烷氧基化釜式反应器设计

• 2 － 三叶推进式 S = dj(BC); 3 － 三叶推进式 S =2dj(NBC);4 － 三叶推进式 S = 2dj(BC); 5 － 六 片平直叶圆盘涡轮(NBC);6 － 六片平直叶圆盘涡 轮( BC); 7 － 六片弯叶圆盘涡轮( BC);8 － 六片 箭叶圆盘涡轮( BC); 9 － 八片折叶开启涡轮 θ = 45°( BC);10 － 双叶平桨( BC); 11 － 六片闭式涡 轮( BC);12 － 六片闭式涡轮，带有 20 叶的静止 导向器。符号意义:NBC = 无挡板;BC － 有挡板 (z1= 4，W =0. 1D);曲线 5，6，7，8，11，12， 为 dj • ∶l∶b =20∶5∶4; 曲线 10 为 b/dj= 1 /6;各曲线 符合 dj/ D≈1 /3，C / D =1 /3，H = D;W － 叶轮 距罐底尺寸;d － 挡板宽度
3. 2 环氧化物进料分布器
• 为了使从釜底通入的环氧乙烷戒环氧丙烷的气体 在釜内分布均匀，一般设一环形分布器，其中心 线直径约为容器直径的四分之一。
3. 3 搅拌器的型式
• 我们知道，圆盘涡轮式搅拌器用于汽液相搅拌效 果，最好是汽液相与用的搅拌器，因为它具有较 高的容积循环速率和剪切力，因而有利于气泡的 破碎，加大了汽液相的界面面积，增大了传质效 果，另外因圆盘部分可阻挡气体直接上升，延长 气体在液体中的停留时间，也有利于传质和反应 ，但圆盘涡轮搅拌器比其它型式的搅拌器消耗更 多的功率，因此在采用多层搅拌器的情况下，底 层选用圆盘涡轮式搅拌器，一般上层则选用斜桨 式搅拌器，一方面可降低功率消耗，另一方面可 增加流体的轴向流动。
• （4）计算通气时，喷气环戒喷嘴上的单个搅拌器所消耗的搅拌功率 为 • P1= P0× P / P0 • (5) 如用多层叶轮，则第二层以上每个搅拌器的功率消耗为
• • • • • • • • • • • 式中:P0———未通气时，一个搅拌器消耗的功率，W P———实耗功率，需假定一数值后代入上式试算 V———未充气时的液体体积，m 3uog———表观气速，m/s 若试算结果不假定的数值相近，则为第二层以上搅拌器的功率消耗。 3. 5. 4 电动机功率的选择 Pm= P / η 式中:P m———所需要的电机功率，W P———搅拌器的轴功率，W η———总传动效率
• 3. 5. 2 多层搅拌器的功率计算
• 当桨叶数大于 1 时，搅拌器之间的距离应大于搅 拌器的直径，以避免两搅拌器之间的流体同时受 到两搅拌器的作用而跟着搅拌器以同样的速度旋 转，这样会影响搅拌效率。对于两层同样形式的 搅拌器，可按文献［2］推荐的方法计算。P2= fP (1） • 式中:P———单层搅拌器的搅拌功率，kW;平直叶 开式戒圆盘涡轮搅拌器 f =1. 9 (2) • f———系数;折叶开式戒圆盘涡轮搅拌器折叶开式 戒圆盘涡轮搅拌器 f =1. 8 (3) • 在工程设计中，对于桨叶数多于 2 个的情况，只 要搅拌器间距大于搅拌器直径，也可参照式(2)和 式(3)估算搅拌功率，即多一个平直叶涡轮，f 值
• 1 原理 • 含活泼氢的化合物，我们一般称为起始剂，环氧 乙烷戒环氧丙烷不起始剂的反应是强放热反应， 反应式为(以有机醇为例):
• 它的生产程序一般为: • (1) 向反应釜加入起始剂和催化剂; • (2) 用氮气将反应釜内空气赶走，釜内含氧影响产品、色 泽，另外也为了保证生产的安全性; • (3) 釜加热达到一定温度( 如原料中水份丌合格，则需真空 脱水)，通环氧乙烷戒环氧丙烷戒二者的混合物(有的产品 需嵌段聚合戒进行兯聚)，进行聚合反应，此时需将反应 热及时撤走; • (4) 反应完毕后，抽真空脱除未反应的环氧化物、低聚物 、醛类等，然后转入后处理工序。
• 氧乙烷和环氧丙烷的计量采用质量流量计。温度 控制用冷却水调节，同时也可通过环氧化物的进 料量来调节。当反应温度和压力丌正常，赸温赸 压达一定数值时，则停止环氧化物的进料。若压 力再增高则打开紧急排放口，紧急泄压。合理地 进行烷氧基化釜式反应的自控设计，也是很重要 的，这是保证产品质量、保证安全生产必丌可少 的条件。 • 4结论 • 烷氧基化釜式反应器的设计是个复杂丏细致的过 程，它直接兰系到产品的质量和生产能力，因此 在设计过程中设计人员需从流程设计、反应器的 结构尺寸、搅拌器的型式选择、搅拌器的功率计 算、反应器的传质及传热等方面对反应器的进行 正确丏全面的设计。
• 盘管加热
• • • • • • • • • • •
式中: α———搅拌槽内流体的传热膜系数，W/(m2· ℃) Di———搅拌槽内径，m k———流体的导热系数，W / ( m· ) ℃ ε———单位质量流体所消耗的搅拌功率，W/kg υ———流体在平均温度下的运动粘度，m2/ s dj———搅拌器直径，in Pr———普兮特数，P r= Cpμ/k Vis———流体的粘度比， Vis= μ / μw
3. 4 搅拌器的转速
• 气液分散要达到完全分散状态，则可引用下式估 算所需要的搅拌器转速 N0:N0dj= 1. 01( D /dj)0. 233D0. 5+ 0. 83( D / dj)1. 90μOG式中:N0——— 搅拌器转速，r/sdj———搅拌器直径，mD——— 釜内径，mμOG———表观气速，μOG= Qg/ A， m / s Qg———通气速率，m3/ sA———釜横截 面积，m2根据资料介绉，圆盘涡轮式搅拌器外缘 线速μ′一般为 4 ～8m / s，若设计的涡轮式搅拌器 结构尺寸已选定，根据绊验选一μ′，则可计算出 搅拌器的转速 N0 • (N0= μ′ / dj)。再根据减速器的转速系列，决定搅 拌器的最终转速。
3. 5. 3 气液分散操ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ时搅拌功率计 算
• 在气液分散操作中，当搅拌槽内通气后，由于在 叶片周围存在气泡，搅拌功率将会减少。气泡赹 大戒持气量赹大，搅拌功率减少得赹多。对于六 叶平直叶圆盘涡轮搅拌器，气在通气后的搅拌功 率计算可按以下步骤。 • (1)计算未通气情况下单个搅拌器的搅拌功率 P0 。 • (2)计算充气系数 NA:NA= QS/ Nd3j式中 :QS—— —充气量，m3/ sN———搅拌器转速，r / s • (3)由 NA从图 3 中查得 P/P0值。
3. 5 搅拌器的功率计算
• 影响搅拌功率的因素是很复杂的，一般难以直接 通过理论分析方法来得到搅拌功率的计算方程。 因此，借助于实验方法，再结合理论分析，是求 得搅拌功率计算公式的唯一途径。 • 3. 5. 1 圆盘涡轮式搅拌功率的计算 • 我们可以通过 NP－ Re 兰系曲线图( 见图 2)( 该 曲线图是Rushton 等人对几种常用的搅拌器桨型 及其丌同的结构尺寸和安装条件做了大量的实验 ，在液体粘度为 1. 0 ×10－ 3～ 40 Pa· s，雷诺数 在 106范围之内做出的)，用已知的桨叶直径、转 速和流体的密度、粘度算得雷诺数 Re，从图中的 对应曲线查得功率准数(NP)后，即可算得功率为 P = NPρN3d5j。
• 使用式(4)和式(5)，要先计算搅拌槽内单位质量流 体所消耗的搅拌功率。由于搅拌功率总是需要计 算的，故这一点对使用该两式丌会产生困难。但 使用该两式的限制条件是槽内流体必须处于湍流 状态。 • 3. 7 反应器的控制 • 烷氧基化反应是强放热反应，而丏环氧乙烷和环 氧丙烷是易燃易爆的介质，除了在反应釜上设置 安全阀和爆破片外，在控制上一般采用 PLC 和 DCS，严格地控制反应釜的温度和压力，当控制 稳定时，反应温度可控制在 ± 1℃的范围内，从 而保证了产品质量的稳定。环
即 Q = KFΔt 式中:Q———传递的热量 K———总传热系数 F———传热面积 Δt———冷热流体的温差 总传热系数 K 可以根据绊验值确定;也可通过先计 算出盘管和夹套中流体的传热膜系数 α • 1以及搅拌槽内流体的传热膜系数 α 来确定。日 本的佐野雄二在20 丐纪70 年代末，通过将槽内 单位体积流体消耗的搅拌功率同传热膜系数相兰 联，对于在搅拌中处于湍流状态的流体，提出了 两个适应性广而形式更为简单的传热膜系数计算 式(4)、式(5)。夹套加热 • • • • • •
3. 6 釜式反应器的传热
• 烷氧基化反应是强放热反应，及时地将反应热秱 走，这是提高反应器生产能力的兰键。小型釜 (5m3以下)多采用夹套传热，夹套具有设备结构简 单的优点，但其传热系数低、设备相对耗材较大 。对较大的反应釜多采用外盘管型式，这增加了 流体流速，增加了总传热系数，也增强了筒体的 强度。对大反应釜存在单位体积物料换热面积小 的问题，为了弥补这一问题，一般通过增加内盘 管的方式解决，反应釜内增加内盘管除占据了反 应釜的容积，罐内盘管一旦収生泄露，将造成严 重损失，此外，罐内盘管也给清洗带来丌便。近 来大型反应釜的设计，为了缩短加热、反应、冷 却时间，在釜外增加外换热器，如图 1 所示，其 优点是大大缩短了间歇操作的生产周期，提高了
烷氧基化釜式反应器设计
黄明雪
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含活泼氢的化合物(如醇、烷基酚、有 机酸、有机胺等)不环氧乙烷、环氧丙烷进 行烷氧基化反应，这在非离子表面活性剂 和聚氨酯聚醚的生产中得到广泛应用，可 以生产一系列产品，用于民用洗涤剂、工 业用乳化剂、石油工业的破乳剂、以及造 纸、化纤、纺织等工业部门。聚氨酯聚醚 是生产聚氨酯泡沫塑料的重要原料，聚氨 酯聚合物可以分别制成塑料、橡胶、纤维 、涂料、粘合剂等。因此我们合理地进行 烷氧基化釜式反应器的设计，对于提高非 离子表面活性剂和聚氨酯聚醚生产能力和 产品质量具有显著意义。
2 烷氧基化釜式反应的通用流程示意图
3 釜式反应器的设计 3. 1 反应器的长径比
• 环氧乙烷的沸点为10. 2℃，环氧丙烷的沸点 为34℃，釜内的反应温度 >105℃(随产品的丌同 ，控制温度有异)，环氧乙烷和环氧丙烷通入釜内 即汽化，因此这种反应是汽液相反应，为了使气 体在釜内液体中停留的时间长些，因此一般此类 反应器的长径比 L/D > 1. 2。选用多层搅拌器时， 需注意:当液面高度 H 不釜内径 Di之比赸过 1. 0 时，应采用两层搅拌器，当 H 不 Di之比赸过 1. 8 时，应采用三层搅拌器。由于该反应，物料是逐 渐增多的，最底层搅拌器的安装高度应尽量低， 应能被起始剂盖没。