丙烯高温氯化反应动力学分子模拟及氯化反应器CFD模拟与优化

发布时间：2017-12-16 06:00

  本文关键词：丙烯高温氯化反应动力学分子模拟及氯化反应器CFD模拟与优化

  更多相关文章： 分子模拟 机理 过渡态 CFD 优化

【摘要】：丙烯氯化反应是化工生产中的一类重要反应。在高温条件下,丙烯与氯气无需催化剂,就可发生取代、加成等反应。其中,不仅有生成3-氯丙烯(3-C_3H_5Cl)的主反应,同时还伴随多种副反应,产物组成十分复杂。主产物3-C_3H_5Cl是非常重要的化工中间体和基础原料,用途非常广泛,常用于有机合成、香料、粘合剂、农药、涂料、也用于合成树脂和塑料阻燃等。但目前丙烯高温氯化法工业生产中存在开车周期短、收率较低、能耗高、副产物多等难题。本文提出从氯化反应源头出发,通过深入探索氯化反应的分子机理以及氯化反应器结构优化设计方案,试图为解决上述问题提供技术支持。具体来说,本文工作分为以下两个主要部分。第一个部分是基于分子模拟方法研究丙烯高温氯化反应机理,提出了高温下三个主要氯化反应的机理。这三个主要反应是:氯气与丙烯生成3-氯丙烯与氯化氢(Cl_2+C_3H_6→3-C_3H_5Cl+HCl)、氯气与丙烯生成1,2-二氯丙烷(Cl_2+C_3H_6→1,2-C_3H_6Cl_2),氯气与3-氯丙烯生成2,3-二氯丙烯与氯化氢(Cl_2+3-C_3H_5Cl→2,3-C_3H_4Cl_2+HCl)。本文在MP2/6-31G理论计算水平上,搜索了最可能反应路径上的过渡态,得到了上述反应的宏观动力学模型。以上三个反应依次被称为反应I、反应II和反应III。分子模拟研究表明:(1)丙烯高温氯化反应的机理是自由基机理,且存在决速步;(2)根据基元反应的活化能和反应速率常数,获得了以上三个反应的决速步及其活化能,依次是78.42k J/mol、27.83 k J/mol和148.87 k J/mol;(3)三个反应决速步的反应速率常数依次是k(1-2)=1.94×10~7×exp((-71.29×1000)÷8.314T) k(2-3)=4.61×10~6×exp((-3.9.26×1000)÷8.314T) k(3-2)=7.01×10~7×exp((-143.08×1000)÷8.314T) (4)通过对三个反应的宏观动力学的分析,得出结论:低温有利于加成反应,高温有利于取代反应。三个反应的反应动力学模型依次是:r_1=3.61×10~9×exp((-113.98×1000)÷8.314T)(Cl_2_~(1/2)(CH_2CHCH_3) r_21=3.61×10~3×exp((-70.52×1000)÷8.314T)(Cl_2_~(3/2)(CH_2CHCH_3) r_3=2.2.8×10~(10)×exp((-185.77×1000)÷8.314T)(Cl_2_~(1/2)(CH_2CHCH_2Cl)第二个部分是运用计算流体力学(CFD)技术对射流混合反应器进行模拟和优化。运用分子模拟获得的宏观动力学模型,采用CFD模拟方法优化丙烯高温氯化反应器。射流反应器优化的主要方面包括喉道半径、混合长度、混合角、C_3H_6/Cl_2进口摩尔比和C_3H_6入口温度。通过以上五个方面因素对射流搅拌反应器的温度分布、产品分布影响的分析,获得了一组优化数据。CFD模拟优化研究表明:(1)反应器CFD模拟结果与实际工业生产的结果趋势上是一致的;(2)基于一系列的喉道半径、混合长度、混合夹角、C_3H_6/Cl_2进口摩尔比以及C_3H_6进口温度的模拟分析,当喉管半径为50mm,混合长为150mm和混合夹角为30°,C_3H_6/Cl_2进口摩尔比取5.4:1、C_3H_6进口温度取613.15K时较为有利于3-C_3H_5Cl的生产。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.12;TQ052

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;萘的氯化反应研究[J];郑州大学学报(自然科学版);1977年02期

2 高希青;烷烃磺氯化反应的微观动力学[J];日用化学工业;1983年03期

3 李中杰;氯化苄生产中氯化反应速率的影响因素探析[J];氯碱工业;2000年12期

4 朱虹;水中加氯对三氮的氯化反应特性研究[J];油气田环境保护;2000年04期

5 王乐勤 ,李贵军;氧氯化反应器的腐蚀和材料选择[J];压力容器;2002年06期

6 邢卓,黄丽颖,任克华,赵杰;氯化反应器的制造[J];压力容器;2003年07期

7 何红波;姚日生;邓胜松;;有机氯化反应及其控制[J];精细化工中间体;2006年02期

8 杨瑞良;;苯氯化反应温度的控制[J];氯碱工业;2008年06期

9 王芳超;高官俊;杨绪壮;苏海全;;炭载体对乙炔氢氯化反应金催化剂催化性能的影响[J];化工进展;2010年S1期

10 王斌楠;刘国强;孔德洋;陆隽鹤;;炔雌醇氯化反应的动力学和机制研究[J];环境科学;2013年06期

中国重要会议论文全文数据库 前6条

1 王永;张进平;乔旭;;工业氯化反应过程中氯资源的循环利用[A];第一届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(上)[C];2004年

2 刘国强;陆隽鹤;;炔雌醇氯化反应的动力学研究[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年

3 万永周;崔咪芬;汤吉海;乔旭;;工业氯化反应过程中氯资源循环利用的初步研究[A];第七届全国精细化学品化学学术会议论文集[C];2004年

4 穆晓蕾;黄凤兴;李爽;齐兰芝;;乙烯直接氯化反应工艺路线探究[A];中国化工学会2008年石油化工学术年会暨北京化工研究院建院50周年学术报告会论文集[C];2008年

5 张媛;崔咪芬;乔旭;;乙酸氯化反应结晶耦合技术的研究[A];第一届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(上)[C];2004年

6 李本祥;王良芥;罗和安;;气固催化氯化反应混合器混合特性研究[A];第一届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(上)[C];2004年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 张媛;乙酸氯化反应动力学及反应分离耦合工艺研究[D];南京工业大学;2005年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 徐娜;载体改性对乙炔氢氯化反应钌基催化剂性能的影响[D];石河子大学;2016年

2 张春丽;乙炔氢氯化反应Au催化毒化机理及非金属催化剂研究[D];石河子大学;2016年

3 高宁宁;丙烯高温氯化反应动力学分子模拟及氯化反应器CFD模拟与优化[D];湘潭大学;2016年

4 杜杰;氧氯化反应器操作优化分析研究[D];浙江大学;2005年

5 丁晓民;吡啶气相光氯化反应工艺与动力学研究[D];南京工业大学;2005年

6 白丽;白云鄂博稀土尾矿焙烧—氯化反应的研究[D];东北大学;2008年

7 王永;氯化反应过程中氯资源的循环利用[D];南京工业大学;2005年

8 李鑫;氧氯化反应器的失效分析及预防措施的研究[D];华东理工大学;2015年

9 葛无;CMS多氯化反应器计算机模拟研究[D];浙江大学;2003年

10 王彦方;L型分子筛的合成及其在甲苯定向氯化反应中的应用[D];浙江师范大学;2013年

，

本文编号：1294912