半间歇乙氧基化反应器数学模型与模拟研究

论文摘要

乙氧基化（Ethoxylation）是环氧乙烷（EO）与含有活泼氢的化合物发生开环加成的反应,常用于生产非离子表面活性剂。由于乙氧基化反应强放热,环氧乙烷化学性质活泼、易分解、易燃、易爆、有毒,在很多情况下通过实验的方法来分析和掌握反应器的特征是不现实的,因此,利用数学模型和模拟技术从理论上认识反应器的行为及规律性,对指导工业装置的优化操作和改进设计具有重要意义。本文研究的目的是建立乙氧基化反应器的数学模型与模拟方法,并将其用于工业反应器的模拟分析与优化。本文的主要研究内容、采用的方法及取得的结果结论如下:一、开展半间歇反应器的数学模型和模拟计算研究分析了半间歇操作的搅拌釜式反应器、外循环喷雾式乙氧基化反应器的传质特性,在合理简化的基础上,建立了工业规模的、同时考虑动力学、汽液平衡、反应体积变化和惰性气氮气影响等的工业乙氧基化反应器的数学模型。自行开发了模拟计算程序,针对数学模型的非线性动态特征开发了基于四阶Runge-Kutta法及Aitken法的数值计算法,并对方法的可靠性进行了验证。二、建立数学模型中模型参数计算方法,以合成聚乙二醇为例,取得模型参数首先,针对环氧乙烷的特殊性（难以通过实验来测定汽液平衡数据问题）,提出用基于基团贡献法的UNIFAC方程来估算液相活度系数,并通过理论计算取得模型参数。研究表明,建立的UNIFAC模型能很好预测体系的相平衡行为,同时简单易实施。其次,开展了强碱为催化剂的反应动力学研究。在2L半间歇反应釜中测定了动力学数据,取得90℃130℃温度范围内本征动力学方程参数,其中引发反应的活化能E =73490 J·mol-1,指前因子A = 5.97×106m3·mol-1·s-1,链传递反应的活化能E =70840 J·mol-1,指前因子A = 8.746×107m3·mol-1·s-1。最后,通过实验数据拟合得到密度的关联方程。三、开展工业规模反应器的模拟研究对聚乙二醇工业搅拌釜式反应器、外循环喷雾式反应器的操作行为进行了模拟,考察了环氧乙烷进料速率对反应器操作的影响,得到安全限制下适宜的环氧乙烷进料速率。在此基础上,模拟得到反应器中温度、压力、环氧乙烷汽、液相组成及乙氧基化产物随时间和空间位置的分布,模拟结果与工业试验数据相吻合,结果表明了模型的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 文献综述
• 1.1 环氧乙烷
• 1.2 乙氧基化反应及其工艺特征
• 1.3 乙氧基化工艺
• 1.3.1 搅拌釜式反应器
• 1.3.2 Press 外循环喷雾反应器
• 1.3.3 Buss 回路反应器
• 1.3.4 其它乙氧基化工艺
• 1.4 乙氧基化反应器的模型化及其研究进展
• 1.4.1 乙氧基化动力学
• 1.4.2 汽液相平衡及环氧乙烷在反应混合物中溶解度计算
• 1.4.3 混合物密度、体积等计算
• 1.4.4 反应器质量传递模型
• 1.4.5 半间歇乙氧基化反应器的模拟
• 1.5 本论文的研究内容
• 2 数学模型及模型求解方法
• 2.1 引言
• 2.2 半间歇搅拌釜式反应器的数学模型
• 2.2.1 反应器特征
• 2.2.2 数学模型
• 2.2.3 数学模型的求解方法
• 2.3 外循环喷雾式反应器的数学模型
• 2.3.1 反应器特征及操作描述
• 2.3.2 反应器数学模型
• 2.3.3 数学模型的求解方法
• 3 模型参数计算方法及关联方程
• 3.1 汽液相平衡模型及模型参数计算
• 3.1.1 实验部分
• 3.1.2 EO 溶解度计算模型
• 3.1.3 模拟结果
• 3.2 反应动力学模型参数
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.2 动力学模型
• 3.2.3 结果及讨论
• 3.3 密度关联式
• 3.4 本章小结
• 4 工业反应器的模拟与分析
• 4.1 引言
• 4.2 半间歇搅拌釜式反应器的模拟
• 4.2.1 反应器参数
• 4.2.2 模拟结果与分析
• 4.3 外循环喷雾式反应器模拟
• 4.3.1 反应器参数
• 4.3.2 模拟结果与分析
• 4.4 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 研究取得的主要结论
• 5.3 未来工作及展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文