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(例5-7-4) (例5-7-5) 初始条件:l=0时,YB=0,YC=0,Tc=Tb0。用Runge-Kutta法解不同进口温度T0时上述常微分方程组,可得反应管高度为3m以内的催化床轴向温度分布和邻苯二甲酸酐收率YB(实线)和CO、CO2收率YC(虚线)的轴向分布,见图(例5-7-1)及图(例5-7-2)。 图(例5-7-1)催化床轴向温度分布 图(例5-7-2) 催化床轴向收率分布 当Tb0=626、628或630K时,模拟计算表明:床层有明显的先升高后降低的轴向温度分布,其热点温度及轴向位置分别为Tb0=626K时,热点Tmax=656.8K,位于L=0.80处;Tb0=630K时,热点Tmax =691.8K,位于L=1.0处,当Tb0=630.5K时,出现床层内温度猛升的现象,于L=1.0处,温度已上升到736K,于L=1.05m处,温度超过1000K,以致催化剂遭到破坏,进气温度0.5K之差,竟造成如此严重的后果。这种现象称为“飞温”。 由此可见,带强放热副反应的系统在管式反应器内操作,由于温度升高引起的副反应反应速率加大,而副反应的反应热大为超过主反应时,破坏了反应。对于这类反应,床层温度的控制,特别是热点温度,十分重要。 [例5-8] 邻二甲苯催化氧化管式反应器的操作参数敏感性及飞温。 解 在钒催化剂上邻二甲苯催化氧化的本征反应速率见例5-7,例5-7并且讨论了反应器进口温度Tb0的参数敏感性。下面分别讨论进料浓度、熔盐温度及空速的参数敏感性。 (一)进料浓度 进料浓度是影响化学反应速率的重要因素,它对反应器前部的反应速率影响很大,在一定的条件下表现出参数的敏感性。另外,进料浓度g0还直接影响反应器的生产能力,但由于参数敏感性的限制,进料浓度不得不被限制在一定的范围内,从而影响生产能力。如图(例5-8-1)可见,在其他条件(SV=1500h-1,Tb0=360℃)不变时,热点温度随进料浓度的增大而增高,且热点位置稍微后移,当进料浓度g0达到42g/m3(STP)时,进料浓度再增大到42.5g/m3(STP)即发生飞温。由此可见,进料浓度对邻二甲苯氧化反应过程是一个敏感参数。 反应收率Y与进料浓度之间的关系如图(例5-8-2)所示。为避免发生飞温现象和保持较高的邻苯二甲酸酐收率,应严格控制邻二甲苯的进料浓度。 (二)熔盐温度 由图(例5-8-3)可知,邻二甲苯氧化反应器的热点温度随熔盐温度的增大而迅速提高,当熔盐温度进入临界区域后(如360℃),只要有1℃的波动就引起了飞温。这就要求在固定床反应器的设计与操作中,应确保足够大的熔盐循环量,以尽量减少壳程内轴向和径向的熔盐温差,特别要防止出现熔盐流动死区,否则将可能出现飞温和失控现象,影响反应转化率和操作安全。 熔盐温度与收率之间的关系如图(例5-8-4)所示。由此可见,在反应器的操作过程中,既要有一定的熔盐温度,以保证高转化率;又不能使熔盐温度过高,过高的熔盐温度会使收率下降,甚至出现飞温。而这两个温度之间的差距并不很大,也就是说操作的弹性不大。因此在工业实际生产过程中,必须严格控制熔盐温度。 图(例5-8-3) 进料浓度的参数灵敏性 SV=1500h-1,Tc=T0=360℃ 图(例5-8-4)进料浓度与收率的关系 SV=1500h-1,Tc=T0=360℃ (三)空速 空速的参数敏感性如图(例5-8-5)所示。提高空速可以显著地降低热点温度,这是由于增大了床层内侧给热系数,和增大了气体带走的显热。空速增大,热点位置显著后移。对这一类强放热反应,在保证一定转化率的条件下选用较大的空速是防止飞温的有效措施。而在反应器的运行过程中因设备(风机、压缩机等)故障而引起的气体减量或停车极易引起反应器的飞温而导致事故。 空速对收率也有一定的影响。空速较小时,流体在反应器中的流速较慢,停留时间较长,氧化程度必然加深,随着副反应的加剧选择率下降;并且,空速小,管内热阻大,反应热不能及时移出,热点温度随之上升,同样也造成选择率下降。两者共同作用的结果使收率下降。随着空速增大,反应气在管内的流速加大,管内热
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