反應(yīng)器詳細(xì)設(shè)計(jì)_陳其樂_Nov29

1、草酸酯加氫反應(yīng)器詳細(xì)設(shè)計(jì)陳其樂 最后修改于2012年11月29日0:26草酸酯加氫反應(yīng)器 R104內(nèi)所發(fā)生的反應(yīng)為:9COCH,I+ 2H? =coch3CH?OH(MG)* ch3oh2COCHjch3oh(MG J+ 2H2"CHfiH(EG)CHOH其中EG是主產(chǎn)物，MG是副產(chǎn)物。 兩個(gè)反應(yīng)的熱效應(yīng)表示為：DM0 + 2HZ = MG + CHjOH +54.98 kJ(1)MG + 2H3 - EG + CHjOHM6.24UJ(2)反應(yīng)器相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)列舉如表 i所示：表i :反應(yīng)器相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)匯總反應(yīng)器設(shè)備參數(shù)列管式換熱器列管數(shù)n5000每根管長(zhǎng)/m6管徑/mm?32 X3

2、殼體直徑/m3.53列官材質(zhì)16MnR催化劑催化劑用量/t16.67催化劑總填裝體積/m316.03操作條件溫度/C205壓力/MPa2.0進(jìn)料液相空速/?-13.0列管氣速/?7.2(H2/DMO)/(mol/mol)80.4物料信息進(jìn)料信息見表2DMO轉(zhuǎn)化率/%100EG選擇率=EG/MG (mol/mol)4.051.反應(yīng)器的操作條件由于這是一個(gè)氣相夾帶液相的有催化劑的反應(yīng)器,故采用列管式固定床反應(yīng)器， 根據(jù)計(jì)算取5000根列管（將在下面進(jìn)行核算）1.1處理能力及進(jìn)出物料處理能力：上游反應(yīng)器氣相進(jìn)料為72068.3 kg/h，液相進(jìn)料為51432.3 kg/h。對(duì)草酸酯加氫合成乙二醇的反

3、應(yīng)，原料采用上游處理過的草酸酯（DMO ）、來自氫氣儲(chǔ)罐的氫氣（H2）、以及循環(huán)氣甲醇（CH3OH ）和氫氣。進(jìn)料條件如表2所示。表2:原料進(jìn)料條件及組成來自組成摩爾流量 kmol/h質(zhì)量流量kg/hDMO儲(chǔ)罐D(zhuǎn)MO435.5351432氫氣儲(chǔ)罐H217193437循環(huán)氣H23328266563CH3OH64.662069進(jìn)料溫度/C205進(jìn)料壓力/MPa2.0結(jié)合Aspen Plus的模擬結(jié)果，反應(yīng)器原料進(jìn)料組成如表3所示:表3 :反應(yīng)器進(jìn)料組成物料名稱質(zhì)量流量/（kg/h）質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%DMO5143241.6H27000056.7CH3OH20691.67總質(zhì)量流量：123500 kg/h

4、總摩爾流量：35501 kmol/h總體積流量：69208 m3/h1.2操作溫度、壓力、進(jìn)料比和操作空速的選擇根據(jù)文獻(xiàn)，該反應(yīng)在管式反應(yīng)器中發(fā)生時(shí)，反應(yīng)溫度在205-210 C為宜，既保證了反應(yīng)的速率，又減少了副產(chǎn)物的生成。因此我們確定反應(yīng)溫度為205 C。反應(yīng)壓力為2.0 MPa。這篇文獻(xiàn)也研究了空時(shí)和反應(yīng)進(jìn)料比對(duì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響。根據(jù)其研究結(jié)果， 反應(yīng)進(jìn)料比應(yīng)為 H2/DMO=80100。表2中的進(jìn)料組成中，H2/DMO=80.4 ,符合最優(yōu)的條件。 同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)得到最優(yōu)的液相質(zhì)量空速LHSV=3.0 h -1 （DMO）。2催化劑用量的確定2.1催化劑物性（Cu/SiO2催化劑

5、）Cu/SiO2催化劑是以SiO2為載體的負(fù)載型催化劑2, Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，通常SiO2載 體密度為1.21.5 g/cm3, Cu為8.9 g/cm3,故催化劑密度取 1.6 g/cm3。負(fù)載型催化劑為球形 顆粒，床層空隙率取 0.35，比表面積取30 m2/g。2.2催化劑的填裝量根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)確定催化劑用量。反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)遵循Langmuir -Hinshelwood模型（L-H模型），表達(dá)式如下：?*? ?祝?- ?祓)?=(1 + ?+ ?+ ?+ ?+ ?2?=(1 + ?+ ?+ ?+ ?+ ?2式中各參數(shù)的物理意義和取值為:表5 :動(dòng)力學(xué)表達(dá)式中各參數(shù)的意義和取值吸附常數(shù)?

6、取值/MPa540.9940.0048145.56064.021157.903反應(yīng)速率常數(shù)?取值 /(mol ? ?-1 )468.670550.088反應(yīng)平衡常數(shù)?1?2取值/MPa-136.52.48將以上動(dòng)力學(xué)表達(dá)式代入反應(yīng)器物料衡算中：?'= ? ' ?'其中所有的氣體都使用理想氣體假設(shè)，用MATLAB計(jì)算得到催化劑用量與各物料流量之間的關(guān)系：(LVOEM)xnuOWQ0rII"0246Catalyst Weight (t)25O501000圖1:催化劑用量與物料流量之間的關(guān)系根據(jù)圖1,取催化劑用量取內(nèi)外擴(kuò)散系數(shù)分別為0.6 和 0.9,，WoWo?W

7、0 = 6.0 ?催化劑失活系數(shù)為6.0X 1.5 =0.9 X 0.61.5,得到催化劑實(shí)際用量16.67 ?催化劑床層體積則為?=16670?(1- ?)每個(gè)列管內(nèi)的催化劑體積為1600 X (1 - 0.35) = 16.03 ? = - = 3.206 ?3 50003.列管式反應(yīng)器尺寸參數(shù)的確定3.1床層直徑的確定通過換熱面積來確定床層直徑。當(dāng)反應(yīng)達(dá)到指定轉(zhuǎn)化率時(shí)，熱效應(yīng)為：Q = (54.98 + 46.24 ) X 435.53 - 46.24 X 19.18 = 43197 GJ/h用10 C的冷水進(jìn)行冷卻，傳熱系數(shù)設(shè)為K= 50 kJ/(? 2 ?h ?K)。得到換熱總面積-

8、=4430 ?2 ?換熱的比表面積?4430? 16.03276.4 ?2/?3而對(duì)于每一根列管，其比表面積為?4?/4 = ?當(dāng)換熱比表面積與列管比表面積相等時(shí)，計(jì)算出管徑d=14.4 mm查管徑規(guī)格表，取管徑為 ？32 X 3 mm，即內(nèi)徑=26 mm。3.2管長(zhǎng)的確定管徑確定后，管長(zhǎng)可以通過催化劑填裝體積來確定。?L = ?= 30192 ?4所以每根管長(zhǎng)? l= ?30192翻=6 ?3.3殼體直徑的確定反應(yīng)器的排管采用正三角形，列管間距t=1.368d, d是列管外徑；a = -6 X(12n - 3)°5 -0.5, n為列管數(shù)；b=2a+1, b為六邊形層數(shù)；e=11.5d，為最外層列管到殼體的距離。殼體直徑 D=t(b-1)+2e，代入數(shù)值得： D=3.53 m 3.4列管氣速的確定每根列管中的氣速為?u=?x ?4 =7.24 ?/?4床層壓降的校核根據(jù)歐根公式?-? =(1 - ?2?(1 - ?)? 24.17 X?s+0.29?3pU代入相關(guān)數(shù)值，得：?=622 ?>? ?3733一 6 < 02% ?2 X 106因此壓降在該體系中可以忽略不計(jì)。在Aspen Plus中進(jìn)行的流程模擬中壓降為零的假設(shè)成立。參考文獻(xiàn)1 張啟云，黃維捷，et al. (2007)."草酸二甲酯加氫合成乙二醇反應(yīng)的研究."石油化