雙膜式三氧化硫磺化反應(yīng)器模型研究（下篇）

顧建棟

雙膜式三氧化硫磺化反應(yīng)器模型研究（下篇）

顧建棟

第三章 模型計(jì)算結(jié)果與討論

將上海白貓有限公司的WHITBCAT磺化反應(yīng)器生產(chǎn)工藝及設(shè)備工藝參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)輸入數(shù)據(jù)輸入該模型，分析轉(zhuǎn)化率及液膜溫度沿塔長(zhǎng)的變化狀況。當(dāng)然這些生產(chǎn)工藝參數(shù)是可以變化的，通過(guò)這些變化我們可以觀察反應(yīng)器內(nèi)沿膜長(zhǎng)各點(diǎn)轉(zhuǎn)化率及溫度變化的趨勢(shì)。這對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化工藝生產(chǎn)操作參數(shù)及設(shè)備工藝設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。同時(shí)，通過(guò)將磺化裝置實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證反應(yīng)器模型的正確性。

1. 標(biāo)準(zhǔn)磺化操作

本模型采用WHITECAT磺化反應(yīng)器生產(chǎn)工藝及設(shè)備工藝參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)輸入（見(jiàn)表2），這并不意味該參數(shù)是最優(yōu)化的，但屬于優(yōu)化范疇。目的是將其作為一個(gè)基準(zhǔn)，然后通過(guò)改變某些參數(shù)得到兩種結(jié)果，以便進(jìn)行比較和討論。

表3是標(biāo)準(zhǔn)磺化操作中通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算獲得的液膜厚度、液膜溫度及轉(zhuǎn)化率沿反應(yīng)器塔長(zhǎng)變化的系列數(shù)據(jù)，并

以圖3和圖4直觀顯示。由圖可見(jiàn)，在靠近進(jìn)口

處，轉(zhuǎn)化率上升很快，大約50%轉(zhuǎn)化率在塔長(zhǎng)

0.25m處己完成，約90%轉(zhuǎn)化率在塔長(zhǎng)1m處已完成?？梢?jiàn)反應(yīng)熱靠近塔進(jìn)口處釋放最劇烈，在塔長(zhǎng)約0.25m處溫度升至峰值。這也是磁化反應(yīng)特性和傳質(zhì)模型基本假設(shè)的反映。SO3氣體溫升并不象液膜溫升那樣快，主要原因是空氣流量大，且相當(dāng)部分反應(yīng)熱被夾套冷卻水轉(zhuǎn)移。在最后階段，空氣溫度高于液膜溫度，空氣熱量向液膜轉(zhuǎn)移。

表2 標(biāo)準(zhǔn)磺化操作輸數(shù)據(jù)

表3 液膜厚度、液膜溫度和轉(zhuǎn)化率與塔高的關(guān)系

初始階段液膜溫度較低，液

2. 液膜熱量移去方式比較

磺化生產(chǎn)過(guò)程中液膜熱量的移去（即液膜溫度控制）對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。表4和圖5顯示了液膜熱量移去方式發(fā)生變化時(shí)其溫度的變化趨勢(shì)。當(dāng)液膜熱量不能被冷卻水移去時(shí)，液膜溫度急劇升至133℃，產(chǎn)品質(zhì)量會(huì)徹底失控；如忽略液膜與空氣熱量轉(zhuǎn)移，則峰值溫度略有升高，而且磺酸出口溫度略有下降。由此可見(jiàn)，通過(guò)夾套冷卻水移去液膜熱量對(duì)確保產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。在工藝操作過(guò)程中，控制冷卻水溫度這一參數(shù)是較主要的，后面將進(jìn)一步討論。

在反應(yīng)器及系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中，需充分考慮在極短時(shí)間內(nèi)將磺酸溫度冷卻至40℃左右。Ballestra等類型反應(yīng)器內(nèi)主要通過(guò)加長(zhǎng)反應(yīng)器長(zhǎng)度、擴(kuò)大冷卻面積等來(lái)滿足這一要求。T-O型及Chemithon型反應(yīng)器長(zhǎng)度較短，冷卻面積顯然不夠，所以在反應(yīng)器出口處設(shè)置激冷循環(huán)裝置。

3. 成膜周邊投料量的影響

在實(shí)際生產(chǎn)操作過(guò)程中，調(diào)節(jié)烷基苯進(jìn)料量參數(shù)是常見(jiàn)的操膜厚度較大；反應(yīng)開(kāi)始后液膜溫度急劇升高，黏度下降，液膜厚度變小；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，液膜厚度隨轉(zhuǎn)化率提高、溫度降低和黏度增大而逐漸變厚。這意味著后階段反應(yīng)僅需在某一平面完成這一假設(shè)可能和實(shí)際情況有偏差，即反應(yīng)控制不僅與氣相動(dòng)力學(xué)有關(guān)系，而且可能與液相動(dòng)力學(xué)有關(guān)。所以，后階段轉(zhuǎn)化率的計(jì)算值可能略偏高。如考慮這一因素則計(jì)算將變得異常復(fù)雜，鑒于絕大部分反應(yīng)在前段己完成，故對(duì)整體計(jì)算的準(zhǔn)確性影響不大。當(dāng)然在實(shí)際反應(yīng)器設(shè)計(jì)及操作過(guò)程中可適當(dāng)提高下段冷卻水溫度，以降低其膜厚、減少其影響。作（烷基苯進(jìn)料量與SO3進(jìn)量同步調(diào)節(jié)）。表5是烷基苯進(jìn)料量調(diào)節(jié)對(duì)沿塔長(zhǎng)液膜各點(diǎn)溫度的計(jì)算數(shù)據(jù)（空氣流量不變）。

表4 液膜熱量移去方式變化對(duì)溫度影響

表5 烷基苯進(jìn)料量調(diào)節(jié)對(duì)沿塔長(zhǎng)液膜各點(diǎn)溫度的影響

圖6反映了烷基苯進(jìn)料量調(diào)節(jié)對(duì)沿塔長(zhǎng)液膜各點(diǎn)溫度變化狀況。當(dāng)投料量增加50%時(shí)（空氣流量不變），液膜峰值溫度從97℃升至約112℃，峰值位置向下移動(dòng)，而且液膜出口溫度只增加11℃。這對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量非常不利。由此可見(jiàn)，液膜出口溫度的變化不能真正顯示塔內(nèi)實(shí)際溫度峰值的變化。所以，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為提高生產(chǎn)負(fù)荷，單靠提高原料投料量及SO3流量對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量是有害的。也就是說(shuō)，提高氣體中SO3氣濃對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不利。降低液膜流量雖然對(duì)降低液膜溫度有利，但過(guò)度降低流量，不僅會(huì)降低設(shè)備利用率，而且將導(dǎo)致液料不能完全成膜，反應(yīng)將失控。所以，實(shí)際生產(chǎn)控制過(guò)程中，液膜流量只能在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)（250～ 270 kg/m·h）。當(dāng)然，可以通過(guò)同步增加空氣流量以減少液膜峰值溫度的增加，但有一定的限度（后面將進(jìn)一步討論）。

4. 空氣流量的影響

在磺化裝置運(yùn)行過(guò)程中通常將空氣流量調(diào)至飽和值，因?yàn)槿藗兇_信提高空氣流量、降低SO3氣濃有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。表6列出了空氣流量變化（SO3∶RB進(jìn)量不變）對(duì)塔內(nèi)各點(diǎn)液膜溫度影響的計(jì)算數(shù)據(jù)，并以圖7直觀顯示。

表6 空氣流量變化對(duì)塔內(nèi)各點(diǎn)液膜溫度的影響

表7 空氣流量變化對(duì)塔內(nèi)各點(diǎn)壓強(qiáng)的影響

表8 空氣流量和進(jìn)料量變化對(duì)塔內(nèi)各點(diǎn)液膜溫度的影響

可見(jiàn)，提高空氣流量、降低SO3氣濃有利于降低液膜峰值溫度及改善產(chǎn)品質(zhì)量，反之亦然。然而從表7、圖8可見(jiàn)，SO3∶RB進(jìn)量不變，隨著空氣流量的增大，塔內(nèi)壓力也明顯升高，相應(yīng)系統(tǒng)壓力也將明顯升高，這將會(huì)給生產(chǎn)裝置運(yùn)行帶來(lái)一系列問(wèn)題。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，SO3氣濃控制在3～4%為理想范圍。

以上是將空氣流量對(duì)液膜進(jìn)量分開(kāi)討論，將其放在一起討論則會(huì)得到有趣的結(jié)果。表8是空氣流量和進(jìn)料量變化對(duì)塔內(nèi)各點(diǎn)液膜溫度影響的計(jì)算數(shù)據(jù)，并以圖9直觀顯示。

假設(shè)空氣流量與烷基苯、SO3同比例增加50%，從圖9可以看出液膜峰值溫度僅增加約6℃，最終轉(zhuǎn)化率僅差約0.4%?；撬徂D(zhuǎn)化率與生產(chǎn)負(fù)荷之間的關(guān)系可從物料平衡及傳質(zhì)系數(shù)方面來(lái)分析。在dZ環(huán)隙區(qū)域，據(jù)物料平衡有：m2）；PA—?dú)怏w中SO3組分分壓（kg/m2）。

所以，隨著生產(chǎn)負(fù)荷增加，氣體流量增加，磺化率有所減小。由此可見(jiàn)，同比例增加流量以提高磺化器生產(chǎn)負(fù)荷，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響不是很大，同時(shí)也表明，WHITECAT反應(yīng)器有進(jìn)一步提高生產(chǎn)能力的潛力。但必須考慮到，風(fēng)量過(guò)大會(huì)造成空氣阻力增大，進(jìn)口壓力升高；液膜流量過(guò)大會(huì)造成液膜霧沫飛濺，破壞產(chǎn)品質(zhì)量。因此，二者必須取得平衡。

基于以上認(rèn)識(shí)，上海和黃白貓有限公司對(duì)原有磺化裝置進(jìn)行技術(shù)改造，提高SO3發(fā)生裝置系統(tǒng)設(shè)備壓力等級(jí)和壓縮機(jī)供風(fēng)能力并確保SO3氣濃不變，在此基礎(chǔ)上將反應(yīng)器生產(chǎn)負(fù)荷提高20%，在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的前提下進(jìn)一步提高了設(shè)備的利用率。

5. 冷卻水溫度及SO3氣體入口溫度的影響

冷卻水溫度和SO3氣體溫度是磺化生產(chǎn)操作中經(jīng)常調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)。表9和圖10顯示了冷卻水溫度變化對(duì)液膜溫度的影響。

式中：KG—傳質(zhì)系數(shù)（kg· mol/m2·h·（kg/m2））；F—?dú)庖航缑娣e（m2）；G—?dú)怏w總摩爾流率（kmol/h）；P—?dú)怏w總壓力（kg/

表9 冷卻水溫度對(duì)液膜溫度的影響

表10 SO3氣體入口溫度對(duì)液膜溫度的影響

從圖10可看出，冷卻水溫度由20℃降至10℃時(shí)，液膜峰值從97℃降到95℃?？梢?jiàn)，降低冷卻水溫度在一定程度上有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。由于有機(jī)原料有其凝固點(diǎn)，冷卻水溫度過(guò)低會(huì)使其凝固，使成膜被破壞，反應(yīng)難以進(jìn)行。在工程設(shè)計(jì)中，需建立冷卻水溫度控制系統(tǒng)以控制冷卻水溫度，達(dá)到合適的工藝需求值。表10和圖11顯示SO3氣體入口溫度對(duì)液膜溫度的影響。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，冷卻水溫度應(yīng)控制在15～20℃。例如，生產(chǎn)AES、FAS等表面活性劑時(shí)，由于其原料的凝固點(diǎn)較高，則冷卻水溫度需相應(yīng)提高。

從圖11可以看出，SO3入口氣體溫度對(duì)液膜溫度有一定的影響，但不是非常明顯。所以在實(shí)際生產(chǎn)操作過(guò)程中，可適當(dāng)降低其入口溫度，但需控制在某一范圍內(nèi)，建議最佳溫度控制在45℃。因?yàn)镾O3氣體溫度控制過(guò)低（<40℃）會(huì)造成氣體中微量SO3酸霧結(jié)晶析出，堵塞反應(yīng)器噴嘴，影響反應(yīng)正常進(jìn)行。

6. 膜間距的影響

周邊投料量、空氣流速、反應(yīng)物摩爾比不變時(shí)，膜隙間距的變化對(duì)反應(yīng)體系的影響非常大。表11和圖12顯示了膜隙間距變化對(duì)反應(yīng)器內(nèi)液膜沿軸向轉(zhuǎn)化率及溫度變化的影響。

圖12顯示，隨著膜間距的縮小，液膜峰值溫度急劇升高，轉(zhuǎn)化率也明顯提高；反之亦然。其主要原因是，氣體中SO3分壓提高、擴(kuò)散距離縮小造成傳質(zhì)系數(shù)明顯提高，但反應(yīng)器出口溫度卻下降。由此可進(jìn)一步說(shuō)明，反應(yīng)器出口溫度不能真正反映出塔內(nèi)溫度峰值的變化。當(dāng)然，減小膜間距可縮短反應(yīng)器長(zhǎng)度。與此同時(shí)，要改善產(chǎn)品質(zhì)量，可通過(guò)進(jìn)一步提高空氣流量及降低周邊投料量等以彌補(bǔ)膜間距帶來(lái)的影響。但增加空氣流量將使系統(tǒng)壓力增大，降低周邊投料量則會(huì)降低裝置生產(chǎn)能力。如增大膜間隙，液膜峰值溫度下降，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有益，但需增加反應(yīng)器的長(zhǎng)度，且設(shè)備投資加大。在工程設(shè)計(jì)中，二者需統(tǒng)籌考慮。近年來(lái)，反應(yīng)器設(shè)計(jì)通?？紤]在反應(yīng)器上部的初始階段，采用膜間隙由大到小，呈倒喇叭形，以較好地解決上述矛盾。

7. 模型計(jì)算與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)比較

迄今尚未見(jiàn)到磺化反應(yīng)器的液膜沿軸向轉(zhuǎn)化率即溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的正式報(bào)道，所以只能通過(guò)已經(jīng)了解的一些磺化反應(yīng)器工藝設(shè)備參數(shù)及其生產(chǎn)數(shù)據(jù)（如反應(yīng)器磺酸出口溫度、反應(yīng)器出口反應(yīng)轉(zhuǎn)化率等）與通過(guò)反應(yīng)器模型計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（詳見(jiàn)表12）。由此可知，模型計(jì)算數(shù)據(jù)與生產(chǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)二者比較接近。

表11 膜隙間距對(duì)轉(zhuǎn)化率及溫度的影響

8. 結(jié)論

1）反應(yīng)器出口溫度變化不能真實(shí)反映反應(yīng)器內(nèi)液膜峰值溫度變化狀況。

2）從模型顯示，大部分反應(yīng)在反應(yīng)器前端已完成，相應(yīng)液膜溫度峰值在該區(qū)域出現(xiàn)。因此，設(shè)法降低液膜溫度峰值對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量控制尤其是產(chǎn)品色澤的控制至關(guān)重要。主要途徑有：在允許的條件下，控制上段冷卻水的溫度（推薦值為15～20℃）；降低SO3氣濃至3～4%，提高氣體流速；控制周邊進(jìn)料量：增加SO3氣體入口處擴(kuò)散阻力，增加入口處液膜脈動(dòng)等。

3）在一定條件下提高周邊進(jìn)料，同時(shí)空氣流量也以相應(yīng)的比例增加，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響不大。這說(shuō)明磺化反應(yīng)器應(yīng)具有一定的生產(chǎn)操作彈性。當(dāng)然，前提條件是反應(yīng)系統(tǒng)裝置能承受由此產(chǎn)生的壓力升高，反應(yīng)成膜質(zhì)量及反應(yīng)所需面積能得到保證。周邊進(jìn)料量推薦值為250～370kg/m·h。

4）膜間距大小對(duì)反應(yīng)器內(nèi)沿軸向液膜溫度及轉(zhuǎn)化率的影響非常大。在設(shè)備工藝設(shè)計(jì)工程中應(yīng)作為一個(gè)主要因素加以考慮。

表12 模型計(jì)算與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的比較

5）在一定范圍內(nèi)，有些工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響并不是非常大，如有機(jī)物進(jìn)口溫度、SO3氣體進(jìn)口溫度、SO3氣體壓力等。

總而言之，膜式SO3磺化是復(fù)雜的氣-液相反應(yīng)體系，而且各相沿反應(yīng)器軸向存在著流速、溫度和濃度的差別，因此過(guò)程顯得十分復(fù)雜。各種工藝參數(shù)對(duì)反應(yīng)的影響也是復(fù)雜的和非線性的。雖然沒(méi)有具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)上述關(guān)系，但通過(guò)機(jī)理模型的研究能彌補(bǔ)上述不足。此外，模型計(jì)算數(shù)據(jù)與可測(cè)實(shí)際數(shù)據(jù)較接近，這對(duì)磺化反應(yīng)器裝置的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝參數(shù)的優(yōu)化無(wú)疑具有重要的指導(dǎo)作用。

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