乙苯脫氫反應器的選型

乙苯脫氫反應器的選型第1頁/共35頁A0201-1乙笨脫氫反應的反應原理及其工業(yè)化方法1．本反應的主副反應主反應：副反應：催化劑采用氧化鐵系催化劑。其組成為：Fe2O3－CuO－K2O－Cr2O3－CeO2。反應原理：以乙苯為原料，按1.3~1.8水比加入過熱水蒸汽，在軸徑向反應器內(nèi)，于高溫、負壓條件下，通過催化劑床層進行乙苯脫氫反應，生成苯乙烯主產(chǎn)品；副反應生成苯、甲苯、甲烷、乙烷、丙烷、H2、CO和CO2。這是一個強吸熱，可逆增分子反應。第2頁/共35頁工業(yè)化生產(chǎn)方法

新鮮乙苯和循環(huán)乙苯混合后與過熱蒸汽一起進入兩個串聯(lián)的固定床反應器。反應溫度600℃，第一反應器的壓力為零，第二反應器的壓力為-2磅/英寸2，蒸汽/乙苯=8/1.反應后的氣體混合物進入冷凝器，冷凝物在油水分離器分離，水經(jīng)過凈化后返回鍋爐使用。物料經(jīng)笨-甲苯、乙苯回收塔、精制塔、殘夜精制塔四個塔分離出笨、甲苯、乙苯、苯乙烯和焦油。笨和甲苯再經(jīng)分離，笨返回烴化器，甲苯作為商品，乙苯返回脫氫工序。苯乙烯作為主要產(chǎn)品送至儲罐。焦油殘留物從最后一個塔底排除。第3頁/共35頁流程圖如下：第4頁/共35頁A0201-2產(chǎn)品、原料、催化劑的物理化學性質(zhì)苯乙烯無色、有特殊香氣的液體。主要由乙苯制得，是聚合物的重要單體。物理性質(zhì)熔點:-31℃相對密度:0.902g/cm3溶解性:0.3g/L(20℃)相對蒸氣密度（空氣=1）：3.6。蒸氣壓（kPa）：1.33（30.8℃）。燃燒熱（kJ/mol）：4376.9。辛醇-水分配系數(shù)（KOW）：3.2。溶解性：不溶于水，溶于醇、醚等多數(shù)有機溶劑。第5頁/共35頁化學性質(zhì)在不受輻射的催化劑的作用下，苯乙烯迅速生成一種廣泛用于模壓制品的塑料，聚苯乙烯，它還可以與丁二烯發(fā)生化學反應形成一種異分子聚合物，即合成橡膠，還有一些單分子體（如氯乙烯）可與苯乙烯發(fā)生共聚反應，生成化聚苯乙烯質(zhì)量更好的塑料或樹脂。其分子中烯鍵較活潑，易受親電試劑及自由基的進攻，催化氫化得到乙苯，然后得到乙基環(huán)己烷；在醇與鈉中得乙苯；鉻酸氧化可得苯甲酸；硝酸氧化得硝基苯甲酸；氣相氧化得苯甲酸；五氧化二釩催化，400℃得順丁稀乙酐，過氧酸作用得苯基環(huán)氧乙烷；臭氧氧化得苯甲醛；氯化、溴化得α，β-二鹵代乙苯；氫鹵酸加成得α-鹵代乙苯；硫酸存在下與甲醇反應生成α-甲氧基乙苯。危險特性：其蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物，遇明火、高熱或與氧化劑接觸，有引起燃燒爆炸的危險。遇酸性催化劑如路易斯催化劑、齊格勒催化劑、硫酸、氯化鐵、氯化鋁等都能產(chǎn)生猛烈聚合，放出大量熱量。其蒸氣比空氣重，能在較低處擴散到相當遠的地方，遇火源會著火回燃。第6頁/共35頁乙苯乙苯是一個芳香族的有機化合物，主要用途是在石油化學工業(yè)作為生產(chǎn)苯乙烯的中間體，所制成的苯乙烯一般被用來制備常用的塑料制品——聚苯乙烯。盡管在原油里存在少量的乙苯，但大批量生產(chǎn)仍然是靠在酸催化下苯與乙烯反應。乙苯經(jīng)過催化脫氫，生成氫氣和聚苯乙烯。乙苯也存在與某些顏料中。物理性質(zhì)外觀與性狀：無色液體，有芳香氣味。熔點(℃)：-94.9沸點(℃)：136.2相對密度(水=1)：0.87相對蒸氣密度(空氣=1)：3.66飽和蒸氣壓(kPa)：1.33(25.9℃)臨界溫度(℃)：343.1臨界壓力(MPa)：3.70第7頁/共35頁乙苯-健康危害乙苯對皮膚、粘膜有較強刺激性，高濃度有麻醉作用。急性中毒：輕度中毒有頭暈、頭痛、惡心、嘔吐、步態(tài)蹣跚、輕度意識障礙及眼和上呼吸道刺激癥狀。重者發(fā)生昏迷、抽搐、血壓下降及呼吸循環(huán)衰竭。可有肝損害。直接吸入本品液體可致化學性肺炎和肺水腫。慢性影響：眼及上呼吸道刺激癥狀、神經(jīng)衰弱綜合征。皮膚出現(xiàn)粘糙、皸裂、脫皮。第8頁/共35頁氫氣無色無味的氣體，標準狀況下密度是0.09克/升(最輕的氣體)，難溶于水。在-252℃,變成無色液體,-259℃時變?yōu)檠┗罟腆w。物理性質(zhì)分子式：H2沸點：-252.77℃（20.38K)熔點：-259.2℃密度：0.09kg/m3相對分子質(zhì)量：2.016三相點：-254.4℃化學性質(zhì)氫氣常溫下性質(zhì)穩(wěn)定，在點燃或加熱的條件下能多跟許多物質(zhì)發(fā)生化學反應。①可燃性(可在氧氣中或氯氣中燃燒)②還原性(使某些金屬氧化物還原)第9頁/共35頁催化劑

1、早期采用的有美國加利福尼亞標準油公司的鎂系催化劑和德國法本公司的鋅系催化劑。第二次世界大戰(zhàn)后，廣泛采用美國殼牌石油公司開發(fā)的以氧化鐵為主要成分的催化劑(Fe2O3:K2O:Cr2O3=87:10:3)，乙苯轉化率約60％，選擇性約87％。2、1978年，又出現(xiàn)了一種加有多種助催化劑的鐵系催化劑，苯乙烯選擇性可達95％，加入的助催化劑多為堿金屬或堿土金屬，如鉀、釩、鉬、鎢、鈰、鉻等。

脫氫反應是乙苯在催化劑床層中，于600℃左右高溫下發(fā)生的催化脫氫反應。所用催化劑的性能除了脫氫活性之外，特別重要的是對于生成苯乙烯的選擇性要高，并且在高溫和水蒸汽存在條件下的穩(wěn)定性要好，使用壽命要長，這些都是至關重要的。脫氫催化劑的毒物是氯離子，必須控制進料中的氯離子含量，以防催化劑中毒失效，更重要的是在催化劑床層中不能有游離水。催化劑床層進水，則催化劑結塊和有效成份流失，導致床層阻力上升，最終影響轉化率、選擇性指標。第10頁/共35頁1.按催化劑流動狀態(tài)分：固定床、流化床、移動床2.按移熱（供熱）方式分：絕熱式、連續(xù)換熱式和多段換熱式（原料氣冷激和非原料氣冷激）3.按反應器結構分：單段絕熱式、多段絕熱式、列管式和自熱式氣固相反應器的分類A0201-4氣固相反應器的類型、結構及應用第11頁/共35頁固定床反應器絕熱式單段絕熱式多段絕熱式換熱式對外式自熱式徑向反應器流化床反應器類型單器和雙器自由床和限制床結構主體氣體分布裝置內(nèi)部構件換熱裝置氣固分離裝置第12頁/共35頁固定床反應器定義：在反應器中，若原料氣以一定流速通過靜止催化劑的固體層，通常把這類反應器稱為固定床反應器。優(yōu)點缺點催化劑不易磨損，可長期使用，可用于高溫高壓下操作。

傳熱較差，溫控難。床層內(nèi)流體的流動接近于理想置換流動，較少量催化劑可獲較大生產(chǎn)能力更換催化劑時必須停止生產(chǎn)。停留時間可以控制，溫度分布可以適當調(diào)節(jié)，特別有利于達到高的轉化率和高的選擇性

難使用小顆粒催化劑。

第13頁/共35頁流化床反應器定義：若原料氣通過反應器時，固體顆粒受流體的影響而懸浮于氣流中，這類反應器稱為流化床反應器。優(yōu)點缺點顆粒劇烈攪動和混合，整個床層處于恒溫狀態(tài)，可在最佳溫度點操作返混較嚴重，不適宜于高轉化率過程傳熱強度高，適宜于強吸熱或放熱反應。催化劑和反應器均有磨損顆粒比較細小，有效系數(shù)高，可減少催化劑用量要有旋風分離器等粒子回收系統(tǒng)。第14頁/共35頁（一）絕熱式固定床反應器1、單段絕熱式第15頁/共35頁特點：結構簡單，反應器生產(chǎn)能力大，但反應過程中溫度變化較大。適用：反應熱效應不大，反應過程允許溫度有較寬變動范圍的反應過程；熱效應較大的反應只要對反應溫度不很敏感或是反應速率非?？斓倪^程，有時也使用這種類型的反應器。第16頁/共35頁2、多段絕熱式（a）中間換熱式ⅠⅣⅢⅡ平衡溫度線最佳溫度線xT第17頁/共35頁2、多段絕熱式（b）原料氣冷激式ⅠⅣⅢⅡ平衡溫度線最佳溫度線xT第18頁/共35頁2、多段絕熱式(c)非原料氣冷激式ⅠⅣⅢⅡ平衡溫度線最佳溫度線xT平衡溫度線第19頁/共35頁特點及適用：多段絕熱式彌補了單段絕熱式的不足；將反應氣體冷卻至遠離平衡溫度曲線再進行下一段絕熱反應。冷激式反應器結構簡單，便于裝卸催化劑，內(nèi)無冷管，避免由于少數(shù)冷管損壞而影響操作，特別適用于大型催化反應器。

第20頁/共35頁換熱式固定床反應器

1、對外換熱式第21頁/共35頁特點：采用小管徑，傳熱面積大，有利于強放熱反應；傳熱效果好，易控制催化劑床層溫度；管徑較細，流體在催化床內(nèi)流動可視為理想置換流動，故反應速率快，選擇性高；結構較復雜，設備費用高。適用：原料成本高，副產(chǎn)物價值低以及分離不是十分容易的情況。第22頁/共35頁換熱式固定床反應器

2、自熱式

反應前后物料在床層中自行進行換熱第23頁/共35頁特點：把原料的預熱和產(chǎn)物的冷卻過程融為一體，大大提高了能量利用水平。應用：只適用于熱效應不大的高壓放熱反應過程。如中小型合成氨廠的氨合成和甲醇的合成。對于預熱原料所需熱量與反應釋放熱量相差甚遠的，需附加大量熱交換面積，且系統(tǒng)控制要求大大提高，故不適宜。第24頁/共35頁二、流化床反應器的類型與結構（一）流化床反應器的分類1、按照固體顆粒是否在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)分類：分為單器及雙器第25頁/共35頁流化床反應器的結構適用場合：熱效應很大的吸熱或放熱過程.要求有均一放熱催化劑溫度和精確控制溫度的反應：催化劑壽命比較短，操作較短時間就需要更換的反應，有爆炸危險的反應。第26頁/共35頁1、流化床反應器主體錐底濃相段稀相段擴大段第27頁/共35頁2、氣體分布裝置：使氣體均勻分布，以形成良好的初始流化狀態(tài)。第28頁/共35頁第29頁/共35頁3、內(nèi)部構件檔板和檔網(wǎng)：主要用來破碎氣體在床層中產(chǎn)生的大氣泡，增加氣固相接觸的機會：減少返混，從而增加反應速率和提高轉化率。第30頁/共35頁4、換熱裝置：用來取出或供給熱量。第31頁/共35頁5、氣固回收裝置：回收氣流中帶有的細粒和粉塵。第32頁/共35頁特點催化劑裝填反應速率反應效果傳熱特性催化劑更換固定床催化劑顆粒大，固定在床層中，不易磨損返混小，反應速率較快（類似于PFR）停留時間和溫度分布可控，可達高選擇性和轉化率傳熱較差，催化劑載體往往是熱的不良導體更換時必須停產(chǎn)，且更換勞動強度大，因此對催化劑使用壽命要求高流化床催化劑顆粒較小，可消除內(nèi)擴散阻力，充分發(fā)揮其效能，減少用量返混大，反應速率較慢（類似于CSTR）產(chǎn)品選擇性和轉化率較低