反应器设计举例

反应过程开发中应重视的若干问题：•当我们在开发一个新反应过程时.......•当我们在设计一个新反应装备时......•当我们在改造一个已投产的反应过程时......•当我们在强化一个已投产的反应装备时......要定性与定量地考虑以下十个问题：第四章反应器设计举例（一）化学热力学——各类化学反应的平衡问题化学平衡：反应的平衡常数？反应的平衡转化率？判断反应的方向与限度!判断反应过程的可行性!•低压下——理想溶液（气体）——单一反应•高压下——非理想溶液（气体）——单一反应•低压下——理想溶液（气体）——复合反应•高压下——非理想溶液（气体）——复合反应举例：CO＋2H2CH3OHCO2＋3H2CH3OH＋H2O摩尔数减少的可逆放热反应，定性：必须高压下进行，低温下有利平衡。定量：计算KP、ym*高压，非理想性－－如何对理想体系的修正（状态方程）复合反应－－如何确定独立反应与独立反应组分数。举例：CH4＋H2OCO+3H2CH4＋2H2OCO2＋4H2摩尔数增加的可逆吸热反应，定性：必须低压，高温下进行定量：选取独立反应与独立反应组分（二）化学动力学－－催化剂开发、动力学研究催化剂开发：用不用催化剂？用何种类型催化剂？催化剂的活性组份，助催化剂，载体？催化剂的制备方法？举例：合成甲醇80年代前锌铬催化剂80年代后铜基催化剂甲烷蒸汽转化镍基催化剂动力学研究：反应速率的温度效应——活化能E反应速率的浓度效应——反应级数n在等温管式反应器中研究本征动力学在内循环无梯度反应器中研究宏观动力学举例：合成甲醇由实验得出幂指数型与双曲型动力学方程甲烷蒸汽转化由实验得出动力学方程（三）反应器选型——PFR？CSTR？……选取何种反应器：间歇反应或连续反应？平推流或全混流？非理想流动反应器的停留时间分布。举例：合成甲醇平推流固定床反应器（新的研究开发方向——三相淤浆床反应器）甲烷蒸汽转化外加热管式炉（平推流固定床）（四）传热与反应之间的关系微观：催化剂粒内与粒外的传热问题宏观：放热与供热（反应热的回收与利用)举例：合成甲醇（微观）催化剂颗粒等温（宏观）移走反应热使过程接近最佳温度曲线反应热的有效利用和床层的径向导热甲烷蒸汽转化（微观）催化剂颗粒非等温（宏观）燃烧一部分天然气供给反应热每一根炉管受热均匀问题，燃烧热量的优化使用。（五）传质与反应之间的关系微观：催化剂颗粒粒内、粒外有效因子宏观：反应器尺度上的混和和返混举例：合成甲醇（微观）粒内传质影响宏观速率甲烷蒸汽转化（微观）粒内、粒外传质严重影响宏观动力学（六）流体流动与反应之间的关系反应器内流体的均布问题反应器减低阻力问题举例：合成甲醇轴向流动反应器径向流动反应器甲烷蒸汽转化几百根炉管的气体均布问题。（七）复合反应体系的选择率与收率瞬时选择率与平均选择率单程收率与总收率举例：合成甲醇铜基催化剂收率锌铬催化剂收率合成二甲醚浆态床收率固定床收率如何根据主副反应的活化能来选择反应温度？如何根据主副反应的级数来选择反应器？（八）反应器的数学模型理想流动模型与非理想流动模型一维模型与二维模型拟均相模型与非均相模型举例：合成甲醇管壳式反应器二维模型甲烷蒸汽转化管式炉非理想流动模型中的扩散模型（九）操作条件优化温度？压力？组分浓度？空速？温度——可逆放热反应的最佳温度曲线举例：合成甲醇均温型反应器甲烷蒸汽转化高温型反应器压力——能量最优化举例：合成甲醇等压合成甲烷蒸汽转化2.0～3.0MPa组分浓度——由原料路线决定举例：合成甲醇煤或天然气为原料甲烷蒸汽转化水碳比空速——追求产量还是追求长运转周期举例：合成甲醇冷管型塔20000h-1，管壳型塔8000h-1CSTR与PFR的操作稳定性。操作灵敏性与反应操作参数的控制举例：合成甲醇管壳型甲醇合成塔的最大移热温差，最小冷却介质温度与最大管径限制。控制灵敏点温度与床层热点温度及热点位置。操作负荷适应性（十）反应器的稳定性,操作灵敏性,操作适应性反应过程的开发方法反应过程反应热力学计算小型热模大型冷模催化剂操作条件本征动力学宏观动力学反应器型式数学模型中试工业示范装置工程参数•小型热模与大型冷模相结合•反应因素与传递因素相结合•数学模型与试验数据相结合•过程简化与过程优化相结合•例1：沸腾氯化塔•下图是一生产氯化苯的塔式连续操作沸腾氯化反应器。•塔高8.5m，塔径500mm的钢制塔节，内衬50mm厚的耐酸瓷板，塔内装有7m高铁环填料。•1•连续操作,沸腾氯化反应器。•塔高8.5m，塔径500mm，•内衬50mm厚的耐酸瓷板，•塔内装有7m高的铁环•人孔及其他各种接管的内壁•和法兰面涂耐酸胶泥，•以防氯化氢腐蚀。•氯气进口及分布管以聚四氟乙烯等•耐腐蚀材料制成，分布管朝下方向•开有两排斜孔，以利气体分布。支撑铁环的炉条为搪玻璃材料，顶部挡板为搪玻璃、陶瓷等耐腐蚀材料。例1：氯化反应器设计——苯氯化生产氯化苯反应器设计•设计任务•以苯和氯气为原料，催化氯化，生产氯化苯，生产能力为每年处理10000吨苯。•苯的氯化反应为串联反应：•C6H6+Cl2——C6H5Cl+HCl•C6H5Cl+Cl2——C6H5Cl2+HCl•即：A+B—P+R•P+B——S+R反应动力学式•1.A消失速度•2.P生成速度•3.S生成速度.•速度常数BAAcckddc1BPBAPcckcckddc21BPScckddc212.012kk（一）氯化反应器选型•1.从化学反应特点考虑。•苯的氯化反应为串联反应，选哪种型式的反应器？返混不利于反应！经动力学计算可得：达到一定转化率时，在CSTR和PFR中进行反应时的氯化液组成分布，如下图：达到一定转化率时，在CSTR和PFR中进行反应时的氯化液组成分布（从图中可看出什么？）上图表明：•1.苯达到相同的转化率，在PFR中进行时比在CSTR中的氯化苯含量高、二氯苯含量低。•2.随着转化率的提高，差别越来越大。•为减少二氯苯的生成量，不适宜在理想混合及返混大的连续反应器中进行。——选型？2.从反应器特点考虑•①半间歇操作反应器•②管式反应器•③沸腾氯化塔对于这样的大规模生产，需要多台氯化器，消耗大量辅助时间。设备投资大，占地面积大，操作费工，设备维修难、质量难稳定…...1.为传质和传热要求，须以高度湍流状态使物料在管内流动，若管子太长，反应器阻力太大，管子太短则转化率太低。2.若采用金属材料，腐蚀问题较大，采用非金属材料则存在传热问题。本设计采用填料塔式沸腾氯化反应器。选用沸腾氯化塔的有利因素：•1.靠蒸发移除热量；•2.内装铁环既作填料又作催化剂；•3.物料流速快，返混小；•4.在沸腾温度下反应，反应速度快，操作稳定易于控制；•5.塔内可衬耐腐蚀材料，加工较方便。•（目前工业上都广泛采用沸腾氯化的填料塔生产氯化苯。）（二）氯化器的工艺计算苯反应转化率的确定当苯的摩尔浓度为1单位时（按纯苯计），由动力学式计算可得：氯化液中氯苯的最高浓度为0.749，二氯苯的浓度为0.161，苯的浓度为0.09。相应的苯转化率为0.91。转化率选取多少？3•在苯转化率为0.91时，虽然产物中氯苯的浓度最高，但二氯苯的含量也高。•随着转化率的降低，二氯苯的含量较少，但转化率降低致使回收费用增加。•必须选择合适的反应转化率。实际生产中氯化转化率，一般在25％～35％。•取苯转化率0.30。（三）物料衡算和热量衡算•已知有关数据和假定如下；•按纯苯（100%）计，每年消耗原料苯10000吨；•氯气体积含量为65%，其余为空气等；•苯转化率为30%。氯化液中含HCl1%（W%）；•忽略氯化塔出口气相中二氯苯，假定气相中苯和氯苯在冷凝器中全部冷凝，尾气中不含氯气和有机物；•常压操作。物料流程框图计算过程如下:•1）氯化液组成计算：苯转化率30%。则氯苯收率为0.977；二氯苯收率为0.027。苯初始浓度cA0定为1单位，氯化液的有机相中苯、氯苯、二氯苯的摩尔分数分别为：•x苯=cA0=1－0.3=0.7•x氯苯=cp=0.7/(0.12－1)×(1－0.70.12-1)=0.293•x二氯苯=cs=1－0.7－0.293=0.0072）气相组成和塔顶操作温度计算•塔顶操作温度和气用组成可按理想溶液处理。（为什么？）故可用安托因方程和气液平衡方程近似计算，亦可用气液平衡图求得。•由于二氯苯含量很低，并入氯苯计算；•以下是实测的苯、氯苯、二元系统的t—x—y图，用它可求得塔顶温度和气相组成。•气相组成和塔顶操作温度的关系？苯一氯苯的t-x-y图按液相苯摩尔分数为0.7，求出操作温度90℃、气相苯摩尔数0.915——图解得。•3）原料苯用量计算：•以每小时为基准，取年操作时间7000小时，则每小时消耗原料苯为：•10000×1000/7000=1429kg或18.32kmol•实际投入苯量1429/0.30=4763kg或61.07kmol4）氯气用量计算：•C6H6+Cl2——C6H5Cl+HCl•7871112.536.5•C6H6+2Cl2——C6H5Cl2+2HCl•7871×214736.5×2•进塔100%氯气为：18.32×0.977+18.32×0.023×2=18.74kmol或1330kg•进入空气：18.74×35/65=10.09kmol或293kg•总量：1330+293=1623kg5）输出氯化液计算•（以物料衡算和热量衡算联立求解）•有关数据如下：•原料苯和氯气进料温度为20℃。氯化液和气相出料温度为90℃。回流液温度为30℃。有关物质物性数据：•比热（kJ/kmol℃）蒸发热（kJ/kmol）苯134.0(0~20℃),•140.2(0~90℃)30745•氯苯146.0(0~30℃),•164.6(0~90℃)36491•二氯苯184.0(0~90℃)39940•氯气35.6(0~20℃)•氯化氢27.5(0~90℃)•空气29.5(0~20℃),•30.0(0~90℃)5•设回流量为Mkmol，•（其中：苯0.915Mkmol氯苯0.085Mkmol。）•出塔气相中：苯0.915Mkmol氯苯0.085Mkmol氯化氢17.24Mkmol空气10.09Mkmol•取基准温度为0℃，对氯化塔进行热量衡算。输入热：•苯61.07×134×20=1636kJ•氯气•18.74×35.6×20+10.09×29.5×20=19296kJ•回流液•0.915M×134×30+0.085M×146.0×30•=4023MkJ•Q进=182964+4023MkJ输出热•氯化液42.75×140.2×90+17.9×164.6×90•+0.427×184.0×90+1.50×27.5×90•=815374kJ•气相•0.915M×(140.2×90+30745)•+0.085M×(164.6×90+36491)•+17.24×27.5×90+10.09×30×90•=69986+44038MkJ•Q出=885360+44038MkJ6•反应热qr0=104.3kJ/kmol•QR=18.74×1000×104.3=1955000kJ•忽略热损失，有：•885360+44038M•=182964+4023M+1955000•解得M=31.32kmol7•则氯化器气相输出和回流液中：•苯0.915M=0.915×31.32=28.66kmol或223.5kJ•氯苯0.085M=0.085×31.32=2.66kmol或299.5kJ•回流液2235+299.5=2535kg•气相总量2235+299.5+629.3+293=3457kg•回流冷凝器需移热：(69986+44038+31.32)－（17.24×27.5×90+10.09×30×90）=1.25×106kJ（四）反应器直径和高度的确定•塔径计算•进料气量（18.74+10.09）22.4=645.8m3/h，•液体进料量（4.763+2.535）/0.89=8.2m3/h•塔径（进气计）•[645.8/（3.14/4×3600×0.64）]0.5=0.59