(完整)反应器初步设计说明书

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目录

第 1 章反应器设计 (1)

1.1 反应器设计概述 (1)

1.2 反应器的选型 (1)

第 2 章催化剂 (3)

2.1 催化剂的选择 (3)

2.2 催化剂失活的原因 (3)

2.3 催化剂再生的方法 (3)

第 3 章丙烷脱氢反应器 (4)

3.1 主反应及副反应方程式 (4)

3.2 反应机理 (4)

3.3 动力学方程 (4)

3.3.1 催化反应动力学模型 (4)

3.3.2 失活动力学 (5)

3.4 反应器设计思路说明 (6)

3.4.1 反应条件 (6)

3.4.2 反应器类型的选择 (7)

3.4.3 反应器数学模拟 (7)

3.4.4 反应器体积的计算 (7)

3.5 催化剂设计 (11)

3.5.1 催化剂用量 (11)

3.5.2 催化剂来源 (11)

3.5.3 催化剂的装填 (11)

3.6 反应器内部结构设计 (11)

3.6.1 催化剂床层开孔 (11)

3.6.2 催化剂分布器 (12)

3.6.3 气体分布器 (12)

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3.7 反应器管口计算 (12)

3.7.1 进料管(以第一台反应器为例) (12)

3.7.2 出料管 (13)

3.7.3 吹扫空气入口 (13)

3.7.4 催化剂进料口 (13)

3.7.5 催化剂出口 (13)

3.7.6 排净口 (13)

3.7.7 人孔 (14)

3.7.8 催化剂床层固定钢 (14)

3.8 加热炉 (14)

3.9 机械强度的计算和校核 (14)

3.9.1 反应器材料的选择 (14)

3.9.2 反应器筒体厚度的选择 (14)

3.9.3 反应器封头厚度的计算 (15)

3.9.4 液压试验校核 (16)

3.9.5 反应器强度校核 (16)

3.9.6 反应器封头的选择 (25)

3.10 设计结果总结(以第一台反应器为例) (26)

第 4 章乙炔选择性加氢反应器 (26)

4.1 概述 (26)

4.2 反应方程式 (27)

4.3 催化剂的选用 (27)

4.4 设计简述 (27)

4.5 在Polymath中的模拟与优化 (29)

4.6 选择性加氢反应器总结 (30)

第 5 章参考文献 (30)

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第 1 章反应器设计

1.1反应器设计概述

化学反应器是将反应物通过化学反应转化为产物的装置，是化工生产流程中的中心环节。由于化学反应种类繁多，机理各异，因此，为了适应不同反应的需要，化学反应器的类型和结构也必然差异很大。反应器的性能优良与否，不仅直接影响化学反应本身，而且影响原料的预处理和产物的分离，因而，反应器设计过程中需要考虑的工艺和工程因素应该是多方面的。

反应器的设计主要包括：

1)反应器选型；

2)确定合适的工艺条件；

3)确定实现这些工艺条件所需的技术措施；

4)确定反应器的结构尺寸；

5)确定必要的控制手段。

在反应器设计时，除了通常说的要符合“合理、先进、安全、经济”的原则，在落实到具体问题时，要考虑到下列的设计要点：

1)保证物料转化率和反应时间；

2)满足物料和反应的热传递要求；

3)设计适当的搅拌器和类似作用的机构；

4)注意材质选用和机械加工要求。

1.2反应器的选型

反应器按结构大致可以分为釜式、管式、固定床、流化床、移动床等类型。它们的主要适用范围和特性见下表1-1：

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福建联合石化联产25万吨丙烯项目

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表1-1 反应器类型 反应器类型 适用范围 特性

釜式反应器 液液，气

液，液固，气液

固 结构简单、加工方便,传质、传热效率

高,温度浓度分布均匀,操作灵活性大,便于控制和改变反应条件,适合于多品种、小批量生产，但返混程度大，间歇操作时辅助时间所占比例大。

管式反应器 气相，液相 返混小，所需反应器体积较小，比传热面大；但对慢速反应，管很长，压降很

大

固定床反应器 气固相催

化反应 返混小，高转化率时催化剂用量少，催化剂不易磨损；但传热控温不易，催化剂装卸麻烦

流化床反应器 气固相，尤其是催化剂失活很快的反应 传热好，温度均匀，易控制，催化剂

有效系数大；但床内返混大，不适于高转

化率反应

移动床反应器 气固相，尤其是催化剂失

活很快的反应

床层返混小，固气比可操作性大；但

床内温差大，调节不易

本反应器主要针对的是丙烷脱氢生成丙烯的反应，该反应的高效反应温度在

550-650℃，反应压力为0.1MPa 。反应两个最大的特点是：

（1）反应为强吸热，分子数增加的可逆反应，平衡常数随温度的升高而增

加。若要获得较高的脱氢转化率，则该反应需在高温和负压下进行，然而，高温

又会使烷烃容易发生裂解和深度脱氢反应，导致反应的选择性降低。

（2）催化剂容易结焦失活：高温对C —C 键断裂的裂解反应比对C —H 键断

福建联合石化联产25万吨丙烯项目

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裂的脱氢反应更为有利，从而容易导致催化剂表面积碳，进而使催化剂失活加速。而连续工业化不允许频繁停车来更换催化剂，否则会导致产品质量的不稳定以及

额外的能量与原料消耗。

本项目包括4台脱氢反应器和1台选择性加氢反应器。综合反应以及催化剂

特点，我们分别选择移动床反应器和固定床反应器。

第 2 章 催化剂

2.1 催化剂的选择

本反应综合生产实际以及环境友好的要求，丙烷脱氢(PDH)反应器选用Sn

为助剂、Pt 为活性中心，Al 2O 3为载体的Pt-Sn/Al 2O 3催化剂。催化剂为颗粒直径

2mm 的球形颗粒，密度为3800kg/m 3，床层孔隙率ε取0.4。乙炔选择性加氢(SHP)

反应器选用最常用的钯系催化剂。

2.2 催化剂失活的原因

丙烷脱氢反应在热力学上是一个分子数增加、强吸热（116KJ/mol ）的可逆

反应。为了使反应向脱氢反向进行，需要提高反应温度和降低反应器中的压力。但是在高温下，丙烯容易发生深度脱氢，导致选择性降低，而且在高温下C-C

键裂解反应在热力学上比C-H 键裂解更有利，从而加剧了碳在催化剂表面沉积导

致Pt-Sn/Al 2O 3催化剂失活。

2.3 催化剂再生的方法

利用CCR TM 再生装置,对结焦的Pt-Sn/Al 2O 3催化剂进行烧炭再生。其有4项

主要功能：烧去催化剂的焦炭，铂催化剂的重新分配，移去额外的水分及将催化

剂返回到还原状态（催化剂再生）。缓慢移动的催化剂床在通过反应器和再生器

的环路中循环，常用的循环时间为5~10天。反应部分和再生部分相互独立设计，因此即使再生器停车，也不用中断反应器内催化脱氢反应过程。