【正文】 程中 ,管與管之間的相互作用對(duì)過程的總效率以及冷卻劑流經(jīng)殼程的泵送成本有很大的影響 ,另外 ,每根管子因其在反應(yīng)器中的位置不同而導(dǎo)致彼此的操作條件各不相同。 傳統(tǒng)的列管式反應(yīng)器設(shè)計(jì)一般是基于假定工業(yè)反應(yīng)器中的實(shí)際操作條件與單管實(shí)驗(yàn)的操作條件相同 ,即每根管子的操作條件相同。流體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)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。列管式反應(yīng)器根據(jù)換熱介質(zhì)的不同分為對(duì)外換熱式和自熱式。幾乎所有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 ,在大多數(shù)工業(yè)設(shè)計(jì)中 ,管子都是等邊三角形排列的。列管式反應(yīng)器的管子數(shù)可多達(dá) 20210 到 30000 根 ,而管殼式換熱器很少能達(dá)到數(shù) 千根管子。這兩種設(shè)備都是由多根管子和一個(gè)殼程組成 ,另外反應(yīng)器內(nèi)通常配備特殊設(shè)計(jì)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。 如今 ,相當(dāng)一部分氣固相催化反應(yīng)在列管式固定床反應(yīng)器中進(jìn)行 ,而該反應(yīng)器的設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)大都是從國(guó)外引進(jìn) ,國(guó)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(dòng)分布不均的問題。對(duì)于反應(yīng)熱效應(yīng)很大 ,收率對(duì)溫度敏感而又要求高轉(zhuǎn)化率和高選擇性的反應(yīng) ,為維持適宜的溫度 ,必須用換熱介質(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。本文提出了一個(gè)關(guān)于殼程的二維小池模型 ,將殼程空間分成若干個(gè)二維小池 ,在所有小池內(nèi) ,冷卻劑的 流動(dòng)只有平行于管束和垂直于管束兩個(gè)分量。鄰二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(jìn)行。 列管式固定床反應(yīng)器的模擬與設(shè)計(jì) 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(duì)一些強(qiáng)放熱反應(yīng)優(yōu)勢(shì)明顯。傳統(tǒng)的模擬和設(shè)計(jì)列管式反應(yīng)器的方法是基于單管實(shí)驗(yàn) ,假定工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)各反應(yīng)管的操作條件與單管實(shí)驗(yàn)條件相同 ,也就是說忽視了工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)冷卻條件和流動(dòng)的不均勻性 ,這個(gè)假定會(huì)引起很大的誤差。要設(shè)計(jì)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。 關(guān)鍵詞 :列管式反應(yīng)器 ,固定床 ,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 目錄 列管式固定床反應(yīng)器的模擬與設(shè)計(jì) ................................................................................... 1 第 1章前言 ............................................................................................................... 3 第 2 章文獻(xiàn)綜述 ........................................................................................................ 4 苯配生產(chǎn) ...................................................................................................... 4 列管式固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu) .......................................................................... 5 列管式固定床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)進(jìn)展 ................................................................... 7 反應(yīng)器的分析方法 ...................................................................................... 18 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 ...................................................................................... 19 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 ....................................... 20 鄰二甲苯氧化制苯配工藝 ............................................................................ 20 一維擬均相模型求解管側(cè) ............................................................................ 22 二維擬均相模型求解管側(cè) ............................................................................ 24 操作參數(shù)對(duì)鄰二甲苯氧化反應(yīng)的影響 .......................................................... 26 結(jié)果與討論 ................................................................................................. 28 第 6 章全文總結(jié) ...................................................................................................... 29 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................. 31 第 1 章前言 固定床催化反應(yīng)器是化學(xué)工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用多、用面廣泛的反應(yīng)設(shè)備 ,根據(jù)其換熱方式可分為絕熱和非絕熱 (列管式 )兩種。如丙烯胺氧化制備丙烯睛、蔡或鄰二甲苯氧化制備苯配、乙烯氧化制環(huán)氧乙烷、苯或正丁烷氧化制順配、異丁烯氧化制備甲基丙烯酸等 [1][5]。一般說來 ,列管式固定床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和管殼式換熱器具有很多相似性和共同點(diǎn) ,因此國(guó)內(nèi)外對(duì) MTR 的研究往往以管殼式換熱器作為研究對(duì)象。顯然 ,反應(yīng)器的外部幾何形狀會(huì)隨著情況不同而不同 ,通常情況下 ,列管式固定床反應(yīng)器的管徑 /管長(zhǎng)值比管殼式換熱器的要大很多。 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。在殼程 ,適當(dāng)?shù)妮d熱體 (如水、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。列管式固定床反應(yīng)器具有以下優(yōu)點(diǎn) :反應(yīng)器床層內(nèi)流體的軸向流動(dòng)近似為理想的活塞流 ,而活塞流內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速度非?？?,單程轉(zhuǎn)化率高 ,為完成同樣生產(chǎn)任務(wù)所需催化劑的用量少 ,反應(yīng)器體積 可以較小。 此外固定床反應(yīng)器中的催化劑不易磨損 ,損耗率低 [6][7]。這個(gè)假定只對(duì)熱載體分布完全均勻的并流反應(yīng)器適用 ,對(duì)錯(cuò)流式反應(yīng)器并不適用。在設(shè)計(jì)列管式工業(yè)反應(yīng)器時(shí) ,許多問題的產(chǎn)生都與殼程空間的最優(yōu)解 (包括折流板型式、殼體的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù) )、冷卻劑的流動(dòng)形式以及最優(yōu)的工藝條件(確保整個(gè)系統(tǒng)在最低能耗下操作 )等因素有關(guān)。 滿足上述操作條件的數(shù)學(xué)模型必須要考慮殼程冷卻劑流動(dòng)對(duì)反應(yīng)器系統(tǒng)性能的影響。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(duì)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(xué)模型。然后將此數(shù)學(xué)模型用于多相催化反應(yīng) (如臨二甲苯部分氧化 制苯配 )體系的列管式反應(yīng)器的模擬和設(shè)計(jì) ,通過建立和計(jì)算這些數(shù)學(xué)模型 ,通過優(yōu)化得到性能好的列管式反應(yīng)器 ,完成反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。苯配廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、涂料、精細(xì)化工等工業(yè)部門 ,主要生產(chǎn)塑料增塑劑、醇酸樹脂、燃料、不飽和樹脂以及某些醫(yī)藥和農(nóng)藥。 目前 ,工業(yè)上生產(chǎn)苯配有蔡或鄰二甲苯或者兩者混合物的固定床氧化工藝(Wacker 化學(xué) 、巴斯夫、日本催化合成等工藝 )、蔡流化床氧化工藝等。目前采用的生產(chǎn)工藝主要是 Arkema(阿科瑪 )、巴斯夫或魯奇公司的鄰二甲苯氧化制苯配工藝 ,采用五氧化二釩催化劑 [2][3]。氣體與鄰二甲苯或蔡或者兩者混合物經(jīng)過包含數(shù)萬(wàn)根管子的列管式反應(yīng)器 ,在管子中裝有催化劑 ,反應(yīng)溫度通過管束外的傳熱介質(zhì) ,如水、熔鹽等來控制。 本課題以鄰二甲苯氧化反應(yīng)制苯配為例 ,研究列管式固定床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。 列管式固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu) 列管式固定床反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上類似于管殼式熱交換器 ,因此國(guó)內(nèi)外對(duì)列管式反應(yīng)器的研究主要對(duì)象是管殼式換熱器。反應(yīng)管直徑視熱效應(yīng)大小而定 ,通常為 20～ 50mm,兩端固定在管板上 ,根數(shù)達(dá)幾百根甚至幾萬(wàn)根。 所有列管式固定床反應(yīng)器的共同特征如下 [8][12]。列管式固定床反應(yīng)器通常很大 ,直徑達(dá)四五米 ,管數(shù)一般多達(dá)3000 到 20210 根。 ,管徑要在可行的范圍內(nèi)盡量取得小一些。值得一提的是 ,如果反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)速率較慢或摻入大量的惰性物時(shí) ,則可采用相對(duì)較大的管徑。因此管間流體均布問