固定床反应器设计

固定床反应器设计第1页/共50页1.

定义：凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置。固体催化剂颗粒堆积起来所形成的固定床层静止不动，气体反应物自上而下流过床层，进行反应的装置称作固定床反应器。

一、固定床反应器定义

第2页/共50页第3页/共50页第4页/共50页第5页/共50页固定床反应器热载体：水、高压水：100~300℃

导生油：200~350℃

熔盐：300~500℃

烟道气：600~700℃特点：换热效果好、床温均匀，但结构较复杂。应用：热效应大、温度要求均匀控制的场合第6页/共50页第7页/共50页二、固定床反应器的优缺点

：1、催化剂不易磨损。2、传热较差。3、固定床层内的气相流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性；4、可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力；5、结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂；6、反应器的操作方便、操作弹性较大。第8页/共50页

固定床反应器的优缺点

相对于流化床反应器，固定床反应器缺点：催化剂颗粒较大，有效系数较低；催化剂床层的传热系数较小，容易产生局部过热；催化剂颗粒的更换费事，不适于容易失活的催化剂。第9页/共50页

三、固定床反应器类型

固定床反应器形式多种多样，按床层与外界的传热方式分类，可有以下几类：绝热式固定床反应器，多段绝热式固定床反应器，列管式固定床反应器，自热式反应器。））第10页/共50页固定床反应器类型1.绝热式固定床反应器反应器外壳包裹绝热保温层，使催化剂床层与外界没有热量交换。中空圆筒的底部放置搁板，上面堆放固体催化剂。气体从上而下通过催化剂床层。结构简单，床层横截面温度均匀。单位体积内催化剂量大，即生产能力大。但只适用于热效应不大的反应。第11页/共50页原料气产物催化剂绝热式固定床反应器固定床反应器类型第12页/共50页固定床反应器类型1、绝热式固定床反应器可分为轴向反应器和径向反应器。(1)轴向绝热式固定床反应器如图(a)所示。这种反应器结构最简单，实际上是一个容器，催化剂均匀堆置于床内，预热到一定温度的反应物料自上而下流过床层进行反应，床层同外界无热交换第13页/共50页固定床反应器类型(2)径向绝热式固定床反应器如图(b)所示。径向反应器的结构较轴向反应器复杂，催化剂装载于两个同心圆构成的环隙中，流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动。径向反应器的优点是流体流过的距离较短，流道截面积较大，床层阻力降较小。第14页/共50页固定床反应器类型（a）（b）第15页/共50页固定床反应器类型第16页/共50页

固定床反应器类型

2.多段绝热式固定床反应器

热效应大，常把催化剂床层分成几段(层)，段间采用间接冷却或原料气（或惰性组分）冷激，以控制反应温度在一定的范围内。图(c)是用于SO2转化的多段绝热反应器，段间引入冷空气进行冷激。对于这类可逆放热反应过程，通过段间换热形成先高后低的温度变化，提高转化率和反应速率。第17页/共50页

固定床反应器类型

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固定床反应器类型

3.列管式固定床反应器

热效应较大，不宜采用绝热式反应器，可采用换热式固定床反应器。此设备如同列管式换热器，又称为列管式固定床反应器。如图(d)所示，反应器由多根反应管并联构成，管径一般为25~30㎜，管数可达万根以上。管内装催化剂，传热介质流经管间进行加热或冷却。第19页/共50页

固定床反应器类型

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固定床反应器类型

列管式固定床反应器具有良好的传热性能，单位床层体积具有较大的传热面积，可用于热效应中等或稍大的反应过程。反应器由成千上万根“单管”组成。一根单管的反应性能可以代表整个反应器的反应效果，因而放大设计较有把握，在实际生产中应用比较广泛。第21页/共50页列管式固定床反应器

第22页/共50页固定床反应器类型列管式反应器优点：传热较好，管内温度较易控制；返混小、选择性较高；只要增加管数，便可有把握地进行放大；对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物料来稀释催化剂适用:原料成本高，副产物价值低以及分离不是十分容易的情况。第23页/共50页固定床反应器类型第24页/共50页固定床反应器类型4、自热式反应器采用反应放出的热量来预热新鲜的进料，达到热量自给和平衡，其设备紧凑，可用于高压反应体系。但其结构较复杂，操作弹性较小，启动反应时常用电加热。第25页/共50页四、传热介质传热介质的选用根据反应的温度范围决定，其温度与催化床的温差宜小，但又必须移走大量的热，常用的传热介质有：1.沸腾水：温度范围100~300℃。使用时需注意水质处理，脱除水中溶解的氧。2.联苯醚、烷基萘为主的石油馏分：粘度低，无腐蚀，无相变，温度范围200~350℃第26页/共50页传热介质3.熔盐：温度范围300℃～400℃，由无机熔盐KNO3、NaNO3、NaNO2按一定比例组成，在一定温度时呈熔融液体，挥发性很小。但高温下渗透性强，有较强的氧化性。4.烟道气：适用于600～700℃的高温反应。第27页/共50页五、固定床的传递特性气体在催化剂颗粒之间的孔隙中流动，较在管内流动更容易达到湍流。气体自上而下流过床层。第28页/共50页固定床的传递特性1、颗粒尺寸颗粒尺寸是颗粒体系的重要参数，常用粒径来表示。球形粒子的粒径是其直径，其他形状的粒子粒径则需定义。颗粒的定型尺寸－－最能代表颗粒性质的尺寸为颗粒的当量直径。对于非球形颗粒，可将其折合成具有相同的体积（或外表面积、比表面积）的球形颗粒，以当量直径表示。如体积、外表面积、比表面积当量直径。第29页/共50页固定床的传递特性2、床层空隙率

单位体积床层内的空隙体积(没有被催化剂占据的体积，不含催化剂颗粒内的体积)。若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒的床层，其空隙率与颗粒大小无关。第30页/共50页固定床的传递特性床层空隙率是一个重要的参数，影响因素是颗粒形状及大小、粒度分布、颗粒与床层直径比和颗粒的装填方式。壁效应床层空隙率沿床层径向分布不同，离壁面约一个粒子直径处的床层空隙率最大。

第31页/共50页床层内空隙率径向分布不均匀，引起各处的流速不同，因而床层内各处的传热和停留时间也不一样。为减少壁效应的影响，设计时要求床层直径至少要大于颗粒直径的8倍

以上。固定床的传递特性第32页/共50页3、床层压降气体流动通过催化剂床层的空隙所形成的通道，与孔道周壁摩擦而将产生压降。压降计算通常利用厄根（Ergun）方程：第33页/共50页固定床的传递特性影响床层压力降的最大因素：床层的空隙率流体的流速两者稍有增大，会使压力降产生较大变化。降低床层压降的方法：增大床层空隙率，如采用较大粒径的颗粒；降低流体的流速，但要考虑这会使相间的传质和传热变差，需综合考虑。第34页/共50页4、固定床中的传热固定床中的传热组成颗粒内传热颗粒与流体间的传热，传热系数hP

床层与器壁的传热，传热系数hw、h0固定床的传递特性第35页/共50页5、固定床中的传质(1)流体与催化剂颗粒外表面之间的传质前面讨论宏观动力学是采用催化剂表面的温度、浓度，然而催化剂表面的温度浓度却难于测量。本节讨论催化剂表面的温度浓度与气流主体的温度浓度之间的关系，通过可测量的量建立动力学关系。第36页/共50页六、乙炔脱除(主题)工艺说明本流程为利用催化加氢脱乙炔的工艺。乙炔是通过等温加氢反应器除掉的,反应器温度由壳侧中冷剂温度控制。主反应为：nC2H2＋2nH2（C2H6）n温度超过66℃时有副反应为：

2nC2H4（C4H8）n第37页/共50页原料气中乙炔脱除工艺方案第38页/共50页原料气中乙炔脱除工艺方案第39页/共50页开车操作操作规程正常操作停车操作EV-429闪蒸器充丁烷ER-424A反应器充丁烷

ER-424A启动正常工艺参数ER-424A与ER-424B间切换ER-424B的操作

正常停车紧急停车第40页/共50页开车操作操作规程正常操作停车操作EV-429闪蒸器充丁烷ER-424A反应器充丁烷

ER-424A启动正常工艺参数ER-424A与ER-424B间切换ER-424B的操作

正常停车紧急停车第41页/共50页开车操作EV-429闪蒸器充丁烷

(1)确认EV-429压力为0.03MPa。

(2)打开EV-429回流阀PV1426的前后阀VV1429、VV1430。

(3)调节PV1426(PIC1426)阀开度为50%。

(4)EH-429通冷却水，打开KXV1430，开度为50%。

(5)打开EV-429的丁烷进料阀门KXV1420，开度50%。

(6)当EV-429液位到达50%时，关进料阀KXV1420。第42页/共50页ER-424A反应器充丁烷

(1)确认事项①反应器0.03MPa保压。②EV-429液位到达50％。

(2)充丁烷打开丁烷冷剂进ER-424A壳层的阀门KXV1423，有液体流过，充液结束；同时打开出ER-424A壳层的阀门KXV1425。第43页/共50页ER-424A启动

(1)启动前准备工作①ER-424A壳层有液体流过。②打开S3蒸汽进料控制TIC1466.③调节PIC-1426设定，压力控制设定在0.4MPa。第44页/共50页(2)ER-424A充压、实气置换①打开FIC1425的前后阀VV1425、VV1426和KXV1412。②打开阀KXV1418。③微开ER-424A出料阀KXV1413，丁烷进料控制FIC1425(手动)，慢慢增加进料，提高反应器压力，充压至2.523MPa。④慢开ER-424A出料阀KXV1413至50%，充压至压力平衡。⑤乙炔原料进料控制FIC1425设自动，设定值56186.8KG/H。第45页/共50页(3)ER-424A配氢，调整丁烷冷剂压力①稳定反应器入口温度在38.0℃，使ER-424A升温。②当反应器温度接近38.0℃(超过35.0℃)，准备配氢。打开FV1427的前后阀VV1427、VV1428。③氢气进料控制FIC1427设自动,流量设定80KG/H。④观察反应器温度变化，当氢气量稳定后,FIC1427设手动。⑤缓慢增加氢气量，注意观察反应器温度变化。⑥氢气流量控制阀开度每次增加不超过5％。⑦氢气量最终加至200KG/H左右，此时H2/C2=2.0，FIC1427投串级。⑧控制反应器温度44.0℃左右。第46页/共50页正常操作规程正常工况下工艺参数

(1)正常运行时，反应器温度TI1467A：44.0℃，压力PI1424A控制在2.523MPa。

(2)FIC1425设自动，设定值56186.8KG/H，FIC1427设串级。

(3)PIC1426压力控制在0.4MPa，EV-429温度TI1426控制在38.0℃。

(4)TIC1466设自动，设定值38.0℃。

(5)ER-424A出口氢气浓度低于50PPm，乙炔浓度