整体式结构化催化剂合成异丙苯的反应过程强化
异丙苯是一种重要的有机化工原料，用途十分广泛。本文采用单元模块模拟CFD、过程模拟Aspen Plus和ProⅡ以及实验相结合的方法研究了苯与丙烯在整体式结构化催化剂合成异丙苯的反应过程强化及分离工段的能耗分析，考察了两类整体式结构化催化剂结构-性能（压降、传质、传热、丙烯转化率、异丙苯选择性、反应有效因子等）关系。
首先，采用ProⅡ和Aspen Plus过程模拟软件对颗粒催化剂固定床反应器合成异丙苯工艺流程进行优化模拟计算。以降低异丙苯流程中分离工段单位产品的能耗为目标本文逐步提出流程优化方案:在分离工段的二异丙苯塔增加一个侧线采出以回收三异丙苯，从而实现过程的节能减排;采用泡点反应器代替原固定床反应器进行苯丙烯烷基化反应;同时采用泡点反应器和增加二异丙苯塔侧线采出的方法合成异丙苯;最后提出采用固定床催化精馏塔合成异丙苯。
第二，以空气-水逆流流动为研究对象采用实验和CFD数值模拟相结合的方法对两种开放错流整体式结构化催化剂（BH-1和BH-2型）的流体力学性能进行了研究，结果表明开放错流结构具有明显的低压降，相同操作条件下气体通过单位长度催化剂的压降比普通颗粒催化剂降低1-3个数量级。同时考察了几何结构参数（波纹板倾斜角、高径比及反应/分离面积比）对其流体力学性能的影响，研究结果表明，对于不同波纹板倾斜角时，单位长度催化剂的压降大小顺序为30°＜30-45-30°＜45-30-45°＜45°，液相传质系数KLa大小顺序为45°＞45-30-45°＞30-45-30°＞30°;不同高径比（保持其直径不变，改变催化剂的高度）时，空气-水逆流流动通过单位长度催化剂的压降大小顺序为0.20 m＜0.15 m＜0.10 m，液相传质系数KLa从大到小依次为0.10 m＞0.15 m＞0.20 m;对于BH-1型开放错流整体式结构化催化剂改变不同反应/分离区域面积比（保持其分离区域不变，改变催化剂捆包厚度）时，单位长度催化剂的压降大小顺序为6mm＜10 mm＜14 mm，液相传质系数KLa从大到小依次为6mm＞10mm＞14 mm;可见高传质性能将意味着高的压力损失，开放错流结构整体式结构化催化剂具有结构参数可调性，在实际应用中可以根据具体情况来设计更加合理的结构。
第三，将BH型开放错流整体式结构化催化剂(BH-1)应用于异丙苯的合成过程中，通过建立可靠的数学模型来考察苯与丙烯烷基化过程中整体式结构化催化剂的传递和反应特性，结果表明最佳反应条件为反应温度160℃，进料苯烯摩尔比为4.0。进一步通过数学模型，定量的描述了，整体式结构化催化剂结构-性能（动量传递、质量传递、热量传递和反应特性）之间的关系。结果表明两种折线式波纹板(30-45-30°和45-30-45°)表现出高丙烯转化率、高异丙苯选择性和反应有效因子;低高径比有利于提高质量传递和反应的有效因子，但同时也增大了压降降低了异丙苯的选择性;反应/分离面积比越低压降越小，同时异丙苯选择性和反应有效因子越高，但却不利于总的丙烯质量传递和转化率的提高。
最后，通过实验和模拟相结合的方法考察了蜂窝式结构化催化剂在苯与丙烯烷基化反应时的传递和反应特性，建立了可靠的数学模型并采用此数学模型考察了不同通道结构形状（圆形、正方形、长方形、六边形和三角形）对其特性(单位催化剂压降、传质特性Nu、修伍德准数Sh、丙烯转化率x和异丙苯的选择性S、反应有效因子η、坦克莱准数Da)的影响，结果表明蜂窝式结构化催化剂具有低压降、高异丙苯选择性和高反应有效因子的特性，同时对比不同结构通道形状，综合考虑压降和异丙苯的特性正三角形和矩形结构为优。从工程角度出发，泡点反应器和整体式结构化催化剂联合使用能同时降低压降和反应分离过程的能量消耗。
本文进一步对比了采用三种不同类型催化剂（蜂窝式结构化催化剂、BH型开放错流整体式结构化催化剂和YSBH颗粒催化剂）和泡点反应器耦合合成异丙苯时，发现采用蜂窝式结构化催化剂时分离工段能耗最低。
整体式结构化催化剂;异丙苯;能耗分析;合成工艺;数值模拟;力学性能;反应过程
北京化工大学
博士
化学工程与技术
雷志刚
2013
中文
TQ032.4;TQ241.14
139
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）