文献流化床反应器的数学模型_丁烯氧化脱氢制丁二烯过程开发_赵连仲

19 82年 化学工程 第 1期 流化床反应器的数学模型 一一丁烯氧化脱氢制丁二烯过程开发 赵连仲 _ (山西煤炭化学研究所) 结合丁烯梦化脱氢的开发过 程 , 根据 流化床反应器两相模型 , 计算了在该反应器 放大过程中模型参数的变化 . 并与流化床内气饱当量直径进行了关联 , 计算了气泡当 量直径随反应器直径放大的变化关系 下的公式 7 : 、 前 . 山.口叼口. . . .口. . 口 半 U.王 式中 二 亘廷 p . 二e L 互 . 1650林 9 R e p 20(1) 气 一 固流化床作为化学工业中的反应器 已被许多过程所采用 。 在我国蔡氧化制苯醉 , 丁烯氧化脱氢制丁二烯 , 丙烯氨氧化制丙烯 腊等大型反应装置 , 都是流化床反应器 的实 例 。 然而 , 由于流化床内气 一固运动 情 况远 比其他型式反应器复杂 , 所以整个流化床反 应器的设计和放大尚未摆脱经验阶段 “ 。 。 本文 结合丁烯氧化脱氢的开发过程 , 从 流化床反应器两 相模型入手 , 计算了在该反 应器放大过程中模型参数的变化 。 并与流化 床内气泡当量直径进行了关联 , 进而计算了 气泡当量直径随反应器直径放大的变化 一 关 系 。 所有这些 , 娜寸 目前国内挡板流化床 的 设计和放大提供参考 。 二 、 模型建立的实验基础 1 。 初始流化速度 u二, 计算 u二: 值的公式很多 。 此处采用 了如 d , 颗粒平均直径 , 厘米 p . 固体颗粒密度 , 克/厘米 3 p : 流化介质密度 , 克/厘米 ” 卜 流化介质粘度 , 克/厘米 。 秒 因为 。: 的计算值有一定误差 , 且其实 测值比较容易求得 , 故多用其实测值 。 在本 实验中 , u。, 值为1 0匣米 /秒 。 2 。 流化床内气体返混 关于挡板流化床内气体返混实验的数据 已在有关文章上作了详细介绍 “ 。 本文只 引其结论 : 床内气体返混甚小 , 特别是通过 挡板的返混更微 。 _ 3 . 床层膨胀比 R 流化床 内空塔速度 。: 超过 。, 后 , 床层 由初始床高H 。开始膨胀。 随着 u。 的增加 , 膨 胀床高度 H : 也增加 。 我们定义床层膨胀比 R : 狡二H : /H 。 ( 2) 该催化剂的膨胀比R随 u. 的变化情况见 图1 汇 。, 。 一石4一 / 解 z . z 艺夕 代 必 、 : 卜气休速度为 u。. 。 气泡相内无颗粒 , 气 体速度为 ”“。 反应只在具有催化荆颗粒的浓相发 生 。 两相间有气体交换 。 基于床层体积的两 相交换系数为K秒 一 。 两相气体均无反向流动 , 呈活塞流 。 见两相模型示意图 2 。 / ,翻留热试 公髯韶移 吟籽秒 图, 微球催化剂床层膨胀 比 沪 4 。 丁烯氧化脱氢反应的动力学特性 动力学实验表明 , 该反应对丁烯为一 级 , 对氧和水蒸汽为零级 8。 . 在实验和生产实践中 , 可以看到该催 化 剂具有较明显的初活性 。 为了得到平 衡状态 催化剂的动力学特性 , 故将小2 400 工业装置 所用催化剂少量卸出 , 作宏观动 力学实验 。 其结果为 ”: . 1 士一X e一 : “万 ( 一 3) 8 8 8 卜 ” 丫 月月 卜 : _ _ _ f f f 召召6 6 6 a P P P 右右心 心 c P P P a a a F F F 今今 汀解 , z 图 2 两 相模型 示意图 在床内轴向任取一微元高度d l , 分别写 出两相的物料平衡方程式 。 经化简合并 , 得 一联立常微分方程组 : 、,产孟 住 Jr、 一产 、 . 了、了. 恤性 .了 八U d c一d l 二 F 式中 . 二 、 寸 烯转化率 、 -一 S , “ 丁烯标准状态下体积空速 , 时 一 气 K , 反应速度常数 _- 在反应温度 48 0 的条件下 , 折算成基 于催化剂堆积体积 的反应速度 常数为 1 . 4 4 秒 一1. u 【 “ +K ( e、一e, )二0 令会 +K(一,+ K : 二 会 - 、|,|l| |/ 凡 ,F 凡 一 F F P 一 F 三 、 模型的建立及求解 令 : A二叭 一 本文根据挡板流化床的特点 , 提出如下 假设 : 一 一 流化床内分成两相 , 浓 相P和气泡相 B _ 骨浓相处于初始流化状态 , 即空隙率为 B u, C二K ( 5) 则式( 4)变成: 一55一 . 过 c卜 丽 干K 丈亡、 二 、 c, ) _ 共 一 O ndc p 二。 _ , . 、. 。 _ _ 。 。 五 玄个 I、 丫“,一c“, 下U叮 一 “ (6) (7) “ 呼击卜 人K 干”KAC, 大 * 丫沁硬 天不B户千之K (式七二沉甘 艺斌户谬 ( 1 1 ) 由式(6 )得 : 其边界条件为 : C C 一一 一 一 七P UCr , 、 人d c . 一二, 一一 月.C卜 Kdl - (8) (12) 将式(8 )代入式(7 ) , 经化简得 : 令 + (令普 + 署赊 十 器一 0 由式(8 )得 : 当l一O , d c _ d l 0 ( 13) 由式(1 0) 、 (12) 、 (9) 解 此方程 , 得出:. - - 4 e、 =C :e一人I 十C: e一入21 C : (13)解得 : _ 入 le。 入 :一 入 : ( 14) (10) 入 、.了叹 厅 ,右. 恤 .尹 奋U C l F.1 . 了. 昌 tU 外 _也 _ 入1一入 : 一、 2,_ 森丛扁 一 久: 一 坑 卫七二 e一 , _ 卫车 入 : 一入: 入1一入 : _、 一: 、 . A, “ . 少 十又、 入 : 丛 e一 入z一大 : 入 : 入 2 入 i 一 入 : (1弃之 , 才、 re e lw e 且有 。 出口气体浓度 u 叭F p 一 + u 、 F b ( 2 1 ) e 。 . 二 , 几之 u: F u、e、 +万 笼厂 “f 占 F P u,ep (16) 转化率 x二i 一e 。 : / e。 (1 7) 由式心 2 1)可计算 u “再利用式( 5)计算 A 、 B 、 C值 。 根据不同规模流化床反应器 实际操作情况 , . 见表 1 , 分别进行计算 。 l , 菩 1 于t ! l 四 、 模型的计算及结果 一 : . d . 、 模型参数的选取及计算 一 . 、 二 在 u, 一1 . 。米/秒的条件下 , 根据图 1 , 取床层膨胀比R = 2 。 气泡相体积 V 、 = HfF 、 一 ( H :一 H 。 )F( . 15 、 ) 浓相体积 v , H : F , 一 O H F 、 ( 19) 式(18) 、 (19)相除 , 得 : 表, 反应器H r 米 u宜 米/秒 1转化率 绍 中800 中2400 1 . 0 东 . 0 69 . 8 66 . 5 65 . 0 互三 旦 红二奥 。 一R 一1 ( 20 ) 根据两 相模型的假设 , 有 : 2 。 计算结果 考虑到实际生产过程中还有一些其他因 素影响转终率值 。 所以转化率值应慎重选 取 , 使其具有代表性 。 小15 0小试 装 置 , 取 自微球催化剂寿命实验平均 结果 。, 小80 0 中试装置 , 取自第一次微球催化剂放大实验 平均结果 “, 小2 4。工业规模装置 , 取操 作条件与 小15认小80 0基本相同 的一段时间 的平均结果 川 。 各转化率值 见表 1 。 H F P 一56一 由表 1所列 的转化率值用试差法计算 , 可得对应的两相交换系数K值 。 结果见表 2 o N二 . 为二生上 1 一 兀QU 6 26) 表 2 一 一一 . . . 如. . . ., . , . 妇, ., , 。 一 反应器 中150 巾而。 似400 转化率 叫 K 牺 当量气泡直径 db 厘米 40 375 69 63 在本文的模型中 , 采用 .的 是基于单位床 层体积 的两相交换系数 , 所以 , 为了建立K与 当量气泡直径的关系 , 需换算 。 由式( 25 ) 、 (26)得出 : 叹 n U U八 1 1 巨. . . .1 1 .11 R 口口拓“ 叨 O 臼八0工a魂0nDnD 3 。 与当量气泡直径的关联 根据J . F . D av ids on 和D . H a rr i son 对气 泡行为的测 量和分析 2, 见图 3 , 对于流 化床中单一气泡的物料平衡可写成 : K二N (q +K os 自担J _二 些 J ) d盆 。、 s u二, d者+ 1 1 +0 . 97 5D万g丁d老 :5 ( q+ K Gs )( 。, 一。 “ ) 一v 、 粤 at ( 将已经得到的 u二: 、 u: 、 u、 值以及 g 980厘米 /秒 “和气体扩散系数 D 。 二。 . 15 4 厘 22) 米丫秒 , 代入式(27) , 得 : 式中 、_ q 周围介质环 流通过气泡 的流量 s 气泡表面积 K 。 两相 间通过表 面 的传质系数 V 、 单个气泡体积 K二 冬丛旦 d 、 + 卫 色旦 互 d老 ;名 u二:t T d音 ( 23 ) 据式( 2 8)所建立的K 与d 、 的关系 , 可进 行计算 。 计算结果列于表2 。 4 。 挡板流化床中气泡当量直径的计算 S 。 M o e r和C 。 Y 。 W en 根据一些研究 结果给出了计算流化床 内气泡直径的半经验 公式 “ , , ,J. 3 一 4 一 一 K G 二 立土 1 SD言扩d刃 万 二 诊 _ 3 .o q卞工、 GS -丁 峙 工吹3 u二 ,二d 考 +0 . 9 75二d 1 1 D g 万 d、 M一 d 、H d、 M一 d 、o = e一0:3H/D , (29) 式中 , d b、 为最大可能气泡直径 , d、 。 为初 始气泡直径 ; d H 为床高H处的气泡直径 。 且有 : b一 “ 6 5 2 A t 。 一 ) ” (3。 图含气饱摸型示惫田 对多孔型分布板 设单位床层体积内有N个气泡 , 并且认 为超过初始流化速度的全部气体以气泡型式 通过床层 , 则有 : b。 一。 , ,7 I A ! 。 一 )/。 d ) : (3, NV 、ub u:一 u二: 墓中 , “ 。为分 布板孔数 , D 。、 A : 分别为库 径和截面积 。 由式(29)计算出卯d “: 与由攀 型反算出的d 、 之差和D , 关系见图4 。 一 57一 甜 即褶 琳 图 心 P 刃胭渺 考 ,飞 名 附录 : 模型计算结果与 生产数据的对比 马珍长 图 4 当母气泡直径计算经验公式 几 。 、, 一 丁 该近似直线头系 。 其表达式为 : : 一 d比 ,一 d b 2 2 + . 0 1 39D . ( 、 3 2 ) 最大相对误差小于8% 。 一_1 根据小240。流化床反应器生产实际操作 数据 “ , 选取原料丁烯 , 标准状态体积空速 为1 3 0小时一和 1 60小时一两组数据 。 计算基础数据 : S , 、 1 6仁小时 一 S , 一 13 0 小时 一 一 H 。一 1 . 7 7米 u: =1 . 4 5 米/秒 : . K 。: 一1 . 14米/秒 1 . “秒 一 澳 五 、 结 分 语 j . 本文结合挡板流化床的特点及 丁烯 氧化脱氢的开发过程 r, 根据两相模型得到 了 一个挡板流化床 的设计 、 放大过程中计算其 反应效果的计算方 法曰为了具体说明其计算 步骤并验证共可靠性 , 对小 2400 反应器在空 速为1 3 ;O 小时 一 和 16 0 小时 一, 的条件下 , 进行 了计算 。 并与实际生产数据进行了对比 。 结 果还是比较满意的 。 见附录 。 2 。 从计算中可以看到本模型中的关键 参数是两相 交换系数 。 木文把放大过程中 , 反 应效果下降的结果 归结于床内两相交换系数 的降低 。 但是 , 由于计算简单 , 物理模型上 仍欠完整 , 因此 , 为完 成流化床反应 器 的数 学模型放大 , 结合生产实践 , . 开展流化床基 本性质的研究是十分需要的 。 ” 3 。 本文提出的计算方法是根据挡板流 化床用 于丁烯氧化脱氢过程而得到的 。 并且 为了模型的建立和求解,做了一些假设 。 其 中一些假设有实验基础 , 还有一些未必完全 符合客观实际 。 所以 , 若将此法推广于其他 采用挡板流化床的一级反应过程 , 尚待有关 研究者进一步研讨 。 计算程序及每步结果 : 由式(l)或实测得 : “ 示 一。 . 1米/秒 查图1 : 、 R= 称5 8 , R二.22 2 由式(2) : H 一 4 . “米 H : ,3 . 9 2 米 : 由式(31) : d、 。 11 , 76厘米 d 、 。 =10二61厘米 由式(30) : d 、M = 338厘米 由式( 29 ) : d比二15 6 厘米 d 、 = 1 00厘米 K一0 . 232 1 由已得到的R值和 式( 1 8) 、 出一 d bM “3 0 3厘米 d b H 124厘米 d 、 二6 8 厘米 K=0 . 3 438 (1 9) 、 (5) , 得 A=. 14112 B=0 . 0 38 7 C=0 。 5 581 A二 1 . 095 B=0 . 045 C= 0 . 649 将A 、 B 、 C 、 K值代入式(1。) , 得出 入 一= 1仑 . 6267 , 入 : =0 . 15 62 入 l 声22 . 1 611 入 : = 0 . 2047 将久 ,、 久 : 、 H , 值代入式( 14) 、 (25) 、 (i已) 得出 : 一石8一 Cb 吧万 0 。 4846 0 . 452 4 参考文献 Cp C0 ”0 . 1 312 Cp CO 0 。 16 02 C ou t CO =0 . 4 735 C。 ” t C O 由式(17) : X= 0 . 52 6台 X= 0 . 5591 操作数据 :。,: 二 不 一 Q那 2 . X一峥” 计算值与实验值的对比结果见图 5。 由图 可见其符合馒度是令人满意的 。 图5 计算结果和操作数据的对比 【1 燃料化学工业部石油 化工规划设计院 . 石油 化 工 设计参戈资料(七) .“ 流化床反应器的调查资料 ” . 、 、 _l ( 盯 . 2 ) - 2浙江大学 , 石油化1 . 6 , 6 (1977) . 3 1沈阳化工研究院 , 沛化床反应器放大技术述:评 . (1977 、 4) . 4渡会正三 . 化学工学 , 18 . t101 . 9(1974) . 【6 科学院山西 煤化所 等 , 化学工程 , 【4,招 (1977) . t6 C . Y . W en , eta l . , AI