丙烯氨氧化循环流化床反应器数学模型.docx

丙烯氨氧化循环流化床反应器数学模型3魏飞胡永琪赖志平金涌俞芷青(清华大学化学工程系,北京100084)摘要在修正现有丙烯氨氧化反应网络的基础上,采用一维扩散模型对丙烯氨氧化合成丙烯腈循环流化床提升管反应器进行了模拟计算,得到了反应产物轴向浓度分布和操作条件对丙烯腈收率的影响,考察了返混对丙烯腈收率的影响和循环流化床作为丙烯腈合成反应器的效果。关键词循环流化床丙烯腈反应器模型返混丙烯氨氧化合成丙烯腈(AN)是一个典型的快速强放热的烃类选择性氧化反应,产品丙烯腈是连串反应的中间生成物。传统的湍动流化床反应器以其良好的传热传质性能和易于控温等优点,用于丙烯氨氧化合成丙烯腈工业生产已有几十年的历史。但是,由于湍动流化床中操作气速较低,气体和固体的返混相当严重,接近于全混釜,易于导致丙烯腈的过度氧化和收率降低,气固接触不够充分,生产强度低,过宽的气体和固体停留时间分布使得反应进度难以控制等缺点,限制了丙烯腈生产技术的进一步发展。近年来研究较为活跃的快速循环流化床是一种在高气速下操作的流化床反应器1,2。该反应器中气固流动接近平推流,返混程度大幅度减小;气体和固体为无气泡接触,改善了气固接触效果,从而可提高反应器的生产强度,更适合于丙烯腈合成反应。本文在丙烯氨氧化反应动力学研究的基础上,采用一维扩散反应器模型对循环流化床提升管反应器进行模型计算,并对平推流、全混流和循环流化床提升管等三种反应器的反应转化率和丙烯腈收率进行比较计算,考察循环流化床作为丙烯腈合成反应器的效果,寻找最佳的操作条件。催化反应,描述这一过程的数学模型可由气固混合模型、反应动力学模型及气固流体力学模型组成。111气固混合模型许多有关循环流化床提升管中气固返混行为的研究表明:提升管中气体和固体均存在一定的返混3,4,但远远达不到完全混合的程度。因此,本文采用扩散模型描述提升管中气体和固体的返混现象且提出如下基本假设。(1)提升管反应器中只存在轴向的返混和浓度、温度分布,径向上不存在浓度和温度差,即只考虑一维的情况;并且认为气体、固体和热量的轴向返混是由轴向扩散引起的。(2)丙烯氨氧化反应过程属化学反应动力学控制。(3)提升管中气体与固体处于热平衡状态。在提升管反应器中取一微元段,分别进行物料衡算和热量衡算得2dci-dci-PegLΘp(1-Ε)ri=0,Pegdxdx2Ug(1)i=1,2,,10边界条件为x=0,-dci=Pec-c;x=1,dci=0g(i0i)dxdx2dT-PeSdT+PeLrST(2)=0dx2dxUS反应器模型丙烯氨氧化反应是典型的强放热气固接触1收稿日期:1997206230。3本课题得到国家自然科学基金及清华大学基金的资助。·277·第4期魏飞等:丙烯氨氧化循环流化床反应器数学模型边界条件为:x=0,-dT=PeS(T0-(HCN)一项。本文采用修正的反应网络(如图1所示)。为了保证动力学模型的准确性,本文采用某工厂的湍动流化床实际工业数据对动力学模型进行参数拟合,拟合结果见表1。113气固流体力学模型提升管中轴向空隙率分布的计算可以根据T);x=1,dT=0dxdx式(1)、式(2)即为闭2闭式Danckwert边界条件的一维扩散反应器模型。式(1)中,ri是化学反应速率,由反应网络的动力学研究而得;Ε为某一轴向位置横截面上的平均床层空隙率,由对提升管中气体和固体的冷态流体力学研究而得。由于固体颗粒的导热系数远远大于气体的导热系数,式(2)中只考虑了催化剂颗粒的运2L2K模型计算:Ε-Εa1(x-(3)Ε=-x)lnΕ3-ix0式中动对传热的贡献;式中的rT是床层的放热速010741Εa=01484率,包括了反应放热和床层与外界的换热。上述模型为二阶非线性常微分方程组的边值问题,不可能得到解析解,本文采用打靶法求其数值解。112反应动力学模型戴擎镰5曾对丙烯氨氧化反应进行过动力学研究,提出的反应网络中末计入生成氢氰酸0102857Ε3=0195(Ε3-Εa)]x0=500exp-69式(3)中的xi可以通过提升管中催化剂持有量计算。空隙率分布的计算结果见图2。图1修正的动力学网络ACL为丙烯醛;ACN为乙腈,下文同表1两种催化剂的模型参数值图2提升管中轴向空隙率分布MB282MB286模型计算结果和讨论2Ek0Ek073171614717110111391414315162187148115411311181112×1053191×10-441503152×1032196×1039104×105011136146×1053197×10-4731716147171101391431637148115411311993112×1046173×10-441503152×1032100×1039104×105012116147×1055143