二甲基二氯硅烷浓酸水解装置的模拟优化

【摘要】：本文基于二甲基二氯硅烷浓酸水解工艺,对水解过程中用到的两种设备一静态混合器和降膜式反应解析塔进行了系统的研究。 应用计算流体力学(CFD)软件Fluent对高雷诺数下Kenics型静态混合器内流场进行了数值模拟,系统的研究了混合器内的速度分布、涡流现象、湍动能分布、压强分布等,详细描述了混合器内的流体力学特征和混合器混合机理。研究了雷诺数、螺旋叶片长径比、扭转角对压降和混合效率的影响规律,获得了一定条件下各参数的压降关联式。此外研究还表明：提高流速并不能提高混合效率,相反,大大增加了压降。因此,混合器建议在低流量下操作,在处理量一定的情况下,建议采用较大直径的混合器,以此降低混合器内流体的流动速度,进而减小压降、降低能耗。在满足混合效果的前提下,为了节省能耗,建议采用长径比为1.0,扭转角为120°的混合器。 反应物首先在静态混合器中进行混合、反应,然而由于停留时间较短,反应不能完全进行,从静态混合器流出的物料再进入降膜式反应解析塔进行反应和气体的解析。降膜式反应解析塔是根据降膜流动可以增加反应物两相间的接触面积,加快反应速率,同时具有高传热传质效率的特点,提出的一种新型的反应解析装置。本文通过理论分析、实验研究以及CFD模拟,对影响降膜流动的各种因素进行了系统的研究,得到以下结论： (1)装置建议采用盘孔式液体分布器,孔径6-8mm,孔间距40-60mm,正四边形排列。 (2)成膜板与水平方向呈40°-50°夹角时形成的液膜较薄且更加均匀、稳定；同一种流体在不同板上的最低润湿流率不同,但完全润湿后,在相同的流率下,不同板上的平均液膜厚度差别不大；相同流率下,粘度较大的流体形成的液膜更厚；雷诺数越大,液膜越厚,波动性越强,但高粘度流体波动性无明显变化。 (3)板表面的微观结构以及液体性质,尤其是液体的表面张力和粘度,对连续液膜的形成有重要作用,通过改变成膜板面微观结构以及降低液体的表面张力可以促进连续液膜的形成。 (4)在相同时间段内,液膜在波纹板上的停留时间比平板上长,这有利于反应的充分进行。 (5)气—液—液三相降膜比气—液两相降膜液膜波动性强,这有利于底层的流体微团上升到液膜表面,从而提高气液两相间的传热传质效率。 (6)在板的下边缘开导流槽有利于下一块板上液膜的分布。 因此,成膜板与水平方向的夹角建议由60°改为45°,成膜板建议改用波纹板,水解物碱洗阶段及碱洗后的水洗过程所用的降膜式洗涤塔可以采用对物料润湿性更好的尼龙板,每块成膜板下边缘间隔1cm开矩形导流槽,使得下一层成膜板上的液膜分布更加均匀。