混合多级串联反应器在草甘膦生产中的应用

2019年02月16日 反应釜设备 495 views

 概述

反应器是各种化工设备中关键性的设备,在反应器中不仅发生物理变化,而且发生化学变化,由于它的作用,决定了反应的转化率、产率、副产品的生成量和三废的组成与数量,因此反应器的选型是十分重要的。近年来,研究人员和工程技术人员通过建立反应器数学模型,研究设计出从单级反应器到多级反应器的理论方法

[1]

草甘膦是有机磷类内吸传导性广谱灭生性除草剂,化学名称为N-(膦酸甲基)甘氨酸,其它名称有农达、镇草宁、膦干酸、草干磷、Roundup等。草甘膦的使用范围较广泛,是目前农药使用量中最大吨位的一个产品,有着较好的市场前景,但随着国内厂家的增多,其竞争越将激烈,为此提高产品的生产效率、降低成本成为各生产企业竞相研究的重点

[2]

目前,国内草甘膦的生产工艺仍以甘氨酸法为主,占目前国内草甘膦产量的60%以上。在甘氨酸法草甘膦生产工艺中,目前基本上都采用间歇化单反应器生产,有些企业为了扩大规模,采取单纯增加反应器个数,这必然会增大固定资产的投资和操作人员的增加等,不利于成本的竞争。生产率的提高和单位成本的降低主要是来自通过能力在数量上和速度上的增加,而不是工厂或设备在规模上的扩大

[3]

。因此将混合多级串联反应器应用于草甘膦的生产,目的就是使生产连续化,提高生产率,降低产品成本。

1 混合多级串联反应器数学模型的建立及设计

1.1设计方程式

如图2-1所示,有几个反应釜串联操作,假设各反应釜的容积相等,装料系数相等,各反应釜操作温度相等,则各釜的体积流量相等。

根据物料衡算式,对第i个釜进行衡算,在稳态下,其物料衡算式如下:

图1-1 理想多釜串联模型

1.2  代数法

由图2-1可见在多釜串联操作的情况下,前一釜出口的物料就是后一釜进口的物料。因此可用单釜理想混合反应的计算方法逐釜计算,一直算到所要求的转化率为止。

1.3  图解法

根据物料衡算式可改写成:

上式的意义是当第i个反应器的进出口物料中的转化率X

Ai-1

一定时,则在出口物料中的转化率X

Ai

与在该反应器中的反应速率r

Ai

的关系:标绘在X

A

~r

A

座标图上为一直线,其斜率为C

A0

i

,直线的截距为:

第i个反应器出口转化率X

Ai

不但要满足物料衡算式,而且还要满足动力学方程式中r

Ai

= kC

A0

(1 -X

Ai

)的关系,将动力学方程式也标绘在X

A

~r

A

座标上得到一条曲线,只有在这两条线的相交点才能满足两个方程式的要求,则两条线交点的X轴值即为反应器出口的转化率。

计算时可先按动力学方程式或实验数据在X

A

~r

A

图上先作出动力学曲线MN,然后根据进入反应系统的物料组成,先由第一个反应器的物料衡算线如图3-2中的OP

1

线,由X

0

开始作图,直线OP

1

过原点,其斜率C

A0

i

,OP

1

与MN线的交点P

1

的横座标X

1

即为第一个釜出口的转化率x

1

图1-2 多釜串联反应器图解法

因各个反应器的体积相等所以物料在各个反应器内的平均停留时间相等,则各个反应器的物料衡算线的斜率相等,各物料线均应平行。因此,通过X

1

点作与OP

1

平行的直线X

1

P

2

与MN线交点P

2

,P

2

的横座标即X

2

为第二个反应釜出口的转化率。再由点X

2

作平行于的OP

2

直线交MN于P

3

点,P

3

点的横座标X

3

,依此类推一直求得在横轴上的座标Xn等于所要求的转化率为止,即为达到要求的转化率X

Af

时所需串联反应器的个数。

如果釜的数目及最终转化率都已知,需要确定反应器的体积V

Ri

或加料速率V

0

时,则可采用试差法,即先假设物料衡算线的斜率,由原点0开始,依上法作图使平行线的数目恰好等于已知反应锅的数目,如果最后一釜的出口转化率与规定的生产要求的转化率不符。则所假设的物料衡算线的斜率不对,需要重新假设斜率再试差,直到出口的转化率符合要求为止。然后量出斜率数值,算出平均停留时间τ,进而求出所需要的反应器体积V

Ri

,或求加料速率V

0

。若以C

A

为横座标,r

A

为纵座标进行图解计算,其方法基本类似。

2 混合多级串联反应器在草甘膦生产中的应用

农药草甘膦的生产共有6步,多釜串联先在水解工序进行应用。水解工序是将上步合成工序的反应产物与30%盐酸进行化学反应。

采用10 000 L搪瓷反应釜来完成水解反应,单级间歇生产,产能要达到10 000 t/a,则需要7只10 000 L反应釜。使用混合多级串联反应釜生产草甘膦,同样采用10 000 L搪瓷釜,串联后进行生产,通过图解法计算,只需要4只反应釜。实际生产采用4只反应釜串联进行水解反应,产能每年达到11 500 t,原材料消耗等各项指标均达到要求。两种生产模式的生产效率对比列于表2-1。

表2-1 单级和混合多级串联水解反应功效对比

由表2-1可看出,由于采用混合多级反应器,实现了生产连续化,不需要专职的作业人员实现单批操作(加料、滴加、保温、出料及伴随的升降温操作),连续化后,只要控制好两种物料的流量,实现连续进料、出料,不需要设置专门的操作人员。采用混合多级串联反应釜,其生产率得到很大的提高。

结论

混合多级串联反应器的设计方法是解决农药草甘膦产品成本领先的方法之一。这种模式减少设备投资,大大降低了人工费用,使产品的成本得到明显的下降,形成市场竞争优势,同时,由于有了这种生产模式的理论设计方法,极大地缩短了工业化实现的周期,为产品尽快投放市场打下基础。

 参考文献

[1] 吕波,张海滨. 混合多级串联反应器在草甘膦生产中的设计和应用[J]. 江苏化工,2007,35(2):43-45.

[2] 任不凡,雷崧僧. 草甘膦及其研究进展[J]. 农药,1998,37(7):1-3.

[3]  朱红兵. 我国草甘膦除草剂的现状及发展[J]. 化工时刊,2002(1):53-54.

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