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反应器的设计


反应器的设计 1.反应器选型 反应器设计为本设计的重点,因影响因素较多,则选择文献与软 件模拟同时参考,确保设计数据的准确可靠。本设计以羰基合成反应 器为例采用全混釜式反应器。 设计使用全混釜式反应器进行动力学模 拟。 丙烯与合成气反应生成丁醛的主反应是在HRh CO TPP 3 催化下 的一个放热反应,反应操作压强 1.8-1.9MPa,操作温度 90℃。为保 持反应的平稳进行,采取外部措施进行恒温处理 全本设计采用全混釜式反应器,相比较其它反应器而言,混釜式 反应器适用性大,操作弹性也较大,在连续搅拌操作时,全混釜式反 应器内物料达到完全混合状态,组成和温度均匀且容易控制,产品质 量均一。但同时全混釜式反应器在保持高转换率时,反应容器容积较 大。 现以羰基合成反应器为例进行设计示例, 其设计思路是首先在实 验数据的基础上得到在特定条件和催化剂下反应的转化率, 进而通过 Aspen 平衡反应器得到反应平衡时的焓,进而通过 Aspen 全混流模 型反应器得到反应的动力学模型,得出反应器的设计参数。再由理论 推导和软件模拟得到实际情况的模型优化, 再进行强度的校核与优化, 最终得到反应 2.催化剂选择 羰基合成反应催化剂为配位体三苯基膦的铑膦络合物即 (HRh CO TPP 3 ) ,溶剂为丁醛的三聚物。

3.反应器设计方程的建立 (1)热力学条件 主反应: 丙烯与合成气在HRh CO TPP 3 催化下反应生成丁醛的主反 应为: CH3CH=CH2+CO+H2??→CH3CH2CH2CHO(正,异丁醛) △H0298K= -123.8KJ/mo1 催化剂为:是配位体三苯基膦的铑膦络合物(HRh CO TPP 3 ) 该反应在任何温度下平衡常数均很大,实际上可视为一个不可逆 反应,因此反应的进行不受热力学条件的限制,反应主要由动力学因 素控制。 (2)动力学条件 运用动力学方程的一般式: ? = 式中: , , :A,B,C组分的浓度mol/3 x,y,z:A,B ,C组分的反应级数;x+y+z为此反应的总级 数 :为以浓度表示的反应速率常数,随反应级数的不同有不 同的因次。 :是温度的函数,在一般情况下,符合阿累尼乌斯关系。 对于全混釜式反应器做物料衡算可得: 0 ? ? ? V = 0即得到: 0 = ? V

整理得到τ =

0

=

0 ?

0 =

0 0 0

由于全混釜反应器用于液相恒容系统,故简化为τ = 视 A、B、C 均为一级反应,x=y=z=1,则τ = 又有0 =
0 0
2

=

0 ? ?



,根据 PV=nRT,可得出0 =

0 1 ? 3 0
PA0 RT

4.反应器体积计算 根据 Aspen 模拟得到的反应器(R101)数据如下表

羰基合成反应器物料衡算 进口流股 IN Temperature C Pressure bar Vapor Frac Mass VFrac Mole Flow kmol/hr Mass Flow kg/hr 0.08517731 19 0.7910971 0.56885596 1280.3 40074.6153 RECYCLE1 80 19 0 0 350.519823 25915.1861 出口流股 OUT 90 19 0.04598473 0.0182193 918.53034 65989.8014

Mass Flow kg/hr C3H6-2 CO H2 17748.301 10261.61 750.512124 1589.50369 54.0150641 0.00019627 4254.31704 404.228151 27.9353547

C4H8O-1 C4H8O-2 C3H8 C4H10O-1 C4H10O-3 H2O C8H14O C8H18O-3 C12H24O3

0 0 3742.96553 0 0 0 0 0 7571.2266

14758.6568 2095.57029 2370.0155 0 0 0 0 0 5047.42453

37092.4081 5276.63873 6315.62289 0 0 0 0 0 12618.6511

Mole Flow kmol/hr C3H6-2 CO H2 C4H8O-1 C4H8O-2 C3H8 C4H10O-1 C4H10O-3 H2O C8H14O C8H18O-3 421.7688 366.35 372.3 0 0 84.8812 0 0 0 0 0 37.7728022 1.92839317 9.74E-05 204.677399 29.0619859 53.7460893 0 0 0 0 0 101.099152 14.4313594 13.8576476 514.408439 73.1779797 143.222705 0 0 0 0 0

C12H24O3

35

23.3330566

58.3330566

由动力学方程式可知: 0 = 0 PA 0
RT

=

422
610612 8.314×363

= 2.083 /min

根据文献查得反应的空速为 1??1
3 则反应器的有效的容积为 = 0 τ = 2.08 × 60 = 124.8

而实际取反应器体积为 1753 ,停留时间为 60min,取反应器高度与 直径比为 1.5,经过圆整的到反应器的直径为 5.3m,高度为 8m。


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