(完整)反应器初步设计说明书

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目录

第 1 章反应器设计 (1)

1.1 反应器设计概述 (1)

1.2 反应器的选型 (1)

第 2 章催化剂 (3)

2.1 催化剂的选择 (3)

2.2 催化剂失活的原因 (3)

2.3 催化剂再生的方法 (3)

第 3 章丙烷脱氢反应器 (4)

3.1 主反应及副反应方程式 (4)

3.2 反应机理 (4)

3.3 动力学方程 (4)

3.3.1 催化反应动力学模型 (4)

3.3.2 失活动力学 (5)

3.4 反应器设计思路说明 (6)

3.4.1 反应条件 (6)

3.4.2 反应器类型的选择 (7)

3.4.3 反应器数学模拟 (7)

3.4.4 反应器体积的计算 (7)

3.5 催化剂设计 (11)

3.5.1 催化剂用量 (11)

3.5.2 催化剂来源 (11)

3.5.3 催化剂的装填 (11)

3.6 反应器内部结构设计 (11)

3.6.1 催化剂床层开孔 (11)

3.6.2 催化剂分布器 (12)

3.6.3 气体分布器 (12)

2

3.7 反应器管口计算 (12)

3.7.1 进料管(以第一台反应器为例) (12)

3.7.2 出料管 (13)

3.7.3 吹扫空气入口 (13)

3.7.4 催化剂进料口 (13)

3.7.5 催化剂出口 (13)

3.7.6 排净口 (13)

3.7.7 人孔 (14)

3.7.8 催化剂床层固定钢 (14)

3.8 加热炉 (14)

3.9 机械强度的计算和校核 (14)

3.9.1 反应器材料的选择 (14)

3.9.2 反应器筒体厚度的选择 (14)

3.9.3 反应器封头厚度的计算 (15)

3.9.4 液压试验校核 (16)

3.9.5 反应器强度校核 (16)

3.9.6 反应器封头的选择 (25)

3.10 设计结果总结(以第一台反应器为例) (26)

第 4 章乙炔选择性加氢反应器 (26)

4.1 概述 (26)

4.2 反应方程式 (27)

4.3 催化剂的选用 (27)

4.4 设计简述 (27)

4.5 在Polymath中的模拟与优化 (29)

4.6 选择性加氢反应器总结 (30)

第 5 章参考文献 (30)

3

第 1 章反应器设计

1.1反应器设计概述

化学反应器是将反应物通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。

1.2反应器的选型

反应器按结构大致可以分为釜式、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：

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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，尤

其是催化剂失

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，尤

其是催化剂失

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

本反应器主要针对的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

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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。

第 2 章 催化剂

2.1 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，Al 2O 3为载体的Pt-Sn/Al 2O 3催化剂。催化剂为颗粒直径2mm 的球形颗粒，密度为3800kg/m 3，床层孔隙率ε取0.4。乙炔选择性加氢(SHP)反应器选用最常用的钯系催化剂。

2.2 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。但是在高温下，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/Al 2O 3催化剂失活。

2.3 催化剂再生的方法

利用CCR TM 再生装置,对结焦的Pt-Sn/Al 2O 3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通过反应器和再生器的环路中循环，常用的循环时间为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。

福建联合石化联产25万吨丙烯项目第 3 章丙烷脱氢反应器

3.1主反应及副反应方程式

主反应：C3H8→C3H6+H2 △Hr=116.0754KJ/mol

副反应：C3H8→C2H4+CH4 △H r=75.8671KJ/mol

C2H4+H2→C2H6△H r=-136.98KJ/mol

C3H8+H2→C2H2+C+4H2 △H r=330.595KJ/mol

3.2反应机理

图3-1 丙烷脱氢反应机理

3.3动力学方程

3.3.1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)atm

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R=8.314J/(mol*K);

P(C 3H 8)是C 3H 8在反应器中的分压; P(C 2H 4)是C 2H 4在反应器中的分压; P(H 2)是H 2在反应器中的分压; t 为反应器中的温度.

3.3.2 失活动力学

c k Cm C c k dt

dC

2)max (*12+-=

C=C m +C M

]*1max*1*1[*max 2t

c k C t

c k C Cm +=

C M =k2c*t ))1

1(*exp(

*0tm

t R Eaic ic k kic --= ]*3exp[**2)*11(Cm

CM

a Cm a Cm a a -+-= ))1

1(1exp(*011tm

t R Eaa a a --=

动力学方程中各参数如下图3-2：

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图3-2 动力学参数

3.4 反应器设计思路说明

3.4.1 反应条件

反应温度：866K 反应压力：1 atm

稀释剂的选择：为了提高转化率，可以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，但是水蒸气会对催化剂结构产生影响，给产物分离造成困扰，并且催化剂价格昂贵，因此我们选择廉价的H2作为稀释剂，并且H2作为反应产物，也可以做到循环利用，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4.0=ε

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反应进口流量：G=64869.711mol/min 3.4.2 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。 3.4.3 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。最后通过改变工艺参数，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。

3.4.4 反应器体积的计算

（一） 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：

Nt r m r m r a m l r r m /)3)12(211)11((14.323800000d 1

d ?-+?-??-?????-=副反应：Nt r m r m r m l r r m /)322)21(1a 2-14.323800000d 2

d ?-?-+???????=（

Nt

r m r m r a m l r r m /)3)31(2313-14.323800000d 3d ?-+?-???????=（

对这个微元体系做热量衡算，如下：

)33221r a 1(*14.323800000dr d r Hr r Hr Hr Cp Nt t ?-?-??-???=

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 ）通过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3-3 Polymath模拟程序

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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。

同理可得其他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，所以可得各反应器床层厚度分别为40cm，34cm，34cm，42cm。

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（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 R201 1200 2400 400 6 0Cr18Ni9 R202 1200 2400 340 6 0Cr18Ni9 R203 1200 2400 340 6 0Cr18Ni9 R204

1200

2400

420

6

0Cr18Ni9

（四）反应器塔压降校核

H

)1(dp

2

?-??

=?ε

ερu f

p f m

75.1Re 150

+=

m f ε

μρ-11u dp e ???=R

其中：

f μ——流体黏度，kg/(m .s) f ρ——流体密度，kg/m 3 ε——空隙率

dp ——催化剂直径 H ——反应器高度 工艺数据如下：

)./(1016-s m kg f ?=μ

dp=0.002m

3/317.0m kg f =ρ

4.0=ε

6m =H

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s m u /49.1=

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，可以看做恒压反应，这是符合设计要求的。

3.5 催化剂设计

3.5.1 催化剂用量

选用密度为3800kg/m 3的Pt-Sn/Al 2O 3催化剂，各催化剂床层的体积分别是： V1= 7.16m 3，V2=5.89m 3，V3=5.89m 3，V4=7.48m 3。 对应一次催化剂的装填量为m=m1+m2+m3+m4=∑ρV=100.4吨 3.5.2 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。 3.5.3 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。

3.6 反应器内部结构设计

3.6.1 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：

总面积开孔区的面积

φ=

因为丙烷脱氢是一个分子数增加的反应，所以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=39.207m 2,所以布气开孔区的面积为

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S1=Sx φ1=1.568m 2

，开孔直径为 1.5mm ，由此可算得开孔个数为

个

孔面积开孔区面积54.8877560015.00015.0785.0568

.1n =??==

，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=22.608m 2，集气开孔区面积为S2=Sx φ2=1.356m 2，开孔直径为1.5mm ，由此可算得开孔个数为

个

孔面积开孔区面积24.7677280015.00015.0785.0356

.1n =??==

，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。

3.6.2 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，反应气径向通过催化剂床层，因此要求反应气与催化剂能均匀接触，并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，所以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/m 3,所以分布器的体积为6.6 m 3,根据反应器大小直径为2000mm ，则高度为2.2 m 。 3.6.3 气体分布器

由于气体的流动扩散性和可压缩性，所以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。

3.7 反应器管口计算

3.7.1 进料管(以第一台反应器为例)

反应器混合气进料流量G=46113.576h m /3=12.837s m /3

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混合气在管内的流速取30m/s

2d u uA V π==

进料管

m u V d in 738.030

837.1244=??==ππ

选择接管尺寸：

Φ820×10

3.7.2 出料管

反应器混合气出料流量

s m h m /763.13/49545.884=G 33=

出料管

m

d out 764.030763

.134=??=

π

连接管尺寸：

φ820×10

3.7.3 吹扫空气入口

根据工艺需要选择接管尺寸：

φ630×10

3.7.4 催化剂进料口

根据工艺需要选择接管尺寸：

φ25×2.5

3.7.5 催化剂出口

根据工艺需要选择接管尺寸：

φ25×2.5

3.7.6 排净口

根据工艺需要选择接管尺寸：

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φ45×2.5

3.7.7 人孔

根据工艺需要选择接管尺寸：

φ500 3.7.8 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。

3.8 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。

3.9 机械强度的计算和校核

3.9.1 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 ，所以在选材上我们选耐热耐蚀等性能都比较好的合金钢：0Cr18Ni9。 3.9.2 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C 1=-0.3mm

考虑氢腐蚀，取腐蚀裕量C 2=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： mm Pc Di 94.111

.012.6822400

11.0]t [2Pc =-???=-=

φσδ

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不锈钢的最小厚度是2mm 。 名义厚度：

δn =δ+C 1+C 2=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： δe =t n -C 1-C 2=2.7mm 。 3.9.3 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=2000mm 。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 ：

[]mm Pc D Pc t

i h 77.111.05.0-12.6822200

11.05.02=????=-?=

φσδ

不锈钢的最小厚度是2mm 。

名义厚度：

mm C C h nh 3.621=?+++=δδ

查阅封头标准，最终将名义厚度圆整为7mm 。即mm nh 7=δ。 有效厚度：

mm

C C h h e 7.23.04721=--=--=δδ

同理可得下封头的厚度数据： 理论计算厚度 ：

[]mm Pc D Pc t

i h 61.111.05.0-12.6822000

11.05.02=????=-?=

φσδ

不锈钢的最小厚度是2mm 。

名义厚度：

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mm C C h nh 3.621=?+++=δδ

查阅封头标准，最终将名义厚度圆整为7mm 。即mm nh 7=δ 有效厚度：

mm

C C h h e 7.23.04721=--=--=δδ

3.9.4 液压试验校核

液压试验的压力： MPa 28.02.68/13711.025.1][]

[25.1P =??=?

=t

Pc t σσ 液压试验容器应力： MPa 58.1247

.227.2240028.02)(P t =?+?=+=）

（φδδσe e Di t

查表得，σs=205MPa,0.9σs=184.5MPa,因为σt<0.9σs,所以可以进行液压试验。

最大允许工作压力：

MPa 153.0)

7.22400(2.6817.22][2]P [=+???=+=

）δ（σφδe Di e 因为[P]>Pc=0.11MPa,所以反应器的压力符合设计要求。 反应器的最大工作应力：

σt =Pcx(D i +δe )/2δe φ=48.94MPa ，σt <[σ]，所以反应器所受应力符合设计要求。

3.9.5 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3-2 SW6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

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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 0.11 MPa

设计温度 t 593 ? C 内径 Di 2400.00

mm

材料 S30408（板材 )

试验温度许用应力

[σ]

137

MPa

设计温度许用应力

[σ]t

68.2

MPa

试验温度下屈服点

σs 205

MPa 钢板负偏差 C1 0.30 mm 腐蚀裕量 C2 4.00

mm

焊接接头系数 φ

1.00

厚度及重量计算

计算厚度

δ =

P D P c i t c

2[]σφ- = 1.94

mm

有效厚度 δe =δn - C1- C2= 2.70

mm 名义厚度 δn = 7.00 mm 重量

2493.06

Kg

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 [][]

σσt

=0.2762 (或由用户输入)

MPa

压力试验允许通过

的应力水平 [σ]T

[σ]T ≤ 0.90 σs = 184.50

MPa