制备邻苯二甲酸酐的反应器设计

制备邻苯二甲酸酐的反应器设计

任务书 在管式反应器中进行的邻二甲苯催化氧化制邻苯二甲酸酐是强放热反应过程，催化剂为V 2O 5，以有催化作用的硅胶为载体。

活性温度范围： 610～700K 粒径： d P =3mm

堆积密度： ρB =1300kg.m -3 催化剂有效因子：η =0.67 反应器管长： L =3m 管内径： d t =25mm

管数： n =2500根

由邻苯二甲酸酐产量推算，原料气体混合物单管入口质量流速:G =9200kg.m -2h -1。烃在进入反应器之前蒸发，并与空气混合。为保持在爆炸极限以外，控制邻二甲苯的摩尔分数低于1％。操作压力接近常压：p =1267kPa 。

原料气中

邻二甲苯的初摩尔分数： y A0=0.9

空气的初摩尔分数： y B0=99.1 混合气平均相对分子质量： M =30.14kg.kmol -1

混合气平均热容：c P =1.071kJ.kg -1K -1

混合气入口温度：640-650K 化学反应式：

反应速率方程：

（p 是什么单位？）

（k 的单位是什么？）

设计要求 按一维拟均相理想流模型分别测算在绝热式反应器和换热式反应器中的转化率分布、温度分布，并绘制L -x A -T 分布曲线。

在换热条件下，反应器管间用熔盐循环冷却，并将热量传递给外部锅炉。管间热载体熔盐温度范围630~650K 。

床层对流给热系数h W =561kJ.m -2h -1K -1

()()()()()()S P B A O 3H O C H C 3O CH H C 2324622346+=+()⎪

⎭⎫ ⎝⎛-=⋅=---T 13636837.19exp k h kg kmol p kp r 1

1B A A η

颗粒的有效导热系数λe =2.80kJ.m -1h -1K -1

解:以A 表示邻二甲苯,对邻二甲苯作物料衡算得: A A B dF r Adl ρ-=-

式中r A 为邻二甲苯的反应速率,因邻二甲苯含量很小,系统总摩尔数可看作成恒定不变,Ft 是常数且等于Ft 0,故有:

()t A A B F dy r Adl ρ-=-

因 /A A t y p p =，则有：0()

t A B A t F dp r p A dl

ρ-=-

而

0t F M G A =

∴ ()A

B t A dp M p r dl

G

ρ-

=-

（1） 已知数据:

30.14

M = 31300/B kg m ρ= 29200/()G kg m h = 51.27610t p Pa =⨯ ()A A B

r Kp p η-= 13636exp(19.837)K T

=-

0.67η=

因邻二甲苯含量很小,氧气的含量很多，B p 可以认为等于为O 2的初始分压

5

4

0.9910.21 1.27610 2.66510B p Pa Pa

=⨯⨯⨯=⨯

413636()0.67 2.65510exp(19.837)

A A r p T

-=⨯⨯⨯-

将已知数据代入(1)式得: 54

30.141300

136361.276100.67 2.66510exp(19.837)

9200

A A dp p dl

T

⨯-

=

⨯⨯⨯⨯⨯⨯-

9136369.7010exp(19.837)A p T

=⨯-

/P a m

（2）

式(2)便是物料衡算方程,式中P A 的单位是Pa.

绝热条件下的热量衡算方程:

()()p

B A r dT G c r H dl

ρ=--∆ （3）

已知数据: C pt =1.071kJ/kg ·K -△Hr=1285kJ/mol=1.285×106kJ/kmol ，代入

(3)式有:

6

4

1300 1.28510136360.67 2.66510exp(19.837)9200 1.071

A dT p dl

T

⨯⨯=

⨯⨯⨯⨯-

⨯

9136363.02710exp(19.837)A p T

=⨯-

/K m

（4）

(4)式p A 中的单位是Pa.

由式(2),(4)常微分方程组,可得：

3.204

A dp dT

-=

初值条件为:

l=0；T=640K; P A =y A0Pt=0.009×1.276×105=1148.4Pa.

催化剂的最高温度是700K ，P A 最小为956.16Pa 。x A =16.74%，转化率太小不能满足生产的要求，应该采用换热器及时的移出反应热，防止温度过高使催化剂失活。

换热条件下的热量衡算：

04()()()p

B A r t

dT G c r H U T T dl

d ρ=--∆-

-

04()()()B A r p

p t

dT r H U T T dl

G c G c d ρ=

--∆-

- （5）

总传热系数的计算：

(老师为什么b 这么大?)

已知数据: C p =1.071kJ/kg ·K -△H r =1285kJ/mol=1.285×106kJ/kmol ，

U=69.8w/m 2﹒K=2.513×102kJ/m 2

﹒h ﹒K.（文献得）代入(5)式有:

()6

04

4251.31300 1.28510136360.67 2.66510exp(19.837)9200 1.071

9200 1.0710.025

A T T dT p dl

T

⨯⨯-⨯⨯=

⨯⨯⨯⨯-

-

⨯⨯⨯ ()9136363.02710exp(19.837) 4.081640A p T T

=⨯-

-⨯- /K m （6）

(6)式p A 中的单位是Pa,式(2), (6)是一常微分方程组,可采用数值解法,初值条

件为:l=0；T=640K; P A =y A0Pt=0.009×1.276×105=1148.4Pa. 由此可以做出T-l-x 的图：

021()

[]p p e t h d d b a d y

λλλΦ=⋅+22

44 2.803

5.4569200 1.0710.025e p t L y G c d λ⨯⨯===⨯⨯/(/2)561/(0.025/2)16028.62.80

W t e h d b λ===