本文關(guān)鍵詞：丙烯高溫氯化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分子模擬及氯化反應(yīng)器CFD模擬與優(yōu)化

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【摘要】：丙烯氯化反應(yīng)是化工生產(chǎn)中的一類重要反應(yīng)。在高溫條件下,丙烯與氯氣無需催化劑,就可發(fā)生取代、加成等反應(yīng)。其中,不僅有生成3-氯丙烯(3-C_3H_5Cl)的主反應(yīng),同時(shí)還伴隨多種副反應(yīng),產(chǎn)物組成十分復(fù)雜。主產(chǎn)物3-C_3H_5Cl是非常重要的化工中間體和基礎(chǔ)原料,用途非常廣泛,常用于有機(jī)合成、香料、粘合劑、農(nóng)藥、涂料、也用于合成樹脂和塑料阻燃等。但目前丙烯高溫氯化法工業(yè)生產(chǎn)中存在開車周期短、收率較低、能耗高、副產(chǎn)物多等難題。本文提出從氯化反應(yīng)源頭出發(fā),通過深入探索氯化反應(yīng)的分子機(jī)理以及氯化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,試圖為解決上述問題提供技術(shù)支持。具體來說,本文工作分為以下兩個(gè)主要部分。第一個(gè)部分是基于分子模擬方法研究丙烯高溫氯化反應(yīng)機(jī)理,提出了高溫下三個(gè)主要氯化反應(yīng)的機(jī)理。這三個(gè)主要反應(yīng)是:氯氣與丙烯生成3-氯丙烯與氯化氫(Cl_2+C_3H_6→3-C_3H_5Cl+HCl)、氯氣與丙烯生成1,2-二氯丙烷(Cl_2+C_3H_6→1,2-C_3H_6Cl_2),氯氣與3-氯丙烯生成2,3-二氯丙烯與氯化氫(Cl_2+3-C_3H_5Cl→2,3-C_3H_4Cl_2+HCl)。本文在MP2/6-31G理論計(jì)算水平上,搜索了最可能反應(yīng)路徑上的過渡態(tài),得到了上述反應(yīng)的宏觀動(dòng)力學(xué)模型。以上三個(gè)反應(yīng)依次被稱為反應(yīng)I、反應(yīng)II和反應(yīng)III。分子模擬研究表明:(1)丙烯高溫氯化反應(yīng)的機(jī)理是自由基機(jī)理,且存在決速步;(2)根據(jù)基元反應(yīng)的活化能和反應(yīng)速率常數(shù),獲得了以上三個(gè)反應(yīng)的決速步及其活化能,依次是78.42k J/mol、27.83 k J/mol和148.87 k J/mol;(3)三個(gè)反應(yīng)決速步的反應(yīng)速率常數(shù)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)通過對(duì)三個(gè)反應(yīng)的宏觀動(dòng)力學(xué)的分析,得出結(jié)論:低溫有利于加成反應(yīng),高溫有利于取代反應(yīng)。三個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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)第二個(gè)部分是運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)對(duì)射流混合反應(yīng)器進(jìn)行模擬和優(yōu)化。運(yùn)用分子模擬獲得的宏觀動(dòng)力學(xué)模型,采用CFD模擬方法優(yōu)化丙烯高溫氯化反應(yīng)器。射流反應(yīng)器優(yōu)化的主要方面包括喉道半徑、混合長度、混合角、C_3H_6/Cl_2進(jìn)口摩爾比和C_3H_6入口溫度。通過以上五個(gè)方面因素對(duì)射流攪拌反應(yīng)器的溫度分布、產(chǎn)品分布影響的分析,獲得了一組優(yōu)化數(shù)據(jù)。CFD模擬優(yōu)化研究表明:(1)反應(yīng)器CFD模擬結(jié)果與實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的結(jié)果趨勢(shì)上是一致的;(2)基于一系列的喉道半徑、混合長度、混合夾角、C_3H_6/Cl_2進(jìn)口摩爾比以及C_3H_6進(jìn)口溫度的模擬分析,當(dāng)喉管半徑為50mm,混合長為150mm和混合夾角為30°,C_3H_6/Cl_2進(jìn)口摩爾比取5.4:1、C_3H_6進(jìn)口溫度取613.15K時(shí)較為有利于3-C_3H_5Cl的生產(chǎn)。
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O643.12;TQ052

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