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1、列管式固定床反应器的模拟与设计摘要：列管式固定床反应器是化工行业和石化行业中一种非常重要的反应器,对一些强放热反应优势明显。传统的模拟和设计列管式反应器的方法是基于单管实验,假定工业反应器内各反应管的操作条件与单管实验条件相同,也就是说忽视了工业反应器内冷却条件和流动的不均匀性,这个假定会引起很大的误差。邻二甲苯氧化制苯配是工业生产苯配的主要工艺,其工业生产主要在列管式固定床反应器内进行。要设计合理的列管式反应器,最重要的就是确定壳程空间的最优解。本文提出了一个关于壳程的二维小池模型,将壳程空间分成若干个二维小池,在所有小池内,冷却剂的流动只有平行于管束和垂直于管束两个分量。关键词:列管式反应
2、器,固定床,结构设计目录列管式固定床反应器的模拟与设计 .2第 1 章前言 .4第 2 章文献综述 .52.1 苯配生产 .52.2 列管式固定床反应器的结构 .62.3 列管式固定床反应器的设计进展 .82.4 反应器的分析方法 .192.5 反应器结构的优化 .20第 3 章 列管式固定床反应器中邻二甲苯氧化反应的研究 .213.1 邻二甲苯氧化制苯配工艺 .213.2 一维拟均相模型求解管侧 .233.3 二维拟均相模型求解管侧 .253.4 操作参数对邻二甲苯氧化反应的影响 .273.5 结果与讨论 .29第 6 章全文总结 .30参考文献 .32第 1 章前言固定床催化反应器是化学工
3、业和石油化学工业中应用多、用面广泛的反应设备,根据其换热方式可分为绝热和非绝热(列管式)两种。对于反应热效应很大,收率对温度敏感而又要求高转化率和高选择性的反应,为维持适宜的温度,必须用换热介质来移走或供给热量,采用列管式固定床反应器是非常合适的。如丙烯胺氧化制备丙烯睛、蔡或邻二甲苯氧化制备苯配、乙烯氧化制环氧乙烷、苯或正丁烷氧化制顺配、异丁烯氧化制备甲基丙烯酸等 15。如今,相当一部分气固相催化反应在列管式固定床反应器中进行,而该反应器的设计开发技术大都是从国外引进,国内的装置普遍存在温差较大的问题,主要是壳程冷却剂流动分布不均的问题。一般说来,列管式固定床反应器的设计和管壳式换热器具有很多
4、相似性和共同点,因此国内外对 MTR 的研究往往以管壳式换热器作为研究对象。这两种设备都是由多根管子和一个壳程组成,另外反应器内通常配备特殊设计的挡板,以确保最有效的流体分布,从而得到最佳的换热效果。显然,反应器的外部几何形状会随着情况不同而不同,通常情况下,列管式固定床反应器的管径/管长值比管壳式换热器的要大很多。列管式反应器的管子数可多达 20000 到 30000 根,而管壳式换热器很少能达到数千根管子。列管式固定床反应器是由多根直径 2550mm 的反应管并联构成。几乎所有类型的列管式固定床反应器都是在管内装填某种催化剂,管束的排列方式有多种,在大多数工业设计中,管子都是等边三角形排列
5、的。在壳程,适当的载热体(如水、熔盐、多种矿物油以及液态金属等)流经管间移走或提供反应热。列管式反应器根据换热介质的不同分为对外换热式和自热式。列管式固定床反应器具有以下优点:反应器床层内流体的轴向流动近似为理想的活塞流,而活塞流内的化学反应速度非常快,单程转化率高,为完成同样生产任务所需催化剂的用量少,反应器体积可以较小。流体在反应器内的停留时间可以严格控制,床层的温度分布可以严格的控制,因而有利于提高化学反应的转化率和选择性。此外固定床反应器中的催化剂不易磨损,损耗率低 67。传统的列管式反应器设计一般是基于假定工业反应器中的实际操作条件与单管实验的操作条件相同,即每根管子的操作条件相同。
6、这个假定只对热载体分布完全均匀的并流反应器适用,对错流式反应器并不适用。但在实际的操作过程中,管与管之间的相互作用对过程的总效率以及冷却剂流经壳程的泵送成本有很大的影响,另外,每根管子因其在反应器中的位置不同而导致彼此的操作条件各不相同。在设计列管式工业反应器时,许多问题的产生都与壳程空间的最优解(包括折流板型式、壳体的几何结构参数)、冷却剂的流动形式以及最优的工艺条件(确保整个系统在最低能耗下操作)等因素有关。而以上条件的确定必须以可靠的数学模型为基础,通过反复分析比较,才能最终确定。满足上述操作条件的数学模型必须要考虑壳程冷却剂流动对反应器系统性能的影响。但截止目前为止,文献中将管间空间的
7、影响考虑到模型计算中的记录很少,而在仅有的几份文献中,又都是以横截面为长方形的特殊反应器为研究对象,并且假定管间冷却剂的流动是理想的恒速错流。因此非常有必要分析壳程几何结构参数及操作参数对反应器性能的影响,反应与冷却剂之间的关系,并在此基础上提出合理的列管式反应器数学模型。本课题对迄今为止提出的描述反应管束内及管束间的各个过程的数学模型进行了综述和讨论,并且重点考察了管束空间对反应器性能的影响,通过对不同模型的定量分析,提出一个可靠的列管式反应器数学模型。然后将此数学模型用于多相催化反应(如临二甲苯部分氧化制苯配)体系的列管式反应器的模拟和设计,通过建立和计算这些数学模型,通过优化得到性能好的
8、列管式反应器,完成反应器的设计。第 2 章文献综述2.1 苯配生产苯配又名邻苯二甲酸醉,是一种重要的有机化工原料和中间体。苯配广泛应用于化工、医药、涂料、精细化工等工业部门,主要生产塑料增塑剂、醇酸树脂、燃料、不饱和树脂以及某些医药和农药。在我国苯醉主要应用于生产邻二甲酸酷类增塑剂,大约占苯配总消费量的 60%1。目前,工业上生产苯配有蔡或邻二甲苯或者两者混合物的固定床氧化工艺(Wacker 化学、巴斯夫、日本催化合成等工艺)、蔡流化床氧化工艺等。每种工艺均包括反应和精剂两个工艺。目前采用的生产工艺主要是 Arkema(阿科玛)、巴斯夫或鲁奇公司的邻二甲苯氧化制苯配工艺,采用五氧化二钒催化剂
9、23。反应原料是包含氧气的气体,比如最常见的空气。气体与邻二甲苯或蔡或者两者混合物经过包含数万根管子的列管式反应器,在管子中装有催化剂,反应温度通过管束外的传热介质,如水、熔盐等来控制。有的文献也采用两种或以上的催化剂,以增加苯醉的收率。本课题以邻二甲苯氧化反应制苯配为例,研究列管式固定床反应器的设计。通过建立并求解合适的数学模型,考察反应器几何结构和操作系数对反应器性能的影响,并在此基础上改进反应器的性能,设计一个高性能、易控制的列管式固定床反应器。2.2 列管式固定床反应器的结构列管式固定床反应器在结构上类似于管壳式热交换器,因此国内外对列管式反应器的研究主要对象是管壳式换热器。两者都是由
10、壳体和管束组成,管束的排列方式有多种,工业上大都是采用等边三角形的排列方式。反应管直径视热效应大小而定,通常为 2050mm,两端固定在管板上,根数达几百根甚至几万根。反应器按壳程流体流动方式可分为平行流和错流两种,而按载热体的冷却方式可分为内循环和外循环两种 91011。所有列管式固定床反应器的共同特征如下 812。1.虽然列管式反应器结构上造的很像管壳式热交换器,但与普通壳管或热交换器的差别还很大。列管式固定床反应器通常很大,直径达四五米,管数一般多达 3000 到 20000 根。而换热器往往不会超过上千根管子。2.为了改进反应器的传热状况并提供单位体积的最大表面积,管径要在可行的范围内
11、尽量取得小一些。而为了保证产量,管径又不能太小,因此工业上常用的管径通常是 1 到 2 英寸。值得一提的是,如果反应器内反应速率较慢或掺入大量的惰性物时,则可采用相对较大的管径。3.在列管式反应器的壳程,载热体流进和流出反应器管束之前和之后一般都设环形流道,与平行流式和错流式构成管间流体均匀分布的重要组成部分。因此管间流体均布问题就分为两部分:一是环形流道内的流体均匀分流和合流,一是壳程管间流动。后者主要是防止大部分载热体沿反应器壁做轴向流动,使中心部分变成死水去。4.因为 MTR 中反应管内的流动是单程的,所以管子在反应器的两端必须连接在固定管板上。膨胀不相等的问题可依靠装在壳体上的波纹式膨胀节来解决。这种膨胀节可用一段管子沿管长剖成两半,然后焊接起来再弯成圈和壳体连接。5.管中的催化剂可以由反应器内装配的多孔挡板固定在适当位置,多孔挡板上铺有筛网并可分段取出,或者将筛网与可移动的支撑格栅相连。无论是何种情况,管子都应当稍微伸出管板并
