混合多級串聯反應器在草甘膦生產中的應用

2019年02月16日 反應釜設備 495 views

?概述

反應器是各種化工設備中關鍵性的設備,在反應器中不僅發生物理變化,而且發生化學變化,由于它的作用,決定了反應的轉化率、產率、副產品的生成量和三廢的組成與數量,因此反應器的選型是十分重要的。近年來,研究人員和工程技術人員通過建立反應器數學模型,研究設計出從單級反應器到多級反應器的理論方法

[1]

。

草甘膦是有機磷類內吸傳導性廣譜滅生性除草劑,化學名稱為N-(膦酸甲基)甘氨酸,其它名稱有農達、鎮草寧、膦干酸、草干磷、Roundup等。草甘膦的使用范圍較廣泛,是目前農藥使用量中最大噸位的一個產品,有著較好的市場前景,但隨著國內廠家的增多,其競爭越將激烈,為此提高產品的生產效率、降低成本成為各生產企業競相研究的重點

[2]

。

目前,國內草甘膦的生產工藝仍以甘氨酸法為主,占目前國內草甘膦產量的60%以上。在甘氨酸法草甘膦生產工藝中,目前基本上都采用間歇化單反應器生產,有些企業為了擴大規模,采取單純增加反應器個數,這必然會增大固定資產的投資和操作人員的增加等,不利于成本的競爭。生產率的提高和單位成本的降低主要是來自通過能力在數量上和速度上的增加,而不是工廠或設備在規模上的擴大

[3]

。因此將混合多級串聯反應器應用于草甘膦的生產,目的就是使生產連續化,提高生產率,降低產品成本。

1 混合多級串聯反應器數學模型的建立及設計

1.1設計方程式

如圖2-1所示,有幾個反應釜串聯操作,假設各反應釜的容積相等,裝料系數相等,各反應釜操作溫度相等,則各釜的體積流量相等。

根據物料衡算式,對第i個釜進行衡算,在穩態下,其物料衡算式如下:

圖1-1 理想多釜串聯模型

1.2??代數法

由圖2-1可見在多釜串聯操作的情況下,前一釜出口的物料就是后一釜進口的物料。因此可用單釜理想混合反應的計算方法逐釜計算,一直算到所要求的轉化率為止。

1.3? 圖解法

根據物料衡算式可改寫成:

上式的意義是當第i個反應器的進出口物料中的轉化率X

Ai-1

一定時,則在出口物料中的轉化率X

Ai

與在該反應器中的反應速率r

Ai

的關系:標繪在X

A

~r

A

座標圖上為一直線,其斜率為C

A0

i

,直線的截距為:

第i個反應器出口轉化率X

Ai

不但要滿足物料衡算式,而且還要滿足動力學方程式中r

Ai

= kC

A0

(1 -X

Ai

)的關系,將動力學方程式也標繪在X

A

~r

A

座標上得到一條曲線,只有在這兩條線的相交點才能滿足兩個方程式的要求,則兩條線交點的X軸值即為反應器出口的轉化率。

計算時可先按動力學方程式或實驗數據在X

A

~r

A

圖上先作出動力學曲線MN,然后根據進入反應系統的物料組成,先由第一個反應器的物料衡算線如圖3-2中的OP

1

線,由X

0

開始作圖,直線OP

1

過原點,其斜率C

A0

i

,OP

1

與MN線的交點P

1

的橫座標X

1

即為第一個釜出口的轉化率x

1

。

圖1-2?多釜串聯反應器圖解法

因各個反應器的體積相等所以物料在各個反應器內的平均停留時間相等,則各個反應器的物料衡算線的斜率相等,各物料線均應平行。因此,通過X

1

點作與OP

1

平行的直線X

1

P

2

與MN線交點P

2

,P

2

的橫座標即X

2

為第二個反應釜出口的轉化率。再由點X

2

作平行于的OP

2

直線交MN于P

3

點,P

3

點的橫座標X

3

,依此類推一直求得在橫軸上的座標Xn等于所要求的轉化率為止,即為達到要求的轉化率X

Af

時所需串聯反應器的個數。

如果釜的數目及最終轉化率都已知,需要確定反應器的體積V

Ri

或加料速率V

0

時,則可采用試差法,即先假設物料衡算線的斜率,由原點0開始,依上法作圖使平行線的數目恰好等于已知反應鍋的數目,如果最后一釜的出口轉化率與規定的生產要求的轉化率不符。則所假設的物料衡算線的斜率不對,需要重新假設斜率再試差,直到出口的轉化率符合要求為止。然后量出斜率數值,算出平均停留時間τ,進而求出所需要的反應器體積V

Ri

,或求加料速率V

0

。若以C

A

為橫座標,r

A

為縱座標進行圖解計算,其方法基本類似。

2 混合多級串聯反應器在草甘膦生產中的應用

農藥草甘膦的生產共有6步,多釜串聯先在水解工序進行應用。水解工序是將上步合成工序的反應產物與30%鹽酸進行化學反應。

采用10 000 L搪瓷反應釜來完成水解反應,單級間歇生產,產能要達到10 000 t/a,則需要7只10 000 L反應釜。使用混合多級串聯反應釜生產草甘膦,同樣采用10 000 L搪瓷釜,串聯后進行生產,通過圖解法計算,只需要4只反應釜。實際生產采用4只反應釜串聯進行水解反應,產能每年達到11 500 t,原材料消耗等各項指標均達到要求。兩種生產模式的生產效率對比列于表2-1。

表2-1 單級和混合多級串聯水解反應功效對比

由表2-1可看出,由于采用混合多級反應器,實現了生產連續化,不需要專職的作業人員實現單批操作(加料、滴加、保溫、出料及伴隨的升降溫操作),連續化后,只要控制好兩種物料的流量,實現連續進料、出料,不需要設置專門的操作人員。采用混合多級串聯反應釜,其生產率得到很大的提高。

結論

混合多級串聯反應器的設計方法是解決農藥草甘膦產品成本領先的方法之一。這種模式減少設備投資,大大降低了人工費用,使產品的成本得到明顯的下降,形成市場競爭優勢,同時,由于有了這種生產模式的理論設計方法,極大地縮短了工業化實現的周期,為產品盡快投放市場打下基礎。

?參考文獻

[1]?呂波,張海濱. 混合多級串聯反應器在草甘膦生產中的設計和應用[J]. 江蘇化工,2007,35(2):43-45.

[2]?任不凡,雷崧僧. 草甘膦及其研究進展[J]. 農藥,1998,37(7):1-3.

[3]? 朱紅兵. 我國草甘膦除草劑的現狀及發展[J]. 化工時刊,2002(1):53-54.

發表評論

發表評論:

PHONE
收益最好的手机挖矿