流程图的循环结构

1、1 2013.7.21 流程图的循环结构 2 1 2 3 4 5 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 6 7 3 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 e g. e g. 4 HDA过程 24 2 2 HCH H 甲苯苯 苯联苯 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 HOOHHOO+H2 catalys

2、t 反应条件和使用的催化剂均不同，需要两个反应器系统 5 HDA过程 24 2 2 HCH H 甲苯苯 苯联苯 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 6 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 12 C 丁烯+异丁烷异辛烷 丁烯异辛烷 22 CO COClCOCl 2 2 22 ，为生产双异氰酸酯的中间体，产物必须不含Cl。 采用过量，促使Cl 较高的转化率

3、； 苯+H环己烷，避免苯与环己烷的蒸馏分离，采用过量H ,使苯接近完全转化。 2 22EAHEtOH，氢气过量，平衡向右移动。 7 反应物的摩尔比 循环结构的决策 回收与循环费用 有益因素 8 1 2 3 4 5 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 6 7 9 0 22 (1) EATT EA T EA HH FFXF F F X F FyRyN X 有限反应物： 其他反应物： 10 1 2 3 4 5 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 6 7 11 反应器

4、 热效应 绝热 温升 温度 限制 热负 荷 Q=HFEA Q=FCp（TR， 入-TR，出） 反应特征，对于 反应温度是否有 限制 12 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 13 1 2 3 4 5 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 6 7 14 稀释剂的加入，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

5、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 15 1 2 3 4 5 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 6 7 16 设计准则：每级压缩 比应该相等，所需要 的功最小 效率，备件，年均建 设费用，操作费用和 灵敏度等 11 22 121 11 1 , 1 kk kk PPk WPVcTT kPP Vc 吸入容积，k-多变指数，P2/P1-压缩比 17 1 2 3 4 5 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 6 7

6、18 应结合化学反应特点和不同反应器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？ 19 p 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 20 生产能力的比较 【2】全混流反应器和

7、平推流反应器的比较 容积效率：对同一等温等容反应过程，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： 0 0 1 1 1 1 n A AAAA AA AA dN rkCk Cxn Vdt Cx kn x 恒容 变容 = p m V V 21 生产能力的比较 00 0 00 0 0 1 0 2 22 0 0 0 2 0 2 0 0, =1 1,1 1 ln 111 =ln1 1 2,1 1 =1 1 A A A p A m A AAAA p AA A mAA A AAAA A pAA A A m AA

8、nrk x Q C V k x V Q C k nrkCkCx Q V kxx Qx Vxx kx nrkCkCx Qx Vk Cx x Qx V k Cx 零级反应： 一级不可逆反应： 二级不可逆反应： 基础方程式（恒容过程）： 00 0 m00 A x A pA A A A A dx VQ C r x VQ C r 平推流 全混流 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

9、 反应，选具有返混的 全混流反应器。 22 p 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】平行反应1 1 2 1 12 11 2 22 1212 - - / 0 / R T k k a aa RRA A a SRA R S A AR AS rdCdtk Ck Ca rdCdtk Ck r r kkaaC R 主产物 副产物 动力学方程式： 要使 的收率增加，使 在一定 下，一定反应体系中， 、 、 、为常数，只有调整，使r 23 讨论： 1 2 12:R 12:R 1= 2:=R / R A S R A S R A S r

10、 aaC r r aaC r rk aaC rk R 主反应级数高，收率，选平推流反应器。 主反应级数低，收率，选全混釜（单釜）。 常数，对 收率无影响， 此时要依靠改变反应温度或 和催化剂来提高 的收率。 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。 24 1 2 11 1212 11 22 22 - - / / R k k ab aabb RRAB AB ab SRAB R S ABR ABS rdCdtk CCk CC rdCdtk CCk r r 主产物 副产物 动力学方程式： 讨论：如何选择反应器型式和操作方式，

11、使，使 的收率增加， 【1】平行反应2 反应级数大小 对浓度的要求 合适的操作方式 a1a2，b1b2 CA、CB均高 a1a2，b1b2 CA高、CB低 a1b2 CA低、CB高 a1a2，b1b2 CA、CB均低 25 26 12 12 s2 21 21 / / R S kk RRAR SR R AR S R AR S A ARS rdCdtk Ck C rdCdtk C r CC r r CC r R kkxR kkR ? = 一级反应动力学方程式： 讨论： 当 为目的产物时，选择平推流，间歇釜，多釜串联； 当 为目的产物时，选择全混釜（单釜）反应器。 另外， 为目的产物： 若，则采用较

12、低的单程转化率（小），分离 后，循环使用A。 若，可保持高转化率，以减轻分离 的负担。 【2】连串反应 27 1 k AAP APPP rkC C 动力学方程式： 【2】自催化反应 0max AA CCCSTR 讨论： 为使反应器总体积最小，在采用，使反应器保持在最高速率点运行， 为使反应原料得到充分利用，达到较高转化率，可在CSTR后串联PFR,达到高转化率的要求。 28 1 2 3 4 5 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 6 7 29 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

13、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。 30 工业反应器实例 600 H 298115/KkJmol 铁系催化剂 乙苯苯乙烯氢气， 工业上采用的反应器型式有两种： 一种是多

14、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。 31 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。 n水蒸气与乙苯的用量比 （

15、摩尔比）为69:1。(等 温反应器脱氢，水蒸气仅 作为稀释剂用)。 32 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， 所以

16、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%。 33 n 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。 34 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（这部分水蒸气

17、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 35 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