设计集4反应器说明书

1、5.5 亿 Nm3/a COG 处理项目反应器设计说明书目录第一章 加氢反应器的设计31.1加氢脱硫反应机理31.1.1 加氢脱硫催化剂脱硫机理31.2 .2 反应方程式4反应器类型的选择5催化剂的选择51.2.1 JT-1 型催化剂61.2.2 JT-8 型催化剂6反应动力学分析71.3.2 反应动力学方程7反应热力学分析7反应条件的选择91.11.21.31.51.61.6.11.6.21.6.3温度9. 10空速111.7基于 Comsol 的反应器设计111.7.11.7.21.7.4反应体积的确定11反应器的设计14床层压降141.81.9反应器和工艺参数15加氢反应器条件图161.

2、10 反应器结构校核17第二章 氧化锌脱硫反应器262.1 基本原理262.1.1 基本原理262.1.2 氧化锌脱硫剂262.1.3 工艺条件272.2 焦炉煤气氧化锌脱硫槽设计282.2.1 脱硫剂的选择282.3 脱硫剂装填量的计算282.3.1 氧化锌脱硫剂床层体积及高度计算282.3.2 活性炭床层体积及高度计算292.3.3 床层压降计算301西南石油大学 Infinite5.5 亿 Nm3/a COG 处理项目反应器设计说明书2.4 反应器和工艺参数312.52.6第三章3.13.2氧化锌脱硫反应器条件图32反应器结构校核33甲烷化反应器41反应方程式41反应器类型的选定423.

3、2.1 反应器选型原则423.2.1 甲烷化反应器类型的确定43催化剂的选择44动力学分析44反应热力学分析45反应体积的确定46反应器结构设计483.33.43.53.63.73.83.9反应器和工艺参数59甲烷化反应器条件图593.10反应器结构校核612西南石油大学 Infinite5.5 亿 Nm3/a COG 处理项目反应器设计说明书第一章 加氢反应器的设计1.1 加氢脱硫反应机理1.1.1 加氢脱硫催化剂脱硫机理Lipsch J 等人在 1969 年提出了 Co-Mo/Al2O3 的单层结构模型，该模型认为在载体表面只一层MoS2 ，在的着钴离子。Chianelli R R 等人经

4、过几年的研究发现，催化剂的活性中心 MoS2 的的棱边具有加氢的作用，活性中心的侧边具有氢解的作用。通过理论计算得到 Co-MoS2的结构降低了边缘部位硫的键能，从而加快了加氢的速率。在2001 年LauriJV等提出并证实了MoS2 结构的附近着一定数量的 Co，对于Co-MoS2 模型并没有给出明确的机理在 1995 年 Paik S C 等提出SO2 加氢生成硫化氢的两步法机理，第一步催化剂的活性空穴吸附 SO2 分子的，削弱 S-O 键能；第二步形成 Mo-S 键，在活性氢的参与下生成硫化氢，硫化氢从空穴中脱附出来就完成了再生过程。无机硫，主要是 H2S，与吸收剂结合就是一个化学反应。

5、在一定条件下，H2S 与吸收剂反应生成新的化合物或络合物，从而达到 H2S 的脱除。有机硫的反应则要复杂得多，对于简单的有机硫，如羰基硫、硫醇、硫醚、二硫化碳等，反应机理较为简单，在催化剂的金属活性中心，有机硫吸附在催化剂活性位上，氧化其中的金属元素，形成 S-M 结构，在金属活性中心作用下，S-C 键变得不，随后在活性氢的作用下，S-C 键断裂，S 与 H 作用生成 H2S，有机硫变成烃类， 氧化的金属活性中心被还原，重新催化下一组反应。噻吩类化合物噻吩、苯并噻吩（DBT）、4,6 二甲基二苯并噻吩（DMDBT）等硫化物的反应机理则要复杂得多，对于焦炉煤气中最难脱除的有机硫当属噻吩，硫化氢在

6、加氢脱硫中有特殊的作用，JLeglise 研究得到，H2S 的会使噻吩生成噻吩生成中间产物 THT，也就是促进加氢作用（HYD），但会抑制氢解作用（HYG）。加氢作用需要由 H2 和 H2S 提供的 H-，在催化剂表面，这两种物质都有助于加氢作用。两种活性位，硫空位和饱和硫位，S 键解离，则取决于H2 和 H2S 的分压，两者的比例到反应进行的程度，噻吩加氢脱硫机理图如下：3西南石油大学 Infinite5.5 亿 Nm3/a COG 处理项目反应器设计说明书图 1-1 噻吩的加氢反应网络1.2 .2 反应方程式国内绝大多数焦炉煤气在深度脱硫方面都采用二级加氢干法脱硫装置，其原理是在钴钼，铁钼

7、催化剂作用下，将焦炉煤气中难以用脱硫剂直接脱除的羰基硫， 二硫化碳，乙硫醇和噻吩等先加氢变成硫化氢和其对应的烃类，主要化学反应有：C4H4S+ 4H2 C4H10 + H2S R - SH + H2 RH + H2SR1 - S- R2 + 2H2 R1H + R2H + H2SCOS+ H2O CO2 + H2S CS2 + 4H2 CH10 + 2H2S C2H4 + H2 C2H6O2 + 2H2 2H2O（1-1）（1-2）（1-3）（1-4）（1-5）（1-6）（1-7）以上反应为加氢脱硫的正常化学反应，但在某些条件下，也容易发生以下副反应：CO + 3H2 CH4 + H2OCO2

8、 + 4H2 CH4 + 2H2O2CO C + CO2（1-8）（1-9）（1-10）以上三个反应均为强放热反应，对催化剂危害极大。它们短时间内大量热，造成飞温，同时促使析碳反应快速发生，生成大量固体碳堵塞催化剂，造成催化剂活性降低，影响有机硫进入催化剂活性中心，使整个有机硫转化率降低，造成后续工段的催化剂，影响整个工艺流程的正常运转。因此，工业实际中严格反应器的温度，始终保持在合理区间，避免上述反应发生。焦炉煤气加氢的主要目的是将有机硫转化为无机硫，以便通过脱硫剂脱除，以避免后续过程中使催化剂失活；以及饱和焦炉煤气中烯烃以避免在后4西南石油大学 Infinite5.5 亿 Nm3/a CO

9、G 处理项目反应器设计说明书续过程中发生缩合结焦，覆盖催化剂表面活性位，使催化剂失活。焦炉煤气加氢过程可只考虑以下反应：C2H4 + H2 C2H6（1-11）（1-12）（1-13）（1-14）COS+ H2CO + H2SC2H6S+ H2 C2H6 + H2SC4H4S+ 4H2 C4H10 + H2S1.1 反应器类型的选择目前，国内绝大多数焦炉煤气制甲醇企业在深度脱硫方面都采用二级加氢干法脱硫装置，其原理是在钴钼，铁钼催化剂作用下，将焦炉煤气中难以用脱硫剂直接脱除的羰基硫，二硫化碳，乙硫醇和噻吩等先加氢变成硫化氢和其对应的烃类。经过湿脱的焦炉煤气进入高温高压条件下的一级加氢反应器，该

10、反应器主要是将气中大量的烃类加氢，以及脱除焦炉煤气中全部的二硫化碳，部分的羰基硫，由于焦炉煤气中烯烃，此过程会产生大量的乙硫醇和噻吩。一级加氢温度应稍微低些防止发生甲烷副反应，由于反应器是绝热反应器因此一级加氢反应的主要来自于烯烃等烃类的加氢反应。经过一级加氢出来的焦炉煤气经过氧化锌脱除其中全部的硫化氢，部分的羰基硫和噻吩。二级加氢反应主要是将一级产生的难以脱除的噻吩脱干净，此过程会有少量主要来自与二氧化碳的甲烷化副反应，经过二级加氢反应器后有少量的硫化氢和羰基硫再经过氧化锌脱硫槽除去，脱硫后总硫浓度小于 0.1ppm。本工艺采用简单投资少的固定床反应器。1.2 催化剂的选择目前常用的催化剂类

11、型有铁钼、钴钼、镍钼。由于焦炉煤气所含成分复杂， 各种组分对催化剂活性均有影响，这就需要在应用中合理的搭配，以取得最大的效益。催化剂催化加氢活性并非越高越好，因为焦炉煤气中的一氧化碳、，会加氢转化成甲烷，甚至析碳，造成催化剂孔隙堵塞、床层飞温，并导致最终催化剂失活。钴钼催化剂的活性高，但造价高，容易使上述反应发生， 现在都不在考虑此类催化剂。因此，对于荒炉煤气选择催化剂加氢脱硫方案，一般遵循下面几个原则。（1）催化剂催化加氢活性不宜过高，避免或尽量减少甲烷化、析碳等副反5西南石油大学 Infinite5.5 亿 Nm3/a COG 处理项目反应器设计说明书应的发生，但也要保证化学性质的噻吩类有

12、机硫的脱除。（2） 保证羰基硫、二硫化碳、硫醚、硫醚、硫醇、噻吩等有机硫的完全脱除，可以不同时脱除，分段进行。（3） 操作过程中，避免发生荒炉煤气中的不饱和烃和一氧化碳等大量加氢放热，造成床层飞温，继而引起催化剂失活。传统的加氢脱硫催化剂活性组分是铁钼，钴钼类催化剂，载体采用三氧化二铝作为载体，不同的活性组分对于加氢，脱硫能力不一样。由于焦炉煤气中烯烃，二级加氢干法脱硫意义不仅仅是脱硫，还是将焦炉煤气中含有的大量烯烃加成，由于烯烃比较活泼可以跟多种催化剂反应，如果烯烃将会对后续催化剂产生影响。铁钼催化剂对于加氢活性较高，对于氢解相对弱些，相反钴钼催化剂对于氢解活性较高。本文研究的事加氢脱硫中第

13、二级反应器动力学，第二级反应器采用的是铁钼类催化剂，最具代表性的是西北化工催化剂。研究的 JT-1 和 JT-8 型1.2.1 JT-1 型催化剂JT-1 型催化剂适用于焦炉煤气中一氧化碳比例高的场所，该催化剂在低温下活性比较好，副反应少都优点，该催化剂自 2005 年工业化以前一直被一些煤化工企业所采用，其在350C 高温下，不产生甲烷副反应，据粗略计算气中每发生甲烷化反应将会是床层温度升高60C 。JT-1 型催化剂参有 1的与如表：表 1-1 JT-1 型加氢脱硫催化剂基本参数1.2.2 JT-8 型催化剂JT-8 型催化剂也是有西北化工物，JT-8 型催化剂参与如表：所研发，该催化剂外

14、观为红褐色，球状6西南石油大学 Infinite化学组成外观规格/mm主 Ni-Mo/Al2O3灰蓝色球状物3.05.0堆积密度/kgL-1测压强度/Ncm-1磨耗率/ %0.600.80=50=50 6.4mmb=2.53 b0b0 6.4mmDG= D 外 - 2b螺 栓 受 力 计 算预紧状态下需要的最小螺栓载荷 WaWa= bDG y = 1256681.5N操作状态下需要的最小螺栓载荷 WpWp = Fp + F = 17368554.0N所需螺栓总截面积 AmAm = max (Ap ,Aa ) = 68380.1mm2实际使用螺栓总截面积 AbAb = n p d 2 = 983

15、55.44 1mm2力 矩 计 算操FD = 0.785 D2 pci= 16986152.0NLD= L A+ 0.51= 22.5mmMD= FD LD= 382188416.0N.mm作FG = Fp= 1141859.5NLG= 0.5 ( Db - DG )= 83.7mmMG= FG LG= 95516576.0N.mmMpFT = F-FD= -768248.6NLT=0.5(LA + d1 + LG )= 66.8mmMT= FT LT= -51338224.0N.mm外压: Mp = FD (LD - LG )+FT(LT-LG ); 内压: Mp = MD+MG+MTMp

16、= 426366784.0N.mm预紧MaW = 21175416.0NLG = 83.7mmMa=W LG = 1771324032.0N.mm计算力矩 Mo= Mp 与 Masf /s 中大者M = 1708622336.0tfoN.mm螺 栓 间 距 校 核实际间距)pDbL = 191.1nmm最小间距Lmin = 116.0(查 GB150-2011 表 7-3)mm最大间距Lmax = 961.6mm形 状 常 数 确 定h0 =Did0 =242.57h/ho = 0.1K = Do/DI = 1.068d1 d 0 = 2.8由 K 查表 7-9 得T=1.888Z =15.2

17、26Y =29.321U=32.221整体7-3 和图 7-4FI=0.90648VI=0.43916e = FI h0 = 0.00374松式7-5 和图 7-6FL=0.00000VL=0.00000e = FL h0 = 0.000007-7由 d1/do 得f = 6.44468整体d1 = U hod 2VIo= 7119012.5松式d1 = U hod 2VLo= 0.0d3h = f =d16.25.5 亿 Nm3/a COG 处理项目反应器设计说明书2西南石油大学 Infinite=f e+1=2.32g = y/T= 1.23b = 4 d f e + 1 = 2.763l

18、 = g + h= 7.46剪应力校核计 算 值许 用 值结 论预紧状态t = W = 96.981pD liMPat 1 = 0.8s n校核合格操作状态t = Wp = 79.542pD liMPat = 0.8s t2n校核合格输入厚度f = 354.0 mm 时,应力校核应力性质计 算 值许 用 值结 论轴向应力s H = fMo = 165.83ld 2 Di 1MPa1.5st =327.0 或f2.5st =300.0( 按整体n设计的任 意 式, 取1.5st)n校核合格径向应力s = (1.33d f e + 1)M 0 = 1.72Rld 2 Df iMPast = 218

19、.0f校核合格切向应力s = M0Y - Zs = 109.75Td2 DRf iMPast = 218.0f校核合格综合应力max(0.5(s H + s R ),0.5(s H + sT )= 137.79MPast = 218.0f校核合格刚度系数J = 52.14VI Mo = 0.995lEd 2 K ho 1 o校核合格校核结果校核合格5.5 亿 Nm3/a COG 处理项目反应器设计说明书第二章 氧化锌脱硫反应器2.1 基本原理2.1.1 基本原理（1） 吸收硫化物的反应H2S+ ZnO ZnS+ H2OC2H5SH + ZnO ZnS+ C2H4 + H2OH2 + C2H5S

20、H + ZnO ZnS+ C2H6 + H2O COS+ ZnO ZnS+ CO2CS2 + 2ZnO 2ZnS+ CO2当脱硫剂中添加了氧化锰、氧化铜时，也会发生类似反应：H2S+ MnO MnS+ H2O H2S+ CuO CuS+ H2O（2） 有机硫的催化分解反应：一些有机硫化物，在它们的热由于氧化锌、锰化硫的催化作用而分解成烯烃和硫化烃。温度下，2.1.2 氧化锌脱硫剂T302 型脱硫剂，原型号 0902，主要用于脱除半水煤气中的微量硫化氢和反应性有机硫化物，以保证低变催化剂的正常使用。也可用于只含简单的硫醇类有机硫化物的天然气和油田伴生气的脱硫，可在较高温度（350400）下将原料气中的硫化