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1、2013.7.212013.7.21流程图的循环结构2023/2/19112345确定循环结构的决策循环的物料衡算反应器的热效应平衡的限制压缩机的设计和费用反应器的设计小结672023/2/192反应系统的总数循环物流的总数 如果各反应在不同的温度和压力下进行，和/或需要不同的催化剂是，则每一种操作条件需要一个单独的反应器系统。具有相邻沸点的组分循环到统一反应器时，他们应该在同一物流中循环。循环结构的决策eg.eg.2023/2/193HDA过程相同的温度及压力下发生，且都不用催化剂，只需要一台反应器新戊二醇生产工艺反应条件和使用的催化剂均不同，需要两个反应器系统2023/2/194HDA过程
2、组分正常沸点/去向H2-253循环+放空气体CH4-161循环+放空气体苯80主产物甲苯111循环液体联苯255燃料副产物2023/2/195反应物的摩尔比p 某一反应物过量，改善产物的选择性。如：p某一反应物过量，促使另一组份接近完全转化，减小分离难度。如：p某一反应物过量，改变平衡转化率。如：循环结构的决策2023/2/196反应物的摩尔比循环结构的决策回收与循环费用回收与循环费用有益因素有益因素2023/2/19712345确定循环结构的决策循环的物料衡算反应器的热效应平衡的限制压缩机的设计和费用反应器的设计小结672023/2/1982023/2/19912345确定循环结构的决策循环
3、的物料衡算反应器的热效应平衡的限制压缩机的设计和费用反应器的设计小结672023/2/1910反应器反应器热效应热效应绝热温升温度限制热负荷Q=HFEAQ=FCp（TR，入-TR，出）反应特征，对于反应温度是否有限制2023/2/1911加入热载体如催化剂的钝化过程，采用空气作为反应物流反应器的选择：如HDA过程，净化循环氢物流，出口温度升高，超过温度界限，不适用绝热反应器。替代方案：冷却反应器或加大循环氢流率。热效应的启示热效应的启示2023/2/191212345确定循环结构的决策循环的物料衡算反应器的热效应平衡的限制压缩机的设计和费用反应器的设计小结672023/2/1913稀释剂的加入
4、，如乙苯脱氢反应，水蒸气做稀释剂，降低产物分压，作为热载体，易分离改变温度、压力和摩尔比分离型反应器，如异丙醇脱氢可逆放热反应：反应速率和平衡转化率的折中2023/2/191412345确定循环结构的决策循环的物料衡算反应器的热效应平衡的限制压缩机的设计和费用反应器的设计小结672023/2/1915多级压缩多级压缩设计准则：每级压缩比应该相等，所需要的功最小其他其他效率，备件，年均建设费用，操作费用和灵敏度等功率功率2023/2/191612345确定循环结构的决策循环的物料衡算反应器的热效应平衡的限制压缩机的设计和费用反应器的设计小结672023/2/1917应结合化学反应特点和不同反应器
5、的性能进行比较来决定。p简单反应：比较生产能力p复合反应：比较反应选择性针对某特定反应，采用什么型式的反应器和操作方法？2023/2/1918p简单反应（无副反应：无产品分布问题）p定义：单位时间、单位体积反应器所能得到的产无量（越多越好），或给定生产任务所需反应器体积（越小越好）生产能力的比较【1】间歇反应器和平推流反应器的比较相同点：具有相同的返混特征不存在返混对于确定的反应过程，反应结果由动力学唯一确定不同点：虽然达到要求的VR相同，但间歇釜存在辅助时间和装料系数，所以总反应器体积VT较大2023/2/1919生产能力的比较【2】全混流反应器和平推流反应器的比较容积效率：对同一等温等容反
6、应过程，在相同产量、相同转化率、相同初始浓度和温度下，平推流反应器和全混流反应器所需有效体积之比。影响因素：反应级数和转化率动力学方程式：2023/2/1920生产能力的比较基础方程式（恒容过程）：可知：反应级数越高，容积效率越低；转化率越高，容积效率越低。结论：p高级数高转化率反应：选平推流。若只有反应釜，可用间歇付（存在辅助时间）或多釜串联。p零级反应与浓度无关。流动形式不想影响反应体积，选任何反应器均可。p对于n0的不可逆反应，选具有返混的全混流反应器。2023/2/1921p复合反应（平行反应、连串反应）p定义：反应器型式与操作方式的优化选择以产物收率为目标反应选择性的比较【1】平行反
7、应12023/2/1922讨论：结论：平行反应，提高CA，有利于级数高的反应，平推流最优，多釜串联次之，全混流最差。降低CA，有利于级数低的反应。2023/2/1923【1】平行反应2反应级数大小反应级数大小 对浓度的要求对浓度的要求 合适的操作方式合适的操作方式 a1a2，b1b2 CA、CB均高均高 a1a2，b1b2 CA高、高、CB低低 a1b2 CA低、低、CB高高 a1a2，b1b2 CA、CB均低均低 2023/2/19242023/2/1925【2】连串反应2023/2/1926【2】自催化反应2023/2/192712345确定循环结构的决策循环的物料衡算反应器的热效应平衡的
8、限制压缩机的设计和费用反应器的设计小结672023/2/1928初期设计，某些决策的设计准则p如果各反应在不同的温度和压力下进行，和/或需要不同的催化剂是，则每一种操作条件需要一个单独的反应器系统。p具有相邻沸点的组分循环到统一反应器时，他们应该在同一物流中循环。p如果需要某种过量的反应物，则有一最佳的进料比。p若改变反应器的温度、压力、摩尔比来转移平衡转化率，要进行经济性评价，确定最佳值。p对于放热反应，如果绝热温升低于进口温度的10%-15%，可考虑采用绝热反应器。p最贵的反应物（或最重的反应物）通常都是有限的反应物。p如果一个可逆副产物的平衡常数小，则循环该可逆副产物。2023/2/19
9、29工业反应器实例工业上采用的反应器型式有两种：一种是多管等温型反应器，是以烟道气为热载体，反应器放在加热炉内，由高温烟道气，将反应所需要的热量通过管壁传递给催化剂床层。另一种是绝热型反应器，所需要的热源是由过热水蒸气直接带入反应系统。主要差别：脱氢部分的水蒸气用量不同；热量的供给和回收利用方式不同。2023/2/1930多管等温反应器 反应条件及流程：n原料乙苯蒸气和一定量的水蒸气混合；n预热温度(反应进口)：540；反应温度(反应出口)：580620；n反应产物冷却冷凝，液体分去水后送到粗苯乙烯贮槽；n不凝气体含有90%左右的H2，其余为CO2和少量C1及C2，可作为燃料气，也可以用作氢源
10、。n水蒸气与乙苯的用量比（摩尔比）为69:1。(等温反应器脱氢，水蒸气仅作为稀释剂用)。2023/2/1931讨论：n要使反应器达到等温，沿反应器的反应管传热速率的改变，必须与反应所需要吸收热量的递减速率的改变同步。n一般情况下，出口温度可能比进口温度高出几十度(传递给催化剂床层的热量，大于反应时需要吸收的热量。n在反应初期,温度比较低有利:有利于抑制活化能比较高的裂解和水蒸气转化等副反应的进行。n接近反应器的出口，温度比较高有利:提高反应温度，不仅可以增大反应速度常数，也可以提高反应的推动力，从而加快脱氢反应速度，使乙苯能达到比较高的转化率。但是温度过高，结焦速度加快，使催化剂的活性迅速下降
11、，所以反应器出口温度不宜过高。因此多管等温反应器正能满足这个要求，出口温度只比进口温度高几十度。n通常采用的等温反应器脱氢，乙苯转化率可达到4045%，苯乙烯的选择性可达到9295%。2023/2/1932n优点：水蒸气的消耗量约为绝热式反应器的50%，乙苯转化率高，苯乙烯的选择性高。n缺点：等温反应器结构复杂，而且需要大量的特殊合金钢材，反应器制造费用高，因此，大规模的生产装置，都采用绝热型反应器。2023/2/1933反应条件及流程：n循环乙苯和新鲜的乙苯与部分水蒸气混合（这部分水蒸气约占总加入水蒸气量的10%左右）；n与高温脱氢产物进行热交换，温度升到520550，再与过热水蒸气混合（这
12、部分水蒸气的量占总加入水蒸气量的90%左右）n脱氢反应，脱氢产物离开反应器时的温度为585左右，经热交换，再进一步冷凝冷却，凝液分出水后，进入粗苯乙烯贮槽，尾气含氢气90%左右，可以作为燃料用，也可以用来制氢气。绝热反应器 2023/2/1934讨论：n由于脱氢反应需要吸收大量的热量，所以反应器的进口温度必然比出口温度高。n单段绝热反应器的进出口温度差可以达到65。n这样的温度分布对于脱氢反应速度和反应选择性都会产生不利的影响。由于脱氢反应器进口处乙苯浓度最高，温度高就有比较多的平行副反应发生，从而使选择性下降。脱氢反应器出口温度低，对平衡不利，使反应速度减慢，限制了转化率的提高，所以单段绝热
13、反应器脱氢，不仅转化率比较低（3540%），选择性也比较低（约90%）。n优点：结构简单，设备造价低,工艺流程简单，生产能力大；n缺点：反应器进出口温差大，转化率比较低（3540%），选择性也比较低（约90%），过热水蒸气用量大。2023/2/1935p多段式绝热反应器，过热水蒸气分段进入反应器反应器的改进 2023/2/1936p 采用二段绝热反应器第一段使用高选择性催化剂，以减少副反应，提高选择性。第二段使用高活性催化剂，以克服温度下降带来反应速度下降的不利影响。结果乙苯转化率可以提高到64.2%，选择性达到91.9%，水蒸气消耗量由单段的6.6 t/t苯乙烯，降低到4.5 t/t苯乙烯，生产成本降低16%。2023/2/1937p 采用多段径向绝热反应器使用小颗粒催化剂不仅可以提高选择性，也可以提高反应速度。但是使用小颗粒催化剂，反应器床层阻力增加，操作压力要相应提高。操作压力的提高，又会使转化率下降，为了解决这个矛盾，开发了径向绝热反应器脱氢技术。反应器制造费用比等温反应器便宜，水蒸气的用量比一段绝热反应器的用量要少，温差也小，乙苯转化率可达到60%以上，选择性也比较高。2023/2/19382023/2/1939