反应器初步设计说明书

年4月19日反应器初步设计说明书文档仅供参考目录TOC\o"1-3"\h\u4031第1章反应器设计 1238931.1反应器设计概述 171511.2反应器的选型 127068第2章催化剂 393322.1催化剂的选择 313152.2催化剂失活的原因 3309772.3催化剂再生的方法 316986第3章丙烷脱氢反应器 48723.1主反应及副反应方程式 413133.2反应机理 473533.3动力学方程 4320863.3.1催化反应动力学模型 4113303.3.2失活动力学 562503.4反应器设计思路说明 6265233.4.1反应条件 69563.4.2反应器类型的选择 710703.4.3反应器数学模拟 7282963.4.4反应器体积的计算 787193.5催化剂设计 1182933.5.1催化剂用量 1117003.5.2催化剂来源 11103263.5.3催化剂的装填 1175203.6反应器内部结构设计 11270193.6.1催化剂床层开孔 1156683.6.2催化剂分布器 12256653.6.3气体分布器 12104013.7反应器管口计算 1241053.7.1进料管(以第一台反应器为例) 12148933.7.2出料管 13247973.7.3吹扫空气入口 13273663.7.4催化剂进料口 13189903.7.5催化剂出口 1333623.7.6排净口 13222903.7.7人孔 14249043.7.8催化剂床层固定钢 14269433.8加热炉 143873.9机械强度的计算和校核 14318573.9.1反应器材料的选择 1410013.9.2反应器筒体厚度的选择 14313403.9.3反应器封头厚度的计算 15202413.9.4液压试验校核 16193963.9.5反应器强度校核 16154103.9.6反应器封头的选择 25296993.10设计结果总结(以第一台反应器为例) 2615155第4章乙炔选择性加氢反应器 26153384.1概述 2641914.2反应方程式 27171244.3催化剂的选用 27165374.4设计简述 27227544.5在Polymath中的模拟与优化 29103024.6选择性加氢反应器总结 3019509第5章参考文献 30反应器设计反应器设计概述化学反应器是将反应物经过化学反应转化为产物的装置，是化工生产流程中的中心环节。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，不但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。反应器的设计主要包括：1)反应器选型；2)确定合适的工艺条件；3)确定实现这些工艺条件所需的技术措施；4)确定反应器的结构尺寸；5)确定必要的控制手段。在反应器设计时，除了一般说的要符合“合理、先进、安全、经济”的原则，在落实到具体问题时，要考虑到下列的设计要点：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。反应器的选型反应器按结构大致能够分为釜式、管式、固定床、流化床、移动床等类型。它们的主要适用范围和特性见下表1-1：表1-1反应器类型反应器类型适用范围特性釜式反应器液液，气液，液固，气液固结构简单、加工方便,传质、传热效率高,温度浓度分布均匀,操作灵活性大,便于控制和改变反应条件,适合于多品种、小批量生产，但返混程度大，间歇操作时辅助时间所占比例大。管式反应器气相，液相返混小，所需反应器体积较小，比传热面大；但对慢速反应，管很长，压降很大固定床反应器气固相催化反应返混小，高转化率时催化剂用量少，催化剂不易磨损；但传热控温不易，催化剂装卸麻烦流化床反应器气固相，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；但床内返混大，不适于高转化率反应移动床反应器气固相，特别是催化剂失活很快的反应床层返混小，固气比可操作性大；但床内温差大，调节不易本反应器主要针正确是丙烷脱氢生成丙烯的反应，该反应的高效反应温度在550-650℃，反应压力为0.1MPa。反应两个最大的特点是：（1）反应为强吸热，分子数增加的可逆反应，平衡常数随温度的升高而增加。若要获得较高的脱氢转化率，则该反应需在高温和负压下进行，然而，高温又会使烷烃容易发生裂解和深度脱氢反应，导致反应的选择性降低。（2）催化剂容易结焦失活：高温对C—C键断裂的裂解反应比对C—H键断裂的脱氢反应更为有利，从而容易导致催化剂表面积碳，进而使催化剂失活加速。而连续工业化不允许频繁停车来更换催化剂，否则会导致产品质量的不稳定以及额外的能量与原料消耗。本项目包括4台脱氢反应器和1台选择性加氢反应器。综合反应以及催化剂特点，我们分别选择移动床反应器和固定床反应器。催化剂催化剂的选择本反应综合生产实际以及环境友好的要求，丙烷脱氢(PDH)反应器选用Sn为助剂、Pt为活性中心，Al2O3为载体的Pt-Sn/Al2O3催化剂。催化剂为颗粒直径2mm的球形颗粒，密度为3800kg/m3，床层孔隙率ε取0.4。乙炔选择性加氢(SHP)反应器选用最常见的钯系催化剂。催化剂失活的原因丙烷脱氢反应在热力学上是一个分子数增加、强吸热（116KJ/mol）的可逆反应。为了使反应向脱氢反向进行，需要提高反应温度和降低反应器中的压力。可是在高温下，丙烯容易发生深度脱氢，导致选择性降低，而且在高温下C-C键裂解反应在热力学上比C-H键裂解更有利，从而加剧了碳在催化剂表面沉积导致Pt-Sn/Al2O3催化剂失活。催化剂再生的方法利用CCRTM再生装置,对结焦的Pt-Sn/Al2O3催化剂进行烧炭再生。其有4项主要功能：烧去催化剂的焦炭，铂催化剂的重新分配，移去额外的水分及将催化剂返回到还原状态（催化剂再生）。缓慢移动的催化剂床在经过反应器和再生器的环路中循环，常见的循环时间为5~10天。反应部分和再生部分相互独立设计，因此即使再生器停车，也不用中断反应器内催化脱氢反应过程。丙烷脱氢反应器主反应：C3H主反应：C3H8→C3H6+H2△Hr=116.0754KJ/mol副反应：C3H8→C2H4+CH4△Hr=75.8671KJ/molC2H4+H2→C2H6△Hr=-136.98KJ/molC3H8+H2→C2H2+C+4H2△Hr=330.595KJ/mol反应机理图3-1丙烷脱氢反应机理动力学方程催化反应动力学模型-r1=k1*(P(C3H8)-P(C3H8)*P(H2)/Keq)/(1+P(C3H6)/K1);-r2=k2*P(C3H8);-r3=k3*P(C2H4)*P(H2);单位：mol/(min*g).其中：Keq=exp(16.858-15394/t+148728/t2)atmR=8.314J/(mol*K);P(C3H8)是C3H8在反应器中的分压;P(C2H4)是C2H4在反应器中的分压;P(H2)是H2在反应器中的分压;t为反应器中的温度.失活动力学C=Cm+CMCM=k2c*t动力学方程中各参数如下图3-2：图3-2动力学参数反应器设计思路说明反应条件反应温度：866K反应压力：1atm稀释剂的选择：为了提高转化率，能够在反应气中添加稀释剂。水蒸汽是最早作为稀释气体引入丙烷脱氢过程的，它能有效促进丙烷脱氢反应，提高反应转化率,而且水蒸汽还是一种很好的载热剂，可是水蒸气会对催化剂结构产生影响，给产物分离造成困扰，而且催化剂价格昂贵，因此我们选择廉价的H2作为稀释剂，而且H2作为反应产物，也能够做到循环利用，提高原子利用率。本设计选用的氢烃比为1:1。反应器：径向绝热式移动床反应器，四台串联催化剂：球形，规格dp=2mm，空隙率反应进口流量：G=64869.711mol/min反应器类型的选择由于该反应体系的原料是以混合气体进料，且进料量比较大，考虑到环保因素以及所采用的催化剂易失活问题，如若采用流化床反应器，则床层返混比较大，不适于做高转化率反应，而该反应要求丙烷最终转化率为88%，因此我们考虑选用床层返混较小且利于催化剂再生的移动床反应器。绝热式反应器相较于列管反应器具有造价低，反应器空间利用率高，操作简单的优点，故考虑选用。反应器数学模拟本次反应器设计利用设计软件POLYMATH进行优化和模拟。首先根据经验值确定反应器床层高度，然后利用软件语言写出反应程序，进而运行得到反应器物料的摩尔分率和温度沿反应器径向的变化情况及个点的反应状态。最后经过改变工艺参数，如管长、管径、进口温度等，对反应器结果进行优化，得到最优转化率和产量。反应器体积的计算基本衡算方程研究对象选丙烯，甲烷，乙烷，体系选反应器的一个小微元，(考虑结焦对反应的影响)对这个微元体系做物料衡算，如下：主反应：副反应：对这个微元体系做热量衡算，如下：其中a是结焦浓度和催化剂活性的关联系数，Nt是不同床层位置的进料流量，Cp为进料物流的平均热容，Hr1，Hr2，Hr3分别是主副反应的反应热，r1，r2，r3分别是主副反应的反应本征动力学。（二）Polymath模拟过程有了基本的化学反应动力学，用平推流（PFR）经过polymath来模拟，进口总的物料流量是Aspen模拟整个流程达到稳态时的数据。得到模拟程序如下：图3-3Polymath模拟程序得到以下反应器中产物丙烯的摩尔分率沿径向的变化(以第一台反应器为例)：图3-4丙烯摩尔分率沿径向的变化反应器温度沿径向的变化如下：图3-5反应器温度沿径向的变化从表格中查得转化率最大时对应的催化剂厚度为△D1=26cm。同理可得其它反应器催化剂床层厚度如下：△D2=22cm，△D3=22cm，△D4=27cm。床层空隙率ε=0.4，因此可得各反应器床层厚度分别为40cm，34cm，34cm，42cm。（三）反应器结构参数表3-1反应器的结构参数反应器位号气体出口内径/mm反应器内径/mm催化剂床层厚度/mm催化剂床层长度/m材料R2011200240040060Cr18Ni9R2021200240034060Cr18Ni9R2031200240034060Cr18Ni9R2041200240042060Cr18Ni9（四）反应器塔压降校核其中：——流体黏度，kg/(m.s)——流体密度，kg/m3ε——空隙率dp——催化剂直径H——反应器高度工艺数据如下：dp=0.002m由计算公式得到反应器床层压降为△P=5843.93Pa<10%P=15198.75Pa，可见床层压降很小，能够看做恒压反应，这是符合设计要求的。催化剂设计催化剂用量选用密度为3800kg/m3的Pt-Sn/Al2O3催化剂，各催化剂床层的体积分别是：V1=7.16m3，V2=5.89m3，V3=5.89m3，V4=7.48m3。对应一次催化剂的装填量为m=m1+m2+m3+m4=∑ρV=100.4吨催化剂来源由于催化剂的制备比较繁琐，我们采取从UOP公司购买。催化剂的装填对反应器进行喷砂处理，以清除反应管壁上的铁锈。将催化剂从反应器顶部入口注入，然后利用自重辅以压缩空气作用使催化剂填入床层。测量床层压降，使其符合正常压降的25%即可。反应器内部结构设计催化剂床层开孔为了使反应气体进入催化剂床层与其充分接触反应，我们需要在催化剂床层器壁上开孔。床层的开孔率是开孔面积与总的有效传质面积的比值，其大小开孔方式的影响。所开孔直径要小于催化剂颗粒直径，以保证催化剂不泄漏，我们选择催化剂床层两侧对称交叉开孔，开孔率的计算公式如下：因为丙烷脱氢是一个分子数增加的反应，因此在催化剂床层两侧开孔大小是不一样的，所设计反应布气器的开孔率为4%，集气开孔率为6%。催化剂床层外侧的总面积为S=2x3.14X1.04x6=39.207m2,因此布气开孔区的面积为S1=Sxφ1=1.568m2，开孔直径为1.5mm，由此可算得开孔个数为，圆整后的开孔个数为887757个。同理可得催化剂床层内侧的总面积为S=2x3.14X0.6x6=22.608m2，集气开孔区面积为S2=Sxφ2=1.356m2，开孔直径为1.5mm，由此可算得开孔个数为，圆整后的开孔个数为767729个。为了保证布气均匀，还需要有一定的料封高度，取上段为0.75m，下段为0.25m，总的开孔高度为5m，内外侧高度相同。催化剂分布器反应体系为气固相催化反应，反应器为模拟移动床反应器，反应气径向经过催化剂床层，因此要求反应气与催化剂能均匀接触，而且缓慢移动的催化剂床是在反应器和再生器的环路中循环的，因此各催化剂床层顶部需设置储存分布器。催化剂分布器最大能储存催化剂的质量为25.1吨，催化剂密度为3800kg/m3,因此分布器的体积为6.6m3,根据反应器大小直径为mm，则高度为2.2m。气体分布器由于气体的流动扩散性和可压缩性，因此在反应气进入催化剂床层反应之前有必要对气体进行分布使其均匀的进入床层，与催化剂充分均匀的接触，提高催化剂的利用率，进而提高反应转化率。反应器管口计算进料管(以第一台反应器为例)反应器混合气进料流量G=46113.576=12.837混合气在管内的流速取30m/s进料管选择接管尺寸： Φ820×10出料管反应器混合气出料流量出料管连接管尺寸：φ820×10吹扫空气入口根据工艺需要选择接管尺寸：φ630×10催化剂进料口根据工艺需要选择接管尺寸：φ25×2.5催化剂出口根据工艺需要选择接管尺寸：φ25×2.5排净口根据工艺需要选择接管尺寸：φ45×2.5人孔根据工艺需要选择接管尺寸：φ500催化剂床层固定钢根据工艺需要，我们选用六个规格为45*6mm，质量为3.99kg/m的角钢来连接床层外壁和筒体内壁，起到固定的作用。加热炉丙烷脱氢是分子数增加的强吸热反应，经过一段时间的反应后，反应器出口的温度会降到反应活性温度一下，为了保证反应正常进行，我们选择对反应器进行级间加热，加热方式是加热炉，所用燃料是从泉港石化工业园区的新奥燃气公司购买的天然气。机械强度的计算和校核反应器材料的选择鉴于本设计的反应温度为593℃，反应压力为0.1MPa，因此在选材上我们选耐热耐蚀等性能都比较好的合金钢：0Cr18Ni9。反应器筒体厚度的选择设计温度：T=593℃设计压力：Pc=0.1x1.1=0.11MPa钢板负偏差C1=-0.3mm考虑氢腐蚀，取腐蚀裕量C2=4mm材料在设计温度下的许用应力[σ]t=68.2MPa焊接接头系数φ=1可得计算厚度为：不锈钢的最小厚度是2mm。名义厚度：n=+C1+C2=2+0.3+4=6.3mm查阅筒体标准，最终将名义厚度圆整为7mm。筒体的有效厚度：e=tn-C1-C2=2.7mm。反应器封头厚度的计算本工段工艺采用绝热式径向移动床反应器，为了美观，我们选用带有折边为100mm的上封头，即公称直径DN=2200mm，和带有折边为200mm的下封头，即公称直径DN=mm。型号是EHA型。封头需要与反应物质直接接触，根据物性及腐蚀数据，材料选择与筒体材料相同的0Cr18Ni9，腐蚀余量为4mm，钢板负偏差为0.3mm理论计算厚度：不锈钢的最小厚度是2mm。名义厚度：查阅封头标准，最终将名义厚度圆整为7mm。即。有效厚度：同理可得下封头的厚度数据：理论计算厚度：不锈钢的最小厚度是2mm。名义厚度：查阅封头标准，最终将名义厚度圆整为7mm。即有效厚度：液压试验校核液压试验的压力：液压试验容器应力：查表得，σs=205MPa,0.9σs=184.5MPa,因为σt<0.9σs,因此能够进行液压试验。最大允许工作压力：因为[P]>Pc=0.11MPa,因此反应器的压力符合设计要求。反应器的最大工作应力：σt=Pcx(Di+e)/2eφ=48.94MPa，σt<[σ]，因此反应器所受应力符合设计要求。反应器强度校核对催化剂床层段进行SW6强度校核见下表：表3-2SW6第一次校核结果圆筒计算计算单位河北工业大学-烷转工艺计算所依据的标准GB150.3-计算条件筒体简图计算压力Pc0.11MPa设计温度t593C内径Di2400.00mm材料S30408（板材)试验温度许用应力137MPa设计温度许用应力t68.2MPa试验温度下屈服点s205MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C24.00mm焊接接头系数1.00厚度及重量计算计算厚度==1.94mm有效厚度e=n-C1-C2=2.70mm名义厚度n=7.00mm重量2493.06Kg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=1.25Pc=0.2762(或由用户输入)MPa压力试验允许经过的应力水平TT0.90s=184.50MPa试验压力下圆筒的应力T==122.90MPa校核条件TT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[Pw]==0.15328MPa设计温度下计算应力t==48.94MPat68.20MPa校核条件t≥t结论合格内压椭圆上封头校核计算单位河北工业大学-烷转工艺计算所依据的标准GB150.3-计算条件椭圆封头简图计算压力Pc0.11MPa设计温度t593C内径Di2400.00mm曲面深度hi550.00mm材料S30408(板材)设计温度许用应力t68.2MPa试验温度许用应力137.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C24.00mm焊接接头系数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=1.25Pc=0.2762(或由用户输入)MPa压力试验允许经过的应力tT0.90s=184.50MPa试验压力下封头的应力T==138.39MPa校核条件TT校核结果合格厚度及重量计算形状系数K==1.1267计算厚度h==2.18mm有效厚度eh=nh-C1-C2=2.70mm最小厚度min=7.20mm名义厚度nh=7.00mm结论不满足最小厚度要求重量330.40Kg压力计算最大允许工作压力[Pw]==0.00000MPa结论不合格，不满足最小厚度要求内压椭圆下封头校核计算单位河北工业大学-烷转工艺计算所依据的标准GB150.3-计算条件椭圆封头简图计算压力Pc0.11MPa设计温度t593C内径Di2400.00mm曲面深度hi500.00mm材料S30408(板材)设计温度许用应力t68.2MPa试验温度许用应力137.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C24.00mm焊接接头系数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=1.25Pc=0.2762(或由用户输入)MPa压力试验允许经过的应力tT0.90s=184.50MPa试验压力下封头的应力T==158.84MPa校核条件TT校核结果合格厚度及重量计算形状系数K==1.2933计算厚度h==2.5mm有效厚度eh=nh-C1-C2=2.70mm最小厚度min=7.20mm名义厚度nh=8.00mm结论不满足最小厚度要求重量322.78Kg压力计算最大允许工作压力[Pw]==0.00000MPa结论不合格(不满足最小厚度要求)由SW6校核可得，标准椭圆上下封头厚度都要圆整，为了焊接方便，筒体的厚度也要圆整，根据SW6所给建议和厚度裕量，我们选择将筒体及封头厚度都圆整到14mm，再对其进行校核。表3-3SW6最终校核结果圆筒计算计算单位河北工业大学-烷转工艺计算所依据的标准GB150.3-计算条件筒体简图计算压力Pc0.11MPa设计温度t593C内径Di2400.00mm材料S30408（板材)试验温度许用应力137MPa设计温度许用应力t68.2MPa试验温度下屈服点s205MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C24.00mm焊接接头系数1.00厚度及重量计算计算厚度==1.94mm有效厚度e=n-C1-C2=9.70mm名义厚度n=14.00mm重量5000.62Kg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=0.2762(或由用户输入)MPa压力试验允许经过的应力水平TT0.90s=184.50MPa试验压力下圆筒的应力T==34.31MPa校核条件TT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[Pw]==0.54906MPa设计温度下计算应力t==13.66MPat68.20MPa校核条件t≥t结论合格内压椭圆上封头校核计算单位河北工业大学-烷转工艺计算所依据的标准GB150.3-计算条件椭圆封头简图计算压力Pc0.11MPa设计温度t593C内径Di2400.00mm曲面深度hi550.00mm材料S30408(板材)设计温度许用应力t68.2MPa试验温度许用应力137.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C24.00mm焊接接头系数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=1.25Pc=0.2762(或由用户输入)MPa压力试验允许经过的应力tT0.90s=184.50MPa试验压力下封头的应力T==38.57MPa校核条件TT校核结果合格厚度及重量计算形状系数K==1.1267计算厚度h==2.18mm有效厚度eh=nh-C1-C2=9.70mm最小厚度min=7.20mm名义厚度nh=14.00mm结论满足最小厚度要求重量665.65Kg压力计算最大允许工作压力[Pw]==0.48840MPa结论合格内压椭圆下封头校核计算单位河北工业大学-烷转工艺计算所依据的标准GB150.3-计算条件椭圆封头简图计算压力Pc0.11MPa设计温度t593C内径Di2400.00mm曲面深度hi500.00mm材料S30408(板材)设计温度许用应力t68.2MPa试验温度许用应力137.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C24.00mm焊接接头系数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=1.25Pc=0.2762(或由用户输入)MPa压力试验允许经过的应力tT0.90s=184.50MPa试验压力下封头的应力T==44.62MPa校核条件TT校核结果合格厚度及重量计算形状系数K==1.2933计算厚度h==2.5mm有效厚度eh=nh-C1-C2=9.70mm最小厚度min=7.20mm名义厚度nh=14.00mm结论满足最小厚度要求重量650.37Kg压力计算最大允许工作压力[Pw]==0.42559MPa结论合格校核结果：筒体、封头厚度均为14mm合格。反应器封头的选择根据钢制压力容器设计标准和SW6校核结果，所选用封头的尺寸如下：公称直径DN/mm曲边高度h1/mm直边高度h2/mm壁厚S/mm内表面积F/m2容积V/m3质量G/kg上封头220055025145.41.49511.8下封头50040144.571.18506.9表3-4反应器封头的尺寸设计结果总结(以第一台反应器为例)表3-5反应器的参数反应器参数反应温度℃593反应压力MPa0.1选材0Cr18Ni9反应器内径mm反应器壁厚mm14催化剂床层长度m6催化剂床层厚度mm40,34,34,42催化剂分布器直径mm催化剂分布器高度m2.2气体分布器直径mm2400气体分布器高度m1封头参数环境温度℃593受内压Mpa0.1选材0Cr18Ni9封头形式标准椭圆封头厚度mm上封头：14；下封头：14焊接系数1乙炔选择性加氢反应器概述大多数有机烃催化裂解由于原理复杂都伴随有很多副反应，丙烷脱氢的副产物有很多，包括乙烯、甲烷、乙烷、乙炔等，其中乙炔虽然量很少，但属于易燃易爆气体，与氧气或空气混合，遇火源会剧烈燃烧甚至爆炸，而且在一定的温度和压力条件下，乙炔会分解生成碳黑和氢气，反应释放大量热能