列管式乙烯环氧化反应器性能分析与优化

摘要

乙烯环氧化是生产重要基础化学品环氧乙烷的主要工业方法。该工艺过程的优化，一方面在于高效环氧化催化剂的开发，另一方面是氧化反应器的操作优化。相对于催化剂开发，我国在合成催化剂方面的研究较强，但对合成反应器方面的研究相对薄弱，工业反应技术几乎全被国外公司垄断，显然不利于我国乙烯环氧化成套技术的自主研发。本文基于国产YS-M系列银催化剂，以所建立的列管式乙烯环氧化反应器二维拟均相数学模型为基础，模拟考察空速、入口温度、操作压力以及反应器入口物料组成等对环氧化反应器性能的影响，探讨列管式反应器及其所用催化剂的适宜匹配，奠定两者整体优化的工程基础。
　　基于微分衡算，构建了列管式固定床乙烯环氧化反应器二维拟均相数学模型，完成了Fortran90计算程序编译。验证分析表明，所构建的反应器数学模型模拟结果与工业生产采集数据良好相容，是适宜和可靠的。以该模型为基础，系统分析了乙烯环氧化工况条件对反应器性能的影响。结果表明，(1)随着操作空速的提高(4000hr-1～4600hr-1)，催化剂床层温度、径向温差和主、副产物浓度均逐步降低，床层热点温度向反应器入口方向移动，环氧乙烷选择性、催化剂生产强度和生产能力则逐步增加;(2)反应器入口温度的升高(150℃～250℃)对催化剂床层的温度影响不大，环氧乙烷选择性略有下降趋势，催化剂生产强度增加;(3)随反应器入口乙烯浓度的增加(20％～35％)，床层温度和径向温差升高，热点温度向反应器入口方向移动，环氧乙烷选择性、生产能力和强度增大。随氧气浓度的升高(7％～8.5％)，催化剂床层温度、径向温差、热点温度明显增大，环氧乙烷选择性略有降低;(4)随操作压力的升高(1.8MPa～2.1MPa)，床层温度、径向温差和主、副产物浓度均增大，环氧乙烷选择性和催化剂生产强度也逐步增加。
　　针对国产YS-M型银催化剂，系统考察了反应器列管管径变化对反应器性能的影响。结果表明，随列管管径的逐步增大(Φ35mm～Φ40mm)，催化剂床层温度、热点温度和径向温差也逐步增大，热点温度位置逐步向反应器出口方向移动，主、副产物浓度和床层压力降增大，环氧乙烷选择性降低，而催化剂生产强度逐步增加。基于催化剂活性保持和反应器操作稳定获得的适宜列管管径可选范围为:Φ34.4mm～Φ39.8mm。进一步综合化工技术经济观点最终确定的、装填国产YS-M型银催化剂的适宜列管管径范围为:Φ36mm～Φ39.8mm。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 环氧乙烷

1．1．1 环氧乙烷简介

1．1．2 环氧乙烷工业应用

1．2 国内外环氧乙烷生产状况

1．2．1 国外生产状况

1．2．2 国内生产状况

1．3 环氧乙烷生产工艺及发展改进

1．3．1 环氧乙烷生产工艺

1．3．2 乙烯环氧化合成环氧乙烷反应过程

1．3．3 生产环氧乙烷的工艺改进

1．4 乙烯环氧化反应器

1．4．1 乙烯环氧化反应器简介

1．4．2 乙烯环氧化反应器研究

1．4．3 乙烯环氧化反应器模型化

1．4．4 乙烯环氧化反应器模拟计算简介

1．5 选题目的、意义和研究内容

1．5．1 选题的目的、意义

1．5．2 研究的主要内容

第二章 列管式乙烯环氧化固定床反应器数学模型建立及其数值方法

2．1 反应器工艺流程

2．2 反应器数学模型

2．2．1 物料衡算

2．2．2 二维数学模型建立

2．2．3 物性数据

2．2．4 动力学参数

2．2．5 热力学参数

2．2．6 传递参数

2．3 模型求解

2．4 工况验证及模型适定性和可靠性分析

2．5 小结

第三章 工况条件对列管式乙烯环氧化反应器性能的影响

3．1 空速对列管式反应器性能的影响

3．2 反应器入口温度对列管式反应器性能的影响

3．3 乙烯和氧气进料浓度对列管式反应器性能的影响

3．3．1 乙烯进料浓度对列管式反应器性能的影响

3．3．2 氧气进料浓度对列管式反应器性能的影响

3．4 反应压力对列管式反应器床层性能分析

3．5 小结

第四章 列管管径对乙烯环氧化反应器性能的影响

4．1 管径变化对床层温度分布的影响

4．2 管径变化对反应物浓度分布的影响

4．3 管径变化对反应器催化剂床层压力的影响

4．4 管径变化对列管式反应器床层生产性能的影响

4．5 列管式反应器最优列管管径的选取

4．5．1 催化剂装填及催化剂活性要求判断

4．5．2 列管热稳定性条件判断

4．6 小结

第五章 列管式反应器技术经济分析

5．1 反应器动态经济模型的建立

5．2 反应器动态模型可行性评估

5．3 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

作者和导师简介