鼓泡塔设计-反应器设计

I目录一、项目简介...............................................................................................................................1二、反应器选择...........................................................................................................................12.1工艺流程............................................................................................................................12.2鼓泡塔介绍........................................................................................................................22.2.1鼓泡塔反应器的分类.................................................................................................22.2.2鼓泡塔反应器的特点与结构.....................................................................................42.2.3鼓泡塔中的传质.........................................................................................................62.2.4鼓泡塔中的传热.........................................................................................................6三、初步设计...............................................................................................................................63.1PX氧化宏观动力学............................................................................................................63.1.1宏观反应动力学..........................................................................................................63.1.2PX氧化反应宏观动力学.............................................................................................73.1.3氧化反应机理.............................................................................................................83.2反应段模型的建立[7].......................................................................................................113.2.1模型作如下假设：...................................................................................................113.2.2模型方程....................................................................................................................113.2.4质量衡算...................................................................................................................133.2.5热量衡算...................................................................................................................143.2.6参数估算...................................................................................................................143.2.7模型的求解...............................................................................................................173.3影响PX氧化反应的工艺条件........................................................................................18四、总结.....................................................................................................................................19五、参考文献.............................................................................................................................201对二甲苯氧化过程中的鼓泡塔设计一、项目简介精对苯二甲酸（PTA）是生产聚酯的主要原料，PTA生产历史可以一直追溯到上世纪二十年代，继英国帝国化学工业公司（ICI）和美国杜邦公司（Dupont）开始生产高性能聚酯纤维开始，聚酯工业的发展极大的刺激了主要原料PTA生产技术的变革。PTA合成方法曾先后采用：硝酸氯化法，Dupont公司开发的以钴为催化剂的空气氧化法，Witten公司开发的酯化氧化法（DMT），以及具有划时代意义的1958年由Mid-Century公司发的MC氧化工艺。如今，工业上主要采用Co-Mn-Br为催化剂由对二甲苯（PX）经空气氧化制得[1]。主要工艺有Amoco、三井和Dupont三大公司的专利技术。三种工艺的基本流程大致相同，均采用Amoco-MC高温氧化法[2]。对二甲苯（PX）氧化制对苯二甲酸（TA）是聚酯工业的一个重要生产过程，同时也是一个液相催化氧化过程。工业氧化反应在185~224℃、1~2MPa下进行，采用Co-Mn-Br三元复合催化剂，醋酸为溶剂，空气为氧化剂，反应物PX经过一系列自由基反应步骤顺序生成醇、醛、酸，并最终转化为固体产物TA。PX氧化涉及多种反应物和自由基之间的相互作用、催化剂-反应物-溶剂之间的协同作用、化学吸收与反应结晶过程的耦合作用，机理十分复杂。二、反应器选择2.1工艺流程选用的对二甲苯(PX)液相空气氧化反应流程如图1.1所示。原料PX和循环回收的溶剂醋酸和催化剂以及补充的新鲜醋酸和催化剂充分混合后进入反应器。在一定温度和压力条件下，料液中的对二甲苯与空气接触发生氧化反应，生成对苯二甲酸(TA)。TA在反应液中溶解度很小，因此反应器内是气、液、固三相并存。反应生成的TA固体由溶剂醋酸夹带在浆料中从反应器底部排出。气相的主要成分为移出反应热的蒸发溶剂醋酸、水和反应尾气，经过反应器顶部的脱水塔之后水富集，塔顶冷凝液部分采出，部分回流至脱水塔顶部。[3]PX氧化鼓泡塔反应器带脱水段，反应器构型为直筒鼓泡式，无强力搅拌，顶部设有脱水塔。压缩空气从反应器底部通人，鼓泡产生搅动促进气液传质与混2合。图1.1.PX氧化反应单元简化流程图2.2鼓泡塔介绍鼓泡塔是一种常用的气液接触反应设备，各种有机化合物的氧化反应，如乙烯氧化生成乙醛、乙醛氧化生成醋酸或醋酸酐、环己醇氧化生成己二酸、环己烷氧化生成环己醇和环己酮、及石蜡和芳烃的氯化反应、C18-20烃氧化生成皂用脂肪酸、对二甲苯氧化生成苯二甲酸、在硫酸水溶液中异丁酸水解生成异丁烯、氨水碳化生成碳酸氢铵等反应都采用鼓泡塔。在鼓泡塔中，一般不要求对液相作剧烈搅拌，蒸汽以气泡状吹过液体而造成的混合已足够。优点:气相高度分散在液相中，因此有大的持液量和相际接触表面，使传质和传热的效率较高，它适用于缓慢化学反应和强放热情况。同时反应器结构简单、操作稳定、投资和维修费用低。1、塔内充满液体，气体从反应器底部通入，分散成气泡沿着液体上升，既与液相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率。2、这类反应器适用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。3、鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决，用于高压时也无困难。缺点:液相有较大返混现象，当高径比大时，气泡合并速度增加，使相际接触面积减小。2.2.1鼓泡塔反应器的分类工业所遇到的鼓泡塔反应器，按其结构可分为空心式、多段式、气体提升式和液体喷射式。空心式鼓泡塔（见图2.1）在工业上有广泛的应用。这类反应器最适用于缓慢3化学反应系统或伴有大量热效应的反应系统。若热效应较大时，可在塔内或塔外装备热交换单元（见图2.2）。图2.1空心式鼓泡塔图2.2具有塔内热交换单元的鼓泡塔1－塔体；2－夹套；3－气体分布器为克服鼓泡塔中的液相返混现象，当高径比较大时，常采用多段鼓泡塔，以提高反应效果（见图2.3）。图2.3多段式气液鼓泡塔图2.4气体提升式鼓泡反应器当高粘性物系，例如生化工程的发酵、环境工程中活性污泥的处理、有机化工中催化加氢（含固体催化剂）等情况，常用气体提升式鼓泡反应器（见图2.4）或液体喷射式鼓泡反应器（见图2.5），此种利用气体提升和液体喷射形成有规则的循环流动，可以强化反应器传质效果，并有利于固体催化剂的悬浮。此类又统称为环流式鼓泡反应器。它具有径向气液流动速度均匀、轴向弥散系数较低，传4热、传质系数较大，液体循环速度可调节等优点。图2.5液体喷射式鼓泡反应器2.2.2鼓泡塔反应器的特点与结构1.鼓泡塔反应器中流体的流动特性鼓泡塔的流体力学特性：塔内液体流动状态：由空塔气速UOG决定空塔气速UOG=v0/At在正常操作情况下，鼓泡塔内充满液体，气体从反应器底部通入，分散成气泡沿着液体上升，即与液相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率。在鼓泡塔反应器中，气体由顶部排出而液体由底部引出。通常鼓泡塔的流动状态可划分为如下三个区域。a、安静鼓泡区UOG4.5~6cm/s气体通过分布器几乎呈分散的有次序的鼓泡，既能达到一定的流量，又很少出现返混。在该区域内，当表观气速低于0.05m/s时，常处于此种安静鼓泡区域。此时，气泡呈分散状态，气泡大小均匀，进行有秩序的鼓泡，液体搅动微弱，可视为均相流动区域。b、湍流鼓泡区UOG8