丙烯氨氧化合成丙烯腈流化床反应器的模型拟合罗保林俞江萍范正刘金忠(加拿大不列颠哥伦比亚大学化工系温哥华V6T1Z4)(中国科学院化工冶金研究所北京100080)摘要基于反应动力学实验结果,分析考察了丙烯氨氧化反应的动力学行为,提出了关于反应转化率与目的产物收率的幂函数形式的拟合模型,藉此对某厂丙烯腈工业流化床反应器的操作数据进行了关联,在考虑反应器中气-固流动影响的前提下,建立了丙烯腈反应器的下述宏观数学模型:反应转化率018325u-011058R-010164012509X=exp(-017459+359179ƒT)NH3RO2丙烯腈单收YAN=010896u010342R012333111337417445NH3(518245expRO2RO2)exp(-210651+522198ƒT)-模型拟合的相对误差小于10◊1关键词模型拟合,流化床反应器,丙烯腈,合成中图分类号TQ0181前言丙烯氨氧化法合成丙烯腈,由于原料便宜易得、对丙烯纯度要求不高、工艺流程简单、投资及生产成本相应较低、产品质量较高等优点,自本世纪50年代面世以来,很快实现了工业化,并迅速取代了其它生产工艺,成为世界各国生产丙烯腈的主要方法1工业上,丙烯氨氧化是在流化床反应器中进行的气-固非均相催化反应1随着生产的发展,丙烯腈合成的流化床反应器日趋大型化,工业反应器直径已经超过10m1然而,装置的大型化使得操作和控制的难度增大,实际生产过程中在丙烯转化率及丙烯腈单收方面,均存在不同程度的波动,因此,通过以化学反应工程为基础的计算机跟踪控制、诊断决策以及实时优化,实现丙烯腈合成流化床反应器的最佳工艺运行与目标控制,将是工业装置稳定操作、达到最佳经济效果的重要途径1作为反应器控制的基础,首先需对反应器中进行的过程有正确而深入的认识,并用合宜的物理数学模型对其进行描述1显然,丙烯氨氧化流化床反应器动力学模型的建立,对丙烯腈工业反应器的优化控制,具有重要作用1丙烯氨氧化合成丙烯腈是一个复杂的反应过程,它包括多个平行的主副反应,丙烯腈是连串反应的中间产物,其反应网络示意如下1:收稿日期:1997-12-15,修回日期:1998-06-25罗保林:男,51岁,博士,研究员,化学工程专业1期罗保林等:丙烯氨氧化合成丙烯腈流化床反应器的模型拟合45该反应过程影响因素很多,如原料配比(进口氧烯比、进口氨烯比,以下简称氧比和氨比)、反应温度、反应时间(气-固接触时间)及催化剂性能等,且各因素对反应的影响趋势也很复杂1因此,早期虽曾进行过一些反应机理的实验探索,但均未能获得既可靠又实用的结果2-41戴擎镰等1曾用积分反应器,通过实验得到了一个非常复杂的反应动力学模型,以图从反应机理上揭示各参数对反应进程的影响,然而因其过于繁复而难以应用,且其未对工业反应器的动力学行为有所阐释1抚顺化纤厂曾提出利用尾气信息反馈来控制反应器操作,即利用工业反应器尾气分析获得的信息,通过数据处理分析及谱图调整,找出反应器运行状况及其与最佳工艺条件的偏离,进而依靠人的思维分辨,根据决策者的主观经验,调整操作参数,实现流化床的最佳工艺运行与目标控制1这是一种间断的寻优过程1本文尝试从实际应用角度出发,以丙烯氨氧化反应动力学实验结果及动力学行为分析为基础,结合丙烯腈工业流化床反应器的操作数据,来建立丙烯腈反应器的宏观数学模型,为丙烯腈流化床反应器的优化控制、故障诊断与决策以及反馈调节提供依据12实验丙烯氨氧化反应动力学实验在某厂研究所的催化剂评价装置上完成,反应器直径为57mm,底部装有泡帽式气体分布器,反应管中装有网状填料,其中充填1200ml的DB82催化剂1装置流程示意如图11反应气体经计量后,通过混合器均匀混合、预热后进入反应器,反应气体在反应器中与催化剂接触发生气固催化反应,反应产物经酸中和、冷却、水洗吸收后,放空尾气经湿式流量计计量1反应器内充填工业反应器中使用的同种催化剂1取尾气与吸收液,分别采用色谱分析和化学分析,以确定反应转化率和丙烯腈单收1在进行反应动力学实验时,为测得真实的反应速度,必须排除催化剂内、外扩散对反应速度的影响,为此,用不同量但粒度相同的同一催化剂,在相同的反应温度下,测定各自的反应转化率随反应气进料量(进料组成恒定)的变化;然后改变粒度,在恒定的接触时间下,测定各自的反46化工冶金20卷4～415s时,在此流速条件下,可以排除外扩散对...