流化床反应器的设计

流化床反应器的设计 The final edition was revised on December 14th, 2020.

年产万吨烯烃流化床反应器设计

1 操作工艺参数

反应温度为：450℃

反应压力为：(绝压)

操作空速为：1~5h-1

MTO成型催化剂选用Sr-SAPO-34

催化剂粒径范围为：30～80μm

催化剂平均粒径为60μm

催化剂颗粒密度为1500kg/m3

催化剂装填密度为 750kg/m3

催化性能：乙烯收率，%；丙烯收率，%；总收率，%。

水醇质量比为

甲醇在450℃下的粘度根据常压下气体粘度共线图查得为μ

甲醇450℃下的密度根据理想气体状态方程估算为m3

甲醇处理量：根据催化剂的催化性能总受率为%，甲醇的用量=烯烃质量×（32/14）/烯烃的生产要求是35000t/a，甲醇的量为89385/a。

2 操作气速

最小流化速度计算

mf U R =

1000

p d ep ρ

μ

>mf U R =

20

p d ep ρ

μ

<当流体流过颗粒床层的阻力等于床层颗粒重量时，床层

中的颗粒开始流动起来，此时流体的流速称为起始流化速度，记作U mf 起始流化速度仅与

流体和颗粒的物性有关，其计算公式如下式所示：

对于

的小颗粒

()2U 1650p p mf d g

ρρμ

-=

（1）

对于的大颗粒

()1/2

d U 24.5p p mf

g ρρρ⎡⎤-=⎢⎥

⎢⎥⎣⎦ （2）

式中：d p 为颗粒的平均粒径；ρp ，ρ分别为颗粒和气体的密度；μ为气体的粘度假设颗粒的雷诺数R ep <20，将已知数据代入公式（1）， 校核雷诺数：

将U mf 带入弗鲁德准数公式作为判断流化形式的依据散式流化， F rmf ＜；聚式流化，F rmf ＞。 代入已知数据求得

根据判别式可知流化形式为散式流化。

颗粒的带出速度Ut

床内流体的速度等于颗粒在流体中的自由沉降速度（即颗粒的重力等于流体对颗粒的曳力）时，颗粒开始从床内带出，此时流体的速度成为颗粒的带出速度U t 其最大气速不能超过床层最小颗粒的带出速度U t ，其计算公式如下式所示：

当U R =

0.4

d p t

ep

ρ

μ

<时，

2U 18d g p p t ρρμ⎛⎫- ⎪⎝⎭= （3）

当

U

0.4

d

p t

ep

ρ

μ

<

时，

2

2

1/3

4

U d

225

g

p

t p

ρρ

ρμ

⎡⎤

⎛⎫

-

⎪

⎢⎥

⎝⎭

⎢⎥

=

⎢⎥

⎢⎥

⎣⎦（4）

当

U

R=500

d

p t

ep

ρ

μ

>

时，

1/2

3.1d

U

g

p p

t

ρρ

ρ

⎡⎤

⎛⎫

-

⎪

⎢⎥

⎝⎭

=⎢⎥

⎢⎥

⎢⎥

⎣⎦（5）

流化床正常操作时不希望夹带，床内的最大气速不能超过床层平均粒径颗粒的带出

速度U

t ，因此用d

p

=60μm计算带出速度。

代入已知数据求得校核雷诺数：

R

ep =（

ep

<500）

流化床操作气速

如上所述，已知颗粒的临界流化速度U

mf 和催化剂的小颗粒的带出U

t

，对于采用

高流化速度，其流化数（流化数=气体表观速度/临界流化速度）可以选着300-1000，本装置设计使用流化数为1000，带入计算

故本装置的操作气速为s

为防止副反应的进行，本流化床反应器设计密相和稀相两段，现在分别对其直径进行核算。

3 床径的确定

密相段直径确定

本流化床反应器设计处理能力为h。体积流量为h甲醇气体，即s。

根据公式

T D （6） 即流化床反应器密相段的公称直径为DN=

稀相段直径的确定

在该段反应器中，扩大反应器的体积，可以减缓催化剂结焦，以及抑制副反应的生产，本厂设计稀相段流化数为700，计算过程如下： 将流速带入公式（6）中

即流化床反应器稀相段的公称直径为DN=

4流化床床高

床高分为三个部分，即反应段，扩大段，以及锥形段高度。 甲醇处理量为M=h

取质量空速为2h -1，则催化剂的量为吨。

由催化剂的装填密度为750kg/m 3，所以静床高度的确定

2

2

4

67004

1.7750 3.14

2.6mf T m H m

D ρπ⋅⨯=

=

=⨯⨯催化剂，

考虑到床层内部的内部构件，取静床层高度为。 流化时的流化比取2，因此床层高度H 1=2H mf =。 扩大段高度取扩大段直径的三分之一，H 2=。

反应段与扩大段之间的过渡部分过度角为120°，由三角函数，过渡段高度 锥形段取锥底角为40°，取锥高为H 4=，其锥底直径为。 由此可得，流化床总高H=H 1+H 2+H 3+H 4= 其长径比为=。