CSTR反应器开工过程动态模拟.docx

CSTR反应器开工过程动态模拟指导教师: 小组成员:完成时间：2013年4月1日目录引言 1问题的提出 2模型的建立 2换热条件的确定 4连续反应器的开车与计算 5开车失败的原因分析 6解决方案 8CSTR反应器稳定性分析 10结论 12附录 13引言模型化（Modeling）是现代化学工程方法论的重要组成部分，尤其是过程动态 学的核心根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方式，一般可以把数学模型 分为集中参数模型、分布参数模型和多级集中参数模型；根据建立模型的不同方 法，一般可以将数学摸型分为统计模型、确定性模型和介于二者之间的半经验模 型CSTR（Constant Str Tank Reactor）,即全混流反应器，又称全混釜或连续 流动充分搅拌槽式反应器，是一类在工业生产中广泛应用的反应器CSTR的特 性有：（1）物料在反应器内充分返混；（2）反应器内各处物料参数均一；（3）反 应器的出口组成与器内组成相同；（4）连续、稳定流动，是一定态操作针对CSTR反应器的特性，可以通过对所研究的反应器系统与系统内的关键组 分，列出其质量、能量和动量守恒关系式，系统及关键组分内外质量、能量和动 量交换速率系数计算式，相关的相平衡关系，以及化学反应速率表达式和化学反 应平衡常数计算式（如果反应可逆的话），从而建立CSTR反应器内反应的确定性 集中参数模型，以此对在CSTR内进行的反应进行描述。

要利用确定性模型来预测、揭示化工过程系统的内在规律，解决与动态学特 征有关的工程实际问题，就必须对所涉及到的数学模型进行必要的数学处理以 此对CSTR反应器建立的确定性集中参数模型的数学表达式所构成的数学模型的 正问题，涉及到代数方程组、常微分方程组和偏微分方程组，以及他们的混合方 程组的求解，由于化工过程通常具有的非线性特征，求模型方程组的解析解往往 是不可能的，不得不借助计算机求数值解对于典型的常微分方程组的初值问题， 通常可以利用龙格一库塔（R-K）、基尔（Gear）法等通用程序求数值解本篇阐述了我们通过文献调研，查取物性数据及相关资料，对一个在CSTR 反应器内进行的二级不可逆放热反应进行分析、建立起反应的确定性集中参数模 型，应用相关计算法则，编制计算机程序，并利用计算机辅助设计绘制了状态空 间的相平面图，实施了对这一反应的状态空间分析和热平衡分析，并对所得结果 进行讨论和综合的过程在整个过程中，我们始终坚持用系统工程的思想、方法 来解决化工过程系统的设计、开发、操作、控制等问题，取得了可喜的成绩，使 我们加深了对化工过程分析与合成的认识以及对化工过程系统动态模拟与分析 的理解，为我们在今后的学习和工作实践奠定了思想基础。

一、问题的提出工业上生产1,2-丙二醇主要采用环氧丙烷（PO ）催化水合的方法，为一级不 可逆放热反应，该方法以硫酸为催化剂，其化学反应方程式为：G比O + H20 H炎6 》CH2OHCHOHCH3该反应为一级反应： —二=■（二，此反应速率常数为：9 0<54.23k = 1.70xl013^厂在反应温度范围内，可以假定反应热为常数，消耗每摩尔PO放出83.74 kJ 热量根据化学反应工程的相关原理可知，在连续搅拌釜式反应（CSTR）中，该 反应体系可能存在多定态现象借助反应体系的多定态特性进行催化反应器的开 车和停车，可为催化反应器的安全操作提供重要的指导，因此对其进行研究，对 于加深对化学反应体系多定态体系的认识是十分必要的二、模型的建立（一） 基本假设1. 反应釜内处于分子级理想混合，且为液相均相反应，因此反应釜内混 合物的温度和组成在反应区里是均匀的2. 反应区的容积不随时间变化，则加料与排料的流量也认为是相等的，即 F = F = Fin out3. 反应釜内压力恒定4. 反应物在进料管中不反应5. 本反应不存在副反应，即反应只生成1,2-丙二醇，在反应釜中最多 只有4种物质混合。

6. 忽略混合热，混合物的物性为各物质物性的加和平均，也即是M 二工 x Mi i（二） 衡算方程只着眼于A组分：（1）.质量守恒方程为：丘口 - . （「ajo - Qa.）vo—』迪十dz A V可—v— go _ 厂 _ Z _ d; V（2）能量守恒为:d 二 Q - fa0" iCp& — T 0L(aHr)X ) dt X NC . ⑵i pi(3)冷却水出口温度的计算：T -(T - Ta 1)(UA )exp 一 I mcCpB 丿式中工 N iC pi = CpANA + CpbNb + CpcU + CpdNdX 0 C . = C A + F^°C B + Fjm^ c mi pi pA pB pMA 0 A 0（二）符号说明:反应器示意图如右图所示:A 表观频率因子，h-1Q——换热量，J・h-1Cp——恒压热容，J • mol -1 • K -1T——平均停留时间，hEa 活化能，kJ • mol -10——其它物质与A的进 料物质的量比F 摩尔流率，mol • h-1A ——环氧丙烷A HRx 化学反应热，kJ • mol -1B——水k 化学反应速率常数，F,ci,fH201C~~JCSTR反应器C——丙二醇mc冷却水流量，kg・h-1eb 能量衡算N 进料量，molr 化学反应速率，mol • m3 • h-1i i种物质mb 质量衡算R —气体常数，J・mol -1・K -1t 时间，hT——温度，KM——甲醇s 稳态a 1 进口冷却水UA ——总传热系数与换热面积之积，kW・k -1 a 2出口冷却水v 体积流量，m3 • h -1V ——反应器体积，m30——初始状态X——转化率三、换热条件的确定（一）说明1.2.3.4.由于反应放出热量太少，另外，所选取的夹套换热方式的弊端, 衡算时采用一些经验公式；而且采用试差法进行计算； 由于模拟是动态过程，所有相关的参数采用平均植； 反应器与夹套换热装置为钢制；忽略污垢热阻；（二）热量衡算式：UC p (T - T ) + KA (T - T ) = (- r ) AHP 0 m A VR rV (C — C ) = (— r )VR A 0 A A R(三)换热计算：牛顿冷却定律：Q = UA Atm总对流传热系数：U = 一1 1 b d+ + 1 a a 九 d1 2 m m反应釜内传热速率方程：a = 0.36（心^）：（甲1卩、)3 ( )0.14九 卩w夹套侧传热系数（由于Re<4400）a = 4002U °.2A T o.id °.5四、连续反应器的开车与计算目前国际上丙二醇单套装 置的生产能力相 差很大，如美国的 陶氏化学和Lyondell公司的丙二醇单套装置生产能力在1X105 t/y以上，而国内丙二醇单 套装置年生产能力则在几千吨到几万吨不等。

以国内投产的中海油壳牌6X104 t/y 1,2-丙二醇项目为例，按年平均开工8000 h,平均转化率80.00%计算在PO进料之前，反应器内应加入一定量质量分数为0.10%的H2SO4水溶液 为保证PO高的转化率，水溶液进料量应大于PO进料量经计算可知进料需由7.9 t/h的PO，16.2 t/h质量分数为0.10%的h 2SO 4水溶液以及0.3 t/h的甲醇组 成进料温度为297.15 K,冷却水入口温度为302.15 K,反应器体积为1.60 m3 据相关文献可知，环氧丙烷(A)、水(B)、丙二醇(C)和甲醇(M)的物质的量 浓度分别为 14.93, 55.26，13.68 和24.67 kmol/m3在297.00~350.00 K 内， 各物质的恒压热容可视为定值：CpA=146.53 J/(mol・K)，CpB=75.36 J/(mol・K)，CpC=192.58 J/(mol ・ K)，CpM=81.64 J/(mol ・ K)由于该反应为强放热反应，因此CSTR应配备冷却器取冷却器的换热能力 UA为2.90 kW/K对于大的冷却介质流量值，换热量Q的计算公式可简化为：(UA Y'1一 exp一m C □\ c pB 丿Q = mcCpB Tai-T:(10)反应器操作式中Tai为冷却水进口温度，K； me为冷却水流量，kg/h。

根据上述公式，利用POLYMATH 5.1计算当体系达到稳态时,温度T 为 311.00 K, C 为4.29 kmol/m3 , c 为 33.91 kmol/m3 , c 为 0.99AB Ckmol/m3, c为0.36 kmol/m3, PO的转化率(X)为18.80%, PO浓度及反应器温 M度随时间的变化曲线分别如图1和图2所示由图1和图2可知，由于开始投料 之前反应器内含有一定的水，因此PO初始浓度为0；当进料温度为297.15 K时, 随进料的不断加入，CSTR中P0的浓度迅速增加，同时反应放出的热量增大，反应器温度随之升高，最后达到稳定值，达到稳态时反应器操作温度为311.15 K, X仅为18.80%，不足1/5，据此可判断在进料温度297.15 K时开车并未成功0 1 ' ' ' 00 0.5 1.0 1 5 2.0f/h图1兀为297.15 K时的PO浓度■时间曲线f/h图2 %为297.15 K时的操作温度•时间曲线五、开车失败的原因分析由于放热反应体系可能存在多定态，只有当进料温度大于点火温度时才可能 开车成功当进料温度在熄火温度与点火温度之间时，会出现三个定态点，其中 中间的定态为不稳定定态；而在进料温度高于熄火温度而低于点火温度时进行反 应器开车，虽然最终可以达到稳态，并具有一定转化率，但只能停留在低转化率 的定态点上，这对工业化生产毫无意义。

因此为了确保反应器的成功开车，需首 先确定该反应体系的点火温度和熄火温度利用稳态的摩尔衡算方程和能量衡算 方程，可计算得到反应器稳态操作时的转化率CSTR的稳态摩尔衡算方程 v 引入参数T T = VV 0kCmbkCmbmb(11)(⑵进行变换可得由稳态能量衡算方程X mbkVClAeRTV 0CA0 + kCA0V-FA 0 Xeb AHrx1 +t AeRT(13)=Fa o 工© iCpi可知ebX 0 C (T — Ti pi-A0(15 )RX联立方程（13）和（15），利用Mat lab软件绘制出不同进料温度TO时的P0转化率 -操作温度变化曲线如图3所示由图3可知，在不同进料温度条件下可得到不 同定态点对应的反应器操作温度，数据如表1所示T/K图3过度PO转化率■操作温度函数曲线表1不同进料温度条件下的CSTR定态操作温度Table 1 The steady-state op era ri oil temperature under differeut feedstock temperatureNoTqK(low steady。