氯醇化管式反应器的设计计算方法
第13卷第4期
1997年l2月
弓6(1L一弓
化学反应工程与工艺
Chemiea]ReactionEngineefingandTechnology
V0l13,No4
Dec,l997
丁仅z2弓,
氯醇化管式反应器的设计计算方法
谢声札赵海峰裒向前王家莲
(华东理工太学化学工程系?上撵200237)
摘要根据氯醇化反应的特点，利用气液反应的双暧理论，导出了宏观反应速率式，结合管式
反应器的流动模型，提出了一个简便，有效的反应器的设计计算方法.
关键词：翌堕型；传质系数邛丙雨砩氧酵化
1前言笞武旺嚣.
氯醇法生产环氧丙烷工艺中丙烯氯醇化反应是一个典型的气液非均相的快速反应
CH一CH一CH(气)+Hcl()(藏)—一CH.一CH—CH(主反应)
0HCl
选择一个台适的有较高传质效率的反应器对降低丙烯单耗是至关重要的.在万吨级环氧
丙烷工业试验装置中，采用新型管式反应器作为氯醇化反应的反应器.在进行万吨级环氧丙
烷工业装置的开发中，本文提出了一个近似且有效的设计新型管式反应器的计算方法.
2气液反应宏观动力学模型
在实际操作区域内，氯丙醇的选择性可达90以上，所以氯醇化反应可简化为
A(丙烯)+占(次氯酸水溶披)—一R(氯丙醇)
由于反应中采用丙烯过量，次氯酸浓度很低，据气液反应的双膜理论，丙烯和次氯酸在膜中
的浓度可简化成图1为了确定气液反应的宏观动力学方程，首先必须确定液膜内的二物质
的浓度分布.根据Fiek定律.在液膜一侧可得如下一组物料衡算方程组[
D1dc1()/dx一f1()c2()(1)
D2dc2(_z)/dz一虹1()()(2)
边界条件;
=01(0)一cc2(0)≈0—dc2(z一
)
一
1997—03一鲫收到初稿,1997一o8一∞收到修改稿
联系』，及第一作者：坩声札，男56岁.副教授
齐鲁石化公司研究院工作.
第蝴谢声礼等氯醇化管式反应器的设计计算方法365
z一1(a1)一1b(3L)一c2b
式中:
,D.为丙烯，次氯酸在水中的扩散系数[m./s];
c为气液界面丙烯的浓度[kmol/m];
山为丙烯，次氯酸的液相主体浓度[kmol/m.]
解上面方程组，由(1),(2)式得
reactor technology
d2q(x
一
)
Dtd2e~(
-
x)
D(3)d
z.dz0…
二次积分(3)式，结合边界条件有
{十×()一
气相主体I气液界面I液相主体
图1膜内浓度分布图
Fig.1Concentrationdistributioninthefilm 尝+1])()一b''}J
纯传质(没有化学反应存在)时的速率
NI一D
,L
I(c;
有化学反应存在时的传质速率
I一一DI.
增强系数
E一一c×
为了使E有一个解析解，作一近似的假定Ib一0
即液相主体丙烯的浓度为零，则(4)式变为.
DI
××
(SC--,,dA(x).
(7)式变为
一
根据边界条件:z一0,(0)一0；结合(9),(10)得
(j)
(7)
(8)
(10)
366化学反应工程与工艺1997芷
+昱×怎E]+志Ll一J
E一+舍×等
由增强系数定义可知，氯醇化反应的宏观动力学速率式
E*NI一_(1+器)爱_f】)
~(1+黔
+kc警
3管式反应器设计方法
在作者先前开发的氯醇化液相强制循环工艺流程中，气液二相在管式反应器内的流动
状态可简化成如下的非均相流的模型咖(如图(2)所示):
气相(丙烯)呈活塞流;.V.
液相(次氯酸)呈活塞流;yf7
气体流量以惰性气体的摩尔流量F表示，液体流量以体积流量V表ffl
示，为气相中丙烯tL惰性气体的比摩尔数，为液相中的次氯酸浓II++I
度.在管式反应器中取一微元体，并当过程为等温时，由物料衡算得1Il
FgdY^一VLdfB(14)1Il
，二l
Ld一A凡dL(15)lII^IlJJ
式中A为管式反应器的截面积，凡为氯醇化反应的宏观反应速率式,lll
由管式反应器的大型冷模实验得到的雷诺数与传质系数的关系式确一Lr_1一J 定.联立(13)(14)(15)式就可得到最终的管式反应器长度举例计一'
假设工况次氯的初浓度为0?07756[kmol/m]，惰性气体的摩尔图2管应器
流量为2.994×10[kmo[/s]t液体体积流量为0.0833[m./s]，初始的流动模型
的丙烯比摩尔数(丙烯摩尔数/惰性气体摩尔数)为24，次氯酸的转Fjg2Flowm~eelo 化率为0.9999，管式反应器直径为0.53[m]，传质系数为0.6[1/s],tubularreactor
丙烯的亨利常数为10.391[M?MPa/kmo1]，丙烯在液相中的扩散系数为2.624×10 [m./s]，次氯酸在液相中的扩散系数为3.716×10[m./s]，气体的进13总压0.3MPa，管
式反应器内的平均压力为0.2MPa.
由于原料丙烯含量在96以上，可忽略气膜阻力，所以气液界面的丙烯浓度
c一PfH一?pfHt16)
…
368化学反应工程与工艺1997益
反应器的设计计算是合理，有效的，它的设计计算式简便.便于应用.
符号说明
D——反应韧在承中的扩散系数,m./s
c.——气液相界面反应物的浓度kmol/m.
fb——反应物谊相主俸维麈,kmol/m3
——
没有化学反应时的传质速率,kmol/M's
——
化学反应存在时的传质速率,kmo]/M?S
——
增强系数
F——惰性气体的摩尔流量,kmol/s
h——液相体积流量,M./s

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