反應(yīng)器設(shè)計說明書

福建聯(lián)合石化年產(chǎn)24萬噸PX項目第一章甲苯甲醇烷基化反應(yīng)器設(shè)計1.1概述化學(xué)反應(yīng)過程和反應(yīng)器是化工生產(chǎn)流程的中心環(huán)節(jié)，反應(yīng)器的設(shè)計往往占有重要的地位。一個適合反應(yīng)體系的反應(yīng)器可大大提高目標(biāo)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率且能保證穩(wěn)定的操作環(huán)境。反應(yīng)器的設(shè)計主要包括：反應(yīng)器選型；確定合適的工藝條件；確定實現(xiàn)這些工藝條件所需的技術(shù)措施；確定反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸；確定必要的控制手段；本反應(yīng)器主要針對的是甲苯甲醇烷基化制對二甲苯的反應(yīng)，該反應(yīng)器設(shè)計時最主要的難點是催化劑易結(jié)焦失活，其活性隨反應(yīng)時間波動較大，難以保證反應(yīng)器出口組成的穩(wěn)定，影響各分離單元的分離效果。針對上述問題，項目組創(chuàng)新性地設(shè)計了多反應(yīng)器控流率切換軸向絕熱固定床反應(yīng)器，即在切換反應(yīng)器進(jìn)行催化劑再生的同時，改變各反應(yīng)器進(jìn)料流率。下文通過詳細(xì)的論證確定了進(jìn)料流率與催化劑活性的關(guān)系，并最終選取“3+1”型反應(yīng)器作為甲苯甲醇烷基化反應(yīng)器。此反應(yīng)器的設(shè)計在很大程度上提高了裝置運行的穩(wěn)定性，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。1.2主反應(yīng)機(jī)理及動力學(xué)1.2.1主反應(yīng)及機(jī)理1.主反應(yīng)該反應(yīng)器主要針對甲苯甲醇基烷化制對二甲苯，反應(yīng)類型為連串反應(yīng)，副產(chǎn)物較多，具體過程如下反應(yīng)式所示。(令T為甲苯，M為甲醇，PX為對二甲苯，OX為鄰二甲苯，MX為間二甲苯，W為水，G為乙烯，B為苯，H為氫）2.反應(yīng)機(jī)理甲苯甲醇烷基化反應(yīng)按碳正離子機(jī)理進(jìn)行，B酸催化，是苯環(huán)上鄰、對位定位的親電取代反應(yīng)。首先是甲醇在催化劑活性中心作用下，質(zhì)子化生成相應(yīng)的碳正離子,然后碳正離子與甲苯作用，將甲基轉(zhuǎn)移到苯環(huán)上，同時質(zhì)子又傳回催化劑上的酸中心。反應(yīng)機(jī)理如圖1.1所示。圖1.1甲苯甲醇烷基化反應(yīng)機(jī)理1.2.2動力學(xué)方程本反應(yīng)為一連串反應(yīng)，副產(chǎn)物較多，各步反應(yīng)速率相差較大。反應(yīng)的動力學(xué)指前因子及活化能\o"【1】"【1】如下表所示：表1.1甲苯甲醇烷基化動力學(xué)指前因子及活化能paremeterPre-exponentialfactorAi,mol/(g·h·atm2)ormol/(g·h·atm)ActivationenergyEa,kJ/molK1403±545.7±0.4K21346±6450.6±0.5K396.2±159±0.5K40.3813±0.0519.6±0.7K546.94±0.548.9±0.3考慮催化劑的內(nèi)擴(kuò)散影響：由上述文獻(xiàn)可知內(nèi)擴(kuò)散有效因子；，從而推出各反應(yīng)速率方程及各物質(zhì)凈生成速率分別為：1.反應(yīng)速率方程；2.物質(zhì)凈生成速率；1.3催化劑特性、失活原因及再生方法1.3.1催化劑特性本反應(yīng)的催化劑為Mg改性的納米級ZSM-5分子篩催化劑，比表面積402.0m2.g-1，孔容0.41cm3.g-1，堆密度0.504g/cm3，可通過壓制粘合技術(shù)制成不同大小和形狀的顆粒。本反應(yīng)選用直徑為0.9mm的三葉草形顆粒。相對于圓柱形催化劑顆粒，三葉草型有更大的表面積，利于反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散，減少積炭的生成。1.3.2催化劑失活原因造成催化劑失活的原因很多，主要包括中毒、積炭（結(jié)焦）堵塞、燒結(jié)和熱失活。對于ZSM-5分子篩催化劑來說，積炭是最主要的失活原因，即由于縮合、聚合和稠環(huán)化等副反應(yīng)生成的大分子副產(chǎn)物沉積在催化劑的內(nèi)外表面和孔道內(nèi)，隨著反應(yīng)時間的延長，催化劑的活性中心被覆蓋或孔道被堵塞，導(dǎo)致催化劑失活。1.3.3催化劑再生方法催化劑失活按失活機(jī)理分為中毒、結(jié)焦和燒結(jié)。燒結(jié)導(dǎo)致催化劑永久性失活，而結(jié)焦使催化劑暫時性失活。暫時性失活可通過再生恢復(fù)活性。本反應(yīng)催化劑的再生方法有外部再生法與原地再生法。外部再生法：將失活的催化劑引出，在550℃、氧氣體積分?jǐn)?shù)10%—15%、體積空速為3000/h的條件下，燒炭60min。原地再生法：先用氮氣吹掃2小時，將弱吸附的原料及產(chǎn)物解析吹出。然后降溫至100℃以下，采用逐級提溫增氧的再生方式，即開始從100℃升溫到350℃，用氮氣稀釋到氧氣濃度為0.1%，在350℃保持2小時。然后升溫到500℃，用氮氣稀釋到氧氣濃度為5%，在500℃保持4~12小時。本反應(yīng)催化劑的再生擬采用原地再生法(具體控制方案參考1.10.2節(jié))。1.4反應(yīng)器設(shè)計思路說明1.4.1反應(yīng)器類型反應(yīng)器的形式是由反應(yīng)過程的基本特征決定的。本反應(yīng)的原料以氣相進(jìn)入反應(yīng)器，在高溫低壓下進(jìn)行反應(yīng)，故屬于氣固相反應(yīng)過程。氣固相反應(yīng)過程所使用的反應(yīng)器根據(jù)催化劑床層的形式可分為固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器和移動床反應(yīng)器。為提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，本反應(yīng)器擬采用固定床反應(yīng)器。1.4.2固定床反應(yīng)器概述固定床反應(yīng)器又稱填充床反應(yīng)器，是一種裝填有固體催化劑用以實現(xiàn)多相反應(yīng)的反應(yīng)器。固體催化劑通常呈顆粒狀，粒徑在2-15mm之間，堆積成一定高度（或厚度）的床層，床層靜止不動，流體通過床層進(jìn)行反應(yīng)。目前我國的固定床反應(yīng)器技術(shù)比較成熟，主要用于氣固相催化反應(yīng)。1.固定床反應(yīng)器3種基本形式（1）軸向絕熱式流體沿軸向自上而下流經(jīng)床層，床層同外界無熱量交換。(2)徑向絕熱式流體沿徑向流經(jīng)床層，可采用離心流動或向心流動形式，床層與外界不發(fā)生熱交換。與軸向絕熱式反應(yīng)器相比，徑向絕熱式反應(yīng)器中流體流動的距離較短，流道面積較大，流體的壓降較小。但缺點是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。(3)列管式固定床反應(yīng)器由多根反應(yīng)管并聯(lián)構(gòu)成，適用于熱效應(yīng)較大的反應(yīng)。2.固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點比較：優(yōu)點.1.返混小固定床反應(yīng)器的催化劑床層內(nèi)反應(yīng)流股的流動接近于平推流,與其他反應(yīng)器相比幾乎不存在返混，可有效避免過度反應(yīng)和反應(yīng)不足等缺點,從而保證反應(yīng)產(chǎn)品收率,提高反應(yīng)速率；其還具有完成同樣的生產(chǎn)能力時所需的催化劑用量和反應(yīng)器容積小的優(yōu)點。2.催化劑機(jī)械損耗小固定床反應(yīng)器中催化劑排列致密,形成固定床層,催化劑顆粒之間不存在相對移動,從而使催化劑顆粒間的機(jī)械能損失達(dá)到最小化。3.便于控制固定床反應(yīng)器中的催化劑以固定床層的形式固定在反應(yīng)器中,因此可以嚴(yán)格控制反應(yīng)原料的停留時間，特別有利于提高反應(yīng)的選擇性與轉(zhuǎn)化率。缺點1.傳熱差在固定床反應(yīng)器中，催化劑顆粒緊密堆砌，以固定床層的形式裝填在反應(yīng)器中，傳熱形式以熱傳導(dǎo)為主，導(dǎo)致反應(yīng)器床層傳熱效果較差。對于強放熱反應(yīng)，如果不能及時移走反應(yīng)產(chǎn)生的大量反應(yīng)熱，就會很難控制反應(yīng)的熱點，從而導(dǎo)致飛溫，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。2.催化劑更換困難固定床反應(yīng)器的催化劑床層由固定圈固定，兩端使用瓷球填充，更換催化劑的時候必須停產(chǎn)，將反應(yīng)器卸下，更換麻煩，并且影響生產(chǎn)，不適用于容易失活的催化劑。1.4.3反應(yīng)器選擇基于本反應(yīng)具有熱效應(yīng)小的特點，采用軸向絕熱固定床反應(yīng)器，并采用原地再生方法解決催化劑再生問題。本反應(yīng)選用固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點比較，如下所示。優(yōu)點：返混小，流體同催化劑可進(jìn)行有效接觸；本反應(yīng)伴有串聯(lián)副反應(yīng)，選用固定床反應(yīng)器可以提高產(chǎn)物的選擇性；催化劑機(jī)械損耗??；反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備投資低。缺點：反應(yīng)器類型為固定床絕熱反應(yīng)器，所采用的催化劑為改性的ZSM-5分子篩催化劑，該催化劑的失活時間約為120天，而對一個化工生產(chǎn)流程而言，一個生產(chǎn)周期一般為一年甚至是更長的時間，若為適應(yīng)催化劑失活時間而過于頻繁的開停車將會導(dǎo)致能耗增加，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等一系列的問題。1.4.4反應(yīng)器改進(jìn)針對上述缺點，本反應(yīng)器擬采用多反應(yīng)器切換方式。在設(shè)計時發(fā)現(xiàn)，若保持各反應(yīng)器的體積、催化劑使用時間，進(jìn)料流率一致，反應(yīng)前期與反應(yīng)后期反應(yīng)器總出口的物質(zhì)組成相差很大，嚴(yán)重影響裝置運行的穩(wěn)定性（詳細(xì)論證參考1.7.1節(jié)）。而在實際生產(chǎn)中為解決這個問題需要不斷調(diào)整后續(xù)分離裝置回流比、采出量等工藝參數(shù)，過程繁瑣且難以保證準(zhǔn)確性。故本反應(yīng)器在設(shè)計時做了以下改進(jìn)（參考1.8.1節(jié)）：1．控制每座反應(yīng)器內(nèi)催化劑反應(yīng)時間不同。2．反應(yīng)器切換的同時，調(diào)整各反應(yīng)器的進(jìn)料流率。改進(jìn)后的反應(yīng)器總出口物質(zhì)組成隨反應(yīng)時間波動大幅降低，從而提高了整套裝置運行的穩(wěn)定性。1.5反應(yīng)器進(jìn)料參數(shù)設(shè)定1.5.1進(jìn)料配比選擇本反應(yīng)體系為提高催化劑的穩(wěn)定性、二甲苯選擇性，以及延長催化劑的壽命，采用臨氫、臨水的反應(yīng)體系。最佳進(jìn)料時，甲苯、甲醇、水、氫氣的摩爾比為T:M:（H+W）=3:1:8【2】。文獻(xiàn)報道的進(jìn)料壓力為1-6bar，模擬時發(fā)現(xiàn)，若進(jìn)料壓力取得過小，催化劑的裝填量會顯著增加，影響經(jīng)濟(jì)效益。綜合考慮，本反應(yīng)將進(jìn)料壓力定為4bar。1.5.2進(jìn)料溫度選擇不同文獻(xiàn)對甲苯甲醇烷基化反應(yīng)溫度的定義不同，其區(qū)間大致為400-500℃。下面就反應(yīng)溫度進(jìn)行論證：在進(jìn)料溫度400℃，進(jìn)料甲苯1450kmol/h、甲醇725kmol/h、氫氣1933.33kmol/h、水1933.33kmol/h,進(jìn)料壓力4bar，壓降為0.85bar的條件下，進(jìn)行優(yōu)化（具體優(yōu)化過程同1.7.1節(jié)），最終確定反應(yīng)器體積為38m3（長徑比為1：1）。在進(jìn)料量、組成及反應(yīng)器體積均保持不變的條件下，設(shè)定不同反應(yīng)溫度，對其從400—500℃進(jìn)行AspenPlus模擬，可得如下數(shù)據(jù)：表1.2反應(yīng)溫度對甲苯甲醇烷基化反應(yīng)影響情況溫度℃甲苯轉(zhuǎn)化率PX選擇性%PX單程收率%40018.7896.8417.4441019.9996.1618.3242020.9895.8319.1343022.0295.2319.8644023.0294.5720.5245023.9993.8421.1046024.9193.0421.6047025.892.1622.0248026.6591.2122.3749027.4790.1722.6350028.2889.0622.82由上述數(shù)據(jù)可得甲苯轉(zhuǎn)化率，對二甲苯單程收率及PX選擇性隨反應(yīng)溫度變化關(guān)系圖，其中Xt表示甲苯轉(zhuǎn)化率%；Spx表示對二甲苯選擇性%；Ypx表示對二甲苯單程收率%（下同）圖1.2甲苯轉(zhuǎn)化率，對二甲苯單程收率PX選擇性隨反應(yīng)溫度變化曲線分析上述數(shù)據(jù)可看出，反應(yīng)溫度在400—500攝氏度之間，甲苯轉(zhuǎn)化率，PX選擇性及PX單程收率變化幅度很小。結(jié)合本工藝特點（單級熔融結(jié)晶提純PX），應(yīng)保證PX選擇性>90%，同時考慮到絕熱反應(yīng)有部分溫升，最終確定進(jìn)料溫度為420℃，最高絕熱溫升不超過70℃。1.6催化劑活性定義由文獻(xiàn)【3】可得到甲苯轉(zhuǎn)化率及PX選擇性隨反應(yīng)時間的變化圖。圖1.3甲苯轉(zhuǎn)化率及PX選擇性隨反應(yīng)時間變化曲線由上圖可知，催化劑的失活規(guī)律先快后慢，90天后催化劑有效活性系數(shù)約為0.495左右。假設(shè)催化劑失活對各步反應(yīng)影響相同，擬定反應(yīng)不同時間后催化劑有效活性系數(shù)分別為；反應(yīng)0天（0.980）、10天（0.896）、20天（0.812）、30天（0.728）、40天（0.665）、50（0.612）、60天（0.569）、70天（0.536）、80天（0.513）、90天（0.495）、100（0.480）、110（0.465）、120天（0.45）。以1+1反應(yīng)器設(shè)計時的各項參數(shù)為基準(zhǔn)（參考1.7.1節(jié)），將上述定義的催化劑活性進(jìn)行AspenPlus模擬。所得數(shù)據(jù)繪成曲線如圖1.4所示圖1.4甲苯轉(zhuǎn)化率及對二甲苯選擇性隨反應(yīng)時間變化曲線圖對自定義的催化劑活性參數(shù)模擬后發(fā)現(xiàn)，對二甲苯的選擇性相對偏高，但甲苯轉(zhuǎn)化率及對二甲苯選擇性曲線基本與文獻(xiàn)相符，可見前期假設(shè)及自定義的催化劑活性參數(shù)基本正確。1.7兩反應(yīng)器簡單切換(1+1型)為適應(yīng)該催化劑失活時間與生產(chǎn)開停車周期要求，本項目擬用多反應(yīng)器切換方式，最常規(guī)方法是采用一反應(yīng)器反應(yīng)一反應(yīng)器再生。1.7.1“1+1”型反應(yīng)器設(shè)計1.進(jìn)料參數(shù)（參考1.5.1節(jié)）甲苯進(jìn)料流1600kmol/h，甲醇800kmol/h、氫氣2133.33kmol/h、水2133.33kmol/h，進(jìn)料溫度420℃，進(jìn)料壓力4bar。2.反應(yīng)器催化劑裝填體積的確定：通過aspenplus靈敏度分析（催化劑活性取0.98），得到甲苯轉(zhuǎn)化率，PX選擇性，及PX單程收率隨反應(yīng)器有效體積（下稱反應(yīng)器體積）變化曲線圖。圖1.5甲苯轉(zhuǎn)化率，PX選擇性，及PX單程收率隨反應(yīng)器體積變化曲線由上圖可知，甲苯轉(zhuǎn)化率隨著反應(yīng)器體積的增加逐漸增加，而PX選擇性則隨著反應(yīng)器體積的增加逐漸降低?？紤]催化劑使用量并結(jié)合結(jié)晶分離時對混合二甲苯中PX選擇性要求，最終確定反應(yīng)器體積為24m3。3.壓降計算本反應(yīng)屬于氣固體相反應(yīng)，催化劑所選顆粒較小，反應(yīng)氣體通過催化劑床層時產(chǎn)生的壓降較大，因此在計算機(jī)模擬時不可忽略壓降。計算多孔填充床壓降時采用最多的方程是Ergun方程，并在計算時做出以下假設(shè)：反應(yīng)體系絕熱溫升較低，故在壓降計算時將其視做等溫反應(yīng)器；進(jìn)出反應(yīng)器摩爾流率之比約等于1，故可將壓降計算做簡化處理。最終推倒演變后的壓降計算公式為：式中；；；；；；經(jīng)計算后發(fā)現(xiàn)，若反應(yīng)器長徑比取得太大，反應(yīng)氣體通過催化劑床層時壓降過大，嚴(yán)重影響反應(yīng)效率。因此本反應(yīng)器在選用合理氣體分布器（參考1.9節(jié)）的條件下，將本反應(yīng)器的長徑比定為0.5，即：反應(yīng)器直徑D=3.94m，催化劑裝填高度H=1.97m。由Aspenplus物性模擬以及查閱文獻(xiàn)可得到進(jìn)料混合氣體的相關(guān)物性參數(shù)：黏度密度催化劑顆粒直徑床層孔隙率將相關(guān)數(shù)據(jù)代入壓降計算方程，求得壓降為0.42bar。壓降較大，因此在模擬中不可忽略壓降。4.“1+1”型反應(yīng)器出口參數(shù)利用5.1節(jié)定義的催化劑活性進(jìn)行模擬，并選取與工藝穩(wěn)定性最為相關(guān)的甲苯轉(zhuǎn)化率，PX流率，PX選擇性及PX單程收率進(jìn)行統(tǒng)計。得到以下數(shù)據(jù)；表1.3反應(yīng)不同時間后反應(yīng)器出口部分參數(shù)匯總催化劑反應(yīng)時間（天）PX選擇性%甲苯轉(zhuǎn)化率%PX單程收率%PX出口流率Kmol/h絕熱溫升℃093.8824.6721.74347.9150.091094.5723.8021.22339.4848.752095.2522.7920.55328.7747.123095.9021.6319.71315.3845.144096.3720.7719.01304.1243.385096.7519.7318.23291.6441.756097.0518.9217.57281.0540.257097.2718.2517.01272.1939.008097.4317.7716.60265.6138.089097.5417.3716.26260.2337.3210097.6417.0415.97255.5836.6711097.7416.6915.67250.7636.0012097.8316.3315.36245.8035.30由以上數(shù)據(jù)可得到甲苯轉(zhuǎn)化率，PX單程收率及PX出口流率隨反應(yīng)時間的變化曲線如下圖所示。圖1.6甲苯轉(zhuǎn)化率，PX單程收率及PX出口流率隨反應(yīng)時間變化曲線圖1.7反應(yīng)器絕熱溫升隨反應(yīng)時間變化曲線1.7.2“1+1”型反應(yīng)器小結(jié)比較“1+1”反應(yīng)器反應(yīng)前期與反應(yīng)后期反應(yīng)器出口組成可以得到以下數(shù)據(jù)。表1.3“1+1”型反應(yīng)器出口參數(shù)匯總反應(yīng)器類型單個反應(yīng)器催化劑體積m3最大絕熱溫升℃反應(yīng)器總出口參數(shù)最大波動值△1+12450.09PX出口流率Kmol/hPX單程收率%甲苯轉(zhuǎn)化率%102.16.358.34分析上述數(shù)據(jù)可以得出，采用“1+1”型反應(yīng)器，雖然其絕熱溫升在設(shè)定范圍之內(nèi)，但不同反應(yīng)時間后反應(yīng)器出口組成波動幅度太大，嚴(yán)重影響分離裝置的正常運行。而在實際生產(chǎn)中為解決這個問題,需要不斷調(diào)整回流比、采出量等工藝參數(shù)，過程繁瑣且難以保證準(zhǔn)確性。因此，本反應(yīng)器設(shè)計時擬采用控制進(jìn)料流率來提高工藝運行的穩(wěn)定性。1.8多反應(yīng)器控流率切換由于“1+1”型反應(yīng)器切換存在上述弊端，本反應(yīng)器擬采用“2+1”、“3+1”、“4+1”等反應(yīng)器類型，在設(shè)計時發(fā)現(xiàn)，若保持總進(jìn)料流率不變，每座反應(yīng)器進(jìn)料流率相同，僅增加反應(yīng)器的數(shù)目，并不能提高工藝的穩(wěn)定性。因此為提高工藝的穩(wěn)定性，反應(yīng)器在設(shè)計本時做了以下改進(jìn)。改進(jìn)1在切換時，控制每座反應(yīng)器內(nèi)催化劑反應(yīng)時間不同。以“3+1”型反應(yīng)器為例，其運轉(zhuǎn)周期為40天。即切換反應(yīng)器時保持每座反應(yīng)器的反應(yīng)時間分別為0天，40天，80天，120天。改進(jìn)2反應(yīng)器切換的同時，調(diào)整各反應(yīng)器的進(jìn)料流率，減小反應(yīng)器總出口組成的波動，提高整套工藝運行的穩(wěn)定性。1.8.1流率控制方案調(diào)整進(jìn)料流率的作用是使各反應(yīng)器的甲苯轉(zhuǎn)化率，PX選擇性及PX單程收率基本保持一致，從而可以降低反應(yīng)器總出口組成的波動。因此需要找到合適的流率控制規(guī)律來進(jìn)行流率控制，簡化操作。若設(shè)計時忽略壓降，并假設(shè)催化劑失活對各步反應(yīng)的影響相同。在結(jié)合動力學(xué)方程的基礎(chǔ)上我們發(fā)現(xiàn)，若保持反應(yīng)器總進(jìn)料流率不變，控制各反應(yīng)器進(jìn)料流率之比等于各反應(yīng)器內(nèi)催化劑活性之比，則甲苯轉(zhuǎn)化率，PX選擇性及PX單程收率隨反應(yīng)器體積變化曲線完全相同，即最優(yōu)設(shè)計時各反應(yīng)器體積相同，從而可以實現(xiàn)相互切換。以甲苯轉(zhuǎn)化為例論證上述規(guī)律凈反應(yīng)速率參考1.2.2節(jié)，并改用濃度表示反應(yīng)速率。則假設(shè)A，B反應(yīng)器反應(yīng)一段時間后催化劑活性分別為a，b，忽略壓降，并假設(shè)催化劑失活對各步反應(yīng)的影響相同（參考1.6節(jié)），即：A反應(yīng)器B反應(yīng)器A反應(yīng)器甲苯轉(zhuǎn)化率與體積的關(guān)系式為；①B反應(yīng)器甲苯轉(zhuǎn)化率與體積的關(guān)系式為；②由公式①、②可以發(fā)現(xiàn)若，則公式①、②完全相同。因此我們可以認(rèn)為，在反應(yīng)器體積V相同的情況下，若保持A、B反應(yīng)器的進(jìn)料流率之比等于與其反應(yīng)器內(nèi)催化劑活性之比，則各反應(yīng)器內(nèi)甲苯轉(zhuǎn)化率與體積變化關(guān)系完全相同。同理可得A，B反應(yīng)器內(nèi)其他反應(yīng)物或產(chǎn)物隨體積變化規(guī)律也相同。本反應(yīng)器設(shè)計時采用多反應(yīng)器切換，每個反應(yīng)器的體積相等，因此可以采用上述流率控制方案控制各反應(yīng)器的進(jìn)料流率，從而可以降低反應(yīng)器總出口組成的波動，提高了裝置運行的穩(wěn)定性。1.8.2“2+1”型反應(yīng)器設(shè)計1.反應(yīng)器進(jìn)料流率分配“2+1”型反應(yīng)器切換周期為60天，由1.6節(jié)可得催化劑反應(yīng)初期與反應(yīng)60天后的活性分別為0.98與0.569，令在線反應(yīng)的反應(yīng)器分別為A、B。保持總進(jìn)料流率不變，根據(jù)流率控制方案可計算出A、B反應(yīng)器甲苯進(jìn)料流率分別為2.反應(yīng)器體積優(yōu)化通過aspenplus靈敏度分析可得A，B反應(yīng)器的甲苯轉(zhuǎn)化率，PX選擇性，及PX單程收率隨反應(yīng)器體積變化曲線如圖1.8所示，確定單個反應(yīng)器體積為11.5m3。圖1.8甲苯轉(zhuǎn)化率，PX選擇性，及PX單程收率隨反應(yīng)器體積變化曲線利用AspenPlus軟件對具有不同催化劑活性的反應(yīng)器進(jìn)行模擬（考慮壓降），可以得到A，B反應(yīng)器出口甲苯轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時間變化曲線如圖1.9。以及反應(yīng)器總出口的甲苯轉(zhuǎn)化率、PX單程收率及PX流率隨反應(yīng)時間變化曲線如圖1.10圖1.9A、B反應(yīng)器出口甲苯轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時間變化曲線圖1.10反應(yīng)器總出口甲苯轉(zhuǎn)化率、PX單程收率及PX流率隨反應(yīng)時間變化曲線“2+1”型反應(yīng)器小結(jié)表1.4“2+1”型控流率切換反應(yīng)器相關(guān)參數(shù)匯總反應(yīng)器類型單個反應(yīng)器催化劑體積m3最大絕熱溫升℃反應(yīng)器總出口各項參數(shù)最大波動值2+111.547.29PX出口流率kmol/hPX單程收率%甲苯轉(zhuǎn)化率%60.873.84.72由以上數(shù)據(jù)分析可得，在“2+1”反應(yīng)器切換的基礎(chǔ)上，根據(jù)各反應(yīng)器內(nèi)催化劑活性的不同調(diào)整進(jìn)料流率，其反應(yīng)器出口總組成波動幅度相對于“1+1”反應(yīng)器已明顯減小，穩(wěn)定性有了一定的提高。但相關(guān)參數(shù)波動依舊較大，穩(wěn)定性有進(jìn)一步的提高的空間。1.8.3“3+1”型反應(yīng)器設(shè)計1.反應(yīng)器各項參數(shù)“3+1”型反應(yīng)器設(shè)計過程同1.8.2節(jié)“2+1”型反應(yīng)器設(shè)計，最終確定反應(yīng)器體積為8m3。令在線反應(yīng)的三個反應(yīng)器的分別為C、D、E。利用AspenPlus軟件對具有不同催化劑活性的反應(yīng)器進(jìn)行模擬，可以得到C，D，E反應(yīng)器出口的甲苯轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時間變化曲線如圖1.11。反應(yīng)器總出口甲苯轉(zhuǎn)化率、PX單程收率及PX流率隨反應(yīng)時間變化曲線如圖1.12所示。圖1.11C、D、E各反應(yīng)器出口甲苯轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時間變化曲線圖1.123+1型反應(yīng)器總出口甲苯轉(zhuǎn)化率、PX單程收率及PX流率隨反應(yīng)時間變化圖2.“3+1”型反應(yīng)器小結(jié)表1.53+1型控流率切換反應(yīng)器相關(guān)參數(shù)匯總反應(yīng)器類型單個反應(yīng)器體積m3最大絕熱溫升℃反應(yīng)器總出口各項參數(shù)最大波動值3+1846.07PX出口流率Kmol/hPX單程收率%甲苯轉(zhuǎn)化率%41.092.573.16由以上數(shù)據(jù)分析可得，在“3+1”反應(yīng)器切換的基礎(chǔ)上，根據(jù)各反應(yīng)器內(nèi)催化劑活性的不同調(diào)整進(jìn)料流率，其反應(yīng)器出口總組成波動幅度相對于“1+1”型反應(yīng)器減小明顯，穩(wěn)定性有了很大提高，相對于“2+1”型反應(yīng)器，穩(wěn)定性提高幅度不大。1.8.4“4+1”型反應(yīng)器設(shè)計1.反應(yīng)器各項參數(shù)“4+1”型反應(yīng)器設(shè)計過程同1.8.2節(jié)“2+1”型反應(yīng)器設(shè)計，最終確定反應(yīng)器體積為6m3。令在線反應(yīng)的反應(yīng)器分別為F、G、H、I。利用AspenPlus軟件對具有不同催化劑活性的反應(yīng)器進(jìn)行模擬，可以得到F，G，H，I反應(yīng)器出口甲苯轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時間變化曲線如圖13。反應(yīng)器總出口甲苯轉(zhuǎn)化率、PX單程收率及PX流率隨反應(yīng)時間變化曲線如圖1.14（PX為對二甲苯出口流率kmol/h)。圖1.13F、G、H、I各反應(yīng)器出口甲苯轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時間變化曲線圖1.144+1型反應(yīng)器總出口甲苯轉(zhuǎn)化率、PX單程收率及PX流率隨反應(yīng)時間變化圖“4+1”反應(yīng)器小結(jié)表1.64+1型控流率切換反應(yīng)器相關(guān)參數(shù)匯總反應(yīng)器類型最大絕熱溫升℃反應(yīng)器總出口各項參數(shù)最大波動值4+145.67PX出口流率kmol/hPX單程收率%甲苯轉(zhuǎn)化率%30.661.922.37由以上數(shù)據(jù)分析可得，在“4+1”反應(yīng)器切換的基礎(chǔ)上，根據(jù)各反應(yīng)器內(nèi)催化劑活性的不同調(diào)整進(jìn)料流率，其反應(yīng)器出口總組成波動幅度相對于“1+1”型反應(yīng)器減小明顯，穩(wěn)定性有了很大提高，但相對于“3+1”型反應(yīng)器，其穩(wěn)定性提高很小。1.8.5確定反應(yīng)器類型由上述論證可以看出，隨著反應(yīng)器數(shù)目的增加，反應(yīng)器出口組成隨時間的波動幅度逐漸減少，裝置運行穩(wěn)定性逐漸提高。但反應(yīng)器的增加也會帶來占地面積增大，設(shè)備投資增加，操作更加復(fù)雜等缺點。故反應(yīng)器設(shè)計時需綜合考慮，對比四種反應(yīng)器類型，參考圖1.15，1.16，1.17，最終確定合適的反應(yīng)器類型為“3+1”型。圖1.154種反應(yīng)器出口PX流率波動值對比圖1.164種反應(yīng)器出口甲苯轉(zhuǎn)化率波動值對比圖1.174種反應(yīng)器出口PX單程收率波動值對比分析上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，“4+1”型反應(yīng)器相對于3+1型反應(yīng)器對于提高整套工藝運行的穩(wěn)定并沒有太大優(yōu)勢。相反，“4+1”型反應(yīng)器投資費用更高，切換頻率更加頻繁。因此在綜合考慮的情況下，本反應(yīng)器設(shè)計采用“3+1”型反應(yīng)器。1.9氣體分布器設(shè)計1.9.1氣體分布器選擇本反應(yīng)器采用軸向絕熱固定床反應(yīng)器，此反應(yīng)器由于結(jié)構(gòu)簡單，在化工生產(chǎn)過程中得到廣泛的應(yīng)用。但反應(yīng)器在設(shè)計時為了降低壓降，減小了長徑比，這會使得氣流從進(jìn)口管道進(jìn)入反應(yīng)器時，流道面積突然擴(kuò)大,可能導(dǎo)致反應(yīng)器截面上氣流分布不均勻，致使一部分催化劑負(fù)荷過重,而另一部分催化劑卻幾乎不起作用，這不僅影響催化劑的利用率，而且嚴(yán)重影響反應(yīng)過程的選擇性和轉(zhuǎn)化率。為了解決淺層床氣流分布不均勻問題，本反應(yīng)器設(shè)計時采用了組合式流速均布器，系由多層擴(kuò)散錐管式預(yù)分布器，流體擴(kuò)散段和多層整流網(wǎng)格組合而成。1.9.2多層擴(kuò)散錐管式預(yù)分布器設(shè)計多層擴(kuò)散錐管式預(yù)分布器（以下簡稱預(yù)分布器），系在固定床反應(yīng)器的流體進(jìn)口處設(shè)置能形成點源流動的分散裝置，它由一個以上的同心錐管所組成，不過其中的中心擴(kuò)散錐管（或稱第一擴(kuò)散錐θ1管）的擴(kuò)散角（2θ1），可在15°-20°范圍內(nèi)選取，第二擴(kuò)散錐管的擴(kuò)散錐角為中心擴(kuò)散錐角的二倍，第三擴(kuò)散錐管的擴(kuò)散角為中心擴(kuò)散錐角的三倍，依次類推。其最大擴(kuò)散角（2θm為90°-120°。擴(kuò)散錐管之間用均布的肋固定，各層擴(kuò)散管的擴(kuò)散面積比分別在3-5范圍內(nèi)選定。中心擴(kuò)散錐管內(nèi)設(shè)置一芯棒，它同樣用上述所說的肋固定在中心擴(kuò)散椎管內(nèi)。肋除了起錐管間或與芯棒相互固定作用外，還可以防止流體從擴(kuò)散錐管噴射出時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。本裝置采用的多層擴(kuò)散錐管式預(yù)分布器還具有一個重要特征：在于預(yù)分布器的各層擴(kuò)散錐管的流體的進(jìn)口端必須同心地置于由下列公式給定的特定回旋曲面上。公式中：已知“3+1型”反應(yīng)器的有效體積為8m3，通過長徑比換算,得出催化劑有效體積的長徑分別為：D=2.74m，H=1.37m。將預(yù)分布的總擴(kuò)散角2θm定為108°,中心擴(kuò)散管的擴(kuò)散角為18°,擴(kuò)散錐管層數(shù)m=6，預(yù)分布器進(jìn)口端的直徑d=630mm，(由文獻(xiàn)【4】知d/D范圍在1/3—1/6之間），中心擴(kuò)散錐管流體進(jìn)出口端的直徑d1=d/m=105mm，擴(kuò)散角2θ1=18°第二層擴(kuò)散錐管流體進(jìn)口端的直徑d2=210mm，擴(kuò)散角2θ1=36°第三層擴(kuò)散錐管流體進(jìn)口端的直徑d3=315mm，擴(kuò)散角2θ2=54°第四層擴(kuò)散錐管流體進(jìn)口端的直徑d4=420mm，擴(kuò)散角2θ3=72°第五層擴(kuò)散擴(kuò)管流體進(jìn)口端的直徑d5=525mm，擴(kuò)散角2θ4=90°第六層擴(kuò)散錐管流體進(jìn)口端的直徑d6=630mm，擴(kuò)散角2θ5=108°多層擴(kuò)散錐管式預(yù)分布器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.18所示。圖1.18多層擴(kuò)散錐管式預(yù)分布器示意圖A—為中心擴(kuò)散錐管，B~F分別為二到六層擴(kuò)散錐管，K為芯棒，其直徑d0=(1/5~1/10)d1。a、b、c、d、e、f.均為肋，它分別依次將K、A、B、C、D、E、F予以連接，通常焊接在各層擴(kuò)散錐管的流體出口端。R(ɑ)—為回轉(zhuǎn)曲面半徑；d—預(yù)分布器流體進(jìn)口端的直徑。1.9.3流體擴(kuò)散段與多層整流網(wǎng)格參數(shù)設(shè)定由文獻(xiàn)【4】可知；1.H—預(yù)分布器流體進(jìn)口端至多層整流網(wǎng)格第一層之間的距離宜取H0=（0.35~0.5)D2.h—多層整流網(wǎng)格中兩相鄰金屬絲網(wǎng)層之間的距離宜取h=(0.05~0.15)D3.多層整流網(wǎng)格宜采用篩孔目數(shù)為20-60目的金屬絲網(wǎng)。其具有使氣流產(chǎn)生偏折，減小或消除徑向速度的作用。其作用示意圖如圖19所示。經(jīng)計算后選取H0=800mm，h=300mm，多層整流網(wǎng)格采用目數(shù)為36目的不銹鋼絲網(wǎng)，層數(shù)三層。圖1.19多層整流網(wǎng)格作用示意圖至此，完成了組合式流速均布器的設(shè)計。1.10反應(yīng)器結(jié)構(gòu)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.20所示圖1.20反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖1-多層擴(kuò)散錐管式預(yù)分布器，它固定在反應(yīng)器頂部2-流體擴(kuò)散段3-多層整流網(wǎng)格中的金屬絲網(wǎng)層，它通過邊緣的環(huán)密封固接在反應(yīng)器的內(nèi)壁上4-催化劑床層5-反應(yīng)器殼體1.11控制系統(tǒng)1.11.1“3+1”型反應(yīng)器進(jìn)口流率控制由上述論證可知，在切換反應(yīng)器進(jìn)行催化劑再生的同時，需要根據(jù)各反應(yīng)器內(nèi)催化劑的活性的不同，改變各反應(yīng)器的進(jìn)料流率?！?+1”型反應(yīng)器對進(jìn)口流率的控制主要通過簡單反饋控制系統(tǒng)：測出物料進(jìn)口流率，反饋給流量控制器，控制器再將運算結(jié)果傳遞給調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到控制的目的。具體控制方案如圖1.21。圖1.21“3+1”反應(yīng)器流率控制圖1.11.2“3+1”型反應(yīng)器出口人工檢測“3+1”型反應(yīng)器設(shè)計時，其理論切換周期為40天。但實際生產(chǎn)時受多方面因素影響，有可能未滿40天，催化劑活性最差的反應(yīng)器出口組成已經(jīng)低于設(shè)定值，若仍按照40天為切換周期，則反應(yīng)器總出口物質(zhì)組成波動幅度增大，影響裝置運行的穩(wěn)定性。因此本反應(yīng)器在出口處設(shè)置檢測點，根據(jù)實際情況進(jìn)行切換?？紤]到在線檢測系統(tǒng)價格昂貴，催化劑活性短時間內(nèi)相對穩(wěn)定，故采用人工檢測方式（如圖1.22），每個班次檢測兩次，當(dāng)反應(yīng)器出口物質(zhì)組成低于設(shè)定值時，進(jìn)行手動切換，從而保證裝置運行的穩(wěn)定。圖1.22人工檢測點示意圖1.11.3催化劑再生控制本反應(yīng)采用原地再生方法再生催化劑，具體再生過程為：先用氮氣吹掃2小時，將弱吸附的原料及產(chǎn)物解析吹出。然后降溫至100℃以下，采用逐級提溫增氧的再生方式，即開始從100℃升溫到350℃，用氮氣稀釋到氧氣濃度為0.1%，在350℃保持2小時。然后升溫到500℃，用氮氣稀釋到氧氣濃度為5%，在500℃保持4~12小時。為使催化劑再生在穩(wěn)定的條件下進(jìn)行，進(jìn)料氮氣及氧氣的配比控制方案可采用雙閉環(huán)比值控制，具體控制過程為：主物料氧氣流量采用定值控制系統(tǒng)，同時氧氣流量檢測儀表將流量大小信號輸送給比值控制器，然后，比值控制器計算出氮氣的流量設(shè)定值，實現(xiàn)雙閉環(huán)比值控制。具體控制方案如圖1.22。圖1.23催化劑再生控制圖1.12反應(yīng)器總結(jié)本反應(yīng)器的設(shè)計基礎(chǔ)為軸向絕熱固定床反應(yīng)器，經(jīng)過上述的論證，最終確定“3+1”反應(yīng)器類型，三個反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，一個反應(yīng)器用于再生。在結(jié)合催化劑失活規(guī)律的基礎(chǔ)上，保持總流率不變，按照流率控制規(guī)律改變每座反應(yīng)器的進(jìn)口流率，使得反應(yīng)器總出口的甲苯轉(zhuǎn)化率，PX單程收率，PX選擇性等參數(shù)的波動盡可能小，從而提高了整套裝置運行的穩(wěn)定性。同時為解決淺床層反應(yīng)器氣流分布不均勻等問題，采用組合式流速均布器以保證進(jìn)料氣流分布均勻，減小對反應(yīng)選擇性和轉(zhuǎn)化率的影響。甲苯甲醇烷基化軸向絕熱固定床反應(yīng)器設(shè)計各項參數(shù)如下表所示：表1.7甲苯甲醇烷基化絕熱固定床反應(yīng)器設(shè)計一覽表反應(yīng)器尺寸組合式流速均布器反應(yīng)器數(shù)目單反應(yīng)器催化劑用量反應(yīng)器直徑催化劑裝填高度反應(yīng)器總高度擴(kuò)散椎管層數(shù)流體擴(kuò)散段高度整流網(wǎng)間距整流網(wǎng)層數(shù)3+14032kg2.73m1.37m3.07m6層0.8m0.3m3層至此，本小組完成了對整個反應(yīng)器的設(shè)計，并將所設(shè)計的反應(yīng)器應(yīng)用于流程模擬中，在此基礎(chǔ)上完成了全流程模擬。第二章C4芳構(gòu)反應(yīng)器的設(shè)計2.1反應(yīng)機(jī)理輕烴芳構(gòu)化烷基化反應(yīng)過程非常復(fù)雜，對于其反應(yīng)機(jī)理，研究者一致認(rèn)為是利用烯烴疊合-氫轉(zhuǎn)移、烯烴-芳烴烷基化、烯烴-烷烴烷基化等反應(yīng)，經(jīng)過裂解、齊聚、環(huán)化、脫氫、氫轉(zhuǎn)移等過程進(jìn)行的。以下是可能的化學(xué)反應(yīng)：疊合與環(huán)化；低溫下發(fā)生氫轉(zhuǎn)移高溫下發(fā)生脫氫反應(yīng)C4烯烴與異丁烷發(fā)生烷基化反應(yīng)2.2催化劑選擇及再生由大連理工大學(xué)研制的納米沸石分子篩催化劑DLG-2[5]在10萬t/a的工藝裝置第一個單程運轉(zhuǎn)周期為53.5d(1284h)，催化劑運行2年4個月后更換為新劑，第三代催化劑DLG-3單程運轉(zhuǎn)周期已經(jīng)達(dá)到兩個月。故本反應(yīng)催化劑選用DLG-3納米沸石分子篩催化劑，制成直徑為0.9mm的三葉草形顆粒。催化劑再生方法：催化劑再生采用原地再生方法，用氮氣和空氣作為再生氣體，再生初期使用氮氣，峰值300Nm3/h，逐漸補充空氣，控制再生氣體中的氧含量(6%-21%)，氣體入口溫度300-400℃，再生時間為90-132h，再生后催化劑性能與新鮮催化劑相當(dāng)。2.3工藝參數(shù)設(shè)定從處理原料、工藝條件、催化劑性能、產(chǎn)品質(zhì)量等方面綜合對比認(rèn)為；大連理工大學(xué)和山東齊旺達(dá)海仲化工科技有限公司聯(lián)合開發(fā)的Nano-forming【5】工藝較為先進(jìn)。故本反應(yīng)器采用山東齊旺達(dá)集團(tuán)海仲化工科技有限公司所采用的固定床反應(yīng)器。反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響由文獻(xiàn)【6】可以得到C4烯烴轉(zhuǎn)化率，液相收率及芳烴含量與反應(yīng)溫度的關(guān)系如下圖所示。圖2.1C4烯烴轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)溫度的關(guān)系圖2.2液相收率及芳烴含量與反應(yīng)溫度的關(guān)系▲—液相中的芳烴含量；▇—液相產(chǎn)物收率從圖2.1可以看出，C4烯烴轉(zhuǎn)化率隨著反應(yīng)溫度的提高而增大，反應(yīng)溫度在340～440℃區(qū)間內(nèi)，C4烯烴的轉(zhuǎn)化率達(dá)99.5%以上，C4烯烴基本全部轉(zhuǎn)化為芳烴和烷烴。從圖2.2可以看出，隨反應(yīng)溫度的升高，液相產(chǎn)物收率減少，而液相產(chǎn)物中的芳烴含量增加，分?jǐn)?shù)達(dá)到60%以上。結(jié)合Nano-forming工藝參數(shù)，將進(jìn)料溫度定為300℃?？账賹Ψ紭?gòu)化氣體產(chǎn)品產(chǎn)率的影響在相同的溫度下，隨著空速增大，中間產(chǎn)物與催化劑接觸的時間變短，轉(zhuǎn)化為芳烴的機(jī)會變低，故低空速有利于芳烴的生成。文獻(xiàn)上報道的最優(yōu)空速為1-9h-1，本反應(yīng)空速定為1.5h-1。參考Nano-forming工藝條件，最終確定本反應(yīng)芳構(gòu)化主要工藝條件如下；表2.1芳構(gòu)化主要工藝條件反應(yīng)器進(jìn)料溫度℃操作壓力bar體積空速h-1固定床反應(yīng)器30051.52.4反應(yīng)器內(nèi)徑及高度計算本反應(yīng)器為固定床反應(yīng)器，體積空速為1.5h-1。由AspenPlus模擬得到反應(yīng)進(jìn)口流率為13006.09066L/h。經(jīng)計算；確定反應(yīng)器有效體積V=8670.7L=8.6707m3。在采用組合式流速均布器（參考1.9節(jié)）的基礎(chǔ)上，將長徑比定為1:1，即2.5反應(yīng)器小結(jié)本反應(yīng)器為固定床反應(yīng)器，在結(jié)合Nano-forming工藝以及查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上確定了反應(yīng)器各項參數(shù)，其具體參數(shù)如下表。表2.2反應(yīng)器各項參數(shù)反應(yīng)器尺寸組合式流均布器參數(shù)反應(yīng)器數(shù)目單反應(yīng)器催化劑用量反應(yīng)器直徑催化劑裝填高度反應(yīng)器總高度擴(kuò)散錐管層數(shù)流體擴(kuò)散段高度整流網(wǎng)間距整流網(wǎng)層數(shù)1+15636kg2.23m2.23m4.1m6層0.8m0.23m3層第三章苯甲醇烷基化反應(yīng)器設(shè)計3.1概述苯與甲醇烷基化反應(yīng)是快速反應(yīng)。動力學(xué)研究表明，甲醇烷基化反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)對苯是一級，對甲醇接近零級，反應(yīng)的活化能為163.88kJ/mol。單純的苯和甲醇烷基化反應(yīng)動力學(xué)方程為；；結(jié)合到苯與甲醇烷基化具有放熱量大，催化劑易結(jié)焦失活等特點，本反應(yīng)器擬采用流化床反應(yīng)器，并經(jīng)下文反應(yīng)器的設(shè)計最終確定了反應(yīng)器各項參數(shù)。3.2工藝參數(shù)設(shè)定苯甲醇烷基化反應(yīng)中以苯的轉(zhuǎn)化率(Xb)、甲苯的選擇性(St)、二甲苯的選擇性(Sx)以及甲苯和二甲苯的收率(Ytx)作為評價催化反應(yīng)性能的指標(biāo)，其計算公式分別為：其中A為原料中苯的物質(zhì)的量；C為產(chǎn)品中苯系物的物質(zhì)的量；D為產(chǎn)品中甲苯的物質(zhì)的量；E為產(chǎn)品中二甲苯的物質(zhì)的量。1.溫度對反應(yīng)的影響由圖3.1所示，隨著反應(yīng)溫度的增加，甲苯、二甲苯的選擇性及其收率不斷增加，其中在500℃時收率達(dá)到最高，此溫度下苯的轉(zhuǎn)化率亦達(dá)到最高點。當(dāng)高于500℃時，溫度的升高對甲苯、二甲苯選擇性的提高仍然有利，但影響很小。相反，隨著溫度的升高，工業(yè)化成本增加，且高溫下催化劑的穩(wěn)定性下降，容易結(jié)焦失活，降低催化劑壽命。故經(jīng)綜合考慮，選擇反應(yīng)溫度為500℃，此時苯的轉(zhuǎn)化率達(dá)到了53.60%，甲苯、二甲苯的選擇性為90.29%，甲苯、二甲苯的收率達(dá)到48.39%。圖3.1反應(yīng)溫度對苯甲醇烷基化反應(yīng)的影響2.苯和甲醇原料配比對反應(yīng)的影響由圖3.2可知，隨著原料中甲醇與苯物質(zhì)的量之比不斷增加，苯的轉(zhuǎn)化率也在不斷升高，且基本成線性增加，說明甲醇量的增加，可以使原料中苯反應(yīng)得更為充分，從而提高苯的轉(zhuǎn)化率。但如果甲醇量過大，則會造成甲苯、二甲苯的深度烷基化?？紤]到工業(yè)化生產(chǎn)的影響，可認(rèn)為甲醇與苯等物質(zhì)的量配比時較為合適，此時苯的轉(zhuǎn)化率為46.72%，甲苯、二甲苯的選擇性達(dá)到了90.79%。圖3.2苯和甲醇原料配比對反應(yīng)的影響3.苯、甲醇反應(yīng)器主要工藝參數(shù)小結(jié)結(jié)合以上論證以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)【7】，確定本反應(yīng)主要工藝條件如下表：表3.1苯甲醇反應(yīng)主要工藝條件進(jìn)料苯、甲醇配比反應(yīng)溫度℃反應(yīng)壓力bar1:15001-53.3反應(yīng)器類型選擇1.流化床反應(yīng)器的優(yōu)缺點與其它類型的反應(yīng)器相比，流化床反應(yīng)器有如下優(yōu)點：（1）從對催化劑的要求來看，流化應(yīng)采用小顆粒且粒度范圍較寬的催化劑，可以消除內(nèi)擴(kuò)散阻力，催化劑的效能得到充分發(fā)揮。（2）傳熱上看，由于流化床可采用小顆粒催化劑(一般為0.01一0.5mm)，所以流體與催化劑顆粒的傳熱面積很大，加之催化劑顆粒的快速循環(huán)，使得催化劑之間，床層與反應(yīng)器周壁以及浸泡在床層內(nèi)換熱器之間的傳熱系數(shù)增大。因此流化床反應(yīng)器可以及時傳遞反應(yīng)放出或需要的熱量，使整個床層在近于等溫條件下操作，易于控制。（3）從傳質(zhì)上看，由于催化劑顆粒與流體處于運動狀態(tài)，其間的相界面不斷更新，故傳質(zhì)系數(shù)較大，加之催化劑顆粒較小，每單位溶劑催化劑的表面積大，相接觸面積大，即傳質(zhì)面積大，因此有利于傳質(zhì)。（4）從操作看，由于催化劑顆粒處于穩(wěn)定的流動狀態(tài)，所以催化劑可以連續(xù)裝入和卸出，對于催化劑易失活反應(yīng)，可使反應(yīng)過程和催化劑再生過程連續(xù)化。（5）從生產(chǎn)規(guī)模上看，流化床傳熱傳質(zhì)性能好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，適用于大型化生產(chǎn)。流化床的缺點：（1）流體返混嚴(yán)重。由于催化劑顆粒與流體的返混，特別對于簡單流化床來說，使得床內(nèi)流體濃度接近出口濃度，即床內(nèi)軸向無濃度差，其流動模型接近于理論返混，從而降低了反應(yīng)推動，促進(jìn)了副反應(yīng)，使得反應(yīng)收率低于固定床反應(yīng)器。（2）氣流狀況不均，不少氣體以氣泡狀態(tài)經(jīng)過床層，氣固接觸效率不夠有效。（3）由于催化劑顆粒間的相互劇烈碰撞，催化劑顆粒與器壁、內(nèi)構(gòu)件的磨擦，造成催化劑破碎增大，需設(shè)置旋風(fēng)分離器等粒子回收系統(tǒng)，且對催化劑的耐磨性提出了較高的要求。（4）由于催化劑顆粒與設(shè)備的劇烈碰撞，易造成反應(yīng)設(shè)備及管道的磨損，增大了設(shè)備消耗。2.本反應(yīng)反應(yīng)器選擇；由于流化床反應(yīng)器具有以上的優(yōu)缺點，因此，流化床反應(yīng)器一般適用于熱效應(yīng)大的放熱或吸熱反應(yīng)過程，要求有均一催化反應(yīng)溫度并需要對反應(yīng)溫度精密控制。它不適合用于催化劑床層有溫度分布的反應(yīng)過程。苯、甲醇烷基化反應(yīng)放熱劇烈，催化劑易結(jié)焦失活，反應(yīng)有最佳溫度溫度等特點，完全適用于流化床。并且本反應(yīng)設(shè)計時通過選擇合適的催化劑（改性的氫型ZSM-5分子篩）、優(yōu)化最佳的運轉(zhuǎn)條件（確定反應(yīng)溫度為500℃、苯與甲醇進(jìn)料配比為1：1），以及合理的流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)（見下文）設(shè)計來提高反應(yīng)器的性能。3.4流化床反應(yīng)器具體設(shè)計1.反應(yīng)器直徑計算催化劑顆粒平均粒徑為mm催化劑密度通過Aspen物性模擬可得到該混合氣體的相關(guān)物性數(shù)據(jù)：進(jìn)料氣體密度1.712kg/m3黏度0.020cp由相關(guān)文獻(xiàn)可查得流化床起始流化速度、帶出速度的公式分別為；將相關(guān)數(shù)據(jù)代入，便可求得起始流化速度μmf=0.002314m/s，μt=0.3928m/s（經(jīng)雷諾數(shù)驗證無誤）。操作氣速應(yīng)選取：即綜合考慮，本反應(yīng)選擇實際操作氣速為0.1