乙炔法氯乙烯反应器模拟与优化研究

论文摘要

随着世界对聚氯乙烯需求量的逐年增加,国内氯乙烯单体的乙炔氢氯化法工业生产技术也发生了巨大的变革。从传统的两级串联固定床反应器到流化床反应器,再到复合床反应器,数学建模和计算机模拟分析一直是工业反应器放大和操作优化过程中一个有效的辅助方法。本文通过对不同反应器数学模型的建立、中试及工业数据的验证、各影响因素的模拟分析以及复合床反应系统的优化分析,主要得到如下结论：（1）根据对乙炔氢氯化反应动力学和工业装置实际运行状况的分析,建立固定床反应器的拟均相二维有效扩散数学模型。结合中试经验数据,采用Crank-Nicholson方法求解方程并对工业固定床反应器进行模拟计算。模拟结果显示,计算所得固定床内温度和转化率分布与工业数据相符。利用模型计算结果分析发现当催化剂活性水平较低时,乙炔空速和催化剂活性对反应结果有较大影响,将二者进行关联,可建立不同催化剂活性水平下的最佳乙炔空速计算公式。（2）根据乙炔氢氯化反应动力学和前人对流化床反应器的模拟研究,并考虑床内气泡因素建立流化床气泡两相模型。采用四-五阶龙格-库塔法求解模型方程并对工业流化床反应器进行模拟计算,结果与工业数据相近,气泡有效直径为3.59cm。另外,通过模拟分析发现出口乙炔转化率随流化床流化数的增加而明显降低；两相间乙炔浓度差随床高而逐渐减小。（3）流化床流化数、固定床催化剂活性以及固定床操作气速对复合床反应器的反应结果具有较大的影响。本文以装置的最大生产能力为优化目标,通过模拟分析可得,在维持流化床催化剂活性稳定的情况下,流化床流化数可保持在一个稳定的水平,固定床操作气速u随固定床催化剂活性的下降而下降,两者呈线性相关。在实际工业操作中,可以考虑对并联的不同固定床反应器实行差速处理,即适当增大催化剂活性高的固定床操作气速,减小催化剂活性低的固定床操作气速。从而使复合床反应器保持在稳定的工作状态。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 前言
• 第1章 文献综述
• 1.1 固定床反应技术及反应器模型
• 1.1.1 乙炔法生产氯乙烯的固定床反应技术
• 1.1.2 固定床的催化剂
• 1.1.3 固定床反应器数学模型概述
• 1.2 流化床反应技术及反应器模型
• 1.2.1 乙炔法生产氯乙烯的流化床反应技术
• 1.2.2 流化床的催化剂
• 1.2.3 流化床反应器数学模型概述
• 1.3 复合床反应器及优化技术
• 1.3.1 复合床反应技术
• 1.3.2 复合床的催化剂
• 1.4 文献小结及研究内容
• 1.4.1 文献小结
• 1.4.2 主要研究内容
• 第2章 模型参数的获取
• 2.1 固定床反应器的基本参数
• 2.1.1 固定床用催化剂参数
• 2.1.2 固定床参数
• 2.2 流化床反应器的基本参数
• 2.2.1 流化床用催化剂参数
• 2.2.2 流化床参数
• 第3章 固定床反应器的模拟计算
• 3.1 引言
• 3.2 固定床反应器的数学建模
• 3.2.1 模型的假定
• 3.2.2 模型的建立
• 3.2.3 模型的求解
• 3.3 工业数据的验证
• 3.4 影响因素分析
• 3.4.1 空速（SV）对反应结果的影响
• 3.4.2 最佳空速
• 3.4.3 壁温的影响
• 3.4.4 反应管径的影响
• 3.5 小结
• 第4章 流化床反应器的模拟计算
• 4.1 引言
• 4.2 流化床反应器的数学模型
• 4.2.1 模型的假定
• 4.2.2 模型的建立及求解
• 4.3 流化床模型的工业数据验证
• 4.4 流化床模拟计算及分析
• 4.4.1 流化数的影响
• 4.4.2 催化剂活性的影响
• 4.4.3 催化剂装填高度的影响
• 4.5 小结
• 第5章 复合床反应器及其优化计算
• 5.1 引言
• 5.2 复合床反应器的数学模型
• 5.3 复合床反应器影响因素分析
• 5.3.1 流化床流化数的影响
• 5.3.2 流化床出口乙炔转化率的影响
• 5.3.3 固定床操作气速的影响
• 5.4 复合床反应器优化问题的提出
• 5.5 复合床反应器优化分析
• 5.6 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录1
• 固定床反应器模拟计算Matlab程序
• 流化床反应器模拟计算Matlab程序
• 复合床反应器模拟计算Matlab程序
• 附录2