羟基氯化镁热解动力学及反应器研究

摘要

氯化铵化学链循环是纯碱-氯乙烯清洁联产工艺的技术关键，其中释氯反应的高效进行尤为重要。本文以羟基氯化镁(Mg(OH)Cl)热解“释氯”反应为对象，研究了“释氯”反应的热分解机理及动力学规律，对反应器进行了模拟计算并优化了工艺条件和反应器构型，为纯碱-氯乙烯联产工艺的工业化应用提供必要的基础数据和反应器单元技术。
　　论文首先研究了氮气氛围下羟基氯化镁的热分解机理及动力学。通过热重分析、X射线衍射、扫描电镜等手段研究了羟基氯化镁热分解过程及其产物特性。结果发现羟基氯化镁的热分解可分为两个阶段:第一阶段为快速分解期，反应较为简单，反应机理是以随机成核和随后生长(n=1)为控制步骤的A1机理，表观活化能为290kJ/mol，指前因子为2.72×1019min-1，第二阶段为缓慢分解期，反应机理相对复杂，计算数据表明分解速率降低的原因可能是受扩散的影响，拟合得到的表观活化能约为92kJ/mol，指前因子为5.73×104min-1。最终热分解产物为氧化镁(MgO)，反应活性良好。
　　其次，论文针对年处理1万吨氯化铵示范项目，对羟基氯化镁热分解反应器进行了初步设计，包括反应器基本结构参数的求取、能量核算、传热过程计算等方面，特别对于蓄热燃烧型反应器，还考虑了蓄热室基本参数的计算、气固换热计算以及压降计算等，这些基础数据为反应器的数值模拟及优化奠定了基础。
　　最后，论文结合羟基氯化镁热分解动力学、反应器基本参数，基于COMSOL软件平台建立了传热-反应耦合的反应器一维模型，得到了烟气温度分布以及物料温度、浓度分布。针对蓄热燃烧型反应器，分析了气速、反应器长度、空气换向时间等因素对温度分布及反应的影响规律;针对间壁换热型反应器，分析了烟气入口温度、气体流量、反应器长度等因素的影响。最终获得优化的反应器操作条件:反应物料出口温度低于650℃，羟基氯化镁转化率高于90％。

目录

声明

致谢

摘要

主要符号表

1 引言

2 文献综述

2．1 基于氧化镁为载体的纯碱与氯乙烯联产工艺

2．1．1 联碱法生产纯碱

2．1．2 乙炔法生产氯乙烯

2．1．3 纯碱与氯乙烯工业的集成

2．2 氯化镁化合物的热解研究进展

2．2．1 热分析动力学概述

2．2．2 氯化镁水合物热分解研究进展

2．2．3 羟基氯化镁热分解动力学

2．3 回转式移动床反应器的研究进展

2．3．1 移动床反应器技术发展

2．3．2 回转设备简介

2．3．3 外热式回转窑反应器的发展研究

2．3．4 蓄热体传热及阻力性能的研究

2．4 本文研究内容

3 羟基氯化镁的热解动力学分析

3．1 实验部分

3．1．1 羟基氯化镁的制备

3．1．2 实验方法

3．2 羟基氯化镁热分解及其热分解动力学

3．2．1 羟基氯化镁及分解产物的表征

3．2．2 羟基氯化镁的热分解过程

3．2．3 羟基氯化镁热分解动力学基础分析

3．3 羟基氯化镁热分解反应机理函数的确定

3．3．1 Satava法

3．3．2 Achar-Brindley-Sharp-Wendworth微分法

3．3．3 Coats-Redfem积分法

3．3．4 Doyle法

3．4 羟基氯化镁热分解的影响因素

3．4．1 热天平周围气氛流量的影响

3．5 本章小结

4 热解移动床反应器的初步设计

4．1 回转式移动床反应器主体结构的基础设计

4．1．1 羟基氯化镁热分解过程能耗估算

4．1．2 反应器长度及窑内物料填充率的初步确定

4．2 移动床反应器内能量核算

4．2．1 回转设备内筒壁面与物料的传热

4．2．2 回转设备内筒壁的导热

4．2．3 气体与回转设备壳体通道壁的传热

4．2．4 能量损耗量的计算

4．3 反应器蓄热室的初步设计

4．3．1 空气及烟气流量的确定

4．3．2 蓄热室热回收效率的计算

4．3．3 对流平均温差的计算

4．3．4 蓄热室内烟气换热系数及空气换热系数的确定

4．4 反应器内蓄热室的阻力特性研究

4．4．1 流体流动状态的判别

4．4．2 通过蓄热体床层的压降

4．4．3 局部阻力损失

4．4．4 流体速度变化所产生的阻力

4．5 本章小结

5 羟基氯化镁热分解反应器的数值模拟研究

5．1 COMSOL MULTIPHYSICS软件介绍

5．2 回转式移动床反应器数学模型的建立

5．2．1 蓄热式回转反应器数学模型

5．2．2 计算求解

5．2．3 结果分析与讨论

5．3 夹套式回转反应器(并流)数值模拟

5．3．1 模拟参数的设置

5．3．2 烟气入口温度的影响

5．3．3 烟气流量的影响

5．3．4 反应物料进口温度的影响

5．4 夹套式移动床反应器(逆流)数值模拟

5．4．1 烟气入口温度的影响

5．4．2 烟气流量的影响

5．4．3 反应器长度的影响

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简介

硕士阶段取得的研究成果