流化床反应器的设计

mf U R =
1000
p d ep ρ
μ
> 年产3.5
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：0.12MPa(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/m 3 催化剂装填密度为 750kg/m 3
催化性能：乙烯收率，67.1wt%；丙烯收率，22.4wt%；总收率，89.5wt%。

水醇质量比为0.2
甲醇在450℃下的粘度根据常压下气体粘度共线图查得为24.3μPa.s 甲醇450℃下的密度根据理想气体状态方程估算为0.54kg/m 3
甲醇处理量：根据催化剂的催化性能总受率为89.5wt%，甲醇的用量=烯烃质量×（32/14）/0.895
烯烃的生产要求是35000t/a ，甲醇的量为89385/a 。

2 操作气速
2.1 最小流化速度计算
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，
mf U R =
20
p d ep ρ
μ
<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 ＜0.13；聚式流化，F rmf ＞0.13。

代入已知数据求得
根据判别式可知流化形式为散式流化。

2.2 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<R=500
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=0.532（0.4 <R ep<500）
2.3 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1.3m/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 3.1 密相段直径确定
本流化床反应器设计处理能力为13.4t/h 。

体积流量为24829.3m 3/h 甲醇气体，即6.9m 3/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=2.6m
3.2 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=3.1m
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=13.4t/h
取质量空速为2h -1，则催化剂的量为6.7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2.0m 。

流化时的流化比取2，因此床层高度H 1=2H mf =3.4m 。

扩大段高度取扩大段直径的三分之一，H 2=1.1m 。

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=1.2m ，其锥底直径为1.5m 。

由此可得，流化床总高H=H 1+H 2+H 3+H 4=5.92m 其长径比为5.92/2.6=2.3。

5床层的压降
流化床在正常操作时具有恒定的压降，其压降计算公式为
6流化床壁厚
流化床反应器的操作温度为450摄氏度，操作压力为0.12Mpa ，设计温度为500摄氏度，设计压力为0.2Mpa ，由于温度较高，因此选择0Cr18Ni9材料，该种材料在设计温度下的许用应力为100Mpa ，流化床体采用双面对接焊，局部无损探伤，取流化床体焊接接头系数为φ=0.85，壁厚的附加量取c=2mm 。

流化床壁厚： 考虑到流化床较高，风载荷有一定影响，取反应器的设计壁厚为6mm ， 流化床体的有效厚度为t e =t n -c 1-c 2=3.4mm 。

筒体的应力按下式进行计算
()()
0.22600 3.476.5722 3.4e t
e p D t Mpa
t σ+⨯+===⨯。

许用应力[σ]t φ=100x0.85=85Mpa>76.57Mpa,应力校核合格。

对于扩大段，
[]d 0.23100
t =
2 5.721000.850.2
2i t
pD c mm
p
σφ⨯+=
+=⨯⨯--
考虑到扩大段，过渡段压力略有减小，并且扩大段温度较低，因此均选取扩 大段、过渡段壁厚为6mm 。

锥形段阶段为反应气体的预分布阶段，未发生反应，温度较低直径较小，因 此壁厚更小，但为考虑选材与安装的方便性，其壁厚也选取为6mm 。

6椭圆封头
由于反应器压力较低，封头承压不大，故选用应用最为广泛的椭圆形封头，设计压力为0.15Mpa，设计温度为500摄氏度，腐蚀裕量为2mm，封头焊缝系
数为0.85。

封头高度取1m。

选择材料为0Cr18Ni9材料，在设计温度下，其许用应力为100Mpa。

形状系数为K=1.0
封头厚度按下式进行计算
考虑到便于焊接，故选取封头厚度为6mm。

7裙座
裙座的厚度按经验选取为20mm，，高度为1m。

8水压试验及其强度校核
水压试验的试验压力有p T=p+0.1=0.3Mpa, p T=1.25p=0.25Mpa,取两者中大
值，即pt=0.3Mpa。

水压试验时壁内应力
已知0Cr18Ni9材料在常温下的屈服强度为σs=137Mpa，计算
0.9σs=123.3Mpa
可以知道水压试验时筒体壁内应力小于0.9σs，水压试验安全。

9旋风分离器
在流化床顶部，为防止小粒径催化剂颗粒随气体被带出，故在流化床扩大
段设立二级旋风分离器，根据旋风分离器的规格，选用CLG型旋风分离器，其中一级旋风分离器的直径为640mm，二级旋风分离器的直径为540mm。

旋风分离器的布置和结构：一级旋风分离器的料腿下伸到床底部，下料腿
端部安装锥形堵头，使催化剂能够随自下而上的气流进入下料管内。

二级旋风分
离器下料腿置入床层稀相区，下料腿端部安装挡风帽和翼阀。

10 主反应器设计结果
主反应器最终设计结果如下：
表4-1 主反应器R101设计表。