加氢反应器设计说明书

第一章概述化学反应过程和反应器是化工生产流程中的中心环节，反应器设计往往占有重要地位。由于反应器单元内部涉及很多复杂的过程，如：热量的传递，温度的变化，反应速率的变化，而这些都将影响产品的产量和质量。所以反应器一直以来都是化工设计的一个难题。反应器设计的好坏也关系到整个生产过程是否能正常运行。1.1设计目标反应器为工艺流程中反应进行的场所，主要需要满足：(1) 反应器有良好的传热能力；(2) 反应器内温度分布均匀；(3) 反应器有足够的壁厚，能承受反应压力；(4) 反应器结构满足反应发生的要求，保证反应充分；(5) 反应器材料满足反应物腐蚀要求；(6) 保证原料有较高的转化率，反应有理想的收率；(7) 降低反应过程中副反应发生的水平。1.2反应器介绍本设计的主要反应均为由固体催化剂催化的气相反应，常见的气固相反应器主要有固定床和流化床两大类。1.2.1固定床反应器固定床反应器又称填充床反应器，是一种装填有固体催化剂用以实现多相反应的反应器。固体催化剂通常呈颗粒状，粒径 215 mm，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。目前我国的固定床反应器技术比较成熟，主要用于气固相催化反应，反应器包括氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等设备。 固定床反应器可分类为三种基本形式：轴向绝热式固定床反应器(见图1-1)。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1-2）。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1-3）。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1-4)，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1-1 轴向绝热式固定床反应器 图1-2 径向绝热式固定床反应 图1-3 列管式固定床反应器 图1-4 多级绝热式固定床反应器固定床反应器有如下优点：(1) 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。(2) 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。(3) 催化剂机械损耗小。(4) 结构简单。但另一方面，固定床反应器：(1) 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）。(2) 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。1.2.2流化床反应器流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。按流化床的运用状况主要分为以下两类：(1) 一类是有固体物料连续进料和出料的装置，主要用于固相加工过程或催化剂迅速失活的流体相加工过程。例如催化裂化过程，催化剂在几分钟内即显著失活，须用上述装置不断予以分离后进行再生。(2) 另一类是无固体物料连续进料和出料装置，主要用于固体颗粒性状在相当长时间（如半年或一年）内，不发生明显变化的反应过程，如石油催化裂化、酶反应过程等催化反应过程，称为流体相加工过程。常见的两类流化床如图1-5所示：图1-5 流化床反应器工作示意图与固定床相比，流化床反应器的特点主要有以下几点：可以实现固体物料的连续输入和输出；流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反应。流化床适合使用细粒子催化剂，易消除内扩散阻力，能充分发挥催化剂的效能。 由于返混严重，可对反应器的效率和反应的选择性带来一定影响。再加上气固流化床中气泡的存在使得气固接触变差，导致气体反应得不完全。因此，通常不宜用于要求单程转化率很高的反应。固体颗粒的磨损和气流中的粉尘夹带，也使流化床的应用受到一定限制。为了限制返混，可采用多层流化床或在床内设置内部构件。这样便可在床内建立起一定的浓度差或温度差。此外，由于气体得到再分布，气固间的接触亦可有所改善。第二章加氢反应器2.1加氢反应SCOT工艺是选用绝热固定床反应器。固定床反应器的优点是：返混小，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。催化剂机械损耗小。结构简单。缺点是操作过程中，催化剂不能更换。固定床反应器一般采用卧式放置，目的是使催化剂床层变浅，以使介质流动均匀和保持低的压力降。在加氢反应器中，通过装填钴钼催化剂，在210260反应温度及常压下将克劳斯尾气中的硫化物进行加氢还原。二氧化硫和单质硫的还原反应分别如下：SO2+3H2H2S+2H2OS8+8H28H2S在克劳斯高温热反应段中生成的羰基硫和二氧化硫在加氢还原反应其中被进一步水解到很低的水平：COS+H2OH2S+CO2CS2+2H2O2H2S+CO22.2设计条件根据工艺要求和Claus工段来的尾气情况，进行反应器的设计。来自Claus工段尾气流量为2421.067m3/h，组成如下：表2-1 Claus尾气组成物质H2OCO2COSH2SSO2S8N2质量分数16.05%32.84%0.33%0.41%0.12%0.98%49.24%因反应器内采用低温加氢催化剂，反应温度控制在220250之间；因反应器为绝热反应器，加氢反应放热，温度小幅度升高，有利于加快反应速率；又反应为减分子反应，适当提高反应器内压力有助于反应向加氢方向进行，反应器内压力控制在在0.50.6MPa之间。2.3反应器体积的计算2.3.1反应器模型为了简化模型方程的推导，根据操作条件和径向反应器的特点，对加氢反应器作理想化处理，提出以下几点假设：(1) 忽略径向反应器的轴向温度分布，认为径向反应器的轴向温度分布均一，轴向温度差dT=0；(2) 径向反应器的轴向各组份浓度分布均一，即轴向各组份浓度变化dC=0。按以上假设，由于忽略径向反应器的轴向温度分布和浓度分布，我们现在只考虑反应器径向参数的变化，并按均相反应器来考虑。根据以上假设导出径向反应器模型：物料衡算微分方程式：dFidV=aijrj式中：i=1n，n为组分数； j=1m，m为反应数；V -反应器催化剂填充体积，m； Fi - i组分的进料量，kmol/h； aij -第j个反应中，组分i的化学计量数。2.3.2计算反应器体积加氢反应器中发生的主要反应及其动力学方程如下表：表2-2 加氢反应及其动力学方程SO2+3H2H2S+2H2OrSO2=0.026e-1175.8RTYSO20.376YH20.596S8+8H28H2SrS8=0.062e-10880RTYS80.376YH20.596COS+H2OH2S+CO2rCOS=78.27e-9379RTYCOS1.134YH2O0.125CS2+2H2O2H2S+CO2rCS2=86160e-51780RTYCS21.988YH2O0.264由质量衡算公式可得：Vr=Q0CAO0xAfdxA-RA(xA)绝热反应热量衡算式可化简为：dT=wAo(-Hr)TrMACptdXA积分上式： T-T0=XA =wA0(-Hr)Tr/CptMA转化率边界条件为x0=0 xAf=0.99联立以上方程，解出反应器的反应体积Vr0=3.6m3催化剂一般装填整个反应器的50%60%，此处我们选取50%装填量：反应器体积为Vr1=3.60.5=7.2m3设反应器壳体的直径为D，长为H，则长径比为Y=HD一般Y=14，综合考虑反映停留时间，加工难度一级设备费用等因素，设定Y=4，则H=4DVr=4D2H解得D=1.3m，圆整得D=1.5m；则H=4D=6m则反应器体积为Vr=4D2H=41.526=10.6m32.3.3压降的计算pbH=fmu02dp(1-bb3)fm=a+b(1-bRem)Rem=dpu02式中p压力，Pa；fm修正的摩擦系数；流体密度，kg/m3； u0空床线速，m/s； dp催化剂颗粒直径，m；b床层空隙率；H床层高度，m；流体的绝对黏度，Pasa、b系数，采用 Ergun 提出的数值，a1.75，b150，Rem=dpu02=20.5751020.3610-3=718.16fm=a+b1-bRem=1.75+1501-0.43718.16=1.869pb=fmu02dp1-bb3H=0.012MPa由以上计算结果可知，反应段床层的压降较小小，故动力消耗不大。2.4催化剂加氢催化剂选择价格低廉的LS-951催化剂，该催化剂对含硫物质加氢具有良好的活性，该催化剂对原料中杂质的要求比较低，价格便宜。催化剂规格如下表：表2-3 LS-951催化剂及与国外某型号催化剂对比项 目LS 951催化剂国外某型号催化剂外观蓝色，球形蓝色，球形尺寸/mm463.74.3主要化学组成/%w(CoO)2.3w(MoO3)10w(CoO)=2.00.2w(MoO3)=6.00.4堆积密度/(kg/L)0.750.850.750.85比表面积/(m2/g)285285孔容/(cm3/L)0.470.47抗压碎强度/(N/颗)170135空速/(s-1)0.6940.694磨耗率/%9898使用寿命/a55催化剂用量：故反应器所需催化剂的质量为10.610000.8=8480kg催化剂床层被一层多孔的陶瓷片以及下面的耐火砖支撑。催化剂床层与陶瓷片之间通常会铺2层瓷球，催化剂顶部也需要覆盖一层大直径的瓷球。催化剂床层支撑结构的边缘与壳体内衬耐火砖的连接处用陶瓷纤维塞紧，在消除间隙的同时也起到了克服各元件之间热膨胀差的作用。2.5附件设计2.5.1气体分布器分布设计目标是尽可能使气流分布均匀（不出现沟流和偏流）、操作稳定（不会堵塞、漏料、或有死区形成）。工业生产分布板有许多形式和结构，如：内含丝网多层板、窗格板、多层板、泡罩板或蝶形板，这里我们采用蝶形板。在工业生产应用中，为了使气体分布均匀，对气体通过分布板的压降pd有一定要求，一般不能小于反应器总压降的10%。根据pd可以计算气体通过分布板孔的流速，公式如下：uor=Cd2pdf=38.00m/s2其中Cd为孔流系数，当雷诺数Re大于2000时，Cd值可取0.6；f为原料气密度；Pd这里取床层压降的10%，为1.2kPa。在确定了孔速之后，就可以通过如下式确定孔板的开孔数：Nordor2=Duuor其中，Nor为开孔数，D为床层直径，u为流速。显然，有多组Nor和dor的组合满足上式，下面提出一个选择原则：(1) 孔径小于1mm是不合适的，否则加工困难造价太高；(2) 孔间距不宜小于30mm，亦不宜大于30mm，否则易形成死区；(3) 板上只开少数大的孔也是不允许的。综上，选择的dor=10mm孔，计算得开孔数为4028，采用正三角形排列。2.5.2人孔该固定床反应器内装催化剂，为了装卸催化剂并检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件等，设置人孔。本反应器为固定床反应。操作压力小于0.6MPa，根据标准 HG/T21514-2005 钢制人孔和手孔的类型与技术条件，选用垂直吊盖板式平焊法兰人孔。2.5.3接管本设计依据GBT17395-2008管径选择标准进行设计。管径的选择按照下式进行基本计算，再根据实际情况，选择合适管道尺寸。DO=4QVu推荐表2-3 加氢反应器接管一览表名称公称直径/mm反应物进料口350产物出口400反应器物料管系设计温度为300，设计压力为1.0MPa，管道材质为S31008。在高温下膨胀系数较大，利用自然补偿很难满足反应器管嘴受力要求，且进出口管径较大，自然补偿时管道占地面积较大，同时过多的转弯也会导致过大的压力降和温降，因此不能只考虑自然补偿，需要考虑设置波纹管膨胀节，以增加管系柔性。2.5.4支座与常规卧式反应器不同，加氢反应器的长度较长、壳体温度较高、内件及催化较重，因此反应器的支撑不能采用常规的鞍座。鞍座的平均温度会远低于反应器壳体温度，在设备操作时会对壳体的热膨胀形成约束。固定床加氢反应器一般采用圈式支撑，沿外压加强圈向下伸出1个支腿。一共4个支腿支撑到设备基础上。2.5.5测温装置在反应器顶部装有若干个热电偶管口，热电偶竖直插入到催化剂床层中，热电偶套管内部设置有多个测量点，测量床层内不同高度处的温度。2.6机械强度的计算与校核2.6.1材料的选择为了抵御高温介质的侵蚀，固定床反应器的壳体一般被陶瓷纤维材料以及耐火砖所覆盖。耐火砖的主要成份是Si2O3和Al2O3。受到内部耐火砖及隔热材料的保护，反应器的壳体温度可以控制在一定范围内，因此也被称为冷壁反应器。为了降低造价壳体通常使用碳钢材料Q345R。为保证其安全性，反应壳体温度在任何情况下均不允许超过碳钢材料的许用使用温度上限，在工程中常控制在370 以下。2.6.2筒体厚度计算加氢反应器为内压容器： P工作=0.6MPa T工作=240C1=0.3mm C2=1mm假设名义厚度为10mm，则有效厚度为8.7mmLD=60001500=4 DOe=15008.7 =172.4 查图可知，A=0.00015，B=16.5MPaP=16.5172.1=0.0960.05则n=10mm可以符合要求。2.6.3反应器校核用软件SW6-2011进行反应器的强度校核，校核结果如下。表2-4 计算条件卧式容器计算单位中南大学PIE团队计 算 条 件 简 图设计压力 p1MPa设计温度 t300筒体材料名称Q345R封头材料名称Q345R封头型式椭圆形筒体内直径 Di1500mm筒体长度 L6000mm筒体名义厚度 dn10mm支座垫板名义厚度 drn20mm筒体厚度附加量 C2.3mm腐蚀裕量 C12mm筒体焊接接头系数 F1封头名义厚度 dhn10mm封头厚度附加量 Ch2.3mm鞍座材料名称Q345A鞍座宽度 b200mm鞍座包角 120支座形心至封头切线距离 A1050mm鞍座高度 H1000mm地震烈度 低于七度表2-5内压圆筒校核内压圆筒校核计算单位中南大学PIE团队计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 pc 1.00MPa设计温度 t 300.00 C内径 Di 1500.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 189.00MPa设计温度许用应力 st 153.00MPa试验温度下屈服点 ss 345.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算计算厚度 d = = 4.92mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 7.70mm名义厚度 dn = 10.00mm重量 2234.26Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值pT = 1.25p = 1.2500 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 122.38 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 pw= = 1.56278MPa设计温度下计算应力 st = = 97.90MPastf 153.00MPa校核条件stf st结论 合格表2-6左封头计算左封头计算计算单位 中南大学PIE团队计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 pc 1.00MPa设计温度 t 300.00 C内径 Di 1500.00mm曲面深度 hi 375.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 153.00MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 pT = 1.25p= 1.2500 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 122.07MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 4.91mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 7.70mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dnh = 10.00mm结论 满足最小厚度要求重量 206.67 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 pw= = 1.56678MPa结论 合格表2-7右封头计算右封头计算计算单位中南大学PIE团队计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 pc 1.00MPa设计温度 t 300.00 C内径 Di 1500.00mm曲面深度 hi 375.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 153.00MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 pT = 1.25p= 1.2500 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 122.07MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 4.91mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 7.70mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dnh = 10.00mm结论 满足最小厚度要求重量 206.67 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 pw= = 1.56678MPa结论 合格表2-8卧式容器（双鞍座）卧式容器（双鞍座）计算单位中南大学PIE团队依据标准NB/T 47042-2014 计 算 条 件简 图设计压力 1MPa 计算压力 1MPa 设计温度 300 试验压力 1.25MPa 圆筒材料Q345R 封头材料Q345R 圆筒材料常温许用应力 189MPa封头材料常温许用应力 189MPa 圆筒内直径1500mm 圆筒材料设计温度下许用应力153MPa圆筒平均半径 755mm封头材料设计温度下许用应力153MPa 圆筒名义厚度 10mm 圆筒材料常温屈服点 345MPa圆筒有效厚度7.7mm圆筒材料常温弹性模量 201000MPa 封头名义厚度 10mm圆筒材料设计温度下弹性模量 183000MPa封头有效厚度7.7mm 操作时物料密度 800kg/m3 两封头切线间距离 6100mm 液压试验介质密度1000kg/m3圆筒长度6000mm 物料充装系数 0.5 封头曲面深度 375mm 焊接接头系数 1壳体材料密度7850kg/m3附件质量 0kg鞍座结构参数 鞍座材料Q345A地脚螺栓材料Q345 鞍座材料许用应力 195000MPa地脚螺栓材料许用应力 170MPa 鞍座包角 120鞍座中心线至封头切线距离 1050mm 鞍座垫板名义厚度 20mm 鞍座轴向宽度 200mm 鞍座垫板有效厚度 18.7mm鞍座腹板名义厚度 20mm 鞍座高度 1000mm鞍座垫板宽度 400mm圆筒中心至基础表面距离1760mm 地震烈度Ra/2=120系数K1=0.106611K2=0.192348K3=1.17069K4=K5=0.760258K6=0.0528518K6=0.0434438K7=K8=K9=0.203522C4=C5=筒 体 轴 向 应 力 计 算 及 校 核轴向弯矩圆筒中间横截面操作工况= 1.40611e+07Nmm水压试验工况= 2.75163e+07Nmm鞍座平面操作工况 -7.67837e+06Nmm水压试验工况 -1.50259e+07Nmm轴向应力操作工况内压加压圆筒中间横截面最低点处 50.0462MPa鞍座平面最高点处54.2518MPa内压未加压圆筒中间横截面最高点处-1.02024MPa鞍座平面最低点处-2.89646MPa水压试验工况未加压圆筒中间横截面最高点处-1.99653MPa鞍座平面最低点处-5.66813MPa加压圆筒中间横截面最低点处 63.279MPa鞍座平面最高点处 71.5089MPa应力校核许用压缩应力外压应力系数B0.000952368按GB150.3规定求取B = 80.8399 MPa，B0=126.929 MPa。操作工况80.8399MPa水压试验工况126.929MPa操作工况内压加压=54.2518 153 合格 内压未加压=2.89646 80.8399 合格 水压试验工况加压=71.5089 = 310.5 合格未加压=5.66813 126.929 合格圆 筒 切 向 剪 应 力 及 封 头 应 力 计 算 及 校 核圆筒切向剪应力圆筒未被封头加强（时）8.56696MPa圆筒被封头加强（时）MPa封头应力圆筒被封头加强（时）MPa应力校核圆筒切向剪应力 t=8.56696 0.8 s t =122.4 合格 封头应力椭圆形 MPa其中碟形 MPa其中半球形 MPath = 圆 筒 周 向 应 力 计 算 及 校 核圆筒的有效宽度335.55mm鞍座垫板包角132取k=0.1无加强圈圆筒无垫板或垫板不起加强作用时横截面最低点处MPa鞍座边角处当L/Ra8时MPa当L/Ra8时MPa垫板起加强作用时横截面最低点处-0.602428MPa鞍座边角处当L/Ra8时-15.5877MPa当L/Ra8时MPa鞍座垫板边缘处当L/Ra8时-83.9432MPa当L/Ra8时MPa有加强圈圆筒加强圈参数加强圈材料: e = mm d = mm加强圈数量, n = 个组合总截面积, A0 = mm2组合截面总惯性矩, I0 = mm4设计温度下许用应力MPa加强圈位于鞍座平面内鞍座边角处圆筒周向应力MPa加 强 圈 边 缘 周 向 应 力MPa有加强圈圆筒加强圈靠近鞍座平面无垫板或垫板不起加强作用时横截面最低点处MPa鞍座边角处当L/Ra8时MPa当L/Ra8时MPa垫板起加强作用时横截面最低点处MPa鞍座边角处当L/Ra8时MPa当L/Ra8时MPa靠近水平中心线圆筒周向应力MPa加 强 圈 边缘周 向 应 力MPa应力校核=0.602428 st = 153 合格=15.5877 1.25st = 191.25 合格=83.9432 1.25st = 191.25 合格= 1.25st = = 1.25stR = 鞍 座 设 计 计 算结构参数鞍座计算高度=251.667mm鞍座垫板有效宽度=335.55mm腹板水平拉应力计算及校核腹板水平力14286.2N水平拉应力无 垫 板 或 垫 板 不 起 加 强 作 用MPa垫板起加强作用1.26336MPa应力校核=1.26336 = 130000 合格鞍座压缩应力计算及校核地震引起的腹板与筋板组合截面应力水平地震影响系数查表9得，1=水平地震力 N当时， MPa当时, MPa温差引起的腹板与筋板组合截面应力 -28767.8MPa应力校核|ssa|= 1.2ssa = |stsa|=28767.8 6.4mm b=2.53 b0 6.4mm DG= D外 - 2b螺 栓 受 力 计 算预紧状态下需要的最小螺栓载荷WaWa=