30万吨年丙烷脱氢制丙烯生产项目4反应器设计说明书.docx

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1、30 万吨年丙烷脱氢制丙烯生产工程反响器设计说明书30 万吨 PDH 工程反响器设计说明书名目1第一章 脱氢反响器的设计31.1 反响器类型的选择31.2 反响器构造的选择41.2.1 反响器流型确实定41.2.2 反响器构造简介71.3 催化剂的选择71.4 反响动力学分析91.4.1 反响方程式91.4.2 反响历程91.4.3 反响动力学方程91.5 反响热力学分析101.5.1 气体热容101.5.2 反响热111.6 反响条件的选择111.6.1 温度111.6.2 压力121.6.3 空速121.6.4 氢烃比131.7 基于Comsol 的反响器尺寸设计161.7.1 反响体积确

2、实定161.7.2 反响器尺寸的设计181.7.3 分析总结251.8 反响器构造设计251.8.1 扇形筒设计251.8.2 壳体壁厚设计261.8.3 中心管设计271.8.4 催化剂管道设计271.8.5 封头设计271.8.6 使流体均匀分布的构造设计281.8.7 催化剂封的设计281.8.8 防止催化剂颗粒吹入分流、集流流道的措施281.9 反响器构造校核291.10 催化剂再生391.10.1 催化剂失活机理391.10.2 催化剂烧焦再生401.11 反响器尺寸和工艺参数41其次章 选择加氢反响器422.1 反响方程式422.2 反响器类型的选定422.3 催化剂的选择432.

3、4 动力学分析432.5 反响热力学分析442.6 反响体积确实定442.7 反响器构造设计472.8 反响器构造校核48参考文献67第一章 脱氢反响器的设计1.1 反响器类型的选择丙烷脱氢反响是常见的气固催化反响，工业上一般选用的气固催化反响器有固定床和移动床、流化床三大类，气体流经固定不动的催化剂床层进展反响装置称为固定床反响器；催化剂可以在反响器内移动，连续进出反响器，反响气体以近似于平推流的方式连续与固体催化剂接触反响的称为移动床反响器；流体以较高速通过催化剂床层，带动床内固体颗粒运动，使之悬浮在流淌的主体流中进展反响的装置称为流化床反响器。表 1-1 各反响器的优缺点移动床反响器固定

4、床反响器流化床反响器优点催化剂可连续补充，解决丙烷脱氢反响中催化剂结焦失活的问题；反响均匀稳定，催化剂的活性和反响温度不随反响时间的推移而转变，保证产品组成始终恒定催化剂用量少且无磨损返混小，流体同催化剂可进展有效接触， 当反响伴有串联副反响时可得较高选择性。构造简洁。流固相界面积大，有利于非均相反响的进展，提高了催化剂的利用率。由于颗粒在床内混合剧烈，使颗粒在全床内的温度和浓度均匀全都，床层与内浸换热外表间的传热系数很高，全床热容量大，热稳定性高，这些都有利于强放热反响的等温操作。缺点温度难以掌握，影响转化率， 级间加热的方式假设掌握不好，对选择性影响很大。操作过程中催化剂不能更换，反响器本

5、钱较高。气体流淌状态与活塞流偏离较大，气流与床层颗粒发生返混，以致在床层轴向没有温度差及浓度差。加之气体可能成大气泡状态通过床层，使气固接触不良，使反响的转化率降低。催化剂颗粒间相互猛烈碰撞，造成催化剂的损失和除尘的困难。由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的磨损严峻。丙烷脱氢这一技术面临的主要问题之一就是催化剂的结焦失活：该反响在热力学上是一个分子数增加、强吸热124.27 kJ/mol的可逆反响。为了使反响向脱氢方向进展，需要提高反响温度和降低反响器中的压力。但是在高温下，C-C30 万吨 PDH 工程反响器设计说明书键裂解反响在热力学上比 C-H 键裂解更有利，从而加剧了碳在催化剂外表沉积

6、导致催化剂失活。假设承受固定床反响器就不得不频繁切换，这既降低了热利用率又使系统简单化；而且固定床反响器属于间歇式操作，从安全角度上讲，间歇式操作必需周期性地进展反响器的切换，对装置设计的安全系数要求比较高，否则难以经受中间催化剂反响一再生系统的切换操作中产生的应力变化。而移动床反响器反响局部以完全连续化方式运行，反响均匀稳定，催化剂可以在反响器内移动,连续进出反响器，活性和反响温度不随反响时间的推移而转变，这样可以保证产品组成始终恒定。从装置构造上，连续式操作省去了周期性切换操作所必需的大型阀门和相关的自动化掌握系统，只需要将一些小型掌握阀门安装在再生器管路上，极大程度上削减了操作人员和修理

7、人员的工作量。与同属连续性操作的流化床相比其催化剂的循环速率要远小于流化床反响器，反响气体以近似于平推流的方式连续与固体催化剂接触，催化剂磨损较小。据此，本工艺承受移动床反响器。1.2 反响器构造的选择1.2.1 反响器流型确实定在移动床中，依据固体和流体相对运动方向的不同又可分为逆流、并流和错流式移动床，即固体颗粒靠自身重力向下移动时，流体与之进展逆流、并流或错流流淌图 1-1。图 1-1 移动床内气固流淌方式其中前两种称为轴向反响器，错流移动床称为径向移动床，理论和实践证明， 与轴向流反响器相比，径向流反响器具有以下优点：（1） 阻力小。由于气体径向流淌，流过床层的路径比轴向反响器短得多，

8、4通气截面积大，气体线速度小。在床层体积肯定时，流体流过床层的压降正比于流道距离 L 的 23 次方，因此径向床层阻力很小。（2） 空速大。由于阻力小可以承受高空速操作，且在高空速下仍可到达较高的转化率，提高设备的生产力量。（3） 可使用小颗粒催化剂。由于阻力小，允许使用小颗粒催化剂，削减了粒内传递过程对宏观反响速率的影响，提高催化剂粒内效率因子。对于径向移动床反响器，反响气从分流管入口进入反响器，经开孔壁面横穿床层后，从集流管出口流出。依据流体流入、流出中心管可分为向心流 CP 和离心流CF，依据入口和出口方向又可分为 z 型和型，方向一样为 z 型，相反则为型，因而，径向移动床反响器反响物

9、流的流淌构造共可分为四种流淌形式，分别为 CP-z、CP-、CF-z 及 CF-型，如图 1-2 所示。图 1-2 径向反响器的流淌构造由于气体向心流淌时所允许的临界气体流量大于离心流淌时所允许的临界气体流量，因此，移动床径向反响器一般承受向心流淌的形式。对流体的变质量流淌过程承受修正的动量方程来描述分集流流道的流体力学行为。修正的动量方程形式为：idp + 2K r udulr u2ig i= 0,i = 1,21-1dzgi dz2De式中，p i 为主流道内的压力，Pa；z 为与主流流道流淌方向全都的轴向坐标， m； u i 为主流道中的气体流速，m/s；De 为主流道水力学直径，m；g

10、 为气体密度，kg/m3；K 为动量交换系数，需试验测定； 为气体流淌摩擦阻力系数。式中，30 万吨 PDH 工程反响器设计说明书带“ ”项中“+”表示分流流淌，“-”表示集流流淌。布气管过孔压降关联式为：6Dp = zhw2 rg21-2式1-2中， z 为试验测定的过孔压降系数。修正的动量方程式 1-1说明白主流道中流体压力的沿程变化与流体速度变化之间的定量关系，即主流道中的压力变化是由流体的动压变化和摩擦阻力损失引起的。对于分流流淌，流体流速因侧向分流而不断减小，使流体的动压不断转化为静压，从而造成流体压力沿流淌方向不断增大；而对于集流流淌，由于流体不断从侧向补进使流速不断增大，动压的不

11、断增大需消耗体系的静压，从而造成流体压力沿流淌方向不断减小。而摩擦阻力对压力的影响是单调的，即摩擦阻力损失总是使流体压力沿流淌方向不断下降。对于脱氢反响器，由于主流道中流体的动压交换对压力变化的影响远大于流淌摩擦阻力的影响，两者叠加的结果使变质量流的分流流淌的压力沿程增大，而使集流流淌的压力沿流淌方向下降较快与恒质量流压力变化相比。徐承恩等人利用式1-1模拟计算径向反响器向心型和向心 z 型两种状况，可得到图 1-2 的结果。由图可以看出，向心型流淌时两主流道之间的压力差分布要比向心 z 型时均匀得多。由于两主流道之间的压差也是由催化剂床层压降及气流过孔压降组成的，均匀的两主流道压差分布即意味

12、着均匀的反响气流轴向分布，因此对轴向均匀布气而言，向心型流淌优于向心 z 型流淌。图 1-3 流型比较30 万吨 PDH 工程反响器设计说明书综上所述，本设计中，反响器选取流型为向心型。1.2.2 反响器构造简介我们最终确定使用的反响器主体构造一般如下图，主要由主流道、催化剂床层和气流分布孔道组成，其中主流道又有分流流道和集流流道之分，而反响床层位于两流道之间。反响器气从分流管入口进入反响器，经扇形管进入催化剂床层反响后，从集流出口流出。催化剂颗粒由上部料斗流入，由于颗粒处于密集积存状态，在重力作用下， 催化剂颗粒呈平推流流淌。到达床层底部的催化剂颗粒通过下料装置中的阀门进入再生器中再生，再生

13、后的催化剂颗粒再次通过提升管送入反响器中形成循环， 此处，通过调整下料装置中的阀门可以掌握催化剂的颗粒循环量。71.3 催化剂的选择图 1-4 反响器构造示意图由于丙烷分子比较稳定，丙烷脱氢反响需要使用催化剂，常用的催化剂主要有两个体系：Pt 系催化剂体系和 Cr 系催化剂体系。目前已经工业化或者半工业化的丙烷脱氢工艺均是使用的这两类催化剂。Cr2O3-Al2O3 催化剂具有很好的丙烷脱氢活性，美国 UOP 公司于上世纪 30 年月在小分子烷烃脱氢工业扮装置上最先使用该催化剂。20 世纪 40 年月初，美国空气和化学品公司也开头使用铬系催化剂，与铂系列催化剂相比，国内外文献对 Cr2O3-Al

14、2O3 催化剂用于丙烷催化脱氢制丙烯的报道比较少，在该催化剂的制备过程中，Cr 前体不同，制得的催化剂的性能不同。在反响过程中，会涉及反响物与 Cr2O3-Al2O3 催化剂之间的电子转移，催化剂的活性与选择性和该催化剂中 Cr 离子的价态变化有很大关系。此类催化剂活性不稳定，而且催化剂中的Cr 组分是重金属，对环境有污染，使此类催化剂的使用受限制。争论觉察少量的 Pt 分散到具有高比外表积的 Al2O3 载体上就具有较高的脱氢活性。这类催化剂的初活性高，但失活速率快，反响选择性差，氢解等副反响多。Pt 失活主要由积碳和铂粒子烧结所引起。积碳对金属产生封闭作用，同时阻塞载体孔道，使催化剂失活；

15、晶粒烧结会引起金属分散度降低，从而降低催化剂的活性和选择性。为了提高铂催化剂的稳定性和选择性，需要对催化剂进展改性，提高催化剂抗积碳和烧结的力量。目前对铂催化剂进展改性的主要途径有助剂的参加，转变催化剂载体和催化剂的制备方法等。其中 Sn 助剂的参加可以较大幅度地提高 Pt 催化剂的脱氢性能，现在已经工业化的 Pt 催化剂就是 Pt-Sn 催化剂。对 Sn 助剂所起的作用，争论者曾经提出了“几何效应”的观点对其进展解释。“几何效应”认为 Sn 助剂对催化剂性能的改善是由于 Sn 将催化剂外表上的大铂原子簇分割为较小的铂原子簇，这样阻断了碳氢化合物分子在铂外表发生多点吸附，从而削减了氢解和积碳反

16、响的发生，由于氢解和积碳反响是构造敏感反响需要较大的铂原子簇。助剂的另一作用是锡的参加可以在肯定程度上毒化氧化铝外表的强酸性位点，削减脱氢过程中烷烃的裂解和异构化反响。此外，锡的存在可以大幅度提高催化剂外表的化学吸附氢，主要是溢流氢。溢流氢对催化剂活性的维持和提高催化剂的消碳力量具有乐观作用。本工程设计承受 UOP 公司供给的 PtSn-Al2O3 催化剂，具体参数如下：表 1-2 催化剂理化性质催化剂颗粒外形催化剂颗粒直径BET比外表积比孔容球形5mm56.6m2/g0.25m3/gPt分散度Pt颗粒粒径Pt质量分数Sn质量分数47.3%2.4nm0.5%1.5%1.4 反响动力学分析1.4

17、.1 反响方程式主反响：丙烷脱氢生产丙烯： C H38副反响：C H+ H1-1362丙烷裂解生成乙烯、甲烷：C H38乙烯加氢生成乙烷： C H+ H242C H+ CH1-2244C H261-3丙烷脱氢生成丙炔、丙二烯、氢气： C H381.4.2 反响历程C H+ 2H1-4342丙院脱氢符合 LHHW 动力学机理，丙院在Pt 外表直接解离吸附，两步脱氢生成丙稀，然后丙烯和氢气脱附至气相：C H+ 2*38C H * +H *37C H+ *372H *C H * + H *36H+ 2*2*为活性吸附位。1.4.3 反响动力学方程C H *36C H+ *36丙烷在各种催化剂上的脱氢机理已有报道。Jackson 等人用同位素示踪技术争论了 Cr 催化剂上的丙烷脱氢机理，觉察反响的速率掌握步骤是丙基上 氢的脱除。Biloen 等人在争论 Pt 和 Pt-Au 合金催化剂上的丙烷脱氢时也觉察，丙基