固定床流化床設(shè)計(jì)計(jì)算講義

1、炔烴液相選擇加氫固定床床反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算由于固定床反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、操作彈性大、建設(shè)投資低等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于各類油品催化加氫裂化及精制、 低碳烴類選擇加氫精制等領(lǐng) 域。將碳四餾分液相加氫新工藝就是采用單臺(tái)固定床絕熱反應(yīng)器進(jìn)行催化選擇加 氫脫除碳四餾分中的乙基乙炔和乙烯基乙炔等。 在工業(yè)裝置中，由于實(shí)際所采用 的流速足夠咼，流體與催化劑顆粒間的溫差和濃差， 除少數(shù)強(qiáng)放熱反應(yīng)外，都可 忽略。對(duì)于固定床反應(yīng)器來講最重要的是處理好床層中的傳熱和催化劑粒子內(nèi)擴(kuò) 散傳質(zhì)的影響。一、固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)碳四餾分選擇性加氫 反應(yīng)器一般采用絕熱固定床反應(yīng)器。在工程上要確定反應(yīng)器的幾何尺寸，首先得確定出一

2、定生產(chǎn)能力下所需的催化劑容積，再根據(jù)高徑比確定反應(yīng)器幾何尺寸。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)主要依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和技術(shù)要求確定的參數(shù)，對(duì)反應(yīng)器的大小及 高徑比、催化劑床層和液體分布板等進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。1.設(shè)計(jì)參數(shù)反應(yīng)器進(jìn)口溫度：20 C進(jìn)口壓力：O.IMPa進(jìn)料量（含氫氣進(jìn)料組分）體積流量：197.8m3/h質(zhì)量流量：3951kg/h液相體積空速：400h-12.催化劑床層設(shè)計(jì)計(jì)算正常狀態(tài)下反應(yīng)器總進(jìn)料量為2040nVh液體體積空速400h-1貝U催化劑用量 VR =V總/SV =2040/400=5.1m3催化劑堆密度 = 850kg/m3催化劑質(zhì)量 mB = :?B VR =850 5.1kg = 4335kg

3、求取最適宜的反應(yīng)器直徑 D:設(shè)不同D時(shí)，其中高徑比一般取 2-10，設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)，為了盡可能避免徑向的影響， 取反應(yīng)器的長徑比 5,則算出反應(yīng)器的直徑和高度為：按正常進(jìn)料量2040m h及液體空速400h-1，計(jì)算反應(yīng)器的諸參數(shù)：取床層高度L=5m則截面積S = VR/L =5.1/5 =1.02m2床層直徑 D h：；4忘=確4 1.02/3.14 = 1.140m因此，圓整可得反應(yīng)器內(nèi)徑可以選擇 1200mm此時(shí)，床層高度Lo4VR: D4 5.123.14 1.22= 4.512m反應(yīng)器選型表4-1和表4-2為反應(yīng)器類型。表4-1固定床反應(yīng)器類型比較反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)備注1絕熱固定床反應(yīng)器結(jié)

4、構(gòu)簡單，反應(yīng) 器單位體積內(nèi)催化劑量 大，生產(chǎn)能力大。反應(yīng)過程中溫度 變化大。主要用于熱效應(yīng)不大 的反應(yīng)。自熱式固定床以原料氣作為冷卻劑來 冷卻床層，易維持床層 在一定的溫度分布。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜 造價(jià)高，只適合用 于放熱反應(yīng)。主要用于熱效應(yīng)不咼 的高壓反應(yīng)過程。多段絕熱式固定床床層之間設(shè)置氣體的冷 卻裝置，有效的減小了 床內(nèi)的溫度變化，有較 高的反應(yīng)速率。反應(yīng)器 結(jié)構(gòu)簡單，能容納較多 的催化劑，溫度分布合 理，能是反應(yīng)接近最佳 溫度曲線進(jìn)行，產(chǎn)能大， 轉(zhuǎn)化率咼。傳熱較差。適合各種寬熱效應(yīng)反 應(yīng)?？偨Y(jié)1-比較三種固定床的優(yōu)缺點(diǎn)以及結(jié)合本工藝特點(diǎn)選用絕熱固定床反應(yīng) 器。、流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)1.1反應(yīng)器

5、設(shè)計(jì)原則(1)具有適宜的流體力學(xué)條件，流動(dòng)性能好，有利于熱量傳遞和質(zhì)量傳遞;(2)合理的結(jié)構(gòu)，能有效的加速反應(yīng)和水的脫除；(3)保證壓力和溫度符合操作條件；(4)操作穩(wěn)定，調(diào)節(jié)方便，能適應(yīng)各種操作條件的變化。1.2流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)以Superflex工藝為依托，以C4為原料,以ZSM-5分子篩為催化劑活性組分, 通過流化床反應(yīng)器，將C4轉(zhuǎn)換為乙烯、丙烯產(chǎn)品。其特點(diǎn)是在2個(gè)獨(dú)立的流化床反應(yīng)器（區(qū)）中分別進(jìn)行（乙烯和丁烯歧化反應(yīng)）過程,產(chǎn)物匯總后進(jìn)入分離系 統(tǒng),乙烯、丙烯產(chǎn)品出裝置,C4及G以上組分循環(huán)返回反應(yīng)器繼續(xù)轉(zhuǎn)化G及以上組分兩股物流在返回烯烴轉(zhuǎn)化反應(yīng)區(qū)之前有少量馳放，以免惰性組分積累。催

6、化 劑順次通過反應(yīng)器，經(jīng)汽提后進(jìn)入再生器燒焦，再生催化劑連續(xù)返回反應(yīng)器以實(shí) 現(xiàn)連續(xù)反應(yīng)-再生。1.3流化床反應(yīng)器計(jì)算說明1基本參數(shù)：催化劑顆粒密度： -1500kg / m3催化劑堆密度：訂二700kg /m3催化劑平均粒徑：dp = 0.12m =1.2 10m （屬于B區(qū)粒子）混合氣體粘度：J =2.0 10-5Pa.s反應(yīng)溫度：T=550 C反應(yīng)壓力：P= 0.2MPaC4 處理流量：m0 = 30584m3 / hV0 = 17505kg / h混合氣體密度：二 mo/V0 =30584/17505 = 1.75 kg/m3流化床出口流量：y = 29667m3 / h422工藝計(jì)算當(dāng)

7、流體流過顆粒床層的阻力等于床層顆粒重量時(shí)，床層中的顆粒開始流動(dòng)起來， 此時(shí)流體的流速稱為起始流化速度，記作Umf。起始流化速度僅與流體和顆粒的(1)設(shè) Re ： 20，Umfdp(p)g _:1650一1650 2.0 10$= 6.41 10m/s復(fù)核 Re 值，Rd?L_1.2 10* 6.41 10二 1.752.0 x100.0673 ： 20d4 (1500-1.75)2 9.82225 2.0 10 :.1亍 1.2 10=0.574m/s物性有關(guān)，其計(jì)算公式如下式所示:對(duì)于R吋T :：: 20的小顆粒Amf對(duì)于 弘 /pUf io。的大顆粒1：dp(Pp-Pg2Umf24.5P

8、-由于C4裂解反應(yīng)需要較長的接觸時(shí)間，故流化床的操作線速不必太高4.221操作氣速(1)起始流化速度Umf的確定故假設(shè)Re : 20合理。2將Umf帶入弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)公式Fgf =_U四作為判斷流化形式的依據(jù)。散式流化,dpgFrmf 1.0 10擴(kuò)大段直徑D2=6.3m0.5170.517R=1-0.7A19 污-10燈6 02孕24在通入氣體起到起始流化時(shí)，床高 Lmf ：、L。= 0.74m所以濃相段床高 Lf=RLmf -1.24 0.74 = 0.92m稀相段床高dpUP 1.2d0*x0.25燈.75“廠Rep52.625p 2.0 10由阿基米德數(shù),Ar dp3Pg(Pp P)(1.

9、2x10)3x1.75x9.8 逬 1500 1,75)Arill42(2.0 漢10，)2有擋板時(shí)，由經(jīng)驗(yàn)方程估算,L2 =0.73 103LoRep1.45 Ar1 =1.2 103 0.74 2.6251 111.1 =12.32m(5)擴(kuò)大段直徑的確定在流化過程中，小顆粒容易被流體帶到反應(yīng)器的上部或外部當(dāng)氣體速度較大 的操作狀態(tài)下，被氣體帶走的固體顆粒數(shù)量較大， 為了回收這部分顆粒，在流化 床中必須設(shè)有氣固分離裝置。設(shè)計(jì)采用的是在反應(yīng)器上部連接一個(gè)擴(kuò)大段作為自 由沉降段，氣速降低，部分顆粒自由沉降分離。由于，反應(yīng)的催化劑使用壽命極 短，所以要像乙烯催化裂化裝置一樣另設(shè)一個(gè)再生器與之串聯(lián)

10、，且有研究表明催化劑床層下部的積炭程度較輕，床層內(nèi)存在積碳分布，高失活區(qū)域位于催化劑床 層上部；如此必須加強(qiáng)床層上部催化劑顆粒與氣體的分離，可在稀相段設(shè)置一個(gè)氣固初步分離器，在擴(kuò)大段設(shè)置一個(gè)串聯(lián)的二級(jí)旋風(fēng)分離器，分離出來的固體， 通過一個(gè)倒錐體一部分進(jìn)入再生器，一部分進(jìn)入濃相段。(6)擴(kuò)大段的計(jì)算最小顆粒的帶出速度：d pmin ： p P)g 二(0.8X 10冷2 x( 1500 -5尸 9.8 = 26仏圓整后取D2 =6mD24 x 29(5(573600 3.14 0.263門45 二06 仁 2.2m2 2濃稀相段厚度，20.25x5000,12 八 0.85-0.25=8.36m

11、mfPcDi于 -0.5PcG 二 0.8mm擴(kuò)大段高度，取經(jīng)驗(yàn)值L3=D2=6m(7)錐體部分固定流化床反應(yīng)器錐體角度不大于45,選取反應(yīng)器錐體的角度為45。根據(jù)反應(yīng)器直徑計(jì)算可知錐體段高度，下面接口管的直徑為0.6m，由此可以推出:綜上，流化床反應(yīng)器反應(yīng)器高度L = LF L2 L3 L4 =0.92 12.32 6 2.2 二 22.44m(8)各段壁厚的計(jì)算設(shè)計(jì)壓力0.25MPa，設(shè)計(jì)溫度550E，材料為0Cr18Ni9，則其許用應(yīng)力為100MPa，根據(jù)壁厚公式計(jì)算，考慮鋼板負(fù)偏差C1圓整后，C 0.8mm (參考化工機(jī)械基礎(chǔ)陳國恒 P161)表4-6鋼板厚度負(fù)偏差鋼板厚度2.02.2

12、2.52.83.03.23.53.84.04.55.5負(fù)偏差C10.180.190.200.220.250.300.50鋼板厚度6.07.08.02526303234364042505260負(fù)偏差C10.60.80.91 . 01.11.21.3故取、n =10mm過渡段半錐角為60T，取R/Di =0.5，則f=0.50,5x50000.25C21 = 8.36 mm ，I ： 0.85 -0.5 0.25圓整后去，、：n = 10mm密相段與過渡段連接部分的厚度K=0.5 :弋KPcDi10.5x50000,25、d 二t - C21 = 3.68mm ： 10mm，2二：-0.5Pc：工

13、L 0.85 -0.5 0.25故取、n =10mm擴(kuò)大段厚度八cC2取、n =11mm上部封頭壁厚0.25x(5000d=2皐HP C2P =2.5= 781.25Pa仁 9.84mm ,0.8mm:Q 0.85-0.25+ 1 = 8.83mm , G = 0.8mm0.85-0.5 0.25故取;.n =11mm;根據(jù)JB/T 4737-95橢圓形封頭深度為1500mm直邊高度為50mm(9)氣體分布器氣體分布器是流化床反應(yīng)器的主要構(gòu)件之一，具有支承催化劑、均勻分布?xì)?體、證催化劑正常流化而不出現(xiàn)溝流，偏流，實(shí)現(xiàn)流化床穩(wěn)定操作、強(qiáng)化傳熱傳 質(zhì)等過程的重要部件。而反應(yīng)器為雙層流化床反應(yīng)器，

14、其中下層采用管式分布器， 上層采用板式分布器。分布器的開孔率均為 1%(10)分布板壓力降計(jì)算氣體通過分布板的壓力降可用下式計(jì)算：器(10)式中：E為阻力系數(shù)，其取值范圍為1.52.5 ; 為開孔率；u為空塔氣速20.251 9.822 9.8 0.012(11) 擋板或擋網(wǎng)擋板或擋網(wǎng)是流化床反應(yīng)器的重要構(gòu)件之一， 床內(nèi)加設(shè)擋板或擋網(wǎng)后，能夠 破壞氣泡的生成和長大，改善氣體在床內(nèi)的停留時(shí)間分布和兩相接觸， 在相當(dāng)程 度上減輕氣體返混，從而提高了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。其一般厚度為 26mm(12) 內(nèi)旋風(fēng)分離器內(nèi)旋風(fēng)分離器是裝在反應(yīng)器內(nèi)部的氣固分離器， 目前在流化床反應(yīng)器中已得 到廣泛采用。它能將經(jīng)過床層

15、反應(yīng)后氣體中夾帶的固體顆粒分離出來， 以減少催 化劑的浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本。內(nèi)旋風(fēng)分離器的圓筒直徑取2m選型可以參照下表進(jìn)行:表1-2內(nèi)旋風(fēng)分離器進(jìn)口形狀及位置器身形狀及尺寸旋風(fēng)分離器型式型式進(jìn)口寬度進(jìn)口高度排氣管直徑圓筒高度圓錐高度排灰口直徑CLT型切線直入0.40.80.62 2.52.50.4（13）裙座裙座結(jié)構(gòu)有圓筒形和圓錐形兩種形式，均由裙座筒體、基礎(chǔ)環(huán)、地腳螺栓座、 人孔、排氣孔、引出管通道、保溫支承圈等組成。（14）排氣孔和排氣管塔設(shè)備運(yùn)行過程中有可能有氣體逸出，積聚在裙座與塔底封頭之間。若該氣 體易爆、有毒或腐蝕，對(duì)進(jìn)入裙座的檢修人員造成傷害。因此必須在裙座上部設(shè) 置排氣管或排氣

16、孔。無保溫層的裙座上部應(yīng)均勻設(shè)置排氣孔，排氣孔規(guī)格和數(shù)量按表規(guī)定。表1-3排氣孔規(guī)格參照表塔式容器內(nèi)直徑（mm6001200140024002400排氣孔尺寸（mr）i 80 80 100排氣孔中心線至裙座殼頂端的距離（mr）140180220有保溫層的裙座上部應(yīng)按圖所示均勻設(shè)置排氣管，排氣管規(guī)格按表的規(guī)定。圖1-1裙座上的排氣管結(jié)構(gòu)表1-4排氣管規(guī)格參照表塔式容器內(nèi)直徑（mm6001200140024002400排氣孔尺寸（mr）i 89 X 4 89X 4 108X 4排氣孔中心線至裙座殼頂端的距離（mr）i140180220（15）隔氣圈當(dāng)塔式容器下封頭的設(shè)計(jì)溫度大于或等于 400C時(shí)，

17、在裙座上部靠近封頭處 應(yīng)設(shè)置隔氣圈，隔氣圈分為可拆和不可拆兩種。本裝置選用比較經(jīng)濟(jì)的碳素鋼為材料，選用內(nèi)徑為100mr的排氣管，而反應(yīng)器反應(yīng)溫度為550C，故在裙座上部靠近封頭處設(shè)置隔氣圈。（16）裙座人孔人孔裙座用于維修檢查反應(yīng)器錐體及甲醇進(jìn)料管道，一般設(shè)計(jì)比較簡單，只是在裙座上開兩個(gè)口。為了便于檢修人員的進(jìn)出，設(shè)計(jì)人孔的直徑為1500mm4.223再生器擴(kuò)大段直徑D2JV360043； 0.044=4m600C下，空氣密度為0.625kg/m3，黏度為4 10JPa s，催化劑循環(huán)量為1000kg/h ,空氣的質(zhì)量流量為1000kg/h ?？諝膺M(jìn)口的體積流量為1600m3/h 。出口的體積流量約為2000m3/h。同上計(jì)算得:濃相段直徑D1 = 3m靜床層高度H=0.39m濃相段高度Hf =0.6m錐體段高度“穿6an 45寧汽1 ”. 2稀相段高度為3m;設(shè)計(jì)壓力0.25MPa,設(shè)計(jì)溫度650E，材料為0Cr18Ni9，則其許用應(yīng)力為 42MPa,根據(jù)壁厚公式，計(jì)算得，