氨肟化反应釜内挡板安装角度的模拟及应用

孙洁华，张晓辉

(中国石化股份有限公司巴陵分公司己内酰胺事业部,湖南 岳阳 414000)

氨肟化反应釜内挡板安装角度的模拟及应用

孙洁华，张晓辉

(中国石化股份有限公司巴陵分公司己内酰胺事业部,湖南 岳阳 414000)

运用CFD软件模拟氨肟化反应釜内挡板安装角度不同时的搅拌效果，通过流场分析，找出挡板安装角度对氨肟化反应的影响，并应用于实际生产。结果表明：在氨肟化反应釜内，挡板安装角度为+30°时比安装角度为-30°时具有更快、更均匀的混合效果，更有利于改善反应效果；对氨肟化反应釜进行改造，采用ZCX型搅拌浆叶，浆叶直径1 700 mm，挡板安装角度为+30°，搅拌电机功率为22 kW，改造后氨肟化反应的转化率和选择性有所提高，有效提高了环己酮肟质量，降低了装置消耗。

环己酮肟 氨肟化反应 反应釜 挡板 安装角度 模拟 应用

气固液搅拌槽反应器是工业中常用的设备，广泛应用于石油化工、生物医药等行业。2003年8月中国石化股份有限公司巴陵分公司利用中国石化石油化工科学研究院开发的“单釜连续淤浆床合成环己酮肟成套新技术”，建成70 kt/a环己酮氨肟化制环己酮肟工业试验装置投料开车，实现氨肟化反应工艺工业化生产，其以环己酮、双氧水和液氨为原料，以叔丁醇为溶剂，应用钛硅分子筛为催化剂，采用淤浆反应床进行氨肟化反应生成环己酮肟。若氨肟化反应转化率和选择性降低，不但使原材料消耗增加，而且增加废水处理难度，影响环保。

计算流体动力学(CFD)是以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题，是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要方法, 广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医药工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计、HVAC&R 等诸多工程领域[1]。

作者运用CFD软件模拟氨肟化反应釜内挡板安装角度不同时的搅拌效果，模拟分析了挡板安装角度对氨肟化反应的转化率和选择性的影响，以期找到最适合的挡板安装角度，用于指导装置实际生产。

1 模拟实验

1.1 氨肟化反应机理

对钛硅分子筛催化环己酮生成环己酮肟的反应机理[2-3]的认知主要以羟胺机理占主导地位，氨先被钛硅分子筛催化氧化生成羟胺，羟胺再通过非催化过程直接与环己酮反应生产环己酮肟。Mantegazza等以钛硅分子筛为催化剂用双氧水氧化氨获得羟胺，且反应速率很快[3]。

环己酮氨肟化反应过程如下：

(1)钛硅分子筛催化剂与双氧水相互作用形成钛的过氧化物：

(1)

(2)生产羟胺：

(2)

(3)羟胺与环己酮发生肟化反应：

(3)

(4)总反应方程：

C6H10NOH+2H2O

(4)

此反应属气固液三相反应体系[4]，根据上述机理可以得知：影响转化率和选择性的主要因素包括催化剂浓度、催化剂性能、反应温度、反应压力、反应配料比、反应停留时间、传质效果等。在催化剂浓度和性能一定的情况下，通过上述各变量的协同优化，强化主反应速度并抑制副反应的发生是提升氨肟反应转化率及选择性的关键，而传质效果是控制好反应的重要因素。

1.2 模拟条件

根据目前装置生产现状制定3种方案进行考察和研究，模拟挡板的安装角度对流场和混合情况的影响，具体参数见表1，挡板安装角度见图1。

表1 模拟技术参数Tab.1 Simulation of technical parameters

图1 挡板安装角度示意Fig.1 Schematic diagram of baffle installation angle

2 模拟分析

2.1 功率与循环流量

通过对数值模拟可以获得搅拌器的扭矩(Tq)，通过计算获得3种方案的搅拌功率(P)。根据计算流体力学的方法获得反应器内的流场，通过对轴向不同截面的轴向速度进行面积积分，可以获得釜内的不同位置的循环流量(Qv) ：

(5)

(6)

式中：H是指液位高度；z是指沿轴向方向的距离。

从表2发现，挡板的安装角度对P有一定的影响，挡板安装角度为-30°比安装角度为+30°时的P小约7%。而在方案3中，ZCX浆型的P最高，为12.88kW，Qv的排序和P的排序是一样的，P越高，Qv越大。方案3的Qv最大，为2.74m3/s，方案2的Qv最小，为2.13m3/s，Qv的减小会使反应釜内物料的混合度降低，导致氨肟化反应效果变差。

注：模拟P时由于未完全与操作工况一致，比如未考虑进出流动，会与实际测量结果存在差距，但不影响效果对比。

2.2 流场分析

通过CFD模拟得到3种方案的反应器内流场分布见图2。为了使底部的进料和顶部的进料能够快速、充分混合，反应器采用轴流搅拌器。从流型来看，流体由搅拌桨向下排出，然后由底沿壁向上运动形成大循环。从流场速度的大小分布发现，反应器靠近液面处的流体速度非常小，不利于底部的双氧水与顶部的环己酮进行接触和反应，也不利于催化剂循环到反应器上部。方案3是通过增加桨叶直径的方式来增加功率输入，进而增强反应器上部的速度(见图2c)。

图2 3种方案的反应器内流场分布Fig.2 Flow field distribution in reactor for three plans

2.3 挡板安装角度对混合效果的影响

混合过程的模拟是通过添加示踪粒子，求解示踪粒子的输运方程，进而获得反应器的物料混合情况。通过监测不同位置示踪粒子的浓度来判断混合时间，在反应器不同的位置来检测示踪粒子的浓度变化过程，8个检测点分布在反应器的上中下各部位，监测位置见图3。

图3 反应器检测点位置示意Fig.3 Schematic diagram of detection point position in reactor

物料的混合过程与流场相关，3种方案的物料混合过程都是从轴向下到达桨叶下方后，沿壁面向上分散。

比较方案1和方案2的混合过程就能发现挡板的安装方式对混合效果的影响。从图4可以看出，在混合时间为5s时，方案1的示踪粒子已经到达了桨叶下方，接近罐底，而方案2的示踪粒子才刚刚达到桨叶附近。这说明方案1的物料混合要比方案2快，即挡板安装角度为+30°时比安装角度为-30°时具有更快的混合效果。

取示踪粒子浓度达到95%时所需的时间为检测点的混合时间，3种方案8个不同位置检测点的混合时间见表3。从表3可以发现，方案1和方案2上部的混合时间比较大，说明其上部的流体流动是比较弱的，从平均混合时间发现方案2的混合时间最长，其次是方案1，然后是方案3。即方案3的混合时间最短，优于方案1，更优于方

案2，即挡板安装角度为+30°比安装角度为-30°的具有更均匀的混合效果。

图4 不同混合时间时挡板安装角度对混合效果的影响Fig.4 Effect of baffle installation angle on mixing effect at different mixing time

方案混合时间/s12345678平均值125.8934.5336.1734.5627.8023.4621.8024.8828.64240.2637.4627.7533.5025.1719.9339.5123.0830.83326.4325.7123.4822.1917.6316.5030.9916.8222.32

3 应用效果

2014年9月，采用方案3对装置反应釜进行了搅拌型式和挡板的改造：将桨叶换成ZCX型，搅拌桨叶直径由1 350 mm改为1 700 mm，反应釜档板安装角度由-30°改为+30°，搅拌电机功率由18.5 kW改为22 kW。装置反应釜改造后，氨肟化反应的转化率略有提升，但反应选择性大幅提高。具体情况见表4。

表4 装置反应釜改造前后产物分析指标对比Tab.4 Analytical index contrast between products before and after reactor reformation

4 结论

a. 运用CFD软件模拟反应釜内部搅拌效果，从流场分析和挡板的安装角度进行研究，结果表明，挡板安装角度为+30°比安装角度为-30°时反应釜具有更快、更均匀的混合效果，有利于改善反应效果。

b. 将搅拌桨叶换成ZCX型，桨叶直径由1 350 mm改为1 700 mm，搅拌电机功率由18.5 kW改为22 kW，改善了反应效果。

c. 氨肟化反应釜改造后，环己酮氨肟化反应的转化率由99.89%提高到99.91%、选择性由99.78%提高到99.84%，有效改善了反应效果，提高了环己酮肟质量，降低了装置的消耗。

[1] 尹晔东，王运东，费维扬.计算液体力学(CFD)在化学工程中的应用[J].石化技术,2000(3):166-169.

Yin Yedong,Wang Yundong,Fei Weiyang.Computational fluid dynamics for chemical engineering[J].Petrochem Tech,2000(3):166-169.

[2] 朱泽华.钛硅分子筛在己内酰胺工业中的应用研究进展[J].合成纤维工业,2000,23(4):27-30.

Zhu Zehua.The application of titanium silicate molecular sieve in caprolactam industry[J].Chin Syn Fiber Ind,2000,23(4):27-30.

[3] 葛倩,卢建国,朱明乔.环己酮肟钛硅分子筛催化剂的研究进展[J].合成纤维工业,2015,38(1):54-58.

Ge Qian, Lu Jianguo, Zhu Mingqiao.Research progress of titanium silicalite molecular sieve for cyclohexanone ammoximation[J].Chin Syn Fiber Ind,2015,38(1):54-58.

[4] 章勇洁,王亚权,刘腾飞,等.TS-1催化的酮氨肟化反应机理的进一步研究[J].石油化工,2004,33(S1):730-732.

Zhang Yongjie, Wang Yaquan, Liu Tengfei, et al. Further study on catalytic ammoxidation mechanism of cyclohexanone[J]. Petrochem Tech,2004,33(S1):730-732.

Simulation and application of baffle installation angle in ammoximation reactor

Sun Jiehua, Zhang Xiaohui

(CaprolactamDivision,SINOPECBalingCompany,Yueyang414000)

The mixing effect was simulated with CFD software at different baffle installation angle in ammoximation reactor. The influence of the baffle installation angle on the ammoximation reaction was studied through the analysis of flow field and was applied in the practical production. The results showed that the mixing effect was more efficient and uniform at the baffle installation angle of +30° than at -30° in ammoximation reactor, which was beneficial to improving the reaction effect; and the conversion rate and the selectivity of ammoximation reaction were increased in some degree, respectively, the quality of cyclohexanone oxime was improved and the plant consumption was decreased when the ammoxiation reactor was reformed by applying ZCX stirring blades with the diameter of 1 700 mm, the installation angle of +30° and stirring motor power of 22 kW.

cyclohexanone oxime; ammoximation reaction; reactor; baffle; installation angle; simulation; application

2017- 01-15； 修改稿收到日期：2017- 02-24。

孙洁华(1970—)，女，工程师，主要从事己内酰胺生产技术研究及管理。E-mail：sunjh.blsh@sinopec.com。

TQ234.2+1

A

1001- 0041(2017)02- 0055- 04