(dòng)區(qū)域的流場(chǎng)，減小甚至消除了折流板后流動(dòng)區(qū)域下方存在的大量漩渦。