【導(dǎo)讀】一些強放熱反應(yīng)優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)的模擬和設(shè)計列管式反應(yīng)器的方法是基于單管實。了工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)冷卻條件和流動的不均勻性,這個假定會引起很大的誤差。要設(shè)計合理的列管式反應(yīng)器,最重要的就是確定殼程空間的最優(yōu)解。所有小池內(nèi),冷卻劑的流動只有平行于管束和垂直于管束兩個分量。用換熱介質(zhì)來移走或供給熱量,采用列管式固定床反應(yīng)器是非常合適的。列管式固定床反應(yīng)器是由多根直徑25～50mm的反應(yīng)管并聯(lián)構(gòu)成。類型的列管式固定床反應(yīng)器都是在管內(nèi)裝填某種催化劑,管束的排列方式有多種,熔鹽、多種礦物油以及液態(tài)金屬等)流經(jīng)管間移走或提供反應(yīng)熱。根據(jù)換熱介質(zhì)的不同分為對外換熱式和自熱式。列管式固定床反應(yīng)器具有以下優(yōu)。流體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間可以嚴(yán)格控制,床層的溫度分布可以嚴(yán)。格的控制,因而有利于提高化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性。此外固定床反應(yīng)器中的。布完全均勻的并流反應(yīng)器適用,對錯流式反應(yīng)器并不適用。但在實際的操作過程

　　

【正文】 速都是S000xll 幾 1,現(xiàn)在我們將空管空速設(shè)為 400011 歲 h,其他參數(shù)不變。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。通過比較圖 與圖 、圖 可以看出 ,熱點溫度有所變化 ,熱點位置明顯提前。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(dá)到熱點溫度。 雖然降低空管空速能有效提高轉(zhuǎn)化率和收率 ,但是也使得熱穩(wěn)定性變差。從而引起反應(yīng)器內(nèi)熱條件的不均勻 ,會導(dǎo)致局部冷卻劑的溫度過高。所以在實際操作中 ,我們建議不能隨意減小空管空速 ,以確保反應(yīng)器在穩(wěn)定的熱條件下運行。 反應(yīng)物初始濃度對氧化反應(yīng)的影響 管內(nèi)反應(yīng)對反應(yīng)物初始濃度非常敏感 ,圖 是將反應(yīng)物濃度增大巧 %以后的軸向溫度分布圖。其他參數(shù)不變的條件下 ,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= 苯醉的收率 yB 二 管側(cè)溫度分布 : 圖 管側(cè) 軸向溫度分布圖 （增大 反應(yīng)物初始 濃度 ） 可以看出 ,反應(yīng)物鄰二甲苯初始濃度增加巧 %以后 ,鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率增高 ,苯配的收率也隨之升高 ,反應(yīng)管的軸向溫度分布有了很大變化 ,熱點溫度明顯升高。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。相應(yīng)的會引起殼程冷卻劑的溫度升高 ,并極大地影響反應(yīng)器內(nèi)熱條件的不均勻性。 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(dǎo)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。如圖 是將冷卻劑溫度升高 10℃之后的管側(cè)溫度分布圖。用二維模型求解管內(nèi)反應(yīng) ,得到計算結(jié)果如下 : 鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率 xA= 苯醉的收率 yB 二 升高冷卻劑溫度在一定程度上提高了鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率和苯配的收率 ,這是由于溫度升高促進了氧化反應(yīng)的進行。同時從圖 可以看出熱點溫度也隨之升高 ,事實證明 ,冷卻劑的溫度升高對反應(yīng)器的性能影響極大 ,只有準(zhǔn)確掌握冷卻劑的溫度設(shè)定 ,才能有效保證反應(yīng)器在熱穩(wěn)定性的條件下運行 。 圖 管側(cè)軸向溫度分布圖 (升高冷卻劑溫度 ) 結(jié)果與討論 (l)通過一維模型和二維模型求得的管側(cè)溫度分布圖可以看出 ,熱點溫度大概在距反應(yīng)器入口 處達(dá)到 ,且熱點溫度值非常高。而將一維模型和二維模型進行比較可以看出 ,兩者求出的熱點位置、熱點溫度有些許不同 ,另外二維模型計算出的管側(cè)溫度曲線明顯更加平滑 ,可信度更高。 (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。筆者認(rèn)為徑向溫差的存在對反應(yīng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率和收率還是有很大影響的。 (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。即 使較小的徑向溫差也有 539。C 以上。據(jù)此認(rèn)為 ,采用二維模型考慮徑向溫差的存在是非常必要的。在此筆者建議采用二維擬均相模型模擬管側(cè) ,并在下文的禍合計算中采用該模型。 (4)空管空速、反應(yīng)物的初始濃度和殼程冷卻劑的溫度對管內(nèi)反應(yīng)都有影響。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。但也都會引起熱點溫度的升高 ,導(dǎo)致反應(yīng)器不能在熱穩(wěn)定性條件下運行。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。 第 6 章全文總結(jié) 本文模擬并設(shè)計一個新型的列 管式固定床反應(yīng)器 ,將其應(yīng)用于工業(yè)上常見的強放熱反應(yīng)。對于管內(nèi)鄰二甲苯氧化制苯醉的反應(yīng)過程 ,分別采用一維模型和二維擬均相模型進行了研究。對于管間空間則利用新型的二維小池模型進行了模擬計算 ,從反應(yīng)器操作參數(shù)、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等方面系統(tǒng)的研究了反應(yīng)器殼程冷卻劑分布的影響因素。另外 ,系統(tǒng)的比較了弓形折流板和盤環(huán)形折流板的優(yōu)劣。通過研究取得了以下有意義的結(jié)果 : (l)通過一維模型和二維擬均相模型得到的鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率和苯配收率有所不同 ,這說明反應(yīng)管內(nèi)徑向溫差的存在對反應(yīng)系統(tǒng)有影響。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。即使較小的徑向溫差也有 5℃以上。據(jù)此認(rèn)為 ,采用二維模型考慮徑向溫差的存在是非常必要的。 (2)空管空速、反應(yīng)物的初始濃度和殼程冷卻劑的溫度對管內(nèi)反應(yīng)系統(tǒng)都有影響。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。但也都會引起熱點溫度的升高 ,導(dǎo)致反應(yīng)器不能在熱穩(wěn)定性條件下運行 ,而且會降低產(chǎn)量。因此 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。 (3)用二維小池模型對列管式反應(yīng)器的殼程進行模擬計算時 ,計算結(jié)果對小池數(shù)目特別敏感 ,采取相對較多的二維小池會讓計算結(jié)果更加準(zhǔn)確 ,尤其是在折流板缺口區(qū)更是如此。當(dāng)然小池數(shù)目的增加也會導(dǎo)致計算量的增大 ,采取合適的小池模型是非常有必要的。 (4)采用相對較大的管心距將有效的改善冷卻劑的分布狀況。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。當(dāng)然消極的一方面是管子數(shù)目的減少將會降低產(chǎn)量。 (5)管子直徑的研究與管心距相似 ,在管數(shù)不變的情況下 ,減小管徑也就是相對于增大了管心距。當(dāng)然減小管徑也會降低產(chǎn)量。 (6)冷卻劑流量的改變基本不會影響冷卻劑的分布 ,但是會影響冷卻劑流的速度 ,進而影響管內(nèi)外地傳熱系數(shù) ,改變反應(yīng)器的換熱條件。一般來講 ,流量增大即冷卻劑速度增大 ,能耗也增加。 參考文獻(xiàn) [l]高楓 .苯醉的技術(shù)進展和市場分析 .精細(xì)化工原料及中間體 .2021。2:1418. [2]余青 .苯醉的生產(chǎn)方法 .增塑劑 .2021。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 。20(3):1719. [4]吳亞峰 .大型列管式固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式與制造方法 .金陵石油化工 .1992。10(3):5263. [5]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。2(l):2732. [6]周文成 ,王宇林 .錯流列管式固定床反應(yīng)器的設(shè)計計算模型 .石油化工設(shè)備 .1994。23(6):1318. [7]陳春生 .列管式固定床反應(yīng)器殼程熔鹽均布結(jié)構(gòu)的設(shè)計及應(yīng)用 .化工設(shè)計 .1991。l(l):813. [8]王宇林 ,沈文偉 .平行流列管式固定床反應(yīng)器分布板的開孔規(guī)律 ,合成橡膠工業(yè) .1995。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。2(l):2732. [11]陳敏恒 ,叢德滋 ,方圖南 ,齊鳴齋 .化工原理 .化學(xué)工業(yè)出版社 .1998 [12]聯(lián)合化學(xué)反應(yīng)工程研究所華東大學(xué)分所 ,金陵石化公司設(shè)備研究院 .列管式固定床反應(yīng)器流動與傳熱研究 .苯醉通訊 ,1997,(2):4048. [13]吳金星 ,王定標(biāo) ,魏新利 ,劉宏 .管殼式換熱器殼程流動和傳熱的數(shù)值模擬研究進展 .流體機械 ,2021,30(5):28. [14]劉利平 ,黃萬年 .FLUENT 軟件模擬管殼式換熱器殼程三維流場 .化工裝備技術(shù) ,2021,27(3):5456. [15] 解衡 ,高 祖 瑛 . 管 殼 式 換 熱 器 流 場 三 維 數(shù) 值 模 擬 . 核科 學(xué)與工程 ,2021,22(3):240243. [16]陳春生 .用 Navierstokes 運動方程求解環(huán)形通道中的變質(zhì)量流動 .化學(xué)工程 ,1985,(2):711. [17]呂志敏 ,李春忠 ,叢德滋等 .環(huán)形流道變質(zhì)量流動的靜壓分布模型 .華東理工大學(xué)學(xué)報 ,2021,6(4):362366. 環(huán) 形 流 道 變 質(zhì) 量 流 動 的 靜 壓 分 布 模 型 . 華 東 理 工 大 學(xué) 學(xué)報 ,2021,27,(6):623624. [18]吳金星 ,王定標(biāo) ,劉宏 .管殼式換熱器殼程流動和傳熱的數(shù)值模擬研究進展 .流動機械 .2021:30(5):2832. [19]王宇林 ,周文成 ,沈文偉 ,吳亞峰 .用動量方程進行平行流列管式固定床反應(yīng)器的設(shè)計 .化學(xué)工程 ,1996,24(1):3742. [20]曹曉麗 .列管式固定床反應(yīng)器管間流體流動特性的研究 [D].上海 :華東理工大學(xué) ,2021. [21]趙增慧 .列管式固定床反應(yīng)器的設(shè)計探討 .北京石油化工學(xué)院學(xué)報 .2021,8(2):5660. [22]吳亞峰 ,王宇林 ,束忠明 ,黃發(fā)瑞 ,吳民權(quán) .平行流型列管式固定床反應(yīng)器的流體力學(xué)設(shè)計 .金陵石油化工 ,1993,(3):27.