固定床流化床設(shè)計計算

1、炔烴液相選擇加氫固定床床反應(yīng)器設(shè)計計算由于固定床反應(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，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固定床絕熱反應(yīng)器進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，由于實際所采用的流速足夠高，流體與催化劑顆粒間的溫差和濃差，除少數(shù)強放熱反應(yīng)外，都可忽略。對于固定床反應(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)擴散傳質(zhì)的影響。一、 固定床反應(yīng)器設(shè)計 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，首先得確定出一定生產(chǎn)能力下

2、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)計主要依據(jù)試驗結(jié)果和技術(shù)要求確定的參數(shù)，對反應(yīng)器的大小及高徑比、催化劑床層和液體分布板等進行計算和設(shè)計。1. 設(shè)計參數(shù)反應(yīng)器進口溫度： 20 進口壓力：0.1MPa進料量(含氫氣進料組分)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)計計算正常狀態(tài)下反應(yīng)器總進料量為2040m3/h液體體積空速400h-1則催化劑用量催化劑堆密度催化劑質(zhì)量求取最適宜的反應(yīng)器直徑D:設(shè)不同D時，其中高徑比一般取2-10，設(shè)計反應(yīng)器時，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

3、度為：按正常進料量及液體空速400h-1，計算反應(yīng)器的諸參數(shù)：取床層高度L=5m，則截面積床層直徑因此,圓整可得反應(yīng)器內(nèi)徑可以選擇1200mm 此時，床層高度 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)點缺點備注絕熱固定床反應(yīng)器結(jié)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)雜造價高，只適合用于放熱反應(yīng)。主要用于熱效應(yīng)不高的高壓反應(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

4、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行，產(chǎn)能大，轉(zhuǎn)化率高。傳熱較差。適合各種寬熱效應(yīng)反應(yīng)?？偨Y(jié)比較三種固定床的優(yōu)缺點以及結(jié)合本工藝特點選用絕熱固定床反應(yīng)器。二、流化床反應(yīng)器設(shè)計1.1 反應(yīng)器設(shè)計原則 （1）具有適宜的流體力學(xué)條件，流動性能好，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)

5、品。其特點是在2個獨立的流化床反應(yīng)器(區(qū))中分別進行 (乙烯和丁烯歧化反應(yīng))過程,產(chǎn)物匯總后進入分離系統(tǒng),乙烯、丙烯產(chǎn)品出裝置,C4及C4以上組分循環(huán)返回反應(yīng)器繼續(xù)轉(zhuǎn)化C4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。催化劑順次通過反應(yīng)器,經(jīng)汽提后進入再生器燒焦,再生催化劑連續(xù)返回反應(yīng)器以實現(xiàn)連續(xù)反應(yīng)-再生。1.3 流化床反應(yīng)器計算說明1.基本參數(shù):催化劑顆粒密度: 催化劑堆密度: 催化劑平均粒徑: （屬于B區(qū)粒子）混合氣體粘度: 反應(yīng)溫度: T=550 oC反應(yīng)壓力:P= 0.2MPaC4處理流量: 混合氣體密度: 流化床出口流量: 4.2.2 工藝計算當(dāng)流體流過顆

6、粒床層的阻力等于床層顆粒重量時，床層中的顆粒開始流動起來，此時流體的流速稱為起始流化速度，記作。起始流化速度僅與流體和顆粒的物性有關(guān)，其計算公式如下式所示： 對于的小顆粒 （1） 對于的大顆粒 由于C4裂解反應(yīng)需要較長的接觸時間，故流化床的操作線速不必太高。4.2.2.1 操作氣速(1) 起始流化速度 的確定 設(shè)，復(fù)核值，故假設(shè)合理。 將帶入弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)公式作為判斷流化形式的依據(jù)。散式流化，；聚式流化，。代入已知數(shù)據(jù)求得將復(fù)帶入弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)公式，流化形式為散式流化。 (2) 逸出速度的確定設(shè)，則復(fù)核值故假設(shè)合理。 (3) 流化床操作氣速操作速度表示流化床在正常操作時流體的速度，一般。根據(jù)C4裂解反

7、應(yīng)流化床操作速度圍為，兩個速度之比為89.5，所選氣速不應(yīng)太接近這一允許氣速范圍的任一極端。故可取0.25m/s。4.2.2.2 流化床反應(yīng)器尺寸(1) 流化床濃相段直徑的確定經(jīng)計算，采用單個流化床反應(yīng)器圓整為5000mm(2) 催化劑裝填量的確定根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)，為了確保C4餾分在一定時間內(nèi)保持較高的轉(zhuǎn)化率，需控制C4餾分質(zhì)量空速為l5h1。C4餾分質(zhì)量流量為30584kg/h。根據(jù)操作空速為3h1，以反應(yīng)空速計算催化劑裝填量為(3) 靜床層高度的確定催化劑堆密度: (4) 流化床床層高度的確定查閱資料知，對于帶有擋板流化床，可采用下面的公式計算膨脹比： 適用范圍 式中u為流化床的操作氣速，m

8、/s。 在通入氣體起到起始流化時，床高所以濃相段床高稀相段床高由阿基米德數(shù)，有擋板時，由經(jīng)驗方程估算，(5) 擴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)計采用的是在反應(yīng)器上部連接一個擴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)一個再生器與之串聯(lián)，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；如此必須加強床層上部催化劑顆粒與氣體的分離，可在稀

9、相段設(shè)置一個氣固初步分離器，在擴大段設(shè)置一個串聯(lián)的二級旋風(fēng)分離器，分離出來的固體，通過一個倒錐體一部分進入再生器，一部分進入濃相段。(6) 擴大段的計算 最小顆粒的帶出速度： 擴大段直徑D2 圓整后取擴大段高度，取經(jīng)驗值(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 (8) 各段壁厚的計算設(shè)計壓力0.25MPa，設(shè)計溫度550，材料為0Cr18Ni9，則其許用應(yīng)力為100MPa，根據(jù)壁厚公式計算，濃稀相段厚度考慮鋼板負(fù)偏差圓整后，（參

10、考化工機械基礎(chǔ)·陳國恒P161）表4-6鋼板厚度負(fù)偏差鋼板厚度2.02.22.52.83.03.23.53.84.04.55.5負(fù)偏差C10.180.190.200.220.250.300.50鋼板厚度6.07.08.02526303234364042505260負(fù)偏差C10.60.80.9101.11.21.3故取過渡段半錐角為60，取，則f=0.5，圓整后去，密相段與過渡段連接部分的厚度 K=0.5 :，故取。擴大段厚度，取上部封頭壁厚，故取；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

11、有支承催化劑、均勻分布?xì)怏w、證催化劑正常流化而不出現(xiàn)溝流，偏流，實現(xiàn)流化床穩(wěn)定操作、強化傳熱傳質(zhì)等過程的重要部件。而反應(yīng)器為雙層流化床反應(yīng)器，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)分布板壓力降計算氣體通過分布板的壓力降可用下式計算： （10） 式中：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 （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

12、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，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行：表1-2 內(nèi)旋風(fēng)分離器旋風(fēng)分離器型式進口形狀及位置器身形狀及尺寸型式進口寬度進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0.40.80.622.52.50.4（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

13、腐蝕，對進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（mm）600120014002400>2400排氣孔尺寸（mm）8080100排氣孔中心線至裙座殼頂端的距離（mm）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（mm）600120014002400>2400排氣孔尺寸（mm）89×489×4108×4排氣孔中心線至裙座殼

14、頂端的距離（mm）140180220（15）隔氣圈 當(dāng)塔式容器下封頭的設(shè)計溫度大于或等于400時，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)濟的碳素鋼為材料，選用內(nèi)徑為100mm的排氣管，而反應(yīng)器反應(yīng)溫度為550，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)器錐體及甲醇進料管道，一般設(shè)計比較簡單，只是在裙座上開兩個口。為了便于檢修人員的進出，設(shè)計人孔的直徑為1500mm。4.2.2.3 再生器600下，空氣密度為，黏度為，催化劑循環(huán)量為1000，空氣的質(zhì)量流量為1000?？諝膺M口的體積流量為1600。出口的體積流量約為2000。同上計算得：濃相段直徑靜床層高度濃相段高度擴大段直徑 錐體段高度 稀相段高度為3m;設(shè)計壓力0.25MPa，設(shè)計溫度650，材料為0Cr18Ni9，則其許用應(yīng)力為42MPa，根據(jù)壁厚公式，計算得，稀相段及密相段厚度為7mm ；過渡段厚度為7mm；擴大段厚度為8mm；錐體部分厚