反應(yīng)器詳細(xì)設(shè)計(jì)說明書

1、目錄第一章 設(shè)計(jì)概述3第二章 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與選型3反應(yīng)器選型3反應(yīng)器類型3反應(yīng)類型4操作方式4反應(yīng)物的稀釋4催化劑選擇4氧化鋁基催化劑5鈦基催化劑6保護(hù)催化劑7多功能催化劑7反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析8反應(yīng)方程式8反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程8反應(yīng)物性數(shù)據(jù)分析9氣體比熱容9反應(yīng)熱10反應(yīng)條件的選擇102.5.1 溫度102.5.2 床層高度及壓降11反應(yīng)器設(shè)計(jì)12設(shè)計(jì)條件12反應(yīng)器計(jì)算12氣體分布器的設(shè)計(jì)15第三章 反應(yīng)器強(qiáng)度校核說明書162第一章 設(shè)計(jì)概述反應(yīng)器是化工生產(chǎn)過程中一系列設(shè)備中的設(shè)備?；ぜ夹g(shù)過程開發(fā)的成功與否很大程度上取決于反應(yīng)器內(nèi)流體的溫度、濃度、停留時(shí)間及溫度分布、停留時(shí)間分布的控制水平和控制能力。

2、化工生產(chǎn)的工藝過程決定了反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式對(duì)工藝過程又有一個(gè)促進(jìn)和完善的作用，同時(shí)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式在某種程度上也決定著產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。因此，化學(xué)反應(yīng)器的選型、設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇最優(yōu)化的操作條件是化工生產(chǎn)中極為重要的課題。本項(xiàng)目是催化裂化煙氣脫硫并資源化利用的項(xiàng)目，以總廠云南省滇中產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)安寧組團(tuán)草鋪工業(yè)園區(qū)的催化裂化煙氣和硫化氫為原料，催化裂化煙氣經(jīng)過吸收劑吸收再生后，與來自雙脫裝置的硫化氫充分混合預(yù)熱進(jìn)行反應(yīng)、硫磺回收。所有的廢水、廢氣均采取了可行的處理方法進(jìn)行處理，處理后的廢水、廢氣可以達(dá)到規(guī)定的排放指標(biāo)。因此本項(xiàng)目符合清潔生產(chǎn)的要求。此工藝主要涉及到的反應(yīng)器有反應(yīng)器，下面

3、對(duì)其設(shè)備一級(jí)反應(yīng)器進(jìn)行了反應(yīng)條件、催化劑的選擇，通過 Aspen 模擬確定了反應(yīng)器的體積，通過查閱文獻(xiàn)確定了反應(yīng)器的大致結(jié)構(gòu)。第二章 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與選型2.1 反應(yīng)器選型2.1.1 反應(yīng)器類型反應(yīng)器的功能是使過程氣中的 H2S 和 SO2 在催化劑的作用下進(jìn)行克反應(yīng)生成元素硫，反應(yīng)器設(shè)計(jì)的好壞，將直接影響 SO2 的轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)器形式的選擇直接影響到全裝置的設(shè)備布置格局，關(guān)系到裝置長(zhǎng)期平穩(wěn)操作及總投資。反應(yīng)器在工業(yè)中常見的是固定床反應(yīng)器，反應(yīng)器有臥式和立式兩種形式。立式反應(yīng)器的特點(diǎn)是：反應(yīng)器也可單獨(dú)設(shè)置，或上下設(shè)置，或中間用徑向內(nèi)壁分開。兩種形式相比較，臥式反應(yīng)器布置靈活，操作簡(jiǎn)便，可并可縮小

4、占地面積；立式反應(yīng)器占地面積大，反應(yīng)器出口過程氣管線易結(jié)存液硫。臥式反應(yīng)器的特點(diǎn)是：反應(yīng)器可單獨(dú)設(shè)置，但的是用徑向的內(nèi)壁把一個(gè)容器分割成幾個(gè)反應(yīng)器，氣提在頂部，出口在底部，催化劑置于有瓷球的柵板上，呈一個(gè)約 1m 后的矩形床層，床層位于反應(yīng)器中部。因此，工業(yè)上常采用臥式反應(yīng)器。32.1.2 反應(yīng)類型反應(yīng)是放熱的分子數(shù)增加的反應(yīng)，催化反應(yīng)為主要生成 S8 的放熱反應(yīng)。因此，低溫和高壓對(duì)反應(yīng)有利。反應(yīng)器的操作溫度不僅取決于熱力學(xué)，還要考慮硫的溫度和氣體組成。從熱力學(xué)角度分析，一定范圍內(nèi)降低溫度，平衡轉(zhuǎn)化率就高，從而使二級(jí)反應(yīng)的處理量減少，裝置和操作費(fèi)用就降低；但是溫度過低，會(huì)引起硫蒸汽因催化劑細(xì)孔

5、產(chǎn)生的毛細(xì)管硫冷凝在催化劑的表面，作用而凝聚在催化劑的表面上，使其失活。因此，過程氣進(jìn)入反應(yīng)器溫度高 1114。另外，在催化劑上的床層的溫度至少應(yīng)比硫蒸汽反應(yīng)受其活性中心的擴(kuò)散控制，從動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，又不能使溫度太低。若使用鋁礬土作催化劑，則溫度還要提高。2.1.3 操作方式工藝是連續(xù)式操作的工藝，連續(xù)式操作的反應(yīng)過程中都比較均勻穩(wěn)定，反應(yīng)溫度和催化劑的活性都不會(huì)隨反應(yīng)時(shí)間而改變。2.1.4 反應(yīng)物的稀釋在工藝中，蒸汽做稀釋劑，有重要作用：1、減緩催化劑表面液體硫的富集，從而維持催化劑活性的穩(wěn)定2、降低反應(yīng)體系中硫化氫和二氧化硫的閃點(diǎn)，使反應(yīng)的安全性增加;3、稀釋劑在反應(yīng)中承擔(dān)熱載體的作用。不

6、過，稀釋劑的加入同樣有它的不足。如表 2.1-1，水蒸氣作為稀釋劑，同時(shí)作為反應(yīng)產(chǎn)物，因此抑制了應(yīng)的進(jìn)行。表 2.1-1 溫度、水蒸氣含量和轉(zhuǎn)化率的關(guān)系反綜上所述，結(jié)合反應(yīng)特點(diǎn)和現(xiàn)有反應(yīng)器的類型，應(yīng)器的操作方式采用連續(xù)操作。決定選用臥式固定床反2.2 催化劑選擇非均相催化反應(yīng)中催化劑與反應(yīng)物的分離比較簡(jiǎn)單，尤其是氣固相催化反應(yīng)更容易分離，可以連續(xù)操作，廣泛應(yīng)用于化工原料的生產(chǎn)。反應(yīng)屬于氣固4過程氣溫度/不同水蒸氣含量的硫轉(zhuǎn)化率水蒸氣含量為 24%水蒸氣含量為28%水蒸氣含量為 32%175848381200757370225636056250504541相催化反應(yīng)，硫磺回收催化劑的發(fā)展大致經(jīng)歷

7、 3 個(gè)階段：天然鋁礬土催化劑階段、活性氧化鋁催化劑階段和多種催化劑同時(shí)發(fā)展并形成系列催化劑的階段。2.2.1 氧化鋁基催化劑氧化鋁基催化劑初期活性好，但是抗氧能力較差。國(guó)外催化劑以法國(guó) CR-3S催化性能最佳（見表 2.2-1），國(guó)內(nèi) LS-811 和 CT6-2 的催化劑的性能與法國(guó) CR相似，比較如表 2.2-2 所示。表 2.2-1法國(guó) Al2O3 基催化劑的性質(zhì)表 2.2-2 LS-811 和 CT6-2 催化劑的物性數(shù)據(jù)5項(xiàng)目數(shù)據(jù)催化劑種類LS-811CT6-2外觀白色球形白色球形比表面積 m2/g260260平均壓碎強(qiáng)度 （N/顆）150150堆密度 kg/L0.650.720.

8、650.72磨耗%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))0.30.3催化劑型號(hào)DR(1960 年）CR(1980CR-3S(200)Al2O3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Na2O%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))外觀白色球白色球白色球形形形比表面積 m2/g堆密度 kg/L0.720.820.650.720.650.72壓碎強(qiáng)度（N/顆）技術(shù)特點(diǎn)小孔、高 Na2O大孔、低 Na2O超小孔、很低 Na2O（4000（2500）（2000LS-300 催化劑在 LS-811 的基礎(chǔ)上改性而成，具有更大的比表面積和孔容，進(jìn)一步提高了 H2S 和 SO2 的低溫反應(yīng)的活性，已成為在物化性能、技術(shù)指標(biāo)和催化活性上全面達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平氧化鋁基硫磺回收催化劑，已

9、在國(guó)內(nèi) 30 多套裝置上使用，效果良好，LS-300 催化劑的性質(zhì)見表 2.2-3。表 2.2-3 LS-300 催化劑的性質(zhì)2.2.2 鈦基催化劑目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上有兩種類型的鈦基催化劑。一類以活性氧化鋁為主要成分，添加一定量的鈦?zhàn)鳛榛钚猿煞郑涣硪活愂怯裳趸伔勰?、水和少量成型添加劑混型后?jīng)焙燒而制成。國(guó)外主要是 CRS-31 催化劑和 S-701 催化劑，兩者的組分與應(yīng)用情況相似，均對(duì) CS2 有較高的催化效果，低溫條件下仍具有良好的反應(yīng)活性。國(guó)內(nèi)齊魯研制了一種氧化鈦基抗硫酸鹽化催化劑：LS-901，具有高活性、耐漏6數(shù)據(jù)化學(xué)組成%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Al2O393Fe2O30.03SiO20.3N

10、a2O0.3其他余量孔容 ml/g0.4物理性質(zhì)外觀球形比表面積 m2/g300平均壓碎強(qiáng)度 （N/顆）140堆密度 kg/L0.650.75磨耗%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))0.3圖樣O2、高空速的特點(diǎn)。但是鈦基催化劑價(jià)格昂貴，磨耗量較大；含鈦氧化鋁催化劑有機(jī)硫水解性能高但抗氧化能力不理想。2.2.3 保護(hù)催化劑國(guó)外的保護(hù)催化劑有法國(guó)的 AM 系列和的 CSR-7 兩種催化劑；國(guó)內(nèi)同類型的催化劑有齊魯?shù)?LS-971 催化劑和天然氣的 LS-971 催化劑。表 2.2-4 表明 LS-971 催化劑性能指標(biāo)全面達(dá)到了國(guó)外同類催化劑的水平。LS-971催化劑用于低溫工藝及常規(guī)工藝，也可用作 AL2O3 基的保

11、護(hù)劑，具有優(yōu)良的抗硫酸鹽化特性、脫氧能力和熱穩(wěn)定性。表 2.2-4 LS-971 催化劑和國(guó)外保護(hù)催化劑的主要物化性質(zhì)2.2.4 多功能催化劑齊魯和天然氣分別開發(fā)了多功能硫磺回收催化劑 LS-981 和CT6-7。工業(yè)試驗(yàn)證明 CT6-7 催化劑具有良好的有機(jī)硫水解活性、活性及穩(wěn)定性，是一種新型的多功能硫磺回收催化劑，在工業(yè)生產(chǎn)中往往是幾種催化劑聯(lián)合使用。工業(yè)應(yīng)用表明 LS-981 催化劑具有良好的活性和有機(jī)硫水解活性以及脫“漏 O2”保護(hù)功能，抗硫酸鹽化性能強(qiáng)，活性穩(wěn)定性好，適合長(zhǎng)周期運(yùn)行，各項(xiàng)性能優(yōu)于同裝置原使用的催化劑，其物化性質(zhì)見表 2.2-5。表 2.2-5 LS-981 催化劑的物

12、化性質(zhì)7項(xiàng)目LS-971 催化劑國(guó)外催化劑指標(biāo)實(shí)測(cè)指標(biāo)實(shí)測(cè)外觀顏色形狀褐色球形褐色球形褐色球形褐色球形外形尺寸mm46464646載體Al2O3Al2O3Al2O3Al2O3比表面積 m2/g280250260堆密度 g/ml0.70.820.780.710.820.82平均壓碎強(qiáng)度，N/顆300150120138圖樣考慮到國(guó)內(nèi)催化劑已逐步系列化；活性氧化鋁催化劑初期活性好，抗氧能力差；鈦基催化劑價(jià)格昂貴，磨耗量較大；含鈦氧化鋁催化劑有機(jī)硫水解性能高但抗氧化能力不理想，本項(xiàng)目選擇 LS-971 催化劑和 LS-300 催化劑，填裝方案為一級(jí)反應(yīng)器全部采用 LS-971 催化劑，二、三級(jí)反應(yīng)器上

13、部 1/3 填充 LS-971 催化劑，下部 2/3 填充 LS-300 催化劑。2.3 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析2.3.1 反應(yīng)方程式主反應(yīng)為：生成 S8：生成 S6：副反應(yīng)為：硫化氫的氧化：2.3.2 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程生成 S6:其中，8外觀粒度堆密度 強(qiáng)度磨耗比表面積 孔容mm*mmg/ml293%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))m2/gml/g土黃色條形0.972932360.34表 2.3-1生成 S6 的動(dòng)力學(xué)參數(shù)生成 S8：其中，(mol/(m3cat*s)；R=8.314J/(mol*K)硫化氫的氧化：表 2.3-2硫化氫氧化的動(dòng)力學(xué)參數(shù)2.4 反應(yīng)物性數(shù)據(jù)分析2.4.1 氣體比熱容氣體比熱容如下：表 2.4

14、-1 組分的比熱容9反應(yīng)(m3/mol)0.5/sJ/mol4.728*10114.60*104k0EiHH2OK0,H2O反應(yīng)mol/(m3*s*(J/molJ/mol1/pa Pa)1.50.00006073080000.00034備注：T/；Cp/(J/mol*)表 2.4-2 S6、S8 的比熱容2.4.2 反應(yīng)熱表 2.4-3 25各反應(yīng)的反應(yīng)熱2.5 反應(yīng)條件的選擇2.5.1 溫度反應(yīng)是放熱的分子數(shù)增加的反應(yīng)，催化反應(yīng)為主要生成S8 的放熱反應(yīng)。因此，低溫和高壓對(duì)反應(yīng)有利。反應(yīng)器的操作溫度不僅取決于熱力學(xué)，還要考慮硫的溫度和氣體組成。從熱力學(xué)角度分析，一定范圍內(nèi)降低溫度，平衡轉(zhuǎn)化率

15、就高，從而使二級(jí)反應(yīng)的處理量減少，裝置和操作費(fèi)用就降低；但是溫度過低，會(huì)引起硫蒸汽因催化劑細(xì)孔產(chǎn)生的毛細(xì)管硫冷凝在催化劑的表面，作用而凝聚在催化劑的表面上，使其失活。因此，過程氣進(jìn)入反應(yīng)器溫度高 1114。另外，在催化劑上的床層的溫度至少應(yīng)比硫蒸汽反應(yīng)受其活性中心的擴(kuò)散控制，從動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，又不能使溫度太低。若使用鋁礬土作催化劑，則溫度還要提高。因此充分考慮硫在催化劑上的沉積，在10反應(yīng)反應(yīng)熱（J/mol）-52000-31000-519500(K)273.15298.700800S6J/(K*mol)109.35112.75120.82124.92127.28128.75129.72S8J

16、/(K*mol)151.98156.04166.69172.11175.25177.21178.51組分ab(102)c(105)d(109)e(1011)f(1015)SO238.913.90-3.108.61-H2S34.031.241.00-20.000.50-H2O33.460.690.76-3.59-CO236.114.23-2.887.46-N229.000.220.57-2.87-O229.101.16-6.081.31-保證轉(zhuǎn)化率高的條件下參照表 4-13 選擇 240作為一級(jí)反應(yīng)溫度，選擇220作為二、三級(jí)進(jìn)口反應(yīng)溫度。表 2.5-1 過程氣反應(yīng)器溫度和硫溫度圖 2.5-1

17、H2S轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系由于在催化劑中進(jìn)行的反應(yīng)為擴(kuò)散控制，反應(yīng)空速不宜過高，這與催化劑的性質(zhì)和操作溫度有密切關(guān)系。據(jù)介紹過程氣的停留時(shí)間取 312 秒都是可行的，達(dá)到化學(xué)平衡的時(shí)間較短，一般為 2 秒左右。由于操作過程中催化劑將從表層到逐漸失去活性，造成催化劑失活的有硫、碳的沉積，硫酸鹽化及熱老化等。另外，硫回收裝置通常與脫硫裝置匹配，無中間原料罐，這就要求硫回收裝置能長(zhǎng)期平穩(wěn)操作，否則大量含硫氣體放空排入大氣會(huì)造成嚴(yán)重的大氣污染。所以，設(shè)計(jì)時(shí)采取較低的空速是合理的，對(duì)國(guó)內(nèi)催化劑一般取 9001200h。本項(xiàng)目一級(jí)的停留時(shí)間取 3.78 秒。2.5.2 床層高度及壓降上游脫硫裝置酸氣分離器的

18、壓力通常限制了硫回收裝置的總壓力降。所以，催化反應(yīng)器的壓降不宜過大，也就是說床層不宜過高。另外，由于催化反應(yīng)為擴(kuò)散控制，空床氣速也不宜過大，故催化劑的有效床高一般不大于1.2m。此外，為了使過程氣通過催化劑時(shí)分布均勻，必須要維持一定的壓降，故11項(xiàng)目一級(jí)反應(yīng)器二級(jí)反應(yīng)器出口出口過程氣溫度/240305207232硫/188243183216催化劑。床層也不宜過薄。“薄餅”型的催化劑床層不能有效地利用所有的催化劑，或使反應(yīng)氣體短路，或使之產(chǎn)生死角造成部分催化劑的浪費(fèi)。所以，一般催化劑的床層也不宜小于 06m。不同的催化劑特性應(yīng)選擇適宜的操作空速和床層壓降。根據(jù)引進(jìn)裝置的情況來看，使用催化劑時(shí)的床

19、層壓降應(yīng)取 22.5 kPa 左右是比較合適的，本項(xiàng)目取床層壓降為 2.5kPa。2.6 反應(yīng)器設(shè)計(jì)2.6.1 設(shè)計(jì)條件表 2.6-1 反應(yīng)器設(shè)計(jì)條件表 2.6-2 反應(yīng)器介質(zhì)及組成2.6.2 反應(yīng)器計(jì)算2.6.2.1 體積的計(jì)算在反應(yīng)器選型、催化劑選擇、動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)確定、反應(yīng)條件確定之后，選擇 LS-971 催化劑和 LS-300 催化劑穩(wěn)定時(shí)的最佳操作條件為設(shè)計(jì)條件，即溫度240，壓力為 0.14MPa，停留時(shí)間選擇 3.78 秒。反應(yīng)器設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮各設(shè)備的允許壓降，某國(guó)外公司提出反應(yīng)12介質(zhì)名稱質(zhì)量分?jǐn)?shù)%H2S40.7SO236.4進(jìn)口H2O10.8其它12.1H2S5.6SO23.

20、5出口H2O29.4硫蒸汽0.5其它60.9筒體左封頭右封頭設(shè)計(jì)壓力 MPa0.250.250.25設(shè)計(jì)溫度600600600內(nèi)徑 mm270027002700長(zhǎng)度 mm5300-曲面深度 mm-675675器的允許的最大壓降為 4kPa.為降低壓降，無論反應(yīng)器是立式還是臥式，床層高度一般不高于 1.2m，通常為 0.81.0m，該國(guó)外公司在同時(shí)考慮壓力降和反應(yīng)器容積基礎(chǔ)上，根據(jù)裝置規(guī)模，床層高度選 1.2m。催化劑床層高度見表 2.6-4，因此，催化劑的由于硫化氫的處理量為 119.232t/d，表 2.6-3置。表 2.6-3 反應(yīng)器的設(shè)置方式一級(jí)反應(yīng)器獨(dú)立設(shè)表 2.6-4催化劑床層高度進(jìn)口總體積流率為 15503.1m3/h 和二氧化硫達(dá)到由 Aspen 知，當(dāng)一級(jí)最高轉(zhuǎn)化率 90.42%時(shí)，模擬的體積最小，停留時(shí)間為 3.78s，工段二氧化硫的轉(zhuǎn)化率高達(dá) 98.6%，由于在模擬時(shí)沒有考慮催化劑床層的空隙體積，故求出反應(yīng)的總體積，即催化劑床層的總體積：2.6.2.2 直徑計(jì)算:表 2.