丙烯高温氯化反应研究与反应器设计优化.pdf

2023 年第 1 期悦澡蚤灶葬 悦澡造燥则原粤造噪葬造蚤2023 年第 8 期悦澡蚤灶葬 悦澡造燥则原粤造噪葬造蚤3-氯丙烯又名烯丙基氯袁是不饱和脂肪族氯化烃类化合物袁具有有机氯化合物和烯烃的双重特性袁可以发生氧化尧加成尧聚合尧水解尧氨化尧氰化尧酯化等多种反应袁是重要的有机合成中间体遥氯丙烯除生产环氧氯丙烷之外袁主要生产农药杀虫剂尧有机硅及染料中间体等袁目前年平均增长率逸5%遥目前袁氯丙烯制备技术全部为丙烯高温氯化法1袁各装置反应器结构和工艺控制不近相同袁技术来源有鹿岛尧Conser 和国产北化院袁其中北化院技术指标生产周期约 100 d袁 选择性约 82%袁 能耗约270 kgEo/t袁反应温度高袁单线产能低曰鹿岛技术指标生产周期约 90 d袁选择性约 81%袁能耗约 240 kgEo/t袁反应温度低袁流程复杂袁系统敏感性过高袁投资高曰Conser 技术指标生产周期约 20 d袁 选择性约 74%袁能耗约 400 kgEo/t遥Conser 和国产北化院技术均采用管式反应器袁而鹿岛技术采用釜式反应器袁 本文主要针对管式反应器进行研究袁并对某氯丙烯装置渊Conser冤管式反应器进行工业应用改造袁生产周期尧选择性尧能耗等主要经济技术指标对标鹿岛工艺技术袁 达到国际领先水平袁装置竞争力大幅提升遥1工艺流程液态丙烯经分子筛干燥至含水臆10伊10-6袁然后与热水换热气化袁气态丙烯经蒸汽尧电尧液化气加热丙烯高温氯化反应研究与反应器设计优化刘利渊中石化湖南石化树脂部环氧树脂部袁湖南 岳阳 414003冤摘要院介绍了氯丙烯现有生产工艺袁比较了 3 种主流工艺的主要优缺点和经济技术指标袁分析了丙烯高温氯化反应机理与反应动力学袁并针对典型反应器进行了 CFD 模拟袁提出了改进方向袁设计了全新射流式反应器袁并开展了工业应用研究遥关键词院3-氯丙烯曰高温氯化曰CFD 模拟曰喷嘴曰射流式反应器中图分类号院TQ222.4+24文献标识码院B文章编号院员园园怨原员苑愿缘渊2023冤08-0023-08Research on propylene high-temperature chlorination reactionand optimization of reactor designLIU Li渊Sinopec Hunan Petrochemical Resin Department Epoxy Resin Department袁 Yueyang 414003袁 China冤Abstract：This paper briefly introduced the existing production processes of allyl chloride，compared themain advantages and disadvantages of the three main processes，and analyzed the mechanism andchemical kinetics of high temperature chlorination of allyl chloride，CFD simulation was carried out fortypical reactors，the improvement direction was proposed，a new jet reactor was designed，and theindustrial application research was carried out.Key words：allyl chloride；chlorination at high temperature；CFD simulation；nozzle；jet reactor232023 年第 8 期至 350380 益袁在文丘里混合器内与氯气按 5颐16颐1的摩尔比混合袁 再进管式反应器进行高温氯化反应袁温度 490510 益袁反应器混合气经冷却尧分离得到粗氯丙烯袁粗氯丙烯经精馏后得到产品曰反应混合气中分离出的丙烯和 HCl 气体经水吸收得到31%的盐酸袁过量丙烯经碱洗尧压缩尧冷凝尧干燥进入反应系统循环使用遥 Conser 技术工艺流程简图见图 1遥图1Conser技术工艺流程简图氯气F-101SM-101E-103（循环水）T-110T-101E-104E-105D-105干燥丙烯E-106T-101T-101T-108E-108C（电）E-108B（蒸汽）E-108B（蒸汽）E-107（冷凝水）干燥丙烯2研究目标丙烯高温氯化制备氯丙烯的 3 种工艺技术路线流程大致接近袁在高温氯化反应袁反应器结构和反应条件方面不同袁如上所述袁一方面选择性有差异袁另一方面配套的工艺流程有别遥 主要包括以下内容遥渊1冤进行两种丙烯高温氯化反应器数学模拟尧优化渊其中 Conser 技术反应器以 SM101 代指袁国产反应器以 RE101 代指冤袁研究其结构参数尧操作参数对丙烯氯化反应的影响曰渊2冤设计开发新型反应器渊NR101冤袁反应周期逸120 d袁3-氯丙烯选择性逸82%袁能耗臆270 kgEo/t遥3研究内容3.1主要的化学反应及其相关数据丙烯和氯气在高温下发生剧烈的化学反应袁反应过程与产物非常复杂遥 目前工业上可以检测到的反应产物袁除目的产物 3-氯丙烯之外袁主要副产物有 1-氯丙烯尧2-氯丙烯尧1-氯丙烷尧2-氯丙烷尧1袁2-二氯丙烷尧1袁3-二氯丙烯尧2袁3-二氯丙烯尧1袁2-二氯丙烯和 1袁2袁3-三氯丙烷等袁以及结焦遥3.1.1主反应丙烯和氯气在高温条件下发生取代反应遥CH2CHCH3+Cl2I荩CH2CHCH2Cl+HCl渊1冤3.1.2平行竞争的副反应渊1冤丙烯和氯发生加成反应袁生成 1袁2-二氯丙烷院CH2CHCH3+Cl2域荩CH2ClCHClCH3渊2冤渊2冤丙烯和氯发生取代反应袁根据丙烯分子中C-H 键的键能袁最易生成 3-氯丙烯袁其次是 2-氯丙烯袁生成 1-氯丙烯相对最难遥CH2CHCH3+Cl2芋荩CH2CClCH3|CHClCHCH3+HCl渊3冤渊3冤丙烯和氯化氢发生加成反应袁主要生成 2-氯丙烷袁其次生成 1-氯丙烷遥 若从副产物氯化氢的角度分析袁该反应也可以看作串连副反应遥CH2CHCH3+HCl郁荩CH3CHClCH3|CH2ClCH2CH3渊4冤3.1.3串连竞争的副反应串连竞争的副反应指目的产物 3-氯丙烯进一步反应生成副产物的反应遥渊1冤3-氯丙烯和氯发生取代反应袁 生成 1袁3-二氯丙烯或 2袁3-二氯丙烯院CH2CHCH2Cl+Cl2吁荩CHClCHCH2Cl|CH2CClCH2Cl+HCl渊5冤渊2冤3-氯丙烯和氯化氢发生加成反应袁 主要生成 1袁2-二氯丙烷或 1袁3-二氯丙烷遥 根据马氏规则袁生成 1袁3-二氯丙烷的反应较难发生院CH2CHCH2Cl+HCl遇荩CH3CHClCH2Cl渊6冤渊3冤3-氯丙烯和氯发生加成袁 反应生成 1袁2袁3-三氯丙烷院CH2CHCH2Cl+Cl2喻荩CH2ClCHClCH2Cl渊7冤3.1.4副产物的进一步反应反应生成的一些副产物也可以进一步转化袁生成其他副产物遥渊1冤1-氯丙烯和氯发生取代反应袁 可生成 1袁2-24二氯丙烯或 1袁3-二氯丙烯院CHClCHCH3+Cl2峪荩CHClCClCH3|CHClCHCH2Cl+HCl渊8冤渊2冤2-氯丙烯和氯发生取代反应袁 可生成 1袁2-二氯丙烯或 2袁3-二氯丙烯院CH2CClCH3+Cl2御荩CHClCClCH3|CH2CClCH2Cl+HCl渊9冤渊3冤1-氯丙烯或 2-氯丙烯和氯化氢发生加成反应袁可生成 1袁2-二氯丙烷院CHClCHCH3|CH2CClCH3+HCl愈荩CH2ClCHClCH3渊10冤渊4冤1袁3-二氯丙烯与氯化氢加成反应袁 生成1袁2袁3-三氯丙烷院CHClCHCH2Cl+HCl欲荩CH2ClCHClCH2Cl 渊11冤3.1.5脱碳副反应工业过程脱碳很严重袁 但脱碳反应历程鲜有报道袁一般以化学计量式表示院CH2CHCH3+3Cl2狱荩3C+6HCl渊12冤3.1.6主要反应动力学数据2袁3由于丙烯和氯气的反应复杂尧速率极快袁文献资料极少报道关于上述反应的动力学数据或方程袁仅有人给出了主要反应渊I冤尧渊II冤和渊V冤的反应速率表达式及其标准反应热院r玉=8.93伊10-5exp渊-7 608.82T冤p1p2驻H毅玉袁298=-1.116 5伊105r域=5.07伊10-9exp渊-1 918.99T冤p1p2驻H毅域袁298=-1.842 2伊105r吁=1.99伊10-1exp渊-11 833.33T冤p1p2驻H毅吁袁298=-2.135 3伊105渊13冤式中院T要温度袁K曰p1要氯气分压袁Pa曰p2要丙烯分压袁Pap3要3-氯丙烯的分压袁Pa曰r要反应热袁kJ/mol曰驻H要标准反应热袁kJ/kmol遥对于脱碳反应渊XII冤袁其标准反应热为-5.7357伊105kJ/kmol遥3.2反应特征分析工业数据表明袁动力学方程渊13冤给出的活化能的量级是比较合理的袁即丙烯的氯取代生成 3-氯丙烯的主反应渊I冤的活化能大于氯加成生成 1袁2-二氯丙烷的副反应渊域冤的活化能袁但小于串连取代副反应渊吁冤生成 1袁3-二氯丙烯或 2袁3-二氯丙烯的活化能遥 因此袁反应器内要避免低温区袁同时也要防止 3-氯丙烯的进一步转化袁即反应温度也不能太高遥渊1冤在工业条件下袁丙烯与氯的取代反应产物主要是 3-氯丙烯袁 其次是 2-氯丙烯袁1-氯丙烯最少曰前者远大于后两者袁 而且升高温度显然有利于后两者的生成袁可能是生成后两者的活化能高遥 可见袁从抑制 2-氯丙烯和 1-氯丙烯的生成的角度出发袁反应温度也不宜过高遥渊2冤1袁2-二氯丙烯的含量远小于 1袁3-二氯丙烯与 2袁3-二氯丙烯之和 渊前者是后两者之和的 4%9%冤袁这是因为 1袁2-二氯丙烯只能来自于 2-氯丙烯或 1-氯丙烯与氯的进一步取代反应袁 而 1袁3-二氯丙烯或 2袁3-二氯丙烯不仅可以来自于 3-氯丙烯与氯的进一步取代反应袁 也可来自于 2-氯丙烯或 1-氯丙烯与氯的进一步取代反应遥渊3冤1-氯丙烯尧2-氯丙烯或 3-氯丙烯都可能与氯化氢发生加成反应生成 1袁2-二氯丙烷袁 也就是说袁产物中的 1袁2-二氯丙烷不仅可以来自于丙烯与氯的加成袁 也可能有一部分是来自 1-氯丙烯尧2-氯丙烯或 3-氯丙烯与氯化氢的加成遥渊4冤反应末期虽然氯气几乎耗完袁但氯化氢含量较高袁可以和 3-氯丙烯或丙烯发生加成反应袁生成1袁2-二氯丙烷或 2-氯丙烷渊或 1-氯丙烷冤遥 因此袁反应时间渊停留时间冤不宜太长遥由此可见袁虽然丙烯高温氯化的副产物繁多袁但实际上很多是由初级副产物衍生出来遥 初级副产物是指由丙烯一步反应生成的副产物袁主要有 1-氯丙烯尧2-氯丙烯尧1-氯丙烷尧2-氯丙烷和 1袁2-二氯丙烷遥 其中袁1-氯丙烷和 2-氯丙烷是丙烯与氯化氢的加成产物袁而反应末期的氯化氢浓度比较高袁因此只要控制适当的停留时间袁 就可以抑制这两种初级副产物遥简而言之袁 需要控制的是上述平行竞争副反应和串连竞争副反应袁 即要尽可能抑制反应 渊域冤渊喻冤和渊狱冤的发生遥亦即袁操作条件原则上应该满足以下几点要求院渊1冤反应尽可能避免在温度过低的条件下进行袁以抑制反应渊域冤的竞争曰渊2冤反应温度也不宜过高袁 使得取代副反应和脱碳副反应的竞争加剧袁 因为所有的取代副反应和脱碳副反应的活化能可能都高于主反应的活化能曰渊3冤 反应时间适中袁因为反应末期氯气几乎消耗殆尽袁 但已有大量氯化氢存在袁主要发生氯化氢和丙烯的加成渊郁冤和氯化氢2023 年第 8 期刘利院丙烯高温氯化反应研究与反应器设计优化252023 年第 8 期与 3-氯丙烯的加成渊遇冤这两个消耗原料丙烯和目的产物的竞争副反应遥3.3研究思路与方法国际上自 20 世纪 80 年代后袁 对高温氯化鲜有研究报道袁而氯化反应又是副反应较多的复杂反应遥从高温氯化反应机理入手袁结合 CFD渊ComputationalFluid Dynamic冤模拟技术袁探讨不同高温氯化混合反应器的设计意图和温度场分布等袁 提出抑制副反应的改进措施遥渊1冤分别对现有管式反应器结构型式尧结构参数和操作参数进行模拟计算袁得到其浓度场尧速度场尧温度场等分布袁分析探究反应器结构特征尧操作条件对反应的不利影响因素曰渊2冤提出反应器结构型式和操作参数的优化方案袁并进行对应的模拟计算曰渊3冤开发新型混合反应器袁开展工业应用试验袁考察实际效果遥由于丙烯高温氯化反应是一个速率极快的放热反应袁 有效减小微观混合即预混合的影响是极其关键的袁这是改进反应器结构的关键点遥不管使用何种反应器结构袁 高温氯化反应过程都具有工程放大效应袁开发合适负荷的反应器均需经过装置试验袁因此本研究过程实际也是一项工业实践遥4工业装置反应器的模型与模拟4.1绝热平推流反应器模型渊1冤反应器内的流体流动为平推流型袁无返混遥渊2冤系统绝热袁反应放热全部被物料吸收而使得温度升高遥渊3冤无微观混合或预混合影响袁即两股原料气在达到分子级混合后才开始反应遥渊4冤只考虑几个主反应渊I冤尧平行竞争的加成副反应渊域冤和串连竞争的取代副反应渊吁冤曰此外袁为了方便袁 由此向下串连竞争的取代副反应将被标记为第 III 而不是第 V遥由平推流反应器的物料和热量衡算可得院dF1/dV=-渊r玉+r域+r吁冤dF2/dV=-渊r玉+r域冤dF3/dV=r玉-r吁dT/dV=-渊r玉H玉袁T+r域H域袁T+r吁H吁袁T冤渊14冤式中院F要物料的摩尔流率袁kmol/h曰V要有效反应器体积袁m3遥由于反应原料渊氯气和丙烯冤是分开进入反应器的袁且各自温度不同渊T10和 T20冤袁按平推流假设袁两种物料在没有发生任何反应的条件下进行混合袁温度分别由 T10和 T20变化为 T0袁前后的总热焓守恒院F1袁0H1袁T10+F2袁0H2袁T20=F1袁0H1袁T0+F2袁0H2袁T0渊15冤4.2绝热全混流反应器模型驻F1/V=-渊r玉+r域+r吁冤驻F2/V=-渊r玉+r域冤驻F3/dV=r玉-r吁驻T/V=-渊r玉驻H玉袁T+r域驻H域袁T+r吁驻H吁袁T冤渊16冤4.3实际反应器的理论模型无论是 SM101 反应器还是国产 RE101 反应器袁其流型是介于平推流和全混流之间的一种情况袁根据它们的结构和操作特点袁 可以假设它们各自都是由一个全混流绝热反应器和一个平推流绝热反应器组合而成袁见图 2渊图中 fCSTR为全混流部分的体积分数袁Vtotal为反应器总体积袁m3冤遥渊1冤对于 SM101 反应器袁Vtotal=2.653 m3曰氯气进料流量 22 kmol/h尧温度 62.4 益袁丙烯进料流量 5伊22 kmol/h尧温度 342.1 益曰反应器内压力取 146 kPa渊表压冤遥 其模拟结果见表 1遥这种理想模型的模拟还包括着三个方面的假设院渊1冤没考虑微观混合渊预混合冤的影响曰渊2冤只考虑了丙烯的氯取代生成 3-氯丙烯尧丙烯的氯加成生成 1袁2-二氯丙烷以及 3-氯丙烯的氯取代生成1袁3-二氯丙烯这 3 个反应的动力学袁缺失其他反应的动力学袁特别是一些重要副反应的动力学袁如丙烯的氯取代生成 2-氯丙烯和 1-氯丙烯以及丙烯的脱碳等遥从表 1 可见袁 完全的平推流由于是从虚拟进口温度 324.73 益逐步升温至 489.12 益袁丙烯与氯的加成副产物 1袁2-二氯丙烷生成量最大曰完全的全混流可以瞬间升温至 475.41 益袁加成副产物 1袁2-二氯丙烷生成量最小袁但是氯气转化不完全渊其转化率只有87.32%冤遥 因此袁最好是野全混流+平推流冶的组合袁且全混流的体积分数在 0.40.6 比较好遥渊2冤对于国产反应器袁Vtotal=0.831 m3曰丙烯进料流量 1 496.7 m3/h尧温度 386 益袁氯气进料流量取丙烯的 1/6袁即为渊1 496.7伊3.217/70.91冤/6 kmol/h袁温度32 益曰反应器内压力取 99.419.4 kPa渊表压冤遥 其模拟结果见表 2遥图2实际反应器理想模型示意图F1，0，T1F2，0，T2fCSTR Vtotal（1-fCSTR）VtotalVtotal26针对以上两种反应器袁 分别取丙烯/氯气=4.5/5.0/5.5/6.0/6.5 配比进行了模拟计算袁结果显示当丙烯过量到一定程度后袁过量多少对选择性影响不大遥当丙烯与氯气的摩尔比臆5.0 时袁 目的产物 3-氯丙烯选择性呈下降趋势袁 与工业装置实际实际运行情况吻合遥模拟结果还表明袁反应器前期采用全混流可以使反应物料迅速升温袁有利于取代反应曰反应末期采用平推流可降低氯气的残余量袁 可抑制串联副反应遥4.4工业反应器的 CFD 模拟4.4.1RE101 模拟模拟计算所给定的操作参数和设备结构参数见表 3袁丙烯与氯气的摩尔比 5颐1遥 模拟结果见图 3尧图4袁截取反应器长度约为 1.44 m渊起点从喉管终端计冤遥由图 3 可见袁 喉管中及出口处的射流速度可达100 m/s袁 经过 1 m 左右的距离衰减到 30 m/s 以下袁1.4 m 左右衰减至 10 m/s 左右曰 射流在反应器主体中的存在明显夹带回流遥由图 4 可见袁 物料一进入反应器主体就可升至420 益以上袁与射流夹带回流情况吻合曰从图中丙烯与氯气的摩尔比分布来看袁氯气的起始分散性较差袁需要进行改善遥表3国产装置的相关参数及进出口条件温度/益压力/kPa流量/（kg h-1）管道内径/mm氯气进口30148.10 950.765丙烯进口388.8136.52 811.9209出口3 762.6350喉管内径 100 mm，喉管长度 230 mm，氯气喷嘴内径 18 mm表1SM101反应器理论模型的模拟结果渊虚拟进口温度为324.73 益冤fCSTR全混流出口平推流出口温度/益转化率/%选择性/%温度/益转化率/%选择性/%氯气丙烯氯丙烯二氯丙烷二氯丙烯氯气丙烯氯丙烯二氯丙烷二氯丙烯0.0489.1299.2319.6277.9620.911.130.1351.4312.2602.4566.0033.930.07491.0399.4219.6578.8619.961.180.2387.5731.4806.2775.8623.780.36492.2999.6019.6681.1417.541.320.4442.0164.9312.7884.4513.941.61492.7799.5819.5285.0412.952.010.6461.4577.8315.2085.9911.602.41491.9098.9219.2886.1311.292.590.8470.3583.8616.3186.4610.682.86488.2696.3118.7286.5010.582.920.9473.1985.8016.6686.5910.413.01483.6793.0718.0786.6010.373.031.0475.4187.3216.9386.6710.203.13表2国产反应器理论模型的模拟结果渊虚拟进口温度为369.60 益冤fCSTR全混流出口平推流出口温度/益转化率/%选择性/%温度/益转化率/%选择性/%氯气丙烯氯丙烯二氯丙烷二氯丙烯氯气丙烯氯丙烯二氯丙烷二氯丙烯0.0498.9999.6216.4183.0215.801.190.1398.0918.5103.0878.3821.420.20501.3799.7216.4283.8714.891.230.2430.4040.9306.7783.7015.590.71502.9899.7816.3985.5413.021.440.4466.6768.3411.1987.1511.051.80504.2199.6616.2787.3910.522.090.6480.3279.1512.8887.8509.752.40503.9399.0316.1087.9109.562.530.8487.0184.5313.7188.0809.182.73501.2896.5815.6688.1009.112.780.9489.2186.3013.9888.1509.012.85497.6893.4515.1488.1508.982.871.0490.9587.7114.2088.1908.872.942023 年第 8 期刘利院丙烯高温氯化反应研究与反应器设计优化272023 年第 8 期4.4.2SM101 模拟装置的相关参数详见表 4袁 其模拟结果见图 5尧图 6遥SM101 反应器中袁氯气通过 153 个 覫2.5 的孔从管外向内喷入丙烯流体之中袁从图 5 及图 6 可见袁氯气基本上是贴着反应器壁面附近流动袁 氯气的喷入深度不够袁所以丙烯和氯气的混合效果很不好袁造成局部过热而严重脱碳遥 其原因就是动量流比 J 因子太小渊本工况下袁氯气和丙烯分别为 68 m/s 和 84 m/s袁J 约 2.2冤袁需要尽可能地提高 J 来增强混合效果遥 可减少氯气的开孔数袁 提高氯气的平均孔速至 100130 m/s袁同时取消丙烯通道中的圆棒袁使丙烯的平均流速降至约 65 m/s袁则 J 可提高至 8.013.4袁从而改进SM101 的混合情况遥从速度分布和温度分布来看袁SM101 基本是典型的平推流型反应器袁目标产物 3-氯丙烯的质量分数从零逐步增加到 20%曰而 RE101 则更接近于全混流反应器袁效果相对更优遥5反应器 CFD 模拟与改进根据上述模拟结果袁国产 RE101 反应器总体上比引进的 SM101 好袁 但其喷嘴采用同心圆设计袁丙烯和氯气是平行射入反应器主体袁 混合与反应效果仍然不够理想遥为进一步探讨强化混合效果袁设计采取两种方案院渊1冤基于 SM101 反应器袁采用相同装置的工艺条件袁对喷嘴进行改进袁提高动量流比曰渊2冤参照 RE 反应器理念袁设计新型反应器遥5.1SM101 反应器喷嘴的改进设计与模拟按照上述 SM101 模拟结果袁改进的方向显然是进一步增大 J 因子袁 提高氯气的孔速是一个有效措图3RE101的速度向量及速度分布速度矢量/（m s-1）速度分布/（m s-1）0.024.248.572.796.90.09.719.429.138.848.558.267.877.587.296.9图4RE101的温度尧原料摩尔比和3-氯丙烯质量分数分布摩尔比3-氯丙烯质量分数0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.00.00.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20温度/益3183135187239291344396448500552表4SM101装置的相关参数及进出口条件温度/益压力/kPa流量/（kg h-1）尺寸/mm氯气进口062.4267.01 556.4覫102丙烯进口340.8213.04 663.6覫209出口6 220.0覫263注院丙烯通道为 覫114伊6 的管道，内置一根 覫48 的圆棒。氯气从圆管外向内喷入，开孔 153伊覫2.5；第一排孔到最后一排孔的距离约0.24 m；最后一排孔距离扩大段进口 0.06 m；扩大段长度为 0.92 m。28施袁但氯气的压力受到工艺条件上限限制袁因此可以同时降低丙烯的平均流速遥基于该思路袁设计了 3 种改进型喷嘴袁见图 7遥喷嘴 I 型的结构见图 7渊1冤袁其特点是氯气和丙烯的流向夹角成 45毅袁 丙烯走环隙袁 其通道直径为覫100曰氯气走内管袁考察氯气喷孔直径 b 的影响遥 模拟了氯气喷孔直径 b=覫16尧覫18 和 覫20 的仿真结果袁喷嘴越小混合效果越好袁但氯气压力大幅上升袁且氯气在丙烯中的分散及混合效果仍不理想遥喷嘴类型 II 的结构见图 7渊2冤袁其特点是丙烯走内管袁氯气走环隙袁且它们流向的夹角成 90毅袁氯气喷入口采用两排 覫3渊每排 40 个冤遥相比 SM101袁喷嘴图5SM101反应器的速度向量及速度分布速度矢量/（m s-1）速度/（m s-1）0.027.855.583.3111.10.011.122.233.344.455.566.677.788.899.9111图6SM101反应器的温度尧原料摩尔比及氯丙烯质量分数分布摩尔比分布3-氯丙烯质量分数0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.00.02.24.46.78.911.113.315.517.820.022.2温度分布/益62108154200246291337383429475520图7反应器喷嘴结构覫3伊40 孔均布两排共 80 孔覫34伊40 孔均布两排共 36 孔4030108050205045.0毅（1）（2）（3）2023 年第 8 期刘利院丙烯高温氯化反应研究与反应器设计优化292023 年第 8 期II 的氯气孔速提高尧 丙烯流速降低袁 从而 J 因子增大袁模拟结果显示袁氯气向丙烯流的中心射流的深度还是不够袁氯气还是几乎贴着喉管的壁面流动袁无法到达丙烯物料流的中心部位袁混合效果不理想遥喷嘴 III 型的结构如图 7渊3冤袁结构与喷嘴 II 型相似袁 但丙烯和氯气的进口管径以及氯气喷孔的开孔数都不相同袁 同时考察氯气喷孔的排列方式对混合效果的影响袁模拟结果显示袁改变喷孔喷射角度袁可适量增加氯气喷射深度袁 但提升氯气和丙烯的混合效果不明显遥基于以上分析和模拟结果袁 在工业上给定压力和负荷范围内袁很难在 SM101 装置的基础上通过改进喷嘴的孔径尧 孔数及角度等措施来增强丙烯和氯气的混合效果遥5.2新式喷嘴与反应器的设计及 CFD 模拟综上所述袁 高效的丙烯氯化反应器应该满足两个主要要求院渊1冤丙烯和氯气两股物流在相会处尽可能混匀袁解决方案是丙烯走外环尧氯气走内环尧氯气以大流速渊大动量流比冤错流射入丙烯相曰渊2冤混合物料快速提升到合适温度袁 以避免丙烯和氯气发生低温加成副反应袁 解决方案是将混合物料高速射入一个直径足够大的反应器袁其流型趋近全混流遥据此设计射流式全混反应器渊代号 NR101冤袁新反应器由混合部耦合反应部组成袁见图 8遥图8射流式全混反应器NR-101结构示意图氯气丙烯覫4伊8 孔均布3 排共 16 孔覫4伊8 孔均布40按照射流式全混反应器袁 分别设计不同类型的喷嘴渊见表 5冤进行模拟计算遥渊1冤丙烯外管均为 覫219伊6袁与现有工业装置相同曰渊2冤反应器直径分别取 覫263 和 覫350渊工业装置在役型号冤袁模拟计算结果显示均已足够大到趋近全混流模型袁 新制备全混反应器部分选取备用反应器覫900遥按照上述条件袁 对不同类型喷嘴的混合反应器进行模拟袁结果显示院渊1冤收缩段顶端不开孔比开孔的混合效果明显要好袁可能是减少了平推流比例曰渊2冤各排开孔之间错开角度袁并适当分布一定间距袁混合效果相对更好袁应是避免了烟囱效应曰渊3冤氯气与丙烯混合效果与反应部分尺寸几乎无关袁只决定于喷嘴条件曰渊4冤选定表 5 中最优的 NR101-3 为全新的射流式反应器设计条件袁工艺条件保持不变遥6综合效果评价全新射流式反应器多层错位分布的喷嘴型式可逆流形成高湍动流场袁达到分子尺度的均匀混合曰其渐缩环隙通道可快速提升混合速度袁 进一步强化混合遥新制备的反应器 NR101 应用于某氯丙烯装置反应 C 线袁 经 17 个月的运行验证袁 单套产能增加39%袁运行周期超过 140 天袁选择性提高约 10%袁达到 84%袁能耗降低 33%袁年创效超过 1 500 万元袁同时装置安全环保水平得到提升遥参考文献院1徐伟建袁陈康庄.浅议环氧氯丙烷生产技术及其发展.氯碱工业袁2006袁渊9冤院29-33.2魏文德.有机化工原料大全渊上卷冤.第二版.北京院化学工业出版社袁1999.3徐克勋.精细有机化工原料及中间体手册.北京院化学工业出版社袁1998.收稿日期院2023-06-26表5NR101喷嘴设计与模拟氯气内管、喷嘴J 因子NR101-1覫112伊5，垂直开孔 24伊覫6 分 3 排均布直管段，120毅开孔 8伊6 按 1 排均布收缩段，1伊覫6 开孔在内管收缩尖端10NR101-2覫112伊5，垂直开孔 24伊覫4 分 3 排均布直管段（各排错开角度、等间距），120毅开孔 8伊覫4 按 1排均布收缩段，收缩角 30毅126NR101-3覫112伊5，垂直开孔 60伊覫2.5 分 3 排均布直管段（各排错开角度、等间距），120毅开孔 20伊覫2.5 按1 排均布收缩段，收缩角 25毅12930