反应器详细设计_陈其乐_Nov29

1、草酸酯加氢反应器详细设计陈其乐 最后修改于2012年11月29日0:26草酸酯加氢反应器 R104内所发生的反应为:9COCH,I+ 2H? =coch3CH?OH(MG)* ch3oh2COCHjch3oh(MG J+ 2H2"CHfiH(EG)CHOH其中EG是主产物，MG是副产物。 两个反应的热效应表示为：DM0 + 2HZ = MG + CHjOH +54.98 kJ(1)MG + 2H3 - EG + CHjOHM6.24UJ(2)反应器相关设计参数列举如表 i所示：表i :反应器相关设计参数汇总反应器设备参数列管式换热器列管数n5000每根管长/m6管径/mm?32 X3

2、壳体直径/m3.53列官材质16MnR催化剂催化剂用量/t16.67催化剂总填装体积/m316.03操作条件温度/C205压力/MPa2.0进料液相空速/?-13.0列管气速/?7.2(H2/DMO)/(mol/mol)80.4物料信息进料信息见表2DMO转化率/%100EG选择率=EG/MG (mol/mol)4.051.反应器的操作条件由于这是一个气相夹带液相的有催化剂的反应器,故采用列管式固定床反应器， 根据计算取5000根列管（将在下面进行核算）1.1处理能力及进出物料处理能力：上游反应器气相进料为72068.3 kg/h，液相进料为51432.3 kg/h。对草酸酯加氢合成乙二醇的反

3、应，原料采用上游处理过的草酸酯（DMO ）、来自氢气储罐的氢气（H2）、以及循环气甲醇（CH3OH ）和氢气。进料条件如表2所示。表2:原料进料条件及组成来自组成摩尔流量 kmol/h质量流量kg/hDMO储罐DMO435.5351432氢气储罐H217193437循环气H23328266563CH3OH64.662069进料温度/C205进料压力/MPa2.0结合Aspen Plus的模拟结果，反应器原料进料组成如表3所示:表3 :反应器进料组成物料名称质量流量/（kg/h）质量分数/%DMO5143241.6H27000056.7CH3OH20691.67总质量流量：123500 kg/h

4、总摩尔流量：35501 kmol/h总体积流量：69208 m3/h1.2操作温度、压力、进料比和操作空速的选择根据文献，该反应在管式反应器中发生时，反应温度在205-210 C为宜，既保证了反应的速率，又减少了副产物的生成。因此我们确定反应温度为205 C。反应压力为2.0 MPa。这篇文献也研究了空时和反应进料比对反应转化率和选择性的影响。根据其研究结果， 反应进料比应为 H2/DMO=80100。表2中的进料组成中，H2/DMO=80.4 ,符合最优的条件。 同时根据文献得到最优的液相质量空速LHSV=3.0 h -1 （DMO）。2催化剂用量的确定2.1催化剂物性（Cu/SiO2催化剂

5、）Cu/SiO2催化剂是以SiO2为载体的负载型催化剂2, Cu质量分数为20%，通常SiO2载 体密度为1.21.5 g/cm3, Cu为8.9 g/cm3,故催化剂密度取 1.6 g/cm3。负载型催化剂为球形 颗粒，床层空隙率取 0.35，比表面积取30 m2/g。2.2催化剂的填装量根据反应动力学确定催化剂用量。反应的动力学遵循Langmuir -Hinshelwood模型（L-H模型），表达式如下：?*? ?祝?- ?祓)?=(1 + ?+ ?+ ?+ ?+ ?2?=(1 + ?+ ?+ ?+ ?+ ?2式中各参数的物理意义和取值为:表5 :动力学表达式中各参数的意义和取值吸附常数?

6、取值/MPa540.9940.0048145.56064.021157.903反应速率常数?取值 /(mol ? ?-1 )468.670550.088反应平衡常数?1?2取值/MPa-136.52.48将以上动力学表达式代入反应器物料衡算中：?'= ? ' ?'其中所有的气体都使用理想气体假设，用MATLAB计算得到催化剂用量与各物料流量之间的关系：(LVOEM)xnuOWQ0rII"0246Catalyst Weight (t)25O501000图1:催化剂用量与物料流量之间的关系根据图1,取催化剂用量取内外扩散系数分别为0.6 和 0.9,，WoWo?W

7、0 = 6.0 ?催化剂失活系数为6.0X 1.5 =0.9 X 0.61.5,得到催化剂实际用量16.67 ?催化剂床层体积则为?=16670?(1- ?)每个列管内的催化剂体积为1600 X (1 - 0.35) = 16.03 ? = - = 3.206 ?3 50003.列管式反应器尺寸参数的确定3.1床层直径的确定通过换热面积来确定床层直径。当反应达到指定转化率时，热效应为：Q = (54.98 + 46.24 ) X 435.53 - 46.24 X 19.18 = 43197 GJ/h用10 C的冷水进行冷却，传热系数设为K= 50 kJ/(? 2 ?h ?K)。得到换热总面积-

8、=4430 ?2 ?换热的比表面积?4430? 16.03276.4 ?2/?3而对于每一根列管，其比表面积为?4?/4 = ?当换热比表面积与列管比表面积相等时，计算出管径d=14.4 mm查管径规格表，取管径为 ？32 X 3 mm，即内径=26 mm。3.2管长的确定管径确定后，管长可以通过催化剂填装体积来确定。?L = ?= 30192 ?4所以每根管长? l= ?30192翻=6 ?3.3壳体直径的确定反应器的排管采用正三角形，列管间距t=1.368d, d是列管外径；a = -6 X(12n - 3)°5 -0.5, n为列管数；b=2a+1, b为六边形层数；e=11.5d，为最外层列管到壳体的距离。壳体直径 D=t(b-1)+2e，代入数值得： D=3.53 m 3.4列管气速的确定每根列管中的气速为?u=?x ?4 =7.24 ?/?4床层压降的校核根据欧根公式?-? =(1 - ?2?(1 - ?)? 24.17 X?s+0.29?3pU代入相关数值，得：?=622 ?>? ?3733一 6 < 02% ?2 X 106因此压降在该体系中可以忽略不计。在Aspen Plus中进行的流程模拟中压降为零的假设成立。参考文献1 张启云，黄维捷，et al. (2007)."草酸二甲酯加氢合成乙二醇反应的研究."石油化