苯酐生产中固定床反应器模型的研究
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固定床反应器的数学模型1、概述凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器,其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占最主要的地位。
如炼油工业中的催化重整,异构化,基本化学工业中的氨合成、天然气转化,石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。
此外还有不少非催化的气-固相反应,如水煤气的生产,氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2)以及许多矿物的焙烧等,也都采用固定床反应器。
固定床反应器之所以成为气固催化反应器的主要形式,是由于具有床内的流体轴向流动可看作为平推流,在完成同样的生产任务时,所需的催化剂用量(或反应器体积)最小;床内流体的停留时间可严格控制,温度分布可适当调节,因而有利于提高化学反应的转化率和选择性;床内催化剂不易磨损,可以在高温高压下操作等优点,但固定床中传热较差,对于热效应大的反应过程,传热与控温问题就成为固定床技术中的难点和关键,为解决这一问题而提出了多种形式的床层结构。
2、固定床反应器的结构形式固定床反应器类型很多.按换热方式不同可分为:绝热式反应器和换热式反应器。
2.1绝热式反应器在反应器中的反应区(催化剂层)不与外界换热的称为绝热式反应器。
一般来说,反应热效应小;调节进A反应器的物料温度,就可使反应温度不致超出反应允许的温度范围的反应过程等可采用绝热式反应器。
绝热式反应器具有结构简单,反应空间利用率高,造价便宜等优点。
图1是绝热床反应器的示意图。
如果反应热效应较大,为了减小反应区内轴间温度分布不均,可将绝热反应器改成多段绝热式反应器,在各段之间进行加热或冷却,它可使各段反应区接近适宜温度。
图2是多段绝热床反应器的示意图。
总之,不论是吸热或放热的反应,绝热床的应用相当广泛。
特别对大型的,高温的或高压的反应器,希望结构简单,同样大小的装置内能容纳尽可能多的催化剂以增加生产能力(少加换热空间),而绝热床正好能符合这种要求。
6000吨/年苯酐装置的工艺设计摘要苯酐是重要的有机化工原料之一,用于生产增塑剂、醇酸树脂、不饱和聚酯树脂、染料及颜料、医药及农药等。
目前,全球苯酐生产所采用的工艺路线有萘流化床氧化和萘/邻二甲苯固定床氧化,其中邻二甲苯固定床氧化技术约占世界总生产能力的90%以上。
本设计采用邻二甲苯氧化连续式生产邻苯二甲酸酐,该法工艺比较成熟,资料较多,故采用该工艺。
本设计根据年产6000吨/年的生产需求对苯酐装置进行了设计。
设计中采用以五氧化二钒为主的钒系催化剂进行邻二甲苯的气相氧化,反应器采用列管式固定床反应器。
将过滤后的无尘气经压缩、预热至160℃,与被气化的邻二甲苯蒸气混合后进入反应器,在400-460℃进行催化氧化反应,反应进料空速3200h-1,空气中邻二甲苯浓度40g/m2(标准),反应热由管外循环的熔盐带出。
反应产物进入熔盐冷却器,被冷却的反应气经进一步冷却,进入粗酐贮槽,回收粗苯酐。
同时尾气经水洗塔回收顺丁烯二酸酐后放空。
粗苯酐经减压蒸馏,由初馏塔塔顶分离出低沸点的顺丁烯二酸酐,甲基顺丁烯二酸酐及苯甲酸等;塔底物料经精馏塔真空精馏,在塔底蒸出苯酞等重组分,再由塔顶得到精制苯酐产品,最后结片包装。
本设计确定生产6000吨邻苯二甲酸酐的合理生产工艺;完成年产6000吨苯酐生产的全部工艺计算(物料衡算,热量衡算),根据工艺计算确定生产设备的工艺尺寸;绘制工艺流程简图、带控制点的工艺流程图和设备图。
关键词苯酐;邻二甲苯;邻苯二甲酸酐;工艺设计Design of phthalic anhydride of yearly produces6000 tonsAbstractPhthalic anhydride is one of important organic Chemical industry material for producing plasticizer、alkyd resin、unsaturated polyester resin、dyestuff and pigment、medicine and pesticide. Currently, the process routes of phthalic anhydride produceing are fluidized bed oxidation of naphthalene and fixed bed oxidation of o-xylene/naphthalene all over the world. And the technology of fixed bed oxidation of o-xylene is about 90% of the world's total production capacity. This design uses the method of o-xylene oxidation to produce Phthalic anhydride continuously. The technology is mature and more information,so it is used.According to the production requirements of annual output of 6000 tons, phthalic anhydride plant is designed. The design is gas phase oxidation of o-xylene by vanadium catalyst, which is mainly about vanadium pentoxide. The reactor used is tubular fixed-bed reactor. Detailed design process: After fliteration, no the dust gas is compressed、preheated by 160℃, and sent into the reactor mixing with o-xylene steam which has been gasified. Catalyze oxide reaction is continued in 400-460℃. Airspeed of response feed is 3200h-1, the concentration of o-xylene in air is 40g/m2 (stp), heat of reaction is taken away by molten salt, which recycle outside the pipe. Product of reaction sent into salt cooler, cooled reaction gas sent into crude anhydride tank after further cooling. At the same time, exhaust is recovered by Water Scrubber to get maleic anhydride, then shorting. By vacuum distillation, Maleic anhydride,Methylmaleic anhydride and Benzoic acid is separated from crude anhydride by the tower of the first distillation, with low boiling point. Bottom of the column material is made vacuum distillation by the second distillation column. Phthalide and other fractions are steamed at the bottom of tower, then get refined phthalic anhydride product from the tower . At last, sheeting and package.This design determines a reasonable production process of 6000 tons Phthalic anhydride; Completes process calculation(mass balance, heat balance) of producing 6000 tons o-xylene anhydride; According to process calculation, calculate the size of the production process equipment, drawing process diagrams、process diagrams with control points and equipment chartKeywords:Phthalic anhydride;O-xylene;Phthalic anhydride;Process Design目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (7)1.1 对苯酐的用途及其应用前景 (7)1.2 苯酐的生产概况 (7)1.2.1 萘氧化法 (8)1.2.2 邻二甲苯氧化法 (9)1.3 本课题研究的目的和内容 (10)1.3.1 研究的目的 (10)1.3.2 研究的内容 (11)1.4 本章小结 (11)第2章生产流程的确定 (12)2.1 苯酐生产技术介绍 (12)2.2 生产流程简述 (12)2.3 工艺流程简图 (13)2.4 设计参数 (13)2.5 本章小结 (14)第3章物料衡算与能量衡算 (15)3.1 参与反应的物质性质 (15)3.1.1 邻二甲苯 (15)3.1.2 空气 (15)3.1.3 氧气 (16)3.1.4 邻苯二甲酸酐 (16)3.2 物料衡算 (17)3.2.1 物料衡算依据及方框图 (17)3.2.2 反应器的物料衡算 (17)3.2.3 初馏塔的物料衡算 (19)3.2.4 精馏塔的物料衡算 (21)3.3 能量衡算 (22)3.3.1 反应器的能量衡算 (22)3.3.2 初馏塔的能量衡算 (24)3.3.3 初馏塔换热器的能量衡算 (26)3.3.4 精馏塔的能量衡算 (29)第4章设备的选型与计算 (32)4.1 反应器的选型与计算 (32)4.1.1 选择合适的反应器的型式 (32)4.1.2 确定最佳的操作条件 (32)4.1.3 反应器的设计计算 (33)4.1.4 传动装置及搅拌轴的设计 (36)4.2 初馏塔的选型与计算 (36)4.2.1 理论塔板数计算 (36)4.2.2 初馏塔设计的主要依据和条件 (38)4.2.3 初馏塔塔径设计计算 (40)4.2.4 塔釜的计算 (41)4.2.5 塔高的计算 (44)4.2.6 塔体管径的确定 (44)4.3 初馏塔的换热器设计 (45)4.3.1 确定设计方案 (45)4.3.2 确定物性数据 (45)4.3.3 计算总传热系数 (46)4.3.4 计算传热面积 (47)4.3.5 工艺结构尺寸 (47)4.3.6 换热器核算 (48)4.4 精馏塔的选型与计算 (51)4.4.1 理论塔板数计算 (51)4.4.2 精馏塔设计的主要依据和条件 (53)4.4.3 精馏塔塔径设计计算 (55)4.4.4 塔釜的计算 (56)4.4.5塔高的计算 (59)4.4.6塔体管径的确定 (59)4.5 精馏塔的换热器设计 (59)4.5.1 确定设计方案 (60)4.5.2 确定物性数据 (60)4.5.3 计算总传热系数 (60)4.5.4 计算传热面积 (61)4.5.5 工艺结构尺寸 (62)4.5.6 换热器核算 (63)4.6 其他部分设备的选型与计算 (65)4.6.1 原料贮罐的选型 (65)4.6.2 中间储罐I的选型 (66)4.6.4 泵的选型 (66)4.7 本章小结 (67)结论 (68)致谢 (69)参考文献 (70)附录A (71)附录B (76)附录C (77)附录D (768)附录E (79)附录F (76)附录G (81)附录H (82)附录I (83)第1章绪论1.1对苯酐的用途及其应用前景苯酐的用途十分广泛:邻苯二甲酸酐简称苯酐,是重要的有机化工原料之一,用于生产增塑剂、醇酸树脂、不饱和聚酯树脂、染料及颜料、医药及农药等。
固定床反应器的研究进展6 a# H4 k7 @) c! '4 A, }+ k! E4 A摘要:本文介绍了固定床反应器控制的研究概况,从动力学方面的实验研究,动力学的模拟计算,和测试技术等方面对固定床反应器的研究进行了总结。
7 B: G+ y- k3 u% u关键词:8 @! j0 Z4 t3 g" x' ?, F! '! U固定床反应器动力学模拟导热系数扩散反应8 A! {$ z* ]. y! H固定床反应器是化学工业中广泛应用的反应设备目前,大部分的催化过程是在固定床反应器中进行的,如合成氨、三氧化硫合成、甲醇合成、乙烯氧化制环氧乙烷、邻二甲苯氧化制苯醉等. 与返混式的反应器(如流化床)相比,固定床反应器内流体的流动接近于平推流,因此可用少量的催化剂和较小的反应器容积来获取较大的生产能力;而且催化剂不易磨损,可长期使用(除非失活).然而,反应器操作过程中所关心的质量指标如选择性等却对床层的温度分布存在高度的非线性依赖关系,因此温控问题就成为固定床反应器的关键和难点所在.固定床反应器的另一个弱点是催化剂的更换必须停产进行.随着催化剂的失活,将对过程的定态和动态特性产生重要影响,因此操作条件也必须随之作适当调整.如何动态地确定操作条件,使反应器始终在最优条件下操作即进行优化控制同样是固定床反应器控制研究的重要课题。
6 o7 Y+ I- ?1 Q- F因此,根据固定床反应器的控制指标,反应器的控制基本可以分为两大类:用于抑制过程扰动的常规控制和用于最大化某一经济函数或泛函的优化控制这里必须指出的是,在常规控制中,不仅要考虑反应器操作安全性、维持高产率或高选择性等,同时还必须把环境保护作为控制的一部分,而这一问题正受到越来越多的重视(z) 。
由于固定床反应器不同的构造型式和操作方式,及其不同的动态特性,造成固定床反应器的控制方案很多,其难易程度也各不相同闭% ?. x$ h+ I3 t; \1 w+ C3 [; l) H, @6 O! f* h- a固定床反应器是过程控制领域的一大难题。
6000吨/年苯酐装置的工艺设计摘要苯酐是重要的有机化工原料之一,用于生产增塑剂、醇酸树脂、不饱和聚酯树脂、染料及颜料、医药及农药等。
目前,全球苯酐生产所采用的工艺路线有萘流化床氧化和萘/邻二甲苯固定床氧化,其中邻二甲苯固定床氧化技术约占世界总生产能力的90%以上。
本设计采用邻二甲苯氧化连续式生产邻苯二甲酸酐,该法工艺比较成熟,资料较多,故采用该工艺。
本设计根据年产6000吨/年的生产需求对苯酐装置进行了设计。
设计中采用以五氧化二钒为主的钒系催化剂进行邻二甲苯的气相氧化,反应器采用列管式固定床反应器。
将过滤后的无尘气经压缩、预热至160℃,与被气化的邻二甲苯蒸气混合后进入反应器,在400-460℃进行催化氧化反应,反应进料空速3200h-1,空气中邻二甲苯浓度40g/m2(标准),反应热由管外循环的熔盐带出。
反应产物进入熔盐冷却器,被冷却的反应气经进一步冷却,进入粗酐贮槽,回收粗苯酐。
同时尾气经水洗塔回收顺丁烯二酸酐后放空。
粗苯酐经减压蒸馏,由初馏塔塔顶分离出低沸点的顺丁烯二酸酐,甲基顺丁烯二酸酐及苯甲酸等;塔底物料经精馏塔真空精馏,在塔底蒸出苯酞等重组分,再由塔顶得到精制苯酐产品,最后结片包装。
本设计确定生产6000吨邻苯二甲酸酐的合理生产工艺;完成年产6000吨苯酐生产的全部工艺计算(物料衡算,热量衡算),根据工艺计算确定生产设备的工艺尺寸;绘制工艺流程简图、带控制点的工艺流程图和设备图。
关键词苯酐;邻二甲苯;邻苯二甲酸酐;工艺设计Design of phthalic anhydride of yearly produces6000 tonsAbstractPhthalic anhydride is one of important organic Chemical industry material for producing plasticizer、alkyd resin、unsaturated polyester resin、dyestuff and pigment、medicine and pesticide. Currently, the process routes of phthalic anhydride produceing are fluidized bed oxidation of naphthalene and fixed bed oxidation of o-xylene/naphthalene all over the world. And the technology of fixed bed oxidation of o-xylene is about 90% of the world's total production capacity. This design uses the method of o-xylene oxidation to produce Phthalic anhydride continuously. The technology is mature and more information,so it is used.According to the production requirements of annual output of 6000 tons, phthalic anhydride plant is designed. The design is gas phase oxidation of o-xylene by vanadium catalyst, which is mainly about vanadium pentoxide. The reactor used is tubular fixed-bed reactor. Detailed design process: After fliteration, no the dust gas is compressed、preheated by 160℃, and sent into the reactor mixing with o-xylene steam which has been gasified. Catalyze oxide reaction is continued in 400-460℃. Airspeed of response feed is 3200h-1, the concentration of o-xylene in air is 40g/m2 (stp), heat of reaction is taken away by molten salt, which recycle outside the pipe. Product of reaction sent into salt cooler, cooled reaction gas sent into crude anhydride tank after further cooling. At the same time, exhaust is recovered by Water Scrubber to get maleic anhydride, then shorting. By vacuum distillation, Maleic anhydride,Methylmaleic anhydride and Benzoic acid is separated from crude anhydride by the tower of the first distillation, with low boiling point. Bottom of the column material is made vacuum distillation by the second distillation column. Phthalide and other fractions are steamed at the bottom of tower, then get refined phthalic anhydride product from the tower . At last, sheeting and package.This design determines a reasonable production process of 6000 tons Phthalic anhydride; Completes process calculation(mass balance, heat balance) of producing 6000 tons o-xylene anhydride; According to process calculation, calculate the size of the production process equipment, drawing process diagrams、process diagrams with control points and equipment chartKeywords:Phthalic anhydride;O-xylene;Phthalic anhydride;Process Design目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (7)1.1 对苯酐的用途及其应用前景 (7)1.2 苯酐的生产概况 (7)1.2.1 萘氧化法 (8)1.2.2 邻二甲苯氧化法 (9)1.3 本课题研究的目的和内容 (10)1.3.1 研究的目的 (10)1.3.2 研究的内容 (11)1.4 本章小结 (11)第2章生产流程的确定 (12)2.1 苯酐生产技术介绍 (12)2.2 生产流程简述 (12)2.3 工艺流程简图 (13)2.4 设计参数 (13)2.5 本章小结 (14)第3章物料衡算与能量衡算 (15)3.1 参与反应的物质性质 (15)3.1.1 邻二甲苯 (15)3.1.2 空气 (15)3.1.3 氧气 (16)3.1.4 邻苯二甲酸酐 (16)3.2 物料衡算 (17)3.2.1 物料衡算依据及方框图 (17)3.2.2 反应器的物料衡算 (17)3.2.3 初馏塔的物料衡算 (19)3.2.4 精馏塔的物料衡算 (21)3.3 能量衡算 (22)3.3.1 反应器的能量衡算 (22)3.3.2 初馏塔的能量衡算 (24)3.3.3 初馏塔换热器的能量衡算 (26)3.3.4 精馏塔的能量衡算 (29)3.4 本章小结 (31)第4章设备的选型与计算 (32)4.1 反应器的选型与计算 (32)4.1.1 选择合适的反应器的型式 (32)4.1.2 确定最佳的操作条件 (32)4.1.3 反应器的设计计算 (33)4.1.4 传动装置及搅拌轴的设计 (36)4.2 初馏塔的选型与计算 (36)4.2.1 理论塔板数计算 (36)4.2.2 初馏塔设计的主要依据和条件 (38)4.2.3 初馏塔塔径设计计算 (40)4.2.4 塔釜的计算 (41)4.2.5 塔高的计算 (44)4.2.6 塔体管径的确定 (44)4.3 初馏塔的换热器设计 (45)4.3.1 确定设计方案 (45)4.3.2 确定物性数据 (45)4.3.3 计算总传热系数 (46)4.3.4 计算传热面积 (47)4.3.5 工艺结构尺寸 (47)4.3.6 换热器核算 (48)4.4 精馏塔的选型与计算 (51)4.4.1 理论塔板数计算 (51)4.4.2 精馏塔设计的主要依据和条件 (53)4.4.3 精馏塔塔径设计计算 (55)4.4.4 塔釜的计算 (56)4.4.5塔高的计算 (59)4.4.6塔体管径的确定 (59)4.5 精馏塔的换热器设计 (59)4.5.1 确定设计方案 (60)4.5.2 确定物性数据 (60)4.5.3 计算总传热系数 (60)4.5.4 计算传热面积 (61)4.5.5 工艺结构尺寸 (62)4.5.6 换热器核算 (63)4.6 其他部分设备的选型与计算 (65)4.6.1 原料贮罐的选型 (65)4.6.2 中间储罐I的选型 (66)4.6.3 中间储罐Ⅱ的选型 (66)4.6.4 泵的选型 (66)4.7 本章小结 (67)结论 (68)致谢 (69)参考文献 (70)附录A (71)附录B (76)附录C (77)附录D (768)附录E (79)附录F (76)附录G (81)附录H (82)附录I (83)第1章绪论1.1对苯酐的用途及其应用前景苯酐的用途十分广泛:邻苯二甲酸酐简称苯酐,是重要的有机化工原料之一,用于生产增塑剂、醇酸树脂、不饱和聚酯树脂、染料及颜料、医药及农药等。
苯酐生产工艺流程研究摘要:苯酐即邻苯二酸酐,是一种重要的有机化工原料,在4种主要有机酸酐中,其产量和消费量最大。
苯酐主要用来生产增塑剂、不饱和树脂、醇酸树脂和染料,同时也是生产糖精、油漆和其它多种有机化合物的重要中间体。
增塑剂广泛地应用于塑料加工行业,尤其是聚氯乙烯塑料制品的加工生产。
苯酐的下游产品广泛地用于化工、电子、机械、纺织和食品等工业部门,因此了解苯酐的生产、消费及市场分布情况非常重要。
关键词:苯酐粗制;苯酐精制;研究引言苯酐,全称为邻苯二甲酸酐(Phthalicannychide),常温下为一种白色针状结晶(工业苯酐为白色片状晶体),易燃,在沸点以下易升华,有特殊轻微的刺激性气味。
苯酐能引起人们呼吸器官的过敏性症状,苯酐的粉尘或蒸气对皮肤、眼睛及呼吸道有刺激作用,特别对潮湿的组织刺激更大。
苯酐主要用于生产PVC 增塑剂、不饱和聚酯、醇酸树脂以及染料、涂料、农药、医药和仪器添加剂、食用糖精等,是一种重要的有机化工原料。
在PVC生产中,增塑剂最大用量已超过50%,随着塑料工业的快速发展,使苯酐的需求随之增长,推动了国内外苯酐生产的快速发展。
最早的苯酐生产始于1872年,当时德国BASF公司以萘为原料,铬酸氧化生产苯酐,后又改用发烟硫酸氧化生产苯酐,但收率极低,仅有15%。
自1917年世界开始以氧化钒为催化剂,用萘生产苯酐后,苯酐的生产逐步走向工业化,规模化,并先后形成了萘法、邻法两种比较成熟的工艺。
1苯酐的用途1)增塑剂增塑剂是苯酐最大的消耗市场,增塑剂主要用于聚氯乙烯加工(80%),也广泛用于合成橡胶、聚氨酯、聚苯乙烯等合成树脂的加工工艺中。
预计改领域的消费量仍将以年均2.5%的速度增长。
2)不饱和聚酯苯酐可以调节不饱和聚酯的不饱和度,使不饱和聚酯有良好的综合性能。
预计该领域的消费量将以年均4.0%的速度增长。
2苯酐生产工艺流程研究2.1邻法概况随着苯酐产量的迅速增长,焦油萘越来越不能满足生产的需要,而随着石油工业的发展,又提供了大量廉价的邻二甲苯,扩大了苯酐的原料来源。
摘要:进入21世纪以后,科技得到快速的发展。
化学工业也取得突飞猛进的进步。
而苯酐作为化学原料,在生产的作用也越来越大,它的用途主要在于增塑剂上,仔细研究这种化学原料,其作用主要是用作催化剂。
本文就以苯酐生产过程为研究,经过认真仔细地分析,找到了其快速提高质量的方法,希望会对苯酐生产起到一定的作用。
关键词:苯酐;催化剂;诱导期;盐温随着科技的进步,市场经济的发展,我国的化工行业也在不断地发展,这也促进了苯酐的快速应用。
邻苯二甲酸酐作为化学原料的一种,其在生产上起着重要的作用,其主要的用途是在增塑剂上。
科技的发展,人们需要的化工原料越来越多,这就使得苯酐的市场越来越大。
而苯酐在我国的研究起步较晚,研究尚不成熟。
因此,我国的化工原料大部分还是以邻二甲苯为主。
而这种化学原料属于苯酐中比较低级的一种,其需要和空气按照一定的比例配合,才能生成我们所需要的邻苯二甲酸酐。
一、苯酐的制造过程随着改革开放以后,我国的化学工业在不断地发展,但是苯酐的研究却一直进步不太明显。
其随着应用的广泛,生产工艺虽然在一定程度上改进不少,但是仍然存在很多不足之处。
为了能够更好地认识苯酐,我们根据其原料的不同,可以分成以下两类:第一种是萘法生产工艺,第二种是邻二甲苯生产工艺。
刚开始两种生产工艺虽然不同,但是在应用上没什么区别。
经过一段时间的应用,第二种逐渐得到人们的认可,其在生活中应用越来越广泛,下面就详细地介绍第二种生产工艺,一般情况是先汽化,然后让它和一定比例的空气混合在一起,最后等这些混合在一起的气体完成之后再装入氧化反应器中。
以便这些物质在容器中可以充分地反应。
这个过程并不是很复杂,让人们不满意的主要是其在制作过程中会产生副产品,这些副产品的产生必然会浪费原料。
二、苯酐催化剂简介(一)苯酐氧化催化剂基本原理目前,在我国的市场上比较畅销的邻二甲苯氧化制苯酐一般是通过固定床氧化反应器完成的。
在此期间需要很多催化剂,这些催化剂可以分成以下两类:首选是五氧化二钒,其次是二氧化钛的混合物。
苯酐装置氧化反应器系统HAZOP分析摘要:介绍了危险和可操作性分析(HAZOP)的方法,并用此方法分析了苯酐装置的氧化反应器。
大多数现役或在建苯酐装置的氧化反应器是在爆炸范围内操作,存在较大的火灾、爆炸危险性,一旦在操作、控制和管理上稍有疏忽,就可能发生火灾、爆炸事故。
HAZOP方法针对指定系统进行结构化和系统化的审查,辨识系统中潜在的危害和潜在操作问题,并为今后的设计提出相应建议和措施。
关键词:危险;可操作性;苯酐;反应器;前言危险性和可操作性研究(Hazard and Operability Studay,文中简称HAZOP)是针对设计中的装置或现有装置的一种结构化和系统化的审查,其目的在于辨识和评估可能造成人员伤害或财产损失的风险[1]。
HAZOP是一种基于引导词的定性评价技术,通过一个多专业小组组织一系列会议完成。
HAZOP 研究技术是1963年由英国帝国化学公司首先开发的,1970年首次公布,其间经过不断改进与完善,在欧洲和美国,现已广泛应用于各类工艺过程和项目的风险评估工作中。
有些国家,如英国,已通过立法手段强制其在工程建设项目中推广应用(BS IEC 61882:2001Hazard and operability studies - Application guide)。
随着时代的发展,建设项目规模变得越来越大,工艺过程也越来越复杂,而社会上对HSE(健康、安全和环保) 的要求也越来越严格,项目建设单位也将面对着巨大的压力,这迫使建设单位重视HSE 问题,以避免各类重大事故的发生。
在石化工程项目建设过程中,HAZOP 技术的目的是确定工程设计中存在的危害及操作问题。
通过熟悉工艺过程,包括各种设计条件和意图,系统地检查工艺过程以找出对原设计条件可能发生的种种偏差,确定哪些偏差可能导致危害或引起操作问题,为项目的HSE 风险管理提供依据[2]。
也正是由于这种需要,国内各个设计院陆续开展了HAZOP工作。
化工过程开发3固定床反应器的设计固定床反应器是一种广泛应用于化工过程中的反应设备。
它主要用于催化反应,其中床层通常由固定的催化剂颗粒组成。
本文将探讨化工过程开发中固定床反应器的设计。
固定床反应器的设计主要涉及以下几个方面:床层形状和尺寸、催化剂选择、床层温度控制、床层压降控制以及反应器的运行和维护。
首先,床层形状和尺寸的选择非常重要。
床层的形状可以是圆柱形、长方形等,根据不同的反应系统和操作条件选择合适的形状。
床层的尺寸需要根据反应物料的物理性质、反应速率等因素综合考虑。
如果床层尺寸过小,会增加反应物料在床层中的流动阻力,导致催化剂效果降低;如果床层尺寸过大,会增加反应器的体积和成本。
其次,催化剂选择是固定床反应器设计中的关键因素之一、催化剂的选择应根据反应的特性和要求进行,例如选择具有高活性和选择性的催化剂,同时考虑催化剂的稳定性和寿命。
此外,催化剂的粒径和形状也需要根据床层形状和流体动力学要求来选择,以保证催化剂的颗粒间距合适,流体能够均匀地通过床层。
床层温度控制是固定床反应器设计中一个重要的方面。
反应器的温度对反应速率和产物选择性都有很大影响。
因此,需要对反应器进行良好的温度控制。
常见的温度控制方法包括在反应器中使用换热器或加热器来控制床层的温度,同时结合温度传感器和控制系统对温度进行实时监测和调节。
床层压降控制也是固定床反应器设计中的一个关键问题。
床层压降是指反应物料通过床层时所产生的阻力和压力损失。
过高的床层压降会影响反应器的运行效果和经济效益。
因此,需要通过合理的床层设计和压降控制手段来降低床层压降,例如选择合适的床层颗粒尺寸和形状、优化床层结构等。
最后,反应器的运行和维护也是固定床反应器设计中需要考虑的因素。
在反应器运行期间,需要定期检查床层的催化剂活性和物理状态,并根据需要进行催化剂的再生或更换。
此外,反应器还需要定期清洗和维护,以保证其正常运行和延长其使用寿命。
综上所述,固定床反应器的设计需要综合考虑床层形状和尺寸、催化剂选择、床层温度控制、床层压降控制以及反应器的运行和维护等方面。
苯酐化学名邻苯二甲酸酐,分子式C8H4O3,是重要的有机化工原料,广泛用于增塑剂、树脂、涂料、涂染料、树脂医药、农药等行业。
在苯酐生产中,反应主要发生在固定床气相反应器,大量能量也产生在固定床气相反应器,所以固定床气相反应器设计、制造是否合理,固定床气相反应器使用中控制是否合理、平稳将决定一套苯酐生产装置的生命力。
通过对固定床气相反应器模型的研究,不但可以优化固定床气相反应器的设计、生产,而且可以检验生产过程中固定床气相反应器控制是否合理,对于优化生产也有重要的意义。
1苯酐生产常用的固定床反应器苯酐生产工艺是经计量的邻二甲苯经过预热(约145℃),在汽化器内汽化与空气接触混合后(一般≥165℃)进入列管式氧化反应器,当其在400~480℃、压力0.050MPa﹑催化剂作用下与空气进行氧化反应生成苯酐及副产品顺酐。
反应气经水冷却器、部分冷凝器冷却到155℃左右进入切换冷凝器,得到粗苯酐,尾气经水洗涤后回收顺酐,粗苯酐经热处理后蒸馏可制得苯酐产品。
苯酐的生产工艺可以根据所使用的反应器类型分为:固定床气相反应器、流化床气相反应器、液相反应器。
其中液相反应器建设费用过高,实际推广价值很低;流化床气相反应器很难维护,有腐蚀问题,催化剂损失也很大。
经过多年的使用证明固定床气相反应器比其他反应器更优越。
1.1固定床气相反应器的比较现在各生产苯酐的厂家建造了各种不同版本的固定床气相反应器,主要区别是催化剂的性能和操作条件的不同。
主要有低能耗VonHeyden法、低空气比率法、出口气体循环法。
低空气比率法和低能耗VonHeyden法的区别主要是前者使用了一个额外的后冷器,将部分邻苯二甲酸酐以冷凝的方式从反应器中回收,低能耗VonHeyden法中空气对邻二甲苯的比例高,要求空气压缩机、反应器、气体冷凝器、切换冷凝器具有更大的生产能力和更大的体积。
1.1.1低空气比率法的优点低空气比率法中使用的催化剂对空气与邻二甲苯比例的要求仅为9.5∶1,远远小于其他技术中要求的20∶1,这就明显缩小了反应器的体积,降低了切换冷凝器、蒸发器等其他设备的负荷,风机和泵的能耗降低50%,由于反应器中惰性气体流量降低,带走的热量减少,使更多的热量变成高压蒸汽,生产工厂的能量可以实现自给自足,具有较大的市场竞争力。
1.1.2低能耗V on H eyden 法的优点低能耗VonHeyden法的主要优势是技术十分成熟,大部分装置运行成功,同时可以通过使用一些特殊的催化剂适应萘原料或者萘与邻二甲苯混合原料,可以应对邻二甲苯原料价格的上涨。
低能耗VonHeyden法是一个保守但稳妥的选择。
2固定床气相反应器的模型尽管低空气比率法的固定床反应器的工艺成熟度不如低能耗VonHeyden法,但低空气比率法和其他工艺主要区别在于反应器内碳氢化合物低,新催化剂的使用可以将所用空气减少一半,因而可以大大降[收稿日期]2009-11-06[作者简介]李国名(1971-),男,工程师,研究方向为化工工程设计。
苯酐生产中固定床反应器模型的研究(石家庄外经贸职业学院,河北石家庄050061)李国名[摘要]固定床气相反应器是苯酐生产中的主要设备,通过对比苯酐生产中不同固定床气相反应器操作法的优缺点,选择了低空气比率法作为固定床气相反应器研究对象。
引入苯酐固定床气相反应器的反应动力学模型、转化率及温度分布模型、固定床反应器传热系数模型,并通过计算机对数学模型进行模拟计算得到数据,绘图得到相关曲线。
通过对曲线进行分析,得出了与实际数据相符合的结论,该模型的建立不但可以优化固定床气相反应器的设计、生产,而且对苯酐生产中固定床气相反应器控制起到了指导作用。
[关键词]苯酐;固定床反应器;模型;模拟[中图分类号]TQ051.1+4[文献标识码]A[文章编号]1003-5095(2010)03-0014-03第33卷第3期2010年3月Vol.33No.3Mar.2010低热量的损失,减少预热需求和风机的功率,则功耗大大降低。
因为低空气比率法的操作成本和产品成本远低于其他的工艺和技术,所以苯酐生产的反应器首选低空气比率法的固定床反应器。
2.1反应动力学催化剂主要由五氧化二钒、二氧化钛组成的混合物,催化剂是通过把上述混合物喷涂在载体上制成的,载体直径为6mm的瓷球或瓷环,表面积可达到8~10m2/g。
邻二甲苯在催化剂作用下主要发生的反应如下:C8H10+3O2→C8H4O3+3H2O2C8H10+15O2→2C4H2O3+8CO2+8H2OC8H10+10.5O2→8CO2+5H2O根据反应温度的不同,最少有3种主要反应机理:370℃以下,反应为氧气浓度的一级反应,转化为苯酐的选择性高,但原料利用不充分;370~440℃之间,反应为烃浓度的一级反应,反应速率常数很高,邻二甲苯转化基本完全;440~510℃之间,反应仍为烃浓度的一级反应,并且反应速率不受温度影响,但副反应和完全氧化容易发生。
如果催化剂表面温度超过500℃,催化剂将不可逆地失活,由于从气相主体到催化剂表面有10~30℃的温差,所以气相最高温度在510~530℃,一般不超过510℃。
2.2反应器模型固定床反应器既是反应的场所,又是热量传递的重要设备,对于4万t/a苯酐固定床反应器,每小时产生的热量将近20MW,为了获得品位高的蒸汽,冷却剂选用了熔盐混合物,反应器温度控制得好坏与传递到熔盐的热量有关,而传递热量的多少取决于总传热系数,温度变化会影响邻二甲苯的选择性,所以反应器内的温度分布非常关键,必须进行很好地控制,并且要经常优化,所以为反应器建立模型变得非常重要。
固定床反应器中优化的主要参数包括:邻二甲苯随管长的转化率分布、管壁的温度分布、冷却剂的温度分布、反应气的温度分布等。
2.2.1邻二甲苯的转化率分布数学模型x=1-exp(-aL)(1)a=ρSM/G(2)式中,ρ为催化剂床层的装填密度;S为指前因子;M为进料的平均分子量;G为表观气体流量。
2.2.2反应气温度与壁温的关系数学模型T-TW=β/(γ-α)[exp(-αL)-exp(-γL)](3)式中,T为反应气温度;TW为壁温;L为反应管长度;β、γ、α为变量组。
2.2.3反应管内热量平衡数学模型(x2-x1)my△H=mcp(T2-T1)+UA△T(4)式中,x2、x1为邻二甲苯的转化率;m为反应物质量流量;y为邻二甲苯的摩尔分率;cp为反应物的平均热熔;H为每千克反应物的反应热;U为总传热系数;A为传热面积。
2.2.4冷却剂能量平衡数学模型UA△T=mscps(T2s-T1s)(5)式中,ms为冷却盐的质量流量;cps为冷却盐的平均热熔。
2.2.5固定床反应器传热系数模型从反应气体到冷却剂熔盐的总传热系数包括3部分:气体到管壁的对流传热、通过管壁的热传导、冷却剂主体的热传导。
2.2.5.1气体到管壁的对流传热系数[1]气体到管壁的对流传热用下面两式计算:Nu=0.203(Re+Pr)0.33+0.220Re0.8+Pr0.4(6)H1=NuK/D(7)式中,Nu为努赛尔系数,Re为雷诺数,Pr为普朗特数,H1为气体到管壁的对流传热系数。
2.2.5.2管壁的热传导系数[2]管壁的热传导系数用下式计算:h2=2k/dln(d0/di)(8)式中,h2为管壁的热传导系数,d为传热管平均直径,d0为外径,di为内径。
2.2.5.3冷却剂主体的热传导系数冷却剂主体的热传导系数用下式计算:H3=NuK/De(9)式中,De为有效管径。
3固定床反应器的模拟以上面模型对固定床反应器用计算机进行模拟,固定床反应器选用低空气比率法工艺,以生产能力4万t/a,每年连续开车8000h,空气对邻二甲苯比例为9.5,反应列管长度为3m,列管内径为25mm,冷却剂采用导热盐,反应气与导热盐逆流(进口370℃,出口385℃)为例。
沿反应管长度方向,以3mm为距离,利用数学模型对固定床反应器进行转化率计算和热量恒算,获得116组数据,绘制得到图1、图2。
·15·第3期李国名:苯酐生产中固定床反应器模型的研究图1邻二甲苯转化率随反应管长的变化曲线图2反应气及反应管壁温度随管长的分布曲线4结论4.1如果要使固定床反应器操作状况达到理想状态,应具有良好的散热条件,并且要避免出现过热点,这在新催化剂刚投入使用时就更加明显,此时反应热效应都集中在进口附近,随着催化剂的老化,温度最高点会逐步沿着反应管后移,并且热效应强度也不断下降。
4.2为了保持较佳的反应动力学条件,反应气体的主体温度应该在440~510℃之间,由于催化剂在500℃以上会失活,而反应气体与催化剂表面之间有50~100℃的温度差,所以反应气体的最高温度应低于550℃,同时500℃以上盐冷剂能够与金属管壁发生反应,所以应避免高温的出现。
4.3在不同操作条件下由模型进行模拟计算,经过分析计算结果和温度模拟曲线得出结论,总传热系数决定了温度峰值的高低,峰值出现在反应管200mm以内,总传热系数越大,峰值越小。
由于总传热系数中起着决定作用的是气体到管壁的对流传热系数,而气象流量及构成基本变动不大,所以通过改变盐冷剂的流动方向等办法作用不大。
另一个可以改变的是管径,可以发现管径越大,反应气体温度越不容易控制,而管径越小,反应管壁温度越不容易控制在500℃以下,通过比较选择25mm的管径较好。
本模型得到的结论与苯酐生产中的实际情况进行对比发现,结论符合实际生产数据情况,证明本模型具有实际应用价值。
[参考文献][1]Kreith,D.O.ProcessHeatTransfer[M].NewYork:McGraw-Hill,1950.[2]Kreith,F.,Both,M.S.principlesofheatTransfer[M].NewYork:HarperRow,1986.Study on Fixed Bed Reactor Model in the Production of the Phthalic AnhydrideLIGuo-ming(ShijiazhuangForeignEconomicandTradeVocationalCollege,Shijiazhuang050061,China)Abstract:Fixedbedmeteorologicalreactoristhekeyequipmentintheproductionofthephthalicanhydride.Bycompar-ingduringtheoperation,thelowgasratiowaschoosedtobetheresearchobjectofthefixedbedreactor.Byadoptingthereactorkineticmoduleofthephthalicanhydridefixedbedreactor,conversionrate,temperaturedistributingmodule,heattransfercoefficientmoduleofthefixedbedreactor,thedatawasgottenbycomputerstudyingandanalysisthemath-ematicalmodel.Withthedata,thecurvewasdrawn.Afterresearchingthecurve,theconclusioncoincidencewasconcludedwithfactualdata.Thismodulecannotonlyoptimizethedesignandproductionofthefixedbedmeteorologicalreactor,butalsogivetheinstructionstothecontrolofthefixedbedmeteorologicalreactorintheproductionofthephthalicanhydride.Key words:phthalicanhydride;fixedbedreactor;module河北化工·16·第3期。