甲基叔丁基醚熱管反應(yīng)器的開發(fā)研究.pdf

1、熱管是一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，它依靠自身內(nèi)部液體工質(zhì)的汽液相變傳輸熱量而無需外加動力。具有傳熱效率高、可靠性和等溫性能好、熱流密度可以自動調(diào)節(jié)、熱流方向具有可變性、熱二極管和熱開關(guān)特性以及熱管形狀結(jié)構(gòu)可以按需要靈活布置等特點(diǎn)。本文將熱管技術(shù)應(yīng)用于可逆放熱反應(yīng)的固定床催化反應(yīng)器中，旨在研究開發(fā)一種新型的換熱式固定床反應(yīng)器，改善反應(yīng)器的軸向溫度分布藉以提高可逆放熱反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率、克服外循環(huán)冷卻反應(yīng)器用于可逆放熱反應(yīng)所存在的諸如物料返

2、混、動力消耗大、軸向溫度分布序列不合理等弊端，達(dá)到簡化系統(tǒng)節(jié)省投資、提高反應(yīng)器可靠性和催化劑利用率的目的。
　　 本文以蒸汽裂解碳四餾分中的異丁烯組分和甲醇為原料合成甲基叔丁基醚(MTBE)-可逆放熱反應(yīng)為背景，在借鑒前人在熱管反應(yīng)器領(lǐng)域取得的研究成果的基礎(chǔ)上，開展了一系列開發(fā)研究工作。主要內(nèi)容包括：(1)全面分析了合成甲基叔丁基醚反應(yīng)過程的特點(diǎn)以及反應(yīng)動力學(xué)與熱力學(xué)平衡的關(guān)系；(2)考察了熱管內(nèi)部工質(zhì)的流型狀況、熱管的啟動性能

3、，測定了催化床層的流動傳熱性能；(3)建立了描述反應(yīng)過程的擬均相二維數(shù)學(xué)模型，并對相關(guān)工藝條件進(jìn)行了數(shù)值模擬；(4)設(shè)計制作了一套熱管反應(yīng)器熱模實驗裝置，進(jìn)行了較為系統(tǒng)的合成MTBE反應(yīng)過程的研究；(5)設(shè)計建造了兩臺工業(yè)規(guī)模的熱管反應(yīng)器，并應(yīng)用于20000噸/年MTBE生產(chǎn)裝置的擴(kuò)能改造中。
　　 本論文主要結(jié)論如下：
　　 1、在分析回路熱管工作原理、結(jié)構(gòu)形式、傳熱極限和充液量要求等內(nèi)容的基礎(chǔ)上，構(gòu)思了回路熱管反應(yīng)器

4、的蒸發(fā)段結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)催化床層反應(yīng)溫度的要求選擇甲醇作為熱管的工作介質(zhì)。
　　 2、回路熱管蒸發(fā)段可視化試驗、熱管啟動性能試驗和催化床層的流動傳熱試驗結(jié)果表明：
　　 (1)具有一定傾斜角度的蛇形熱管，能夠抑制造成傳熱不利的分層流。具有一定傾斜角度的蛇形熱管的啟動性能優(yōu)于水平蛇形熱管；
　　 (2)熱管的最佳充液率為90％；
　　 (3)試驗獲得了催化床層內(nèi)熱管外壁的對流換熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)方程：
　　

5、 Nud=2.658Ped0.5Rep-0.1134
　　 3、建立了描述醚化反應(yīng)特性的擬均相二維數(shù)學(xué)模型，利用顯示差分方法對模型進(jìn)行了數(shù)值求解。
　　 4、熱管反應(yīng)器合成MTBE試驗結(jié)果表明：a)蛇形回路熱管反應(yīng)器能夠滿足輕烴醚化反應(yīng)過程快速移出反應(yīng)熱的需要，操作平穩(wěn)、溫度控制靈活；b)熱管反應(yīng)器軸向溫度分布首先呈逐漸上升。而后呈逐漸降低序列，有利于可逆放熱反應(yīng)平衡轉(zhuǎn)化率的提高；c)在本文的試驗范圍內(nèi)，反應(yīng)器進(jìn)料溫度在

6、30℃～40℃范圍內(nèi)，控制熱管工作溫度在30℃～35℃范圍，反應(yīng)器出口的異丁烯轉(zhuǎn)化率可達(dá)93％～95％，床層熱點(diǎn)溫度不大于65℃，床層軸向溫度分布較合理。
　　 5、模擬設(shè)計對比結(jié)果表明，在同等規(guī)模下回路熱管反應(yīng)器床層軸向溫度分布有利于平衡轉(zhuǎn)化率的提高，催化劑利用率較固定床外循環(huán)冷卻反應(yīng)器高、動能消耗和床層壓降低。
　　 6、熱管反應(yīng)器工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，床層平均溫度較原混相床反應(yīng)器低5～8℃，副產(chǎn)物MSBE降低了50％。