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停留时间分布对反应精馏的影响初探—实验验证与过程优化

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停留时间分布对反应精馏的影响初探—实验验证与过程优化

作者：杨鹏飞天津大学

学位级别：硕士

在传统的反应精馏(RD)过程中,反应段的催化剂填装分布或者理论级上反应停留时间分布(SARTD)通常是均匀设计的,而如果采用不均匀分布的设计对反应精馏效果的影响是少有文献报道的。本文采用反应精馏实验和过程设计优化相结合的方法,探究... 详细信息

在传统的反应精馏(RD)过程中,反应段的催化剂填装分布或者理论级上反应停留时间分布(SARTD)通常是均匀设计的,而如果采用不均匀分布的设计对反应精馏效果的影响是少有文献报道的。本文采用反应精馏实验和过程设计优化相结合的方法,探究了反应精馏塔内反应段内停留时间分布对RD过程的影响,并为SARTD优化问题提供了一种可行的解决方案,这可以为反应精馏塔内催化分离内构件的设计和工业应用提供一定参考。本文选择乙酰丙酸和乙醇在树脂催化剂作用下制备乙酰丙酸乙酯的反应精馏过程作为研究案例,对SARTD问题进行了反应精馏实验验证和过程模拟优化。首先进行了乙酰丙酸和乙醇的酯化反应动力学实验,测定了大孔阳离子交换树脂KRD001的催化性能,并获得了相应的反应动力学方程和化学平衡方程。之后,在两种催化剂装填分布条件下(均匀和不均匀,通过在SCPI中装填不同质量的催化剂实现不均匀分布)进行了反应精馏实验,探究了SARTD对酯化反应精馏过程的影响,进行了关于SARTD问题研究的反应精馏实验验证工作。实验结果表明:相对于催化剂均匀分布的设置,采用催化剂不均匀分布之后,乙酰丙酸的转化率相对提高了10.85%,也验证了合理的催化剂装填分布有利于提高乙酸丙酸乙酯酯化反应精馏过程的效果。最后,利用Aspen Plus平台建立了可靠的稳态反应精馏过程模型,并将该模型用于RD过程优化。以最小化的单位质量产品再沸器负荷(RDP)为优化目标,编写了遗传算法(GA)优化代码来进行SARTD的优化过程研究。研究结果表明:优化后的反应段停留时间分布变得很不均匀,靠近进料位置的理论级上被设置更大的SART;与均匀的SARTD相比,采用优化的SARTD,乙酰丙酸转化率可以提高3.06%,RDP降低10.09%;若保证反应精馏效果不变前提下,采用优化的SARTD可以使反应段所需的总停留时间减少11.75%。进一步的分析结果表明:优化的SARTD结果与反应段各理论级的平衡状态是密切相关的,优化前的反应进度因子分布和优化后的停留时间分布大体上是一致,并提出了一种SARTD优化的新方法,这也可以为其他RD生产过程优化问题提供指导与借鉴。

关键词：反应精馏停留时间分布乙酰丙酸乙酯遗传算法过程优化

停留时间分布理论中脉冲响应法的前置条件研究

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化工装备技术 2023年第6期44卷 43-46页

作者：高章帆余子豪游杰中国成达工程有限公司

脉冲响应法是化工设备中流体停留时间分布(RTD)最常用的测试方法。通过数值模拟和实验,采用脉冲响应法测试了设备中流体的RTD,分析了脉冲时间对RTD测试结果的影响,并提出了有效脉冲时间范围。

关键词：脉冲响应法停留时间分布脉冲时间

不同桨型下含盘管的连续搅拌釜停留时间分布的研究

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高校化学工程学报 2022年第4期36卷 554-561页

作者：黄聪吴可君何潮洪浙江省化工高效制造技术重点实验室浙江大学化学工程与生物工程学院浙江杭州310027 浙江大学衢州研究院浙江衢州324000

用于含能化合物制备的连续釜式反应器通常安装有螺旋盘管,釜内流动情况复杂。研究搭建了一套含螺旋盘管的连续搅拌釜装置,对四斜叶桨(PBT)、推进桨(PRO)和翼型桨(CBY)作用下连续搅拌釜的停留时间分布进行了测定,并考察了桨型、进料流量... 详细信息

用于含能化合物制备的连续釜式反应器通常安装有螺旋盘管,釜内流动情况复杂。研究搭建了一套含螺旋盘管的连续搅拌釜装置,对四斜叶桨(PBT)、推进桨(PRO)和翼型桨(CBY)作用下连续搅拌釜的停留时间分布进行了测定,并考察了桨型、进料流量、搅拌转速、表观气速等因素对无因次方差的影响,同时考察了对有气体产生的体系在含盘管的连续搅拌釜中多级混合模型的适用性。研究结果表明:多级混合模型基本适用于对含盘管连续搅拌釜式反应器的非理想流动的描述,可用于含盘管连续搅拌釜式反应器的优化设计。当其他条件相同,随着搅拌转速、表观气速的增大,含盘管的连续搅拌釜的无因次方差逐渐增大。对于强放热反应,推荐使用四斜叶桨或推进桨,可以较好地增强釜内物料的混合。

关键词：连续搅拌釜螺旋盘管停留时间分布含能化合物

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微通道内低黏聚合物流体的停留时间分布研究

化工学报 2021年第8期72卷 4030-4038页

作者：赵晶李伯耿卜志扬范宏化学工程联合国家重点实验室浙江大学化学工程与生物工程学院浙江杭州310027

以低分子量的聚丙二醇为流动介质、酸性橙的N,N-二甲基乙酰胺溶液为示踪剂,采用脉冲响应法测定了螺旋型微通道(MC)反应器内的停留时间分布(RTD),验证了平行多釜串联(PTIS)模型与RTD实验数据的匹配性,系统考察了MC长度和Reynolds数(Re)对... 详细信息

以低分子量的聚丙二醇为流动介质、酸性橙的N,N-二甲基乙酰胺溶液为示踪剂,采用脉冲响应法测定了螺旋型微通道(MC)反应器内的停留时间分布(RTD),验证了平行多釜串联(PTIS)模型与RTD实验数据的匹配性,系统考察了MC长度和Reynolds数(Re)对RTD的影响,并讨论了流体径向速度分布指数y和Peclet数(Pe)的变化规律。结果表明,RTD随MC长度的增加而变窄。当通过降低黏度来增大Re时,RTD随之变窄。当通过增大流速来增大Re时,若管径较大,则RTD随之变窄。但若管径较小且管长不长时,则RTD随Re的增加而变宽;如管长较长,则RTD随Re(或流速)的增加先变宽后变窄,即存在临界Reynolds数(Rec)。RTD的这些变化规律表明,二次流动和径向分子扩散对细小管径的MC的RTD有显著的影响。

关键词：微通道停留时间分布混合模型

停留时间分布分析法在井间示踪剂监测中的应用

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精细与专用化学品 2022年第4期30卷 23-27页

作者：谢诗章温守国王跃宽联翩石晓博曹新中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津300452

为了解渤海A油田I1井组注采井间动态连通关系、储层非均质性及整体水驱效果,优选水溶性有机微量物质示踪剂WT-07,对该井实施了为期1.5a的井间示踪剂监测。对各个监测井产出油水样中的示踪剂浓度进行了分析,结合生产动态数据,利用停留时... 详细信息

为了解渤海A油田I1井组注采井间动态连通关系、储层非均质性及整体水驱效果,优选水溶性有机微量物质示踪剂WT-07,对该井实施了为期1.5a的井间示踪剂监测。对各个监测井产出油水样中的示踪剂浓度进行了分析,结合生产动态数据,利用停留时间分布分析法计算了各井井间波及体积、平均停留时间以及洛伦兹系数等参数。结果表明,受益井P1井间波及体积53671m^(3),平均停留时间101d,洛伦兹系数0.17;P2井间波及体积102751m^(3),平均停留时间168d,洛伦兹系数0.24;P3井间波及体积9232m^(3),平均停留时间80d,洛伦兹系数0.39。P1、P2井与I1井间水窜通道接近均质储层,而P3井与I1井间水窜通道非均质性较强,该井组P2井水驱效果最好,P1井次之,P3井最差。本次应用研究为停留时间分布分析法在井间示踪剂结果解释中的进一步推广奠定了基础。

关键词：示踪剂停留时间分布水驱井间监测

连续操作密相流化床颗粒停留时间分布特性模拟放大研究

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化工学报 2021年第1期72卷 521-533页

作者：兰斌徐骥刘志成王军武中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室北京100190 中国科学院大学化学工程学院北京100049 中国科学院绿色过程制造创新研究院北京100190 中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院上海201208

采用基于GPU(graphics processing unit)大规模并行的粗粒化CFD-DEM(computational fluid dynamicsdiscrete element method)方法,耦合多分散、非球形颗粒曳力模型,对连续操作的三维流化床进行了长时间颗粒停留时间模拟。通过对不同尺寸... 详细信息

采用基于GPU(graphics processing unit)大规模并行的粗粒化CFD-DEM(computational fluid dynamicsdiscrete element method)方法,耦合多分散、非球形颗粒曳力模型,对连续操作的三维流化床进行了长时间颗粒停留时间模拟。通过对不同尺寸(长度)流化床的模拟发现不同粒径颗粒平均停留时间(mean residence time,MRT)与流化床长度呈线性关系,该关系可以用来预测更大尺寸流化床内的颗粒停留时间。随着流化床长度的增加,不同粒径颗粒MRT的差异变大,说明流化床长度的增加对不同尺寸颗粒的停留时间具有一定的调控能力。

关键词：气固流多分散颗粒停留时间分布离散模拟放大

多级挡板对横流鼓泡床颗粒停留时间分布影响的数值模拟

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过程工程学报 2024年

作者：屠楠王驰宇刘晓群刘家琛方嘉宾西安工程大学机电工程学院西安交通大学化学工程与技术学院

基于欧拉双流体模型耦合组分输运方程对三维横流矩形鼓泡流化床内气固两相流动行为进行了数值模拟，在挡板数1～13范围内探究了挡板形式(溢流板、底流板和侧流板)对颗粒流动状态及停留时间分布的影响规律。使用颗粒再循环率R-评估了流... 详细信息

基于欧拉双流体模型耦合组分输运方程对三维横流矩形鼓泡流化床内气固两相流动行为进行了数值模拟，在挡板数1～13范围内探究了挡板形式(溢流板、底流板和侧流板)对颗粒流动状态及停留时间分布的影响规律。使用颗粒再循环率R-评估了流化床内腔室间的颗粒输运行为。结果表明，三种挡板形式均能提高床内颗粒停留时间的均一性，减弱颗粒返混，且颗粒流动随挡板数量增加趋于平推流，增加挡板数量有利于延长颗粒平均停留时间；采用侧流板可使床内形成横向固含率梯度，而底流板则使各腔室内出现“左低右高”的局部固含率梯度，表明挡板形式影响了颗粒输运行为的驱动力；此外，溢流床具有更高的颗粒再循环率，颗粒逆流现象严重，侧流板和底流板则能更好调节腔室间的颗粒输运行为，三种挡板形式下的颗粒再循环率均随挡板数量增加呈现降低趋势，而挡板数量对底流床的颗粒再循环率影响更大。

关键词：横流鼓泡流化床竖直挡板停留时间分布颗粒输运数值模拟

折流板设备中流体停留时间分布与流动形态的对比研究

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过程工程学报 2021年第11期21卷 1269-1276页

作者：高章帆范沐易刘少北邹雄黄卫星四川大学化学工程学院四川成都610065

折流板结构在大空间设备中形成折流通道,以防止短路,从而使流体与换热管和颗粒床等内构件充分接触。停留时间分布(RTD)实验具有简单便捷的优势,针对设备中的短路与如何确定设备合理结构的问题分别设计了几组结构来进行RTD实验与流场数... 详细信息

折流板结构在大空间设备中形成折流通道,以防止短路,从而使流体与换热管和颗粒床等内构件充分接触。停留时间分布(RTD)实验具有简单便捷的优势,针对设备中的短路与如何确定设备合理结构的问题分别设计了几组结构来进行RTD实验与流场数值模拟研究。对比分析结果表明,设备中的短路和死区是相对存在的,通过RTD密度函数曲线的出峰时间及拖尾情况能判断设备中短路与死区的情况,该结论可以为设备设计提供理论依据。利用多釜串联模型的釜数及RTD曲线的出峰时间和方差分析了流量、折流板缺口面积及板距对设备中流体流动形态的影响;研究了设备中的压降,综合考虑设备的能耗和性能,提出了以RTD实验来确定折流板设备合理结构时最合适的釜数、出峰时间及方差。

关键词：停留时间分布流动形态短路和死区压降结构设计

离子液体催化烷基化旋流反应器内轻相停留时间分布模拟研究

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高校化学工程学报 2017年第1期31卷 67-73页

作者：朱丽云张明阳王磊王振波孙治谦金有海刘植昌中国石油大学(华东)化学工程学院山东青岛266580 中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室北京102249

研究提出了一种可实现反应分离一体化的新型离子液体催化烷基化用旋流反应器,采用RSM湍流模型、Eulerian多相流模型加载组分运输方程对旋流反应器内轻相停留时间分布开展数值研究,并考察重/轻相体积流量比、入口总流量对停留时间分布的... 详细信息

研究提出了一种可实现反应分离一体化的新型离子液体催化烷基化用旋流反应器,采用RSM湍流模型、Eulerian多相流模型加载组分运输方程对旋流反应器内轻相停留时间分布开展数值研究,并考察重/轻相体积流量比、入口总流量对停留时间分布的影响。模拟结果表明:旋流反应器内平均停留时间实验值与模拟值吻合;新型旋流反应器内停留时间分布曲线为单峰分布,无明显拖尾,说明反应器内返混现象较轻;轻相液体在旋流反应器内的平均停留时间随着入口流速的增大而减小;拟合出轻相液体平均停留时间与入口流量的函数关系,可根据烷基化反应时间来调节适宜的操作工况。

关键词：烷基化离子液体旋流反应器停留时间分布