【正文】 甲苯氧化制苯配是工業(yè)生產(chǎn)苯配的主要工藝 ,其工業(yè)生產(chǎn)主要在列管式固定床反應(yīng)器內(nèi)進行。這兩種設(shè)備都是由多根管子和一個殼程組成 ,另外反應(yīng)器內(nèi)通常配備特殊設(shè)計的擋板 ,以確保最有效的流體分布 ,從而得到最佳的換熱效果。流體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間可以嚴格控制 ,床層的溫度分布可以嚴格的控制 ,因而有利于提高化學反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性。但截止目前為止 ,文獻中將管間空間的影 響考慮到模型計算中的記錄很少 ,而在僅有的幾份文獻中 ,又都是以橫截面為長方形的特殊反應(yīng)器為研究對象 ,并且假定管間冷卻劑的流動是理想的恒速錯流。每種工藝均包括反應(yīng)和精劑兩個工藝。兩者都是由殼體和管束組成 ,管束的排列方式有多種 ,工業(yè)上大都是采用等邊三角形的排列方式。而為了保證產(chǎn)量 ,管徑又不能太小 ,因此工業(yè)上常用的管徑通常是 1 到 2 英寸。 ,多孔擋板上鋪有篩網(wǎng)并可分段取出 ,或者將篩網(wǎng)與可移動的支撐格柵相連。 圖 是外循環(huán)式的反應(yīng)器示意圖。而平行流式反應(yīng)器多用于乙烯氧化制環(huán)氧乙烷、醋酸乙烯合成等反應(yīng)。但令人奇怪的是 ,很少有文獻致力于列管式固定床反應(yīng)器的建模和設(shè)計工作。因此非常有必要分析殼程幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)對反應(yīng)器性能的影響 ,反應(yīng)與冷卻劑之間的關(guān)系 ,并在此基礎(chǔ)上提出合理的列管式反應(yīng)器數(shù)學模型 [9]。 環(huán)形流道內(nèi)流體分布研究 在反應(yīng)器內(nèi)裝配流體分布器是常見的進料分布設(shè)備 ,由于進料的均勻關(guān)系到整個反應(yīng)系統(tǒng)的成敗 ,因此流體分布器的設(shè)計非 常重要。 2)通過載熱體將階段 1)產(chǎn)生的熱量移動至管束的下一個位置 ,然后在新的熱條件和流體動力學條件下重復第一個階段。前兩個是一維模型的關(guān)聯(lián)式 ,其中 Dewasch和 Froment關(guān)聯(lián)式中 ,管內(nèi)傳熱系數(shù)和雷諾數(shù)之間呈線性關(guān)系 ,但值得一提的是該結(jié)果是在較大管子中得到的 (比工業(yè)反應(yīng)器直徑大 3～ 5倍 ),所以 ,文獻給出的靜態(tài)傳熱系數(shù)僅為理論值。Short 則研究了擋板開口和擋板一管子間隙對傳熱和壓降的影響 ,其中該反應(yīng)器擋板的洞比管子外徑大 。 為了求解該模型 ,也就是確定上述各流股所占的比率 ,必須先了解殼程部分所有幾何結(jié)構(gòu)的壓降參數(shù)關(guān)聯(lián)式。該模型較詳細地描述了殼程內(nèi)的流體動力學行為 ,因此用途極為廣泛 [5][19]。 (l)錯流區(qū) 文獻中報道了很多錯流區(qū)或 GuPta 模型中錯流區(qū)內(nèi)的壓降和傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式 [15]。而不同壓降系數(shù)關(guān)聯(lián)式得到的結(jié)果則相差很大 ,這很可能是由于平行流式反應(yīng)器的流動阻力較小 ,所以實驗測定時的較小誤差就會引起很大的誤差。同時 ,由于在很多列管反應(yīng)器設(shè)計中 ,管束和殼體之間的縫隙很小 ,有時還采用縱向擋板 ,所以其管束旁流實際上可以忽略。 對于平行流式反應(yīng)器 ,就是通過反應(yīng)器內(nèi)的分布板調(diào)節(jié)管外流體在反應(yīng)器內(nèi)的均勻流動 。在環(huán)形通道的圓周上開設(shè) 18 到 36 個大小不等均勻分布的分布孔 (數(shù)量與反應(yīng)器公稱直徑有關(guān) ),殼程載熱體通過環(huán)形通道進入環(huán)繞反應(yīng)器圓周的環(huán)形通道 ,從分布孔進入反應(yīng)器 ,經(jīng)過下分布板后平行于反應(yīng)管流動 ,帶走熱量后經(jīng)上分布板進入 上環(huán)形通道 ,離開反應(yīng)器。這時候 ,保持環(huán)隙的尺寸不變 ,而改變圓形小孔的尺寸。而當反應(yīng)溫度在 300℃以上時 ,則需要用熔鹽作為冷卻劑。 TOF能因管間冷卻劑環(huán)境的不同所造成的最高熱點溫度的增加。 分段冷卻式固定床反應(yīng)器 在反應(yīng)器進口區(qū)由于反應(yīng)物濃度高 ,因此逆流引起的熱反饋是需要避免的 。 圖 無開口 區(qū)折流板式固定床反應(yīng)器示意圖 第 3 章 列管式固定床反應(yīng)器中鄰二甲苯氧化反應(yīng)的研究 鄰二甲苯氧化制苯配工藝 苯配的生產(chǎn)工藝路線有鄰二甲苯或蔡或兩者混合物固定床氧化工藝 ,和蔡流化床氧化工藝等。管側(cè)模型采取一維擬均相模型 ,即忽略了床層徑向梯度。這是由于空管空速減小 ,反應(yīng) 系統(tǒng)在更接近管口的位置達到熱點溫度。 冷卻劑的溫度對管內(nèi)氧化反應(yīng)的影響 殼程冷卻劑的溫度不同會導致管內(nèi)外的傳熱條件不同 ,從而對管內(nèi)反應(yīng)造成影響。 (3)從圖 不同軸向位置的徑向溫差分布圖可以看出 ,在反應(yīng)器內(nèi)部徑向溫差還是很大的 ,尤其是接近熱點位置 處徑向溫差格外大。因此我們建議 ,鄰二甲苯氧化反應(yīng)必須在合適的空管空速、反應(yīng)物初始濃度和冷卻劑溫度下進行。據(jù)此認為 ,采用二維模型考慮徑向溫差的存在是非常必要的。這是由于管心距增大 ,冷卻劑的錯流橫截面將增大 ,另一方面 ,較大的管心距意味著管子數(shù)目減少 ,漏流分率隨之減少 ,這將有效的消除死區(qū) ,改善管內(nèi) 外的換熱狀況。3:1924. [3]王毅 .論 鄰二甲苯法制苯酐工藝氧化反應(yīng)系統(tǒng) 統(tǒng) .Chemical Engineering 。18(5):286289. [9]列管式固定床反應(yīng)器流動與傳熱研究 .苯配通訊 .1997(2):408. [10]吳亞峰 .大型列管式固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與制造 .化工設(shè)計 .1992。 參考文獻 [l]高楓 .苯醉的技術(shù)進展和市場分析 .精細化工原料及中間體 .2021。當然小池數(shù)目的增加也會導致計算量的增大 ,采取合適的小池模型是非常有必要的。我們發(fā)現(xiàn)反應(yīng)管內(nèi)徑向溫差是比較大的 ,尤其是接近熱點的位置。降低空管空速、升高反應(yīng)物的初始濃度、升高冷卻劑溫度都會提高鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率和苯配的收率。 (2)兩種模型得到的鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率和苯配收率也不相同。這是由于反應(yīng)物初始濃度增大 ,臨二甲苯氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量增加 ,使熱點溫度升高。用二維模型求解管內(nèi)反應(yīng) ,得到計算結(jié)果如 下 : 鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率 xA= 苯配的收率 yB 一 管側(cè)溫度分布 : 圖 管側(cè)軸向溫度分布圖 (降低空管空速 ) 鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率和苯配的收率大大增加 ,這是由于空管空速減低 ,增加了停留時間 ,令巧二甲苯反應(yīng)的時間增加一倍 ,因此轉(zhuǎn)化率和收率也隨之大大增加。三個反應(yīng)的動力學方程分別是 : 其中速率常數(shù)分別是 : 式中 R為通用氣體常數(shù) ,其值為 ()。由于在窗口區(qū) ,流體分錯流和平行流兩部分 ,這樣便帶來了操作問題 ,而且使計算變得復雜。在新的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)下 ,建立模型并與傳統(tǒng)反應(yīng)器進行比較 ,優(yōu)化反應(yīng)器的幾何結(jié)構(gòu) ,發(fā)現(xiàn)可以獲得更佳的反應(yīng)器性能和操作安全。 2) suFsUF 是放大系數(shù) ,定義為 : 這個 因子能預測放大到工業(yè)尺度后 的 與單管實驗的偏差 。 管間載熱體及其流動方式研究 在列管式固定床反應(yīng)器中 ,管內(nèi)裝有催化劑 ,一般反應(yīng)氣體走管內(nèi) ,反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量由殼程的冷卻劑帶走 ,冷卻劑可采用加壓水、導熱油、熔鹽等。 列管式反應(yīng)器的開孔規(guī)律 為了使載熱體在整個反應(yīng)器內(nèi)達到流動均勻 ,主要的方法是采用環(huán)隙孔進行調(diào)節(jié) ,即隨著半徑的改變而調(diào)節(jié)環(huán)隙 ,一般是半徑越大 ,環(huán)隙孔越小。在錯流式反應(yīng)器中 ,則 通過調(diào)節(jié)折流板與管子的環(huán)隙、折流板缺口等來實現(xiàn)載熱體的均勻流動 [20]。所以該反應(yīng)系統(tǒng)對等溫過程的要求非常的高。 Speyer 關(guān)聯(lián)了 Bell 和 Bergelin 的數(shù)據(jù) ,提出了下列方程式 : 上式中 C 由下 表取值。壓降系數(shù)是由下式定義： 絕大多數(shù)情況下 ,雷諾數(shù)和努塞爾數(shù)都是由管子的當量直徑定義的。 這些結(jié)構(gòu)單元包括管束 (產(chǎn)生錯流阻力和縱向流阻力 )、擋板開口、管束與殼體之間的間隙以及擋板與殼體和管子與擋板之間的間隙。 GuPta 的這一模型同樣也被許多研究者所采用。 (C)管束和換熱器殼體的邊緣流 。最初 ,對流體流動的研究僅僅是定性研究 ,只是提供了管殼式換熱器換熱過程的一個總體思路。而這些條件的定量描述只能依靠可靠的管束間載熱體的流動模型來實現(xiàn)。根據(jù)動量平衡建立環(huán)形通道內(nèi)變質(zhì)量流動的數(shù)學模型 ,并通過求解該模型可以得到環(huán)形通道內(nèi)的靜壓分布 [21] 反應(yīng)器殼程流體分布 要實現(xiàn)載熱體和反應(yīng)管均勻傳熱 ,就必須要解決反應(yīng)器殼程流體的均勻流動問題。解衡等 [15]則用多孔介質(zhì)的模型 ,引入了體積滲透率、表面滲透率和異向分布阻力等參數(shù)對管殼式換熱器進行三維數(shù)值模擬。滿足上述操作條件的數(shù)學模型必須要考慮殼程冷卻劑流動對反應(yīng)器系統(tǒng)性能的影響。大型列管式換熱器一般均采用外循環(huán)式。在實際應(yīng)用中 ,平行流式和錯流式反應(yīng)器都有應(yīng)用。為了沿管長穩(wěn)定管子 ,必要時可裝上拉桿。膨脹不相等的問題可依靠裝在殼體上的波紋式膨脹節(jié)來解決。而換熱器往往不會超過上千根管子。通 過建立并求解合適的數(shù)學模型 ,考察反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)和操作系數(shù)對反應(yīng)器性能的影響 ,并在此基礎(chǔ)上改進反應(yīng)器的性能 ,設(shè)計一個高性能、易控制的列管式固定床反應(yīng)器。在我國苯醉主要應(yīng)用于生產(chǎn)鄰二甲酸酷類增塑劑 ,大約占苯配總消費量的 60%[1]。而以上條件的確定必須以可靠的數(shù)學模型為基礎(chǔ) ,通過反復分析比較 ,才能最終確定。列管式反應(yīng)器根據(jù)換熱介質(zhì)的不同分為對外換熱式和自熱式。 如今 ,相當一部分氣固相催化反應(yīng)在列管式固定床反應(yīng)器中進行 ,而該反應(yīng)器的設(shè)計開發(fā)技術(shù)大都是從國外引進 ,國內(nèi)的 裝置普遍存在溫差較大的問題 ,主要是殼程冷卻劑流動分布不均的問題。 列管式固定床反應(yīng)器的模擬與設(shè)計 摘要：列管式固定床反應(yīng)器是化工行業(yè)和石化行業(yè)中一種非常重要的反應(yīng)器 ,對一些強放熱反應(yīng)優(yōu)勢明顯。如丙烯胺氧化制備丙烯睛、蔡或鄰二甲苯氧化制備