整體式結(jié)構(gòu)化催化劑合成異丙苯的反應(yīng)過程強(qiáng)化.pdf

1、異丙苯是一種重要的有機(jī)化工原料，用途十分廣泛。本文采用單元模塊模擬CFD、過程模擬Aspen Plus和ProⅡ以及實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了苯與丙烯在整體式結(jié)構(gòu)化催化劑合成異丙苯的反應(yīng)過程強(qiáng)化及分離工段的能耗分析，考察了兩類整體式結(jié)構(gòu)化催化劑結(jié)構(gòu)-性能（壓降、傳質(zhì)、傳熱、丙烯轉(zhuǎn)化率、異丙苯選擇性、反應(yīng)有效因子等）關(guān)系。
　　 首先，采用ProⅡ和Aspen Plus過程模擬軟件對(duì)顆粒催化劑固定床反應(yīng)器合成異丙苯工藝流程進(jìn)行優(yōu)化模擬

2、計(jì)算。以降低異丙苯流程中分離工段單位產(chǎn)品的能耗為目標(biāo)本文逐步提出流程優(yōu)化方案:在分離工段的二異丙苯塔增加一個(gè)側(cè)線采出以回收三異丙苯，從而實(shí)現(xiàn)過程的節(jié)能減排;采用泡點(diǎn)反應(yīng)器代替原固定床反應(yīng)器進(jìn)行苯丙烯烷基化反應(yīng);同時(shí)采用泡點(diǎn)反應(yīng)器和增加二異丙苯塔側(cè)線采出的方法合成異丙苯;最后提出采用固定床催化精餾塔合成異丙苯。
　　 第二，以空氣-水逆流流動(dòng)為研究對(duì)象采用實(shí)驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)兩種開放錯(cuò)流整體式結(jié)構(gòu)化催化劑（BH-1和

3、BH-2型）的流體力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明開放錯(cuò)流結(jié)構(gòu)具有明顯的低壓降，相同操作條件下氣體通過單位長度催化劑的壓降比普通顆粒催化劑降低1-3個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)考察了幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)（波紋板傾斜角、高徑比及反應(yīng)/分離面積比）對(duì)其流體力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明，對(duì)于不同波紋板傾斜角時(shí)，單位長度催化劑的壓降大小順序?yàn)?0°＜30-45-30°＜45-30-45°＜45°，液相傳質(zhì)系數(shù)KLa大小順序?yàn)?5°＞45-30-45°＞30-45-30°

4、＞30°;不同高徑比（保持其直徑不變，改變催化劑的高度）時(shí)，空氣-水逆流流動(dòng)通過單位長度催化劑的壓降大小順序?yàn)?.20 m＜0.15 m＜0.10 m，液相傳質(zhì)系數(shù)KLa從大到小依次為0.10 m＞0.15 m＞0.20 m;對(duì)于BH-1型開放錯(cuò)流整體式結(jié)構(gòu)化催化劑改變不同反應(yīng)/分離區(qū)域面積比（保持其分離區(qū)域不變，改變催化劑捆包厚度）時(shí)，單位長度催化劑的壓降大小順序?yàn)?mm＜10 mm＜14 mm，液相傳質(zhì)系數(shù)KLa從大到小依次為6mm

5、＞10mm＞14 mm;可見高傳質(zhì)性能將意味著高的壓力損失，開放錯(cuò)流結(jié)構(gòu)整體式結(jié)構(gòu)化催化劑具有結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)性，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)具體情況來設(shè)計(jì)更加合理的結(jié)構(gòu)。
　　 第三，將BH型開放錯(cuò)流整體式結(jié)構(gòu)化催化劑(BH-1)應(yīng)用于異丙苯的合成過程中，通過建立可靠的數(shù)學(xué)模型來考察苯與丙烯烷基化過程中整體式結(jié)構(gòu)化催化劑的傳遞和反應(yīng)特性，結(jié)果表明最佳反應(yīng)條件為反應(yīng)溫度160℃，進(jìn)料苯烯摩爾比為4.0。進(jìn)一步通過數(shù)學(xué)模型，定量的描述了，整體

6、式結(jié)構(gòu)化催化劑結(jié)構(gòu)-性能（動(dòng)量傳遞、質(zhì)量傳遞、熱量傳遞和反應(yīng)特性）之間的關(guān)系。結(jié)果表明兩種折線式波紋板(30-45-30°和45-30-45°)表現(xiàn)出高丙烯轉(zhuǎn)化率、高異丙苯選擇性和反應(yīng)有效因子;低高徑比有利于提高質(zhì)量傳遞和反應(yīng)的有效因子，但同時(shí)也增大了壓降降低了異丙苯的選擇性;反應(yīng)/分離面積比越低壓降越小，同時(shí)異丙苯選擇性和反應(yīng)有效因子越高，但卻不利于總的丙烯質(zhì)量傳遞和轉(zhuǎn)化率的提高。
　　 最后，通過實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法考察了

7、蜂窩式結(jié)構(gòu)化催化劑在苯與丙烯烷基化反應(yīng)時(shí)的傳遞和反應(yīng)特性，建立了可靠的數(shù)學(xué)模型并采用此數(shù)學(xué)模型考察了不同通道結(jié)構(gòu)形狀（圓形、正方形、長方形、六邊形和三角形）對(duì)其特性(單位催化劑壓降、傳質(zhì)特性Nu、修伍德準(zhǔn)數(shù)Sh、丙烯轉(zhuǎn)化率x和異丙苯的選擇性S、反應(yīng)有效因子η、坦克萊準(zhǔn)數(shù)Da)的影響，結(jié)果表明蜂窩式結(jié)構(gòu)化催化劑具有低壓降、高異丙苯選擇性和高反應(yīng)有效因子的特性，同時(shí)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)通道形狀，綜合考慮壓降和異丙苯的特性正三角形和矩形結(jié)構(gòu)為優(yōu)。從工