填料塔中亞硝酸甲酯再生過程模擬

李文龍，王瑋涵，李振花，馬新賓

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填料塔中亞硝酸甲酯再生過程模擬

李文龍，王瑋涵，李振花，馬新賓

（天津大學化工學院，綠色合成與轉化教育部重點實驗室，天津 300072）

在氣相偶聯合成草酸酯工藝過程中，亞硝酸甲酯（MN）再生過程與偶聯反應有效匹配是實現整個系統綠色無污染的關鍵，也是影響草酸酯合成工業放大過程的關鍵一步。對于MN再生過程的工藝優化和宏觀動力學方面進行了較多研究和報道，而對MN再生過程的數學模擬研究較少。通對MN再生過程中發生的主要化學反應進行分析簡化，并結合MN再生反應動力學參數，在填料塔中建立了MN再生反應數學模型，并計算了主要工藝參數對MN收率的影響。模擬結果表明，隨溫度升高、氣體流速增大、N2體積分數增大，MN的收率減小，液體流速增大和NO/O2摩爾比增大，MN收率增大。通過實驗驗證了該模型的準確性，MN收率的模擬結果與實驗數據的最大相對偏差為-4.39%，為MN再生反應過程的設計和操作提供了理論依據；最后，對于兩種不同的NO和O2混合方式進行了比較，通過模擬計算比較了這兩種不同操作方式對MN收率的影響。

亞硝酸甲酯；填料塔；數學模擬；再生；吸收

引 言

草酸酯是重要的有機化工原料，廣泛應用于精細化工制備各種染料、醫藥、重要的溶劑、萃取劑以及各種中間體[1]。目前，草酸酯的合成工藝有很多，其中CO氣相催化偶聯反應因其反應條件溫和、催化劑的損失小、固定投資和動力消耗低等優點，成為國內一碳化學及有機化工領域中的研究熱點。CO氣相催化偶聯反應制取草酸二甲酯（dimethyl oxalate，DMO）包括CO偶聯反應和亞硝酸甲酯（methyl nitrite， MN）再生反應，反應方程式如下：

偶聯反應

再生反應

總反應

偶聯反應以再生反應生成物MN為載氧體，生成物NO作為再生反應的反應物循環使用，因此，再生反應和偶聯反應的有效匹配是實現整個系統綠色無污染的關鍵[2]。國內外的學者[3-5]對CO偶聯反應過程已做了較多的研究和報道，而針對MN再生反應所做的研究和報道較少，且一般都局限在工藝條件和宏觀動力學方面[6-8]，對MN再生反應的數學模型的研究較少。

MN再生反應是NO和O2與甲醇進行的氣液反應，屬于NO化學吸收的范疇，是復雜的吸收-反應過程之一。目前，已見報道的關于NO吸收的數學模型大多數是用于描述NO在水[9-10]、酸液[11-12]、堿液[13-15]和氧化劑溶液[16]中的吸收過程，而針對NO在甲醇中的吸收和反應過程的研究很少，主要原因是缺乏可靠的MN再生反應動力學模型。柳 剛[17]在雙攪拌反應器中對合成MN的宏觀動力學進行了研究，并根據MN動力學的研究結果，在填料塔中對合成MN進行了模擬計算。考察了反應溫度、氣體流量、混合氣體中惰性氣體的含量、NO與NO2比例、N2O3的轉化率、填料的類型對所需填料層高度的影響，為工業放大裝置的設計、操作提供了理論指導。郭新連等[18]采用Aspen軟件模擬 MN 反應塔的工藝，根據實際裝置的反應轉化率與反應時間，驗證并修正了MN動力學參數，同時利用Aspen軟件的靈敏度，分析了優化塔的操作參數，模擬結果對 MN 反應塔的工藝設計與工業化有一定指導意義。魯文質[19]同樣采用Aspen模擬計算了反應條件(溫度和壓力)和精餾條件(反應精餾塔的精餾段和提餾段塔板數、回流量)對反應結果的影響，并將反應精餾塔小試實驗與模擬結果進行對比，模擬結果偏高。Li等[8]在獲得了亞硝酸甲酯再生反應動力學模型的基礎上，建立了描述半連續填料鼓泡塔中MN再生反應過程的數學模型，并很好地預測了填料鼓泡塔中的MN再生反應結果，模擬的結果與實驗結果吻合度良好。本文采用已報道的MN再生反應動力學參數，在填料塔中建立MN再生的數學模型，分析主要工藝參數對MN再生的影響，并驗證模型的準確性，從而為MN再生過程的設計和操作提供理論依據，最后比較了兩種不同操作方式(NO與O2先混和后混)對MN收率的影響。

1 數學模型建立

1.1 氣相反應

MN再生反應的氣相原料為O2、NO，以N2作為稀釋氣和保護氣，NO與O2發生不可逆的氧化反應生成NO2，氧化速率對于NO是二級反應，對于O2是一級反應，其反應方程式、速率方程相關參數[20]如下

同時氣相中也進行一些可逆的反應，如

對于可逆反應式(5)和式(6)，反應速率極快，能夠迅速達到平衡狀態，可以認為氣相主體各物質很快達到平衡狀態[21]。雖然各個物質很快達到平衡，但是受到熱力學的限制，N2O3和N2O4在氣相中的量相對于NO和NO2的量卻很少。

1.2 液相反應

氣相主體的氮氧化合物（NO）與液相甲醇接觸時會發生如下反應

反應式(7)是一個快速反應，是生成MN的主要反應，反應式(8)和式(9)除了生成MN外，還生成副產物HNO3，反應過程中檢測到的HNO3量相對于MN的生成量是非常小的[6,8]，因此可以忽略反應式(8)和式(9)。由于文獻中缺乏N2O3與甲醇反應的動力學數據，且NO和NO2的混合氣與N2O3氣體具有相似的物化性質，所以用NO和NO2混合氣代替N2O3與甲醇反應，式(7)可以改為

對于式(10)，Liu等[6]和Li等[8]在氣液雙攪拌裝置中對MN再生反應進行了詳細的研究，得到了其動力學模型參數，但是Liu等[6]是在NO:NO21:1的條件下獲得MN再生反應的動力學參數，使用范圍受到限制，而Li等[8]研究所得的MN動力學模型不受NO與NO2濃度的限制，因此本文模擬計算采用該動力學參數，其表達式如下為

1.3 填料塔中模型的建立

在填料塔中（圖1）進行MN再生反應模擬，假設：①氣相遵循理想氣體行為，并且以活塞流的形式從塔底進入，從塔頂流出；②液相采用無水甲醇，從塔頂經液體分布與氣相逆向接觸反應，從塔底流出，液相中生成的副產物水的量相對于甲醇的量很少，近似認為甲醇的濃度恒定；③反應生成的MN很快擴散到氣相中，其在液相中的溶解損失量可以忽略；④全塔處于穩定操作狀態下，且持液量不隨塔高變化。

圖 1 填料塔

氣相活塞流模型，各個物質經過微元高度d后的物料衡算方程為

1.4 設計參數的估算

在模擬過程中，氣含率、有效傳質比表面積采用以下經驗方程式進行估算。

（1）有效傳質比表面積 對于散堆填料的有效傳質比表面積，Puranik等[22]給出了相關的關聯式進行估算

（2）氣含率 在填料塔中，氣體的氣含率可以通過填料的空隙率減去填料的持液量求得，即

持液量采用Billet[23]模型進行估算。

持液量

靜持液量

當L＜5時

當L≥5時

液體Reynolds數

液體Froude數

其中

2 實驗結果與討論

在中型填料塔中進行MN再生反應的模擬計算，該塔主要的設計參數和操作參數為：填料塔內徑為0.6 m；采用金屬不銹鋼鮑爾環填料25 mm，無催化作用，填料高度2 m；液體流速為4 mm·s-1；氣體流速為0.1 m·s-1，惰性氣體占總氣體流量的70%～85%，NO和O2從塔底進入，摩爾比(4:1)～(7:1)，壓力101.3 kPa。

2.1 參數的敏感性

2.1.1 溫度的影響 模擬反應條件：壓力101.3 kPa，氣體流速G0.1 m·s-1，液體流速L4 mm·s-1，惰性氣體N2占總氣體體積含量為80%，NO與O2的摩爾比為4:1，改變溫度參數，所得氧氣轉化率和MN收率的模擬結果如圖2所示。從圖2可以看出，在選定的溫度范圍內，溫度對于MN收率的影響不大，隨著溫度升高，MN的收率略有降低。對于反應式(4)，其反應速率隨著溫度升高而減小，溫度升高，NO的氧化速率降低，NO2的生成量減少，MN生成速率降低，致使MN收率隨溫度升高而降低。由反應式(10)的動力學參數可知MN生成速率卻是隨著溫度升高而增加的，也正是由于這兩個相反的作用，致使MN再生反應受溫度的影響變化不大。

圖2 溫度對MN再生反應結果的影響

(G0.1 m·s-1,L4 mm·s-1, NO/O2molar ratio 4:1,80%)

2.1.2 進料中NO與O2摩爾比的影響 模擬反應條件：壓力101.3 kPa，反應溫度35℃，氣體流速G0.1 m·s-1，液體流速L4 mm·s-1，惰性氣體N2占總氣體體積含量為80%，改變NO與O2的摩爾比，所得氧氣轉化率和MN收率的模擬結果如圖3所示。從圖3可以看出，MN的收率隨著NO/O2的摩爾比增加而增大。較高的NO/O2摩爾比，提高了O2的轉化率和NO2的生成速率，進而提高了MN的收率。在合成草酸酯的工藝中，MN再生反應中未完成轉化的O2會造成后續偶聯反應催化劑的失活，為了使O2盡可能完全轉化，一般采用較高的NO/O2摩爾比。

圖3 NO與O2摩爾比對MN再生反應結果的影響

(G0.1 m·s-1,L4 mm·s-1,80%,35℃)

2.1.3 氣體流速的影響 模擬反應條件：壓力101.3kPa，反應溫度35℃，液體流速L4 mm·s-1，惰性氣體N2占總氣體體積含量為80%，NO與O2的摩爾比為4:1，改變氣體流速，所得氧氣轉化率和MN收率的模擬結果如圖4所示。從圖4可以看出，隨空塔氣速的增加，O2的轉化率略有減小，MN的收率減小。這是由于氣速增加，氣體在填料塔中的停留時間變短，氣液接觸時間變短。NO的氧化反應[式(4)]是在氣相中發生的，受此影響較小，而MN再生反應是在氣液兩相界面處發生的，停留時間變短，氣相中的反應物與液體甲醇接觸反應時間變短，MN的生成速率減小，使MN的收率降低。

圖4 空塔氣速對MN再生反應結果的影響

(L4 mm·s-1,80%, NO/O2molar ratio 4:1,35℃)

2.1.4 液體流速的影響 模擬反應條件：壓力101.3 kPa，反應溫度35℃，氣體流速G0.1 m·s-1，惰性氣體N2占總氣體體積含量為80%，NO與O2的摩爾比為4:1，改變液體流速，所得氧氣轉化率和MN收率的模擬結果如圖5所示。從圖5中可以看出，液體流速增加，O2的轉化率降低，MN的收率增大。液體流速增加，液體的噴淋密度增大，填料層中液體的持液量增加，填料間空隙減小，NO的氧化反應空間減小，氧化速率降低，O2轉化率減小；對于MN生成反應，填料中液體持液量的增加，增大了氣液接觸的有效傳質面積，促進了MN的生成，因此MN收率增加。

圖5 液體流速對MN再生反應結果的影響

(G0.1 mm·s-1,80%, NO/O2molar ratio 4:1,35℃)

2.1.5 進料氣中惰性氣體的百分含量的影響 模擬反應條件：壓力101.3 kPa，反應溫度35℃，氣體流速G0.1 m·s-1，液體流速L4 mm·s-1， NO與O2的摩爾比為4:1，改變N2在總氣體流量中的體積分數，所得氧氣轉化率和MN收率的模擬結果如圖6所示。由圖6可以看出，隨著N2含量減少，O2轉化率和MN收率均增大。在保持氣相總流量不變的前提下，降低N2含量可以增大O2和NO在氣相中的濃度，從而增大NO氧化反應速率，O2的轉化率增大，生成的NO2在氣相中的濃度也相應增大，使得氣相中NO和NO2的濃度相應增大，可有效促進其在液相中的擴散，進而促進MN再生反應的進行，因此MN收率增加。

圖6 N2的體積含量對MN再生反應結果的影響

(G0.1 mm·s-1，L4 mm·s-1，NO/O24:1，35℃)

2.2 模擬與實驗結果的對比

受實驗室條件的限制，本文采用文獻報道的MN再生反應的實驗條件進行模擬，并將模擬結果與文獻中的實驗結果進行對比。具體的實驗條件和設備參數如下[19]：塔徑50 mm，填料采用3 mm×3 mm不銹鋼絲網θ環，填料高度2 m；原料氣總流量2.789 L·min-1（標況），體積組成NO 9.68%、O22.47%、N287.7%，甲醇流量3.6 g·min-1，壓力101.3 kPa。

從圖7 (a)可以看出，O2轉化率的模擬結果比實驗結果偏低，而MN收率的模擬結果與實驗結果能較好地吻合[圖7 (b)]。這是由于模擬計算過程中MN的生成是以NO和NO2為反應物，所以MN的生成會消耗部分NO，降低NO在氣相的濃度，使得NO的氧化速率減小，O2的轉化率降低。另外，實際反應過程中會生成部分副產物HNO3，增加了O2的消耗，而這部分消耗在模擬計算中被忽略了，因此使得模擬計算所得O2的轉化率比實際反應結果所得O2的轉化率較低，模擬結果與實驗結果偏差見表1。從表1可以看出，MN收率和O2轉化率的相對偏差都在允許的偏差范圍內。

圖7 計算值與實驗值的對比

表1 不同溫度下模擬結果與實驗結果偏差

3 先混操作

前文所描述的是將NO和O2分別從塔底引進，氧化反應和MN再生反應同時在塔中進行，這種操作叫后混方式[圖8 (a)]，與之對應的一種操作是在填料塔之前增加一個氧化容器，使得NO與O2預先充分混合，然后再引入填料塔中進行反應，這種操作叫做先混方式[圖8 (b)]，其優點是可以降低反應器的反應高度，減少填料用量。根據動力學方程和氣液反應機理可以定性得出如下結論：在使用同樣操作條件和設備尺寸下，與后混方式相比，采取先混方式操作時MN的收率較高，反應速率較快。然而鑒于文獻中缺乏兩種操作情況下的定量比較結果，本文對于先混方式的反應結果也進行了模擬計算，并在不同反應溫度下與后混反應結果進行了比較。

圖8 后混和先混操作方式

為了計算先混方式下的反應結果，需要建立相應的模型并進行模擬計算。在建立先混方式下的數學模型之前，同樣需要做一些假設條件，除了后混反應所做的假設之外，增加一條假設，即假設NO與O2在進入填料塔之前已經反應完全，O2被完全消耗。因此，先混反應各物質在填料塔中的物料衡算微分方程為

后混和先混操作的模擬采用相同的操作條件：填料塔內徑為0.6 m；采用金屬不銹鋼鮑爾環填料25 mm，無催化作用，填料高度2 m；壓力101.3 kPa，氣體流速G0.1 m·s-1，液體流速L4 mm·s-1，惰性氣體N2占總氣體體積含量為80%，NO與O2的摩爾比為4:1。則不同反應溫度下兩種不同操作方式的模擬結果如圖9所示。

圖9 不同溫度下先混與后混操作時MN收率對比

(G0.1 m·s-1,L4 mm·s-1, NO/O2molar ratio 4:1,80%)

從圖9可以看出，不同溫度下，先混操作所得MN的收率要比后混操作的高8.82%～13.36%。這是由于采用先混操作，反應器底部入口和反應床層氣相中的NO2濃度比后混操作的NO2濃度大，先混操作的MN生成速率比后混的大。同時，MN的生成反應與NO氧化反應屬于連串反應，MN生成速率在一定程度上受到NO氧化速率的影響，造成后混操作比先混操作MN的收率低。另外，從圖9還可以看出，隨著反應溫度升高，MN收率間的差距有逐漸增大的趨勢。這是因為在先混操作中，填料塔中只進行MN再生反應，而MN再生反應的生成速率隨溫度升高而增加，因此溫度升高，MN的收率增加。對于后混操作，NO氧化生成氮氧化合物與液相中氮氧化合物與甲醇反應生成MN的反應具有連串關系，溫度升高降低了NO的氧化速率，使NO2的生成濃度減小，MN的生成量減小，因此，MN收率隨反應溫度升高而減少。

采用兩種不同操作方式時，MN收率隨反應床層的變化如圖10所示，這表明采用兩種不同的進料方式，達到同樣的MN收率所使用的填料高度不同。表2為上述反應條件下采用兩種操作方式，MN收率為75%時，所需的填料層高度。從表2中可以看出，在同一溫度下，后混操作所需的填料高度比先混操作所需要的大很多，并且隨著反應溫度升高，差距增大，45℃時，后混操作所需填料高度約為先混操作的2倍。因此，采用先混操作有利于減少生產設備尺寸，減少填料量。

圖10 先混與后混操作中MN收率隨床層高度變化

(G0.1 m·s-1,L4 mm·s-1, NO/O2molar ratio 4:1,80%,35℃)

表2 不同溫度下兩種操作所需的填料高度

4 結 論

（1）在填料塔中建立了MN再生的數學模型，模擬計算結果表明：隨著溫度升高、氣體流速增大、N2體積分數增大，MN的收率減小；隨著液體流速增大和NO/O2摩爾比增大，MN收率增大。

（2）將模擬結果與實驗數據進行對比，MN收率的模擬值與實驗數據的最大相對偏差為-4.39%；O2轉化率的模擬值與實驗數據的最大相對偏差 為-8.15%。表明所建立的數學模型對于MN再生反應器放大設計有一定的指導意義。

（3）通過比較兩種不同操作方式對MN收率和填料層高度的影響發現，與后混操作方式相比，先混操作可獲得較高的MN收率；MN收率一定時，先混操作所用的填料高度遠低于后混操作。

符 號 說 明

a，ae——填料有效傳質比表面積，a的單位cm-1，ae的單位m-1 ap——填料幾何比表面積，m-1 CE——甲醇的濃度，mol·L-1 Ch——常數，與填料結構有關 Di——物質i在液相中擴散系數，cm2·s-1 FrL——液體Froude數 g——重力加速，m·s-2 Hi——物質i的亨利系數，kPa·cm3·mmol-1 hL——填料層持液量 hLS——靜持液量 ko——氧化速率常數，kPa-2·s-1 kr——MN生成速率常數，ml2·mmol-2·s-1 Pi——氣相主體中物質i的壓力，kPa R——摩爾氣體常數，8.314 J·mol-1·K-1 Ro——NO氧化速率，kmol·m-3·s-1 Rr——MN生成速率，mmol·ml-2·s-1 ReL——液體Reynolds數 T——溫度，K uf——泛點氣速，m·s-1 uG——空塔氣速，cm·s-1 uL——液體流速，m·s-1 z——填料層高度，cm εG——空隙率 μL——液體的黏度，Pa·s ρL——液體密度，kg·m-3 σc——填料材質表面張力，N·m-1 σL——液體表面張力，N·m-1

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Simulation of methyl nitrite regeneration in packed column

LI Wenlong, WANG Weihan, LI Zhenhua, MA Xinbin

Key Laboratory for Green Chemical TechnologySchool of Chemical Engineering and TechnologyTianjin UniversityTianjinChina

The process of methyl nitrite (MN) regeneration is a key step in scale-up of synthesis of alkyl esters. To maximize the real atom economy of the process, CO coupling reaction and MN regeneration need to be optimized and proceed at the same reaction rate. Studies on the process and kinetics of MN regeneration are reported. But few mathematical models for MN regeneration in a packed column are available. By analyzing the important reactions of MN regeneration, a mathematic model of MN regeneration in a packed column was developed with the reported kinetic parameters. The effect of main reaction parameters on MN yield was studied. The simulation results showed that MN yield increased with increasing liquid velocity and NO/O2mole ratio but decreased with increasing temperature, gas velocity and N2volume fraction. The simulation results were verified by experiments under different conditions, which proved that this model could be used for the design and operation of MN regeneration. Furthermore, the simulation results at two different mixing modes of NO and O2were presented.

methyl nitrite; packed column; mathematical modeling; regeneration; absorption

2014-08-26.

Prof.MA Xinbin, xbma@tju.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20141300

TQ 018

A

0438—1157（2015）03—0979—08

國家“十一五”科技攻關項目（2006BAE02B03）。

2014-08-26收到初稿，2014-12-15收到修改稿。

聯系人：馬新賓。第一作者：李文龍（1989—），男，碩士研究生。

supported by the National Key Project for the 11th Five Year Plan (2006BAE02B03).