4-2反應(yīng)器設(shè)計(jì)說(shuō)明書

揚(yáng)子石化年產(chǎn)15萬(wàn)噸醋酸乙烯酯項(xiàng)目反應(yīng)器設(shè)計(jì)說(shuō)明書目錄第1章 概述11.1 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的作用11.2 本項(xiàng)目概述1第2章 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析22.1 反應(yīng)方程式22.2 反應(yīng)機(jī)理分析22.3 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程32.3.1 主反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程32.3.2 主要副反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程3第3章 催化劑選擇和分析53.1 催化劑的選擇53.2 催化劑失活分析53.2.1 中毒引起的失活53.2.2 催化劑的燒結(jié)和熱失活63.2.3 醋酸鉀的流失63.2.4 雜質(zhì)引起的失活63.3 催化劑助劑分析63.4 失效催化劑中鈀金的回收6第4章 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)84.1 反應(yīng)器選型84.1.1 反應(yīng)器類型分析84.1.2 反應(yīng)器類型的確定114.2 反應(yīng)器模擬模型構(gòu)建124.3 反應(yīng)條件的選擇優(yōu)化134.3.1. 反應(yīng)溫度的優(yōu)化134.3.2 反應(yīng)壓力的優(yōu)化134.3.3 平推流虛擬段長(zhǎng)度L1的優(yōu)化144.3.4 全混流段反應(yīng)體積的優(yōu)化144.4 設(shè)計(jì)條件分析154.5 反應(yīng)器參數(shù)的設(shè)計(jì)164.5.1 催化劑用量的確定164.5.2 反應(yīng)器直徑的計(jì)算184.5.3 反應(yīng)器床層高度的計(jì)算194.5.4 床層壓降的計(jì)算204.6 反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)214.6.1 氣體預(yù)分布器214.6.2 氣體分布板214.6.3 旋風(fēng)分離器254.7 接管設(shè)計(jì)264.7.1 進(jìn)料管264.7.2 出料管274.7.3 人孔274.7.4 催化劑進(jìn)出口管274.8 反應(yīng)器換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)274.8.1 熱負(fù)荷Q274.8.2 總傳熱系數(shù)K284.8.3 傳熱溫差294.8.4 換熱面積A29第5章 反應(yīng)器校核305.1 概述305.2 SW6-2011反應(yīng)器機(jī)械強(qiáng)度校核305.2.1 設(shè)計(jì)條件的輸入305.2.2 內(nèi)壓筒體的校核結(jié)果315.2.3 封頭的校核結(jié)果32第6章 反應(yīng)器條件圖（詳見設(shè)計(jì)圖冊(cè)）36第7章 反應(yīng)器裝配圖（詳見設(shè)計(jì)圖冊(cè)）3737第1章 概述1.1 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的作用反應(yīng)器是化工生產(chǎn)過(guò)程中一系列設(shè)備中的核心設(shè)備。化工技術(shù)過(guò)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?；どa(chǎn)的工藝過(guò)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(guò)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。一個(gè)適合反應(yīng)體系的反應(yīng)器可大大提高目標(biāo)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率且能保證穩(wěn)定的操作環(huán)境。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)主要包括：1) 反應(yīng)器選型；2) 確定合適的工藝條件；3) 確定實(shí)現(xiàn)這些工藝條件所需的技術(shù)措施；4) 確定反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸；5) 確定必要的控制手段。1.2 本項(xiàng)目概述本項(xiàng)目為年產(chǎn)十五萬(wàn)噸醋酸乙烯酯項(xiàng)目，用乙烯氣相法制取醋酸乙烯酯。該工藝包括原料預(yù)處理工段、反應(yīng)工段、二氧化碳捕集工段以及分離精制工段。涉及到的反應(yīng)器為R0201，下面對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)，并根據(jù)該反應(yīng)的反應(yīng)（動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)）和物料、催化劑等方面的特點(diǎn)，計(jì)算操作條件（溫度、壓力、組成等）及反應(yīng)器體積，并以此確定反應(yīng)器主要構(gòu)件的尺寸，同時(shí)還應(yīng)該考慮經(jīng)濟(jì)的合理性和環(huán)境保護(hù)等方面的要求。第2章 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析2.1 反應(yīng)方程式工藝合成反應(yīng)方程式如下：主反應(yīng)：C2H4+1/2O2+CH3COOH=CH3COOCHCH2+H2O（生成醋酸乙烯的主要反應(yīng)式）副反應(yīng)：C2H4+3O2=2CO2+2H2O（生成CO2的主反應(yīng)）CH3COOH+2O2=2C02+2H2O（CH3COOH燃燒反應(yīng)）2C2H4+2CH3COOH+3O2=2CH3COOCH3+2CO2（生成醋酸甲酯）C2H4+CH3COOH=CH3COOC2H3（生成醋酸乙酯）C2H4+1/2O2=CH3CHO（生成乙醛）2C2H4+4CH3COOH+O2=2(CH3COO)2C2H4+2H2O（生成二醋酸乙二酯）2.2 反應(yīng)機(jī)理分析反應(yīng)機(jī)理如下：1. 乙烯、氧氣離解吸附于金屬鈀，醋酸（物理吸附于金屬鈀）和離解吸附的氧作用后，離解吸附于鈀：CH2=CH2+2Pd=CH2=CH-Pd+Pd-H（1）O2+2Pd=2Pd-O（2）CH3COOH+Pd=PdCH3COOH（3）Pd-CH3COOH+Pd-O=Pd-OCOCH3+Pd-OH（4）2. 離解吸附于鈀的乙烯與離解吸附于鈀的醋酸反應(yīng)生成醋酸乙烯，并脫離催化劑而逸出：Pd-OCOCH3+CH2=CH-Pd=Pd-CH2CHOCOCH3+Pd （5）Pd-CH2CHOCOCH3=Pd+CH2CHOCOCH3 （6）上述反應(yīng)中，生成醋酸乙烯的反應(yīng)是這些反應(yīng)最緩慢的階段，即反應(yīng)控制階段。3. 醋酸鉀作為助催化劑能促進(jìn)反應(yīng)（4）及（5）的進(jìn)行，同時(shí)可防止鈀凝聚。4. 由反應(yīng)（1）、（4）生成的Pd-H和Pd-OH生成水。Pd-OH+Pd-H=Pd-H2O+Pd （7）Pd-H2O=Pd+H2O （8）鈀金催化劑中Au的加入能夠改變各物種在合金表面Pd原子上的吸附強(qiáng)度，增強(qiáng)生成的醋酸乙烯分子的脫附能力,具有防止鈀凝聚并能使鈀分散狀態(tài)保持良好的效果，還利于形成獨(dú)立的Pd單體，能夠阻止連續(xù)Pd原子的形成，從而阻止副反應(yīng)的發(fā)生，有助于VAc選擇性的提高，并且Au的加入可以避免催化劑的CO中毒，這是由于CO在Pd單體上的吸附強(qiáng)度較連續(xù)Pd位上的弱，可認(rèn)為對(duì)催化劑的活性和壽命都具有一定的效果。2.3 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程2.3.1 主反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的主反應(yīng)為醋酸氧乙?；磻?yīng)，動(dòng)力學(xué)方程如下：k1=A1exp(E1RT) 式中：A1=9.710-6 kmolVA/ kgCat seg E1=26.4 kJ/kmol T=433 KrVA=k1PEt1POX1 式中：PEt為乙烯的分壓，單位為kpa POX為氧氣的分壓，單位為kpa 1=0.35 1=0.212.3.2 主要副反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的主要副反應(yīng)為二氧化碳的合成反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)方如下：k2=A2exp(E2RT) 式中：A2=5.1310-7 kmolVA/ kgCat seg E2=18 kJ/kmol T=433 KrCO2=k2PEt2POX2 式中：PEt為乙烯的分壓，單位為kpa POX為氧氣的分壓，單位為kpa 2=-0.27 2=0.88其他主要副反應(yīng)在此不做詳細(xì)說(shuō)明，詳見動(dòng)力學(xué)來(lái)源。第3章 催化劑選擇和分析3.1 催化劑的選擇目前，世界各國(guó)工業(yè)生產(chǎn)VAc所使用的催化劑基本有兩種:USI催化劑(氧化鋁負(fù)載的醋酸鉀、鈀鉑催化劑)和Bayer催化劑(二氧化硅負(fù)載的醋酸鉀、鈀金催化劑)，應(yīng)用比較廣泛的是Bayer催化劑體系，即Pd-Au-KAcO/SiO2催化劑體系。催化劑一般采用浸漬法來(lái)制備，這種傳統(tǒng)的制備方法得到的催化劑能夠獲得較高的催化活性，但同時(shí)也伴隨有副產(chǎn)物二氧化碳的生成。美國(guó)專利US5,968,869提出載體在負(fù)載其它活性組份前先負(fù)載金屬銅，得到的催化劑可減少產(chǎn)物中二氧化碳的比例，但其缺點(diǎn)是催化劑的活性似乎有所損失?；诖?，本反應(yīng)器采用的催化劑載體為SiO2或Al2O3中的一種，或兩者的混合物，催化劑活性組分包括金屬鈀、金屬金、金屬銅和堿金屬醋酸鹽，各活性組份的含量為：金屬鈀0.9%11.2%；金屬金0.5%9.3%；金屬銅0.5%4.7%、堿金屬醋酸鹽9.3%74.8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），使催化劑同時(shí)具備優(yōu)良的活性和產(chǎn)物選擇性。3.2 催化劑失活分析一般來(lái)講，催化劑的失活原因主要有:1中毒引起的失活；2催化劑的燒結(jié)和熱失活；3催化劑結(jié)焦和堵塞引起的失活。對(duì)于醋酸乙烯催化劑體系，失活的原因也不外乎這3點(diǎn)3.2.1 中毒引起的失活Han等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)向醋酸乙烯反應(yīng)體系中加入一定量的CO會(huì)造成鈀金催化劑的失活，這屬于可逆中毒，當(dāng)停止通入CO后，催化劑活性得到恢復(fù)；Chen等認(rèn)為CO對(duì)催化劑的毒性作用是因?yàn)镃O在催化劑表面連續(xù)Pd上的脫附溫度較高，在醋酸乙烯的反應(yīng)條件下，占據(jù)了反應(yīng)的活性位，因此，在實(shí)際生產(chǎn)需要嚴(yán)格控制原料中的CO的載入量，以避免催化劑的活性受到影響；另外，楊運(yùn)信等對(duì)比研究了新鮮催化劑和使用33個(gè)月后失活的催化劑，發(fā)現(xiàn)失活的催化劑表面覆蓋了一些大分子稠環(huán)有機(jī)物，推測(cè)這些大分子稠環(huán)物質(zhì)是造成催化劑最終失活的一個(gè)重要原因，這些大分子稠環(huán)物質(zhì)可能是由于反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物生成的，具體反應(yīng)路徑還未見報(bào)道。3.2.2 催化劑的燒結(jié)和熱失活A(yù)bel等研究了Pd-Cd-K/SiO2催化劑的失活動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)失活的主要原因是由于醋酸鈀的遷移造成了催化劑的燒結(jié)，而Norman等研究Pd-AuK/SiO2催化劑時(shí)，發(fā)現(xiàn)PdAu合金粒子逐漸長(zhǎng)大過(guò)程中合金組成并沒有變化，因而認(rèn)為催化劑的燒結(jié)是由于PdAu合金粒子長(zhǎng)大形成團(tuán)簇引起的，并不是由于醋酸鈀的遷移，這也解釋了為什么催化劑在反應(yīng)過(guò)程中活性降低，而選擇性變化很小Smejkal等也認(rèn)為失活的一個(gè)原因是由金屬顆粒的燒結(jié)引起的，Pohla等實(shí)驗(yàn)證實(shí)在長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)后，催化劑表面結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，Pd原子會(huì)從催化劑體相向表面遷移，形成連續(xù)Pd位，而使催化活性高的單體Pd以及第二臨位Pd對(duì)的表面覆蓋率減少，造成催化劑活性降低一般情況下，燒結(jié)引起的催化劑失活屬于不可逆的，不能再生，但可以通過(guò)控制反應(yīng)溫度以及加入熱穩(wěn)定劑來(lái)延緩燒結(jié)的速度，這些方面還未見報(bào)道，需要進(jìn)一步的研究。3.2.3 醋酸鉀的流失醋酸鉀的流失以及過(guò)量補(bǔ)給也是催化劑活性降低的一個(gè)原因:一方面醋酸鉀在生產(chǎn)工程中因反應(yīng)溫度較高會(huì)不斷流失；另一方面當(dāng)補(bǔ)給的醋酸鉀負(fù)載量成倍增加時(shí)，堆密度會(huì)升高，比表面積會(huì)下降，醋酸鉀會(huì)覆蓋活性中心，導(dǎo)致活性降低，但可以采取一定的措施減少因醋酸鉀而造成的活性降低，例如在工業(yè)生產(chǎn)通過(guò)合理調(diào)節(jié)補(bǔ)充醋酸鉀，使流失與補(bǔ)給間建立恰當(dāng)?shù)钠胶鈦?lái)解決因醋酸鉀的流失造成的催化劑失活。3.2.4 雜質(zhì)引起的失活鹵化鹽的存在也會(huì)造成催化劑失活，例如乙酸吸附物乙酸-Pd在氯離子的存在下會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)，影響VAc的生成。3.3 催化劑助劑分析醋酸乙烯催化劑中助催化劑一般使用醋酸鉀，它幫助反應(yīng)組分乙酸在Pd金屬上締合，促進(jìn)物理吸附的乙酸離解和釋放氫離子，減弱鈀-氧間的鍵結(jié)合力，促進(jìn)乙酸鈀分解，此外還可抑制深度氧化反應(yīng)，從而提高反應(yīng)的選擇性。在一定范圍內(nèi)，催化劑的活性隨著乙酸鉀含量的升高而升高，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，醋酸鉀在不斷流失，催化劑的活性也在不斷下降，通常，工程生產(chǎn)中采用連續(xù)補(bǔ)給醋酸鉀的方法來(lái)降低因醋酸鉀流失而造成催化劑活性的降低。3.4 失效催化劑中鈀金的回收金、鈀具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能及催化活性，廣泛應(yīng)用于航空、航天和電子技術(shù)等領(lǐng)域。隨著國(guó)家對(duì)金、鈀?？卣叩姆砰_和金、鈀在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷拓展，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)和首飾加工所需的金、鈀用量都在逐年增加。隨著我國(guó)金、鈀礦產(chǎn)資源的日漸枯竭，從含金、鈀廢料等二次資源中回收利用金、鈀顯得尤其重要。根據(jù)物料情況，浸出前需經(jīng)高溫灼燒、還原等預(yù) 處理，然后在鹽酸溶液中通入氯氣浸出金、鈀。其工藝流程如圖3-1。圖3-1 從失效催化劑中回收金、鈀的工藝流程采用HCl/CI體系對(duì)預(yù)處理后的金、鈀廢催化劑進(jìn)行溶解的較佳條件為：鹽酸濃度6.0 mol/L、固液比1：5、溫度95、反應(yīng)時(shí)間4 h。 將海綿鈀粉還原得到的海綿金用稀硝酸煮洗除去過(guò)量鈀粉后，海綿金產(chǎn)品純度大于9995%，金回收率大于998%。該工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、操作方便、成本低、經(jīng)濟(jì)效益顯著，提純的海綿鈀可重復(fù)使用。第4章 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)4.1 反應(yīng)器選型4.1.1 反應(yīng)器類型分析有固體物料參與的反應(yīng)，在工業(yè)中運(yùn)用最廣泛的有固定床、流化床和移動(dòng)床反應(yīng)器。(一) 固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器又稱填充床反應(yīng)器，裝填有固體催化劑或固體反應(yīng)物用以實(shí)現(xiàn)多相反應(yīng)過(guò)程的一種反應(yīng)器。固體物通常呈顆粒狀，粒徑215mm左右，堆積成一定高度（或厚度）的床層。床層靜止不動(dòng)，流體通過(guò)床層進(jìn)行反應(yīng)。它與流化床反應(yīng)器及移動(dòng)床反應(yīng)器的區(qū)別在于固體顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)。固定床反應(yīng)器主要用于實(shí)現(xiàn)氣固相催化反應(yīng)，如氨合成塔、二氧化硫接觸氧化器、烴類蒸汽轉(zhuǎn)化爐等。固定床反應(yīng)器可分類為三種基本形式：軸向絕熱式固定床反應(yīng)器(見圖4-1)。流體沿軸向自上而下流經(jīng)床層，床層同外界無(wú)熱交換。徑向絕熱式固定床反應(yīng)器（見圖4-2）。流體沿徑向流過(guò)床層，可采用離心流動(dòng)或向心流動(dòng)，床層同外界無(wú)熱交換。徑向反應(yīng)器與軸向反應(yīng)器相比，流體流動(dòng)的距離較短，流道截面積較大，流體的壓力降較小。但徑向反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)較軸向反應(yīng)器復(fù)雜。以上兩種形式都屬絕熱反應(yīng)器，適用于反應(yīng)熱效應(yīng)不大，或反應(yīng)系統(tǒng)能承受絕熱條件下由反應(yīng)熱效應(yīng)引起的溫度變化的場(chǎng)合。管式固定床反應(yīng)器（見圖4-3）。反應(yīng)器由多根反應(yīng)管并聯(lián)構(gòu)成。管內(nèi)或管間置催化劑，載熱體流經(jīng)管間或管內(nèi)進(jìn)行加熱或冷卻，管徑通常在2550mm之間，管數(shù)可多達(dá)上萬(wàn)根。列管式固定床反應(yīng)器適用于反應(yīng)熱效應(yīng)較大的反應(yīng)。此外，尚有由上述基本形式串聯(lián)組合而成的反應(yīng)器，稱為多級(jí)固定床反應(yīng)器。例如：當(dāng)反應(yīng)熱效應(yīng)大或需分段控制溫度時(shí)，可將多個(gè)絕熱反應(yīng)器串聯(lián)成多級(jí)絕熱式固定床反應(yīng)器(見圖4-4)，反應(yīng)器之間設(shè)換熱器或補(bǔ)充物料以調(diào)節(jié)溫度，以便在接近于最佳溫度條件下操作。圖4-1軸向絕熱式固定床反應(yīng)器圖 圖4-2徑向絕熱式固定床反應(yīng)器圖4-3列管式固定床反應(yīng)器圖 圖4-4多級(jí)絕熱式固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)：（1）返混小，流體同催化劑可進(jìn)行有效接觸，當(dāng)反應(yīng)伴有串聯(lián)副反應(yīng)時(shí)可得較高；（2）催化劑機(jī)械損耗??；（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；（4）固定床反應(yīng)器中的催化劑不限于顆粒狀，網(wǎng)狀催化劑早已應(yīng)用于工業(yè)上。目前，蜂窩狀、纖維狀催化劑也已被廣泛使用。缺點(diǎn)：（1）傳熱差，反應(yīng)放熱量很大時(shí)，即使是列管式反應(yīng)器也可能出現(xiàn)飛溫（反應(yīng)溫度失去控制，急劇上升，超過(guò)允許范圍）；（2）操作過(guò)程中催化劑不能更換，催化劑需要頻繁再生的反應(yīng)一般不宜使用，常代之以流化床反應(yīng)器或移動(dòng)床反應(yīng)器。(二) 流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器是一種利用氣體或液體通過(guò)顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)行氣固相反應(yīng)過(guò)程或液固相反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)器。在用于氣固系統(tǒng)時(shí)，又稱為沸騰床反應(yīng)器。按流化床的運(yùn)用狀況主要分為以下兩類：（1）一類是有固體物料連續(xù)進(jìn)料和出料的裝置，主要用于固相加工過(guò)程或催化劑迅速失活的流體相加工過(guò)程。例如催化裂化過(guò)程，催化劑在幾分鐘內(nèi)即顯著失活，須用上述裝置不斷予以分離后進(jìn)行再生。（2）另一類是無(wú)固體物料連續(xù)進(jìn)料和出料裝置，主要用于固體顆粒性狀在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間（如半年或一年）內(nèi)，不發(fā)生明顯變化的反應(yīng)過(guò)程，如石油催化裂化、酶反應(yīng)過(guò)程等催化反應(yīng)過(guò)程，稱為流體相加工過(guò)程。 圖4-5 流化床工作示意圖 常見的流化床如下圖4-5所示：與固定床相比，流化床反應(yīng)器的特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：（1）可以實(shí)現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；（2）流體和顆粒的運(yùn)動(dòng)使床層具有良好的傳熱性能，床層內(nèi)部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)。（3）流化床適合使用細(xì)粒子催化劑，易消除內(nèi)擴(kuò)散阻力，能充分發(fā)揮催化劑的效能。（4）由于返混嚴(yán)重，可對(duì)反應(yīng)器的效率和反應(yīng)的選擇性帶來(lái)一定影響。再加上氣固流化床中氣泡的存在使得氣固接觸變差，導(dǎo)致氣體反應(yīng)得不完全。因此，通常不宜用于要求單程轉(zhuǎn)化率很高的反應(yīng)。（5）固體顆粒的磨損和氣流中的粉塵夾帶，也使流化床的應(yīng)用受到一定限制。為了限制返混，可采用多層流化床或在床內(nèi)設(shè)置內(nèi)部構(gòu)件。這樣可在床內(nèi)建立起一定的濃度或溫度差。此外，由于氣體得到再分布，氣固間的接觸亦可有所改善。(三) 移動(dòng)床反應(yīng)器移動(dòng)床與固定床相似，不同的是固體顆粒自頂部連續(xù)加入，由底部卸出。移 圖4-6 移動(dòng)床吸附器 動(dòng)床離子交換樹脂在交換器、再生器和清洗塔之間，周期性流動(dòng)的離子交換裝置。移動(dòng)床與固定固定床的差別在于反應(yīng)過(guò)程中催化劑從反應(yīng)器入口向出口緩慢運(yùn)動(dòng)，新鮮催化劑(或再生好的催化劑)從反應(yīng)器入口進(jìn)入，失活的催化劑從反應(yīng)器出口移出，進(jìn)行再生。催化劑運(yùn)動(dòng)速度較慢，沒有達(dá)到流化狀態(tài)。如UOP與IFP連續(xù)重整工藝中的移動(dòng)床反應(yīng)器。移動(dòng)床吸附器如下圖4-6所示。4.1.2 反應(yīng)器類型的確定本項(xiàng)目中的反應(yīng)器用來(lái)完成乙烯、乙酸和氧氣在催化劑作用下在反應(yīng)器內(nèi)完成反應(yīng)。主反應(yīng)為醋酸氧?；磻?yīng)，該反應(yīng)特點(diǎn)如下：1) 在工業(yè)上的催化劑一般為固體Pd-Au-SiO2，且該反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)。2) 催化劑容易結(jié)焦失活，連續(xù)工業(yè)化不允許頻繁停車來(lái)更換催化劑，否則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定以及額外的能量與原料消耗?，F(xiàn)有反應(yīng)器反應(yīng)體系不穩(wěn)定，不利于放大設(shè)計(jì)。列管式固定床反應(yīng)器雖然好地解決了撤熱問(wèn)題，但由于采用了冷卻水撤熱，冷卻水由于流量、溫度的擾動(dòng)容易造成反應(yīng)床層熱點(diǎn)溫度漂移，進(jìn)而導(dǎo)致反應(yīng)體系不穩(wěn)定，不利于反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)。針對(duì)以上情況，本項(xiàng)目創(chuàng)新地采用了流化床反應(yīng)器，既實(shí)現(xiàn)了沿程移熱功能，使反應(yīng)體系溫度保持在160的工藝條件范圍，同時(shí)又通過(guò)精密的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)化。因此，本工藝選擇流化床反應(yīng)器。4.2 反應(yīng)器模擬模型構(gòu)建流化床的流化態(tài)在反應(yīng)器內(nèi)隨著徑向呈現(xiàn)出不同的形式，從反應(yīng)器底部向上依次分為密相流化態(tài)，快速流化態(tài)，密相氣力輸送和稀相氣力輸送?？紤]到在ASPEN中，單純使用RPLUG模型模擬流化床內(nèi)物流走向存在一定的失真。因?yàn)?，?duì)于高徑比較大的流化床反應(yīng)器，流化床中心區(qū)氣體程平推流狀上升，而到達(dá)一定高度后，則會(huì)沿兩邊形成返混的環(huán)流。這股環(huán)流增大了反應(yīng)器的返混程度，一方面提高了床層入口處的濃度，對(duì)平衡反應(yīng)造成影響；一方面也改變了平推流區(qū)的實(shí)際體積。而單純的使用CSTR模型流化床也與現(xiàn)實(shí)不太吻合。對(duì)于存在不同流態(tài)化區(qū)域的流化床反應(yīng)器，無(wú)法理想地等效成一個(gè)全混流反應(yīng)器。因?yàn)樵诹骰驳撞康拿芟嗔骰瘏^(qū)、頂部稀相氣力輸送區(qū)更接近于平推流模型。雖然中部區(qū)域的循環(huán)流態(tài)化比較接近于全混流模型，但也無(wú)法只用CSTR模型來(lái)理想地模擬流化床?？紤]到實(shí)際流化床反應(yīng)器不同區(qū)域不同流態(tài)化的特點(diǎn)，本反應(yīng)器建立了一種平推流與全混流模型串聯(lián)的等效模型來(lái)模擬實(shí)際的流化床反應(yīng)器?？紤]實(shí)際流態(tài)化隨反應(yīng)器徑向逐漸變化的現(xiàn)象，找到一個(gè)平推流與全混流的突變虛擬分界面。接近于反應(yīng)器底部的區(qū)域更接近于平推流特性，用RPLUG模型模擬。在該區(qū)域以上部分，由于返混程度大，因此用CSTR模擬。這樣的串聯(lián)的等效模型能夠幫助我們?cè)贏SPEN中構(gòu)建一個(gè)更符合工業(yè)實(shí)際情況的模型。具體模型如圖4-7所示：圖4-7 反應(yīng)器模型構(gòu)建圖4.3 反應(yīng)條件的選擇優(yōu)化4.3.1. 反應(yīng)溫度的優(yōu)化據(jù)Aspen Plus做乙烯的轉(zhuǎn)化率，醋酸乙烯酯的選擇性對(duì)反應(yīng)溫度靈敏度分析，由leap法工藝條件設(shè)置溫度范圍為120200，可得到分析結(jié)果如圖4-8所示：圖4-8 反應(yīng)溫度與乙烯轉(zhuǎn)化率、醋酸乙烯酯選擇性的關(guān)系根據(jù)反應(yīng)機(jī)理可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，乙烯的轉(zhuǎn)化率增大，醋酸乙烯酯的選擇性先上升后下降。顯然，反應(yīng)溫度的增加有利于提高反應(yīng)的速率，增加乙烯的轉(zhuǎn)化率；另一方面，溫度升高，使得乙烯在流化床的下部很快就達(dá)到了較高的轉(zhuǎn)化率，在流化床的上段床層，且溫度升高有利于CO2的生成，所以溫度升高，醋酸乙烯酯的選擇性下降，單程收率下降。綜合考慮溫度優(yōu)化條件，選取反應(yīng)溫度為160。4.3.2 反應(yīng)壓力的優(yōu)化反應(yīng)壓力與乙烯轉(zhuǎn)化率、醋酸乙烯酯選擇性的關(guān)系如圖4-9所示。圖4-9 反應(yīng)壓力與乙烯轉(zhuǎn)化率、醋酸乙烯酯選擇性的關(guān)系根據(jù)機(jī)理可知，隨著反應(yīng)器內(nèi)壓力的升高，乙烯的轉(zhuǎn)化率和醋酸乙烯酯的選擇性均增大，但此時(shí)主要的副產(chǎn)物二氧化碳也隨著壓力的升高，產(chǎn)量變大，由Leap法工藝條件可知，乙烯的轉(zhuǎn)化率約為百分之十左右，因此由圖選擇反應(yīng)壓力為0.78Mpa。4.3.3 平推流虛擬段長(zhǎng)度L1的優(yōu)化反應(yīng)器平推流虛擬段長(zhǎng)度與乙烯轉(zhuǎn)化率、醋酸乙烯酯選擇性的關(guān)系如圖4-10所示。圖4-10 反應(yīng)器平推流虛擬段長(zhǎng)度與乙烯轉(zhuǎn)化率、醋酸乙烯酯選擇性的關(guān)系根據(jù)機(jī)理可知，隨著反應(yīng)器平推流虛擬段長(zhǎng)度的延長(zhǎng)，乙烯的轉(zhuǎn)化率和醋酸乙烯酯的選擇性均增大，由Leap法工藝條件可知，乙烯的轉(zhuǎn)化率約為百分之十左右，因此由圖選擇反應(yīng)器虛擬段長(zhǎng)度為0.4m。4.3.4 全混流段反應(yīng)體積的優(yōu)化反應(yīng)器全混流段體積與乙烯轉(zhuǎn)化率、醋酸乙烯酯選擇性的關(guān)系如圖4-11所示。圖4-11 反應(yīng)器全混流段體積與乙烯轉(zhuǎn)化率、醋酸乙烯酯選擇性的關(guān)系根據(jù)機(jī)理可知，隨著反應(yīng)器全混流段體積的增大，乙烯的轉(zhuǎn)化率和醋酸乙烯酯的選擇性均增大，由Leap法工藝條件可知，乙烯的轉(zhuǎn)化率約為百分之十左右，因此由圖選擇反應(yīng)器全混流段體積為27cum。4.4 設(shè)計(jì)條件分析工藝參數(shù)、進(jìn)出口物料的介質(zhì)名稱、組成和流量如表4-1、表4-2和表4-3所示。表4-1 工藝參數(shù)表設(shè)計(jì)壓力MPa1.17設(shè)計(jì)溫度185表4-2 進(jìn)口物料的介質(zhì)名稱、組成和流量物料摩爾流率（kmol/hr）摩爾分率H2O11.1120.003199C2H42177.949870.627047HAC725.27840.208813O2241.990.069671N2311.130.089576CH41.0900650.000314C2H61.0900650.000314HCOOH3.7040.001066表4-3 出口物料的介質(zhì)名稱、組成和流量物料摩爾流率（Kmol/hr）摩爾分率H2O259.81401330.076876506CO223.224029090.00687177C2H41951.1809940.577335979HAC503.7328650.149049784VAC217.66421560.06440478CH3CHO1.261334120.000373217O298.410671340.029118786C4H8020.4696108320.000138953C3H6O20.4083117740.000120816N2311.91327830.092292185CH41.0906403110.00032271C2H61.0921614240.00032316HCOOH3.602025610.001065805通過(guò)Aspen Plus靈敏度分析得到反應(yīng)器內(nèi)催化劑體積VR為27 m3, 進(jìn)入反應(yīng)器的進(jìn)料體積流量V0為15135.213 m3/h?？账伲和Ａ魰r(shí)間：4.5 反應(yīng)器參數(shù)的設(shè)計(jì)4.5.1 催化劑用量的確定反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的主反應(yīng)為醋酸氧乙酰化反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)方程如下：k1=A1exp(E1RT) 式中：A1=9.710-6 kmolVA/ kgCat seg E1=26.4 kJ/kmol T=433 KrVA=k1PEt1POX1 式中：PEt為乙烯的分壓，單位為kPa POX為氧氣的分壓，單位為kPa 1=0.35 1=0.21為了在誤差允許的范圍下簡(jiǎn)便計(jì)算反應(yīng)速率過(guò)程，我們對(duì)模型做了理想化假設(shè)：（1）由于反應(yīng)速率較大，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較小，反應(yīng)體系物料變化對(duì)反應(yīng)速率 影響不大，因此在等效平推流段的反應(yīng)速率可視為恒定。（2）副反應(yīng)反應(yīng)速率很小，可以近似忽略。本項(xiàng)目反應(yīng)器模擬過(guò)程分為平推流段和全混流段，故催化劑用量分段計(jì)算。對(duì)于等效平推流反應(yīng)段出口反應(yīng)器氧氣和乙烯參數(shù)如表4-4所示：表4-4 平推流段出口氧氣和乙烯參數(shù)表介質(zhì)名稱分壓（kPa）乙烯487.787氧氣54.248把平推流段反應(yīng)出口氣體各分壓代入動(dòng)力學(xué)方程式得到:rVA=0.299 kmol/(kgh)等效平推流段填充的催化劑活性物質(zhì)的質(zhì)量計(jì)算式為： m1=FA00x1-rAdx根據(jù)理想假設(shè)，反應(yīng)速率rVA恒定，等效平推流段以乙烯計(jì)的轉(zhuǎn)化率為2.6%，則該反應(yīng)段催化劑活性物質(zhì)的質(zhì)量為：m1=2182.38600.02610.299dx=189.77kg對(duì)于全混流反應(yīng)段出口反應(yīng)器氧氣和乙烯參數(shù)如表4-5所示：表4-5 平推流段出口氧氣和乙烯參數(shù)表介質(zhì)名稱分壓（kPa）乙烯478.054氧氣45.55把全混流段反應(yīng)出口氣體各分壓代入動(dòng)力學(xué)方程式得到:rVA=0.286kmol/(kgh)全混流段填充的催化劑活性物質(zhì)的質(zhì)量計(jì)算式為： m2=FA00.026x1-rAdx根據(jù)理想假設(shè)，反應(yīng)速率rVA恒定，等效平推流段以乙烯計(jì)的轉(zhuǎn)化率為10%，則該反應(yīng)段催化劑活性物質(zhì)的質(zhì)量為：m2=2182.3860.0260.110.286dx=564.47kg所以流化床反應(yīng)器所用的催化劑活性物質(zhì)的質(zhì)量為：m=m1+m2=189.77kg+564.47kg=754.66kg由于活性物質(zhì)的質(zhì)量占催化劑總質(zhì)量的2.5%，故催化劑的總質(zhì)量為：m總=mx=754.660.025=30186 kg=30.186 t綜上所述，共需催化劑30.186 t。4.5.2 反應(yīng)器直徑的計(jì)算由化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)可查得流化床起始流化速度mf的計(jì)算式為：mf=33.72+0.0408dp2g(p-g)gg20.5-33.7gdpg對(duì)于球形顆粒，帶出速度t的計(jì)算式為：t=4225(p-g)2g2g1/3dp，0.4RetPS，成立。三、 孔數(shù)和孔徑的確定床層內(nèi)徑為5m，即5000mm，取孔徑d=30mm，則孔數(shù)N：N=d/DN12=0.0042830/50002119個(gè)本裝置氣體分布板的風(fēng)帽采取中間呈等三角形排列，最后23圈采用同圓排列，以消除三角形等排列造成錐帽與床壁距離不均的缺點(diǎn)，若在同心圓與三角形排列間有大的空間之處，可適當(dāng)補(bǔ)加錐帽。四、 縫隙高度縫隙高度就是錐帽的下緣與分布板的距離，也就是氣體離開錐帽進(jìn)入床層的通道。縫隙高度決定于氣體流出縫隙的縫隙速度，縫隙速度越大，給固體顆粒的動(dòng)能也就越大，使粒子在床層底部呈激烈湍動(dòng)，有利于消除死床，防止分布板堵塞和燒結(jié)。但是過(guò)高的縫隙速度加快了分布板的磨損，為了妥善處理這兩者的關(guān)系，可把分布板的阻力調(diào)整在錐帽的立管部分，選定開孔率時(shí)應(yīng)以中心管為基準(zhǔn)，縫隙高度僅滿足指定速度的要求。為了防分布帽在長(zhǎng)期使用運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中被堵塞，側(cè)孔式分布帽的縫隙速度必須大于水平噎塞速度，即易噎塞速度。ucs=132ss+1000dp0.4=132833833+10000.00050.4=2.869m/s可取縫隙速度等于或大于顆粒的水平噎塞速度的兩倍，這里取4倍，即=11.476m/s所以，f=VufN=15135.213/360011.476119=3078.6mm2式中:縫隙面積，mm2,V體積流量，m3/s；uf縫隙速度，m/s。f=dfh；式中：縫隙外徑，mm；h縫隙高度，mm。取df=36mm,則：h=fdf=3078.63.1436=27.2mm五、 風(fēng)帽中心距風(fēng)帽平均中心距為s=DN1N/0.907=5000119/0.907=436.5mm4.6.3 旋風(fēng)分離器從流化床本身操作而言，細(xì)粉的帶出將破壞流化床內(nèi)顆粒分布，影響流化質(zhì)量；大量細(xì)顆粒的逸出又造成環(huán)境污染。所以氣固分離裝置是回收細(xì)顆粒的重要部件。本反應(yīng)器采用內(nèi)旋風(fēng)分離器。PV型旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其性能優(yōu)于國(guó)外同類高效旋風(fēng)分離器，已廣泛用于國(guó)內(nèi)各大煉廠的流化床催化裂化反應(yīng)器和再生器中。長(zhǎng)期以來(lái),除美國(guó)DuPont公司開發(fā)出一種兩級(jí)旋分器外，該反應(yīng)器所用旋分器都是三級(jí)串聯(lián)的。1998年，國(guó)內(nèi)成功開發(fā)了一種新型兩級(jí)旋分器，這是一項(xiàng)國(guó)外丙烯腈生產(chǎn)領(lǐng)域還沒有的新技術(shù)。1999年4月，新型兩級(jí)旋風(fēng)分離器成功地用于齊魯石化公司丙烯腈廠2.5萬(wàn)t/a擴(kuò)能至4萬(wàn)t/a的技術(shù)改造中，運(yùn)行良好。經(jīng)比較分析，故本項(xiàng)目也采用該種PV型PV-E型串聯(lián)組成的新型兩級(jí)旋風(fēng)分離器。關(guān)鍵的第二級(jí)使用的是結(jié)構(gòu)獨(dú)特的PV-E型旋風(fēng)分離器。圖4-21 PV型旋風(fēng)分離器示意圖 圖4-22 PV-E型旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)示意圖以標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器的尺寸計(jì)算方法作為估算，切向進(jìn)口速度ui取為12-18m/s較合適，此處取ui=13m/s切向進(jìn)口面積：Si=Vui=15135.213/360017=0.323m2旋風(fēng)分離器直徑：D=4S0.5=40.3233.140.5=0.64m實(shí)際切向進(jìn)口速度：ui=4VD2=415135.213/36003.140.642=13.1m/s安裝尺寸：h=D2=0.32m，B=D4=0.16m，D1=D2=0.32m，S=D8=0.08m，H1=2D=1.28m，H2=2D=1.28m，D2=D4=0.16m旋風(fēng)分離器的安裝尺寸如下圖4-23所示。圖4-23 安裝尺寸圖4.7 接管設(shè)計(jì)4.7.1 進(jìn)料管取塔頂蒸汽流速uv=20m/s，提取Aspen數(shù)據(jù)，塔頂蒸汽體積流量V=15135.213m/h，則蒸汽接管管徑為：d1=V4uv3600=15135.2134203600=0.517m圓整后選取管子規(guī)格為630x6mm。實(shí)際流速：uV=V4d123600=14.02m/s4.7.2 出料管取塔頂蒸汽流速uv=46m/s，提取Aspen數(shù)據(jù)，塔頂蒸汽體積流量V= 20844.2m/h，則蒸汽接管管徑為：d1=V4uv3600=20844.24463600=0.400m圓整后選取管子規(guī)格為426x4.5mm。實(shí)際流速：uV=V4d123600=42.42m/s4.7.3 人孔對(duì)于筒體設(shè)備來(lái)說(shuō)，都需要開設(shè)人孔，方便檢修，故對(duì)于直徑為5.3m反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，選擇直徑為500mm的人孔，且在進(jìn)料口和出料口下方設(shè)置一個(gè)，然后每隔5m開設(shè)一個(gè)人孔。故反應(yīng)器一共開設(shè)3個(gè)人孔。4.7.4 催化劑進(jìn)出口管催化劑固體通過(guò)料斗進(jìn)行加料，根據(jù)其相關(guān)規(guī)格，選用DN500的管子4.8 反應(yīng)器換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于該反應(yīng)來(lái)講，醋酸氧乙?；磻?yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，需要加入撤熱系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行換熱處理，保證反應(yīng)器溫度處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，可選擇加入換熱管撤熱，管內(nèi)加入低壓軟水，經(jīng)過(guò)反應(yīng)器內(nèi)的換熱器換熱后形成低壓蒸汽。4.8.1 熱負(fù)荷Q反應(yīng)器產(chǎn)生熱量為13873.02kW，此時(shí)用低壓軟水進(jìn)行換熱，可產(chǎn)生m3/h中壓蒸汽。4.8.2 總傳熱系數(shù)K當(dāng)時(shí)，流化床豎直管間的給熱系數(shù)h：式中 CR管距床層中心的校正系數(shù)，本裝置采用U型換熱管，兼有傳熱和非傳熱內(nèi)部構(gòu)件的作用，不需在床內(nèi)另設(shè)擋板等構(gòu)件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不易變形、溫度控制平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，校正系數(shù)可取1.7。 cp比熱容，下標(biāo)s指固體；下標(biāo)g指氣體； g氣體導(dǎo)熱系數(shù)。數(shù)群cpggg不是無(wú)因次數(shù)，其因次為s/cm2，運(yùn)用時(shí)必須符合規(guī)定的因次。帶入具體數(shù)據(jù)計(jì)算：所以管內(nèi)壁以對(duì)流傳熱的方式進(jìn)行管壁與管內(nèi)工藝軟水的換熱，其給熱系數(shù)h1取經(jīng)驗(yàn)值400。在忽略換熱器壁的情況下，總傳熱系數(shù)K與h、h1的關(guān)系為：代入數(shù)據(jù)得總傳熱系數(shù)4.8.3 傳熱溫差由Aspen數(shù)據(jù)可得出低壓軟水進(jìn)口溫度為T1為25，出口溫度T2為125，物料進(jìn)口溫度t1為160，出口溫度t2為160。因此，傳熱溫差：4.8.4 換熱面積A由傳熱基本方程得換熱面積為換熱管長(zhǎng)度L為6m，外徑do為159mm，壁厚4.5mm。單管側(cè)面積S1為3m2。最終得到換熱管總數(shù)n=261。單管橫截面積0.02m2，總橫截面積A為=5.22m2。第5章 反應(yīng)器校核5.1 概述本項(xiàng)目的流化床反應(yīng)器不需使用外置夾套，故不作機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)及校核，須對(duì)反應(yīng)器筒體及封頭進(jìn)行校核。5.2 SW6-2011反應(yīng)器機(jī)械強(qiáng)度校核5.2.1 設(shè)計(jì)條件的輸入流化床反應(yīng)器的校核計(jì)算單位哈爾濱理工大學(xué)Striker筒體設(shè)計(jì)條件內(nèi) 筒設(shè)計(jì)壓力 pMPa1.17設(shè)計(jì)溫度 t C185內(nèi)徑 Dimm5000名義厚度 dnmm25材料名稱Q345R許用應(yīng)力 s 185 s tMPa173.9壓力試驗(yàn)溫度下的屈服點(diǎn) s 325鋼材厚度負(fù)偏差 C1mm0.3腐蝕裕量 C2mm2厚度附加量 CC1C2mm2.3焊接接頭系數(shù) f1壓力試驗(yàn)類型液壓試驗(yàn)壓力 pTMPa1.4625筒體長(zhǎng)度 Lwmm18071內(nèi)筒外壓計(jì)算長(zhǎng)度 Lmm封 頭 設(shè) 計(jì) 條 件筒體上封頭筒體下封頭夾套封頭封頭形式橢圓形兩端有折邊錐形名義厚度 dnmm2525材料名稱Q345RQ345R設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 s tMPa184.8173.9鋼材厚度負(fù)偏差 C1mm0.30.3腐蝕裕量 C2mm22厚度附加量 CC1C2mm2.32.3焊接接頭系數(shù) f11主 要 計(jì) 算 結(jié) 果內(nèi)圓筒體內(nèi)筒上封頭內(nèi)筒下封頭校核結(jié)果校核合格校核合格校核合格質(zhì) 量 m kg55983.95408.676229.88攪拌軸計(jì)算軸徑mm備 注5.2.2 內(nèi)壓筒體的校核結(jié)果內(nèi)筒體內(nèi)壓計(jì)算計(jì)算單位哈爾濱理工大學(xué)Striker計(jì)算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB 150.3-2011計(jì)算條件筒體簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力 Pc1.17MPa設(shè)計(jì)溫度 t185.00 C內(nèi)徑 Di5000.00mm材料Q345R ( 板材 )試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 s185.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 st1