任務(wù)050210萬噸/年乙醛氧化制乙酸反應(yīng)器（鼓泡塔）的工藝計算

ComputationoftheProcessof10wt/aaceticacidbyOxidationofacetaldehydereactor

項目05：10萬噸/年乙醛氧化制乙酸反應(yīng)器的工藝計算與操作

光明石油化工廠計劃生產(chǎn)乙酸，年產(chǎn)量10萬噸。工藝數(shù)據(jù)：（1）原料規(guī)格：乙烯99.7%(vt%)，氧99.5%；（2）操作條件：溫度398K，塔頂表壓294.2kPa；氣液并流操作，其uOG=0.715m/s，uOl=0.43m/s；（3）進(jìn)氣比：C2H4:O2(CO2+N2)=65:17:18(mol比)；（4）乙醛空時收率為0.15kg/L.h，乙烯單程轉(zhuǎn)化率為35.2%，每噸產(chǎn)品單耗乙烯（純）700kg，氧（純）280Nm3。本次任務(wù)：10萬噸/年乙醛氧化制乙酸反應(yīng)器的工藝計算試確定（1）計算鼓泡塔反應(yīng)器體積、高度和直徑（2）鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)氣體壓降

任務(wù)引入：任務(wù)點及其要求0502-1

鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的流體流動在理解氣液相反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)上，理解氣液相流體流動相關(guān)的特性參數(shù)，了解流體在鼓泡塔中流動的特性。0502-2鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱理解鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱過程。0502-3

鼓泡塔反應(yīng)器的工藝計算會計算鼓泡塔反應(yīng)器體積、高度和直徑，會應(yīng)用相關(guān)公式進(jìn)行壓力降的計算。1.流動狀態(tài)和氣泡特性塔內(nèi)液體流動狀態(tài)：由空塔氣速uOG決定

※空塔氣速uOG=v0/At

安靜區(qū)：uOG<4.5~6cm/s氣體通過分布器幾乎呈分散的有次序的鼓泡，既能達(dá)到一定的流量，又很少出現(xiàn)返混。適用于動力學(xué)控制的慢反應(yīng)。過渡區(qū)：4.5~6<uOG<8cm/s

湍動區(qū)：uOG>8cm/s氣泡不斷地分裂、合并，并產(chǎn)生激烈無定向運(yùn)動。塔內(nèi)液體擾動劇烈，返混嚴(yán)重，流型接近CSTR。0502-1

鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的流體流動2.氣泡大小

a.氣泡的形成：

uOG較低時：氣體分布器

uOG中等時：氣體分布器加液體湍動

uOG較高時：液體湍動使氣流破碎成氣泡。b.單個氣泡的形狀和直徑形狀：db<0.2cm垂直上升的堅實圓球.0.2≤db≤1.0cm螺旋式擺動上升的橢圓球

db>1.0cm垂直上升的菌帽狀

條件：<2000502-1

鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的流體流動0502-1

鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的流體流動3.氣含率氣含率的含義是氣液混合液中氣體所占的體積分率，對圓柱形塔來說，氣含率意味著通氣前后塔內(nèi)充氣床層膨脹高度的變化。故氣含率可以測量靜液層高度.

HGL——充氣液層高度，m；

HL——靜液層高度，m；

0502-1

鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的流體流動4.氣液比相界面積

a

單位反應(yīng)器有效體積氣泡的表面積。

5、鼓泡塔內(nèi)的氣體壓降△P

鼓泡塔內(nèi)的氣體壓降由兩部分組成：一是氣體分布器阻力壓降，二是床層靜壓頭的阻力壓降。

ΔP=分布板小孔壓降+鼓泡塔靜壓降

=

kpa

式中C2=0.8（小孔阻力系數(shù)）

u0：小孔氣速，m/s鼓泡層密度,kg/m30502-1

鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的流體流動0502-1

鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的流體流動6、返混鼓泡塔內(nèi)液相存在返混，塔內(nèi)液相視為理想混合，塔內(nèi)氣相常假設(shè)為置換流。

0502-2鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱

一般，氣膜傳質(zhì)阻力可以忽略，液膜傳質(zhì)阻力的大小決定了傳質(zhì)速率的快慢。提高單位相界面的傳質(zhì)速率，則必須提高擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)與液體物理性質(zhì)有關(guān)，還與反應(yīng)溫度、氣體反應(yīng)物的分壓或液體濃度有關(guān)。在安靜區(qū)操作時，影響液相傳質(zhì)系數(shù)的因素主要是氣泡大小、空塔氣速、液體性質(zhì)和擴(kuò)散系數(shù)等；在湍動區(qū)操作時，液體的擴(kuò)散系數(shù)、液體性質(zhì)、氣泡當(dāng)量比表面積以及氣體表面張力等，成為影響傳質(zhì)系數(shù)的主要因素。1、鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)2、鼓泡塔的傳熱鼓泡塔中液體劇烈擾動，對換熱器壁的給熱系數(shù)比自然對流給熱系數(shù)大10余倍之多，不成為熱交換中的主要阻力。鼓泡塔的總傳熱系數(shù)通常為694~915W/(m2.K)。鼓泡塔中的傳熱，通常以三種方式進(jìn)行：利用溶劑、反應(yīng)物或產(chǎn)物氣化帶走熱量。利用液體外循環(huán)冷卻器移走熱量。利用夾套、蛇管或列管式冷卻器移走熱量a.反應(yīng)器體積V=VR+VE+VC

充氣層的體積：VR=VG+VL

分離空間體積：VE頂蓋死區(qū)體積：VC

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鼓泡塔反應(yīng)器的工藝計算1、鼓泡塔的經(jīng)驗法計算鼓泡塔反應(yīng)器工藝計算的主要內(nèi)容是氣液鼓泡床的體積計算VL:半連續(xù)操作時：VL=VOL(τ+τ')

連續(xù)操作時：VL=VOL

其中：（-rA）':實測的宏觀速度。VG：VR：VE：當(dāng)液滴移動速度小于0.0001m/sHE=αED

當(dāng)D<1.2mHE≥1mD≥1.2mαE=0.75VC：式中：形狀系數(shù)，球蓋：=1

標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭：=2

b.反應(yīng)器直徑和高度的計算直徑mUoG----最佳空塔氣速：最佳空塔氣速應(yīng)滿足兩個條件：（1）保證反應(yīng)過程的最佳選擇性；（2）保證反應(yīng)器體積最小。高度HH=HR+HE+HC反應(yīng)器高度確定因素：床層含氣量、霧沫夾帶、床層上部氣相的允許空間（有時為了防止氣相爆炸，要求空間盡量小些）、床層出口位置和床層液面波動范圍。2、鼓泡塔反應(yīng)器的數(shù)學(xué)