3-3 反应器设计说明书

烟台大学Muse团队 目录202017年“东华科技陕鼓杯”第十一全国大学生化工设计竞赛烟台火电厂烟气深度脱硫及年产2.2万吨硫化氢项目反应器设计说明书设计单位烟台大学化学化工学院设计团队MUSE成员姓名唐泽彬 李知谦 盛 磊 刘 莹 毕晓琳指导教师田 晖 赵 旗 杜玉朋 任万忠2017年6月30日反应器设计说明书一. 概述4二. 反应器的选择52.1 常用反应器的类型5三. 反应器设备专利93.1 反应器专利选择依据93.2 反应器专利设计解读10四. 反应器设计举例114.1 克劳斯反应器的催化剂114.2 反应的动力学模型114.3 反应器的尺寸计算124.3.1 反应器的体积计算134.3.2 催化剂的空速计算:134.3.3 反应器尺寸计算144.4 反应器催化剂床层压降的计算144.5 克劳斯一级反应器CFD模拟144.6 反应器下部列管组计算18五. 反应器选型结果20烟台大学Muse团队 第一章 概述一. 概述反应器（chemical reactor）是一类重要的化工生产装置，广泛应用于化工、炼油、冶金、轻工等工业部门。由于化学反应种类繁多，机理各异，因此，为了适应不同反应的需要，化学反应器的类型和结构也必然差异很大。反应器的性能优良与否，不仅直接影响化学反应本身，而且影响原料的预处理和产物的分离，因而，反应器设计过程中需要考虑的工艺和工程因素应该是多方面的。反应器的应用始于古代，制造陶器的窑炉就是一种原始的反应器。近代工业中的反应器形式多样,例如:冶金工业中的高炉和转炉；生物工程中的发酵罐以及各种燃烧器，都是不同形式的反应器。反应器设计的主要任务首先是选择反应器的型式和操作方法，然后根据反应和物料的特点，计算所需的加料速度、操作条件（温度、压力、组成等）及反应器体积，并以此确定反应器主要构件的尺寸，同时还应考虑经济的合理性和环境保护等方面的要求。烟台大学Muse团队 第二章 反应器的选择二. 反应器的选择2.1 常用反应器的类型管式反应器：由长径比较大的空管或填充管构成，可用于实现气相反应和液相反应。釜式反应器：由长径比较小的圆筒形容器构成，常装有机械搅拌或气流搅拌装置，可用于液相单相反应过程和液液相、气液相、气液固相等多相反应过程。用于气液相反应过程的称为鼓泡搅拌釜（如鼓泡反应器）；用于气液固相反应过程的称为搅拌釜式浆态反应器。有固体颗粒床层的反应器：气体或(和)液体通过固定的或运动的固体颗粒床层以实现多相反应过程，包括固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器、涓流床反应器等。塔式反应器：用于实现气液相或液液相反应过程的塔式设备，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等。喷射反应器：利用喷射器进行混合，实现气相或液相单相反应过程和气液相、液液相等多相反应过程的设备。其他多种非典型反应器：如回转窑、曝气池等。下表是反应器形式与特性表：表2-1 应器的型式与特性型式适用的反应优缺点搅拌槽一级或多级串联液相液-液相液-固相适用性大，操作弹性大，连续操作时温度、浓度容易控制，产品质量均一，但高转化率时，反应容积大管式气相液相返混小，所需反应器容积小，比传热面积大；但对慢速反应，管要很长，压降大鼓泡塔气-液相气-液-固(催化剂)相气相返混小，但液相返混大；温度较易调节；气体压降大，流速有限制；有挡板可减少返混填料塔液相气-液相结构简单，返混小，压降小；有温差，填料装卸麻烦板式塔气-液相逆流接触，气液返混均小；流速有限制；如需传热，需在板间另加传热面固定床气-固(催化或非催化)相返混小，高转化率时催化剂用量少，催化剂不易磨损；传热控温不易，催化剂装卸麻烦流化床气-固(催化或非催化)相，特别是催化剂失活很快的反应传热好，温度均匀，易控制，催化剂有效系数大；粒子输送容易，但耗损大；床内返混大，对高转化率不利，操作条件限制较大移动床气-固（催化或催化）相，催化剂失活很快的反应固体返混小，固气比可变性大，粒子传送较易；床内温差大，调节容易通过查阅文献，克劳斯反应器和硫磺加氢反应器在工业上应用最广泛的就是固定床反应器，固定床反应器又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径215mm左右,堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。 2.2固定床反应器三种基本形式 轴向绝热式固定床反应器(见图2-1)。流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。 径向绝热式固定床反应器（见图2-2）。流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短,流道截面积较大,流体的压力降较小。但径向反应器的结构较轴向反应器复杂。以上两种形式都属绝热反应器,适用于反应热效应不大,或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。 列管式固定床反应器（见图2-3）。反应器由多根反应管并联构成。管内或管间置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在2550mm之间，管数可多达上万根。列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。此外，尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。例如：当反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热反应器串联成多级绝热式固定床反应器(见图2-4),反应器之间设换热器或补充物料以调节温度，以便在接近于最佳温度条件下操作。 图2-1 轴向绝热式固定床反应器 图2-2 径向绝热式固定床反应器 图2-3 列管式固定床反应器 图2-4 多级绝热式固定床反应器 固定床反应器有如下优点：可以严格控制停留时间，温度分布可以适当调节，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。反应速率较快，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。催化剂机械损耗小。结构简单。但另一方面，固定床反应器： 传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。 操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。烟台大学Muse团队 第三章 反应器设备专利三. 反应器设备专利3.1 反应器专利选择依据在反应器设计时，除了通常说的要符合“合理、先进、安全、经济”的原则，在落实到具体问题时，要考虑到如下的设计要点：(1)保证物料转化率和反应时间(2)满足物料和反应的热传递要求(3)设计适当的搅拌器和类似作用的机构(4)注意材质选用和机械加工要求由于我们团队采用的克劳斯工艺的原料气浓度很高，因此这里我们选用陕西智惠环保科技公司研发的一种适用于高浓度原料的克劳斯反应器（专利授权公告号：CN 203333297）图3-1 高浓度原料的克劳斯反应器1-段外筒；2-人孔；3-中段锥筒；4-支座；5-下段外角；6-进口气；7-出口气；8-下管板；9-列管组；10-1：环形折流板；10-2：环形折流板；11-上管板；12-不锈钢内筒；13-耐火瓷球；14-折板扶正器；15-催化剂床3.2 反应器专利设计解读这里上段外筒通过中段锥筒连接下段外筒；中段锥筒连接支座，下段外筒侧面设进气口底面设出气口；所述下段外筒内侧连接有下管板，上管板通过列管束连接下管板并连接一个装填催化剂的不锈钢内筒；不锈钢内筒的外侧与上段外筒之间为环形空隙，内筒外侧四周方向连接有不与外筒连接的折板扶正器；列管束的管间为原料气通道管内为产出气通道。外壳不接触高温产物气体，适应高浓度原料气带来的更高反应的温度而不需要耐高温的外壳材料和耐热衬里；节省外置换热器；列管组连接内筒构成浮动内件组合，受热自由向上膨胀，用于从烟气中回收二氧化硫制取硫磺的装置的高浓度原料气克劳斯反应器。原料气由进气口进入反应器后，经过列管组的管间折线形上升并被预热，继续通过内筒与外筒间的环形空间升至反应器内腔的顶部进入内筒的催化剂床层，在床层内向下流动并反应，反应热量使气体温度升高。高温产物气体离开床层经过列管组的管内下降，经列管组导热与管间上升的原料气换热得到降温，经出口离开反应器。烟台大学Muse团队 第四章 反应器设计举例四. 反应器设计举例4.1 克劳斯反应器的催化剂查阅文献石油与天然气化工中克劳斯反应催化剂的理论与实践一文，我们团队查得为尽可能达到克劳斯反应的平衡转化率，催化剂的比表面积应在300m2/g左右，或者更高一些；大孔孔隙率对催化剂活性起关键性作用。当催化剂超过300m2/g，孔隙率超过0.15，大孔半径在颗粒密度允许的范围内尽可能高，此时催化剂具有良好的活性。表4-1 催化剂性能参数项目指标催化剂型LS-300（山东齐鲁石化研究院）使用年限5年催化剂形装球形尺寸/mm 堆密度/(kg/L)主要成分助催化剂比表面积/(m2/g)孔容/(mL/g)压强度/（N/粒）特点 460.650.75Al2O3无3000.4140高活性4.2 反应的动力学模型H2S和SO2经催化发生的反应为：这里我们不考虑S单质的形式如S6，S8等，故可简化反应方程式形式为：2H2S+SO2=2H2O+3S动力学方程： -r=k pH2S mpSO2n，k=k0 e -ERT通过查阅国内外的文献，本团队查得来自University of Waterloo,Department of Chemical Engineering的H.A.EL Masry教授发表The Claus reaction Effect of forced feed composition cycling一文，文中指出克劳斯反应中H2S和S02的反应级数分别为1级和0.4级,k0=3.537mol/(hrg catmmHg1.4),E=35.1kJ/mol即 -r=3.537e -35.1RT pH2S 1pSO20.4pH2S:代表硫化氢的分压，单位是mmHgpO2:代表氧气的分压，单位是mmHg4.3 反应器的尺寸计算反应器尺寸的设计既要为反应提供充足的空间又要为高放热反应的有效冷却提供足够的表面积。基于专利数据，一级克劳斯固定床反应器需要理论空间速度300-1000 hr-1和LS-300型催化剂，国内外设计者多采用的空速为600800h-1;硫磺产量100t/d的反应器多采用立式，根据Aspen Plus数据一级克劳斯反应器硫磺生成量163.9t/d，故选择立式固定床反应器。以下是一级克劳斯反应器进出口物料性质和组成： 进口物料出口物料温度（）117.0温度（）252.9压强（MPaG）常压压强（MPaG）常压质量流量（kg/h）15279.816质量流量（kg/h）15279.816体积流量（m3/h）21238.492体积流量（m3/h）21051.264气相分率1.000气相分率0.633H2S（质量分率）0.403H2S（质量分率）0.076SO2（质量分率）0.381SO2（质量分率）0.074水（质量分率）0.215水（质量分率）0.388硫磺（质量分率）0硫磺（质量分率）0.462表4-1一级克劳斯反应器进出口物料性质和组成4.3.1 反应器的体积计算反应体积=停留时间体积流率由文献克劳斯硫磺回收反应器的设计问题中可知该反应器中过程气的停留时间为312s，由于本反应速度较快，达到可化学平衡的时间较短故这里我们停留时间取3s；物流的体积流率V= 21238.492 m3/h，由此可得：反应体积=321238.492/3600=17.70 m3该体积为气相反应的体积，取催化剂的填装空隙率为0.4，由此可得反应器的体积Vo=17.70/0.4=44.25则催化剂体积为V催= Vo-V气=44.25-17.70=26.55m34.3.2 催化剂的空速计算: 根据算得催化剂体积计算空速为：SV=VV催=21238.49226.55=799.9h-1查阅资料可知工业上克劳斯反应的空速为800-1000h-1，说明停留时间3s符合假设。V催-催化剂的填充量，m3V-原料气的体积流量，m3/hSV-体积空速，h-14.3.3 反应器尺寸计算 取空床气速为1.5m/s，则床层截面积为AR=Vu0=21238.536001.5=3.93m2反应器高度H=VoAR=44.253.93=11.26m故反应器的直径为2.04 m，不考虑封头的高度，可得反应器的高度为11.26m。加上原料气进入催化剂床层的两侧通道和反应器的封头高度，初步计算反应器外壳直径为3m，高度为12.0m。4.4 反应器催化剂床层压降的计算式中a，b系数，采用 Ergun 提出的数值，a=1.75，b=150根据专利文献中的数据，催化剂的粒径dp=0.005m，催化剂床层的孔隙率为b=0.4，气速u0=1.5m/s,混合气体的密度和粘度=0.719kg/m3,=2.010-5Pas代数上式计算得床层压降Rm=0.0050.7191.50.00002=269.625fm=1.75+1501-0.4269.625=2.08Pb=62.080.7191.520.0051-0.40.4=5047.38Pa=5.05kPa4.5 克劳斯一级反应器CFD模拟采用Gambit v2.4.6对克劳斯一级反应器计算域进行了结构化网格划分（见图4-1），随后采用Ansys Fluent v14.0对该反应器内的流动、传热，及传质过程进行了计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟，并获悉了克劳斯一级反应器内的各物种（H2S、SO2、H2O和SX）在整个反应器切向上与轴向上的浓度场分布情况（见图4-2和图4-3）；此外，通过CFD模拟，我们还得到了克劳斯一级反应器内各物质的浓度随不同反应器高度的变化趋势（见图4-4），反应器出口处的产物分布情况与Aspen Plus流程模拟所得结果（即设计值）非常吻合（见表4-2）。由此可见，我们所进行的克劳斯反应器主体结构的设计是相当准确且合理的。图4-1 克劳斯一级反应器计算域网格划分（共11352个网格）图4-2克劳斯反应器内y=0切面上的各物质浓度场分布图4-3克劳斯反应器内不同轴向位置处的各物质浓度场分布图4-4 克劳斯一级反应器内各物质浓度随反应器高度的变化表4-2 克劳斯一级反应器出口产物