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1、 60 万吨/年甲苯甲醇制PX 项目反应器设计说明书 60 万吨/年甲苯甲醇制 PX 项目反应器设计说明书目录第一章 甲苯择形歧化反应器设计2反应方程式2催化剂参数2反应器类型的选定2径向反应器的数学模型3反应器结构示意图5反应器尺寸和工艺参数5径向反应器压降的计算6等截面分流流道的静压分布7等截面集流流道的静压分布7机械强度的计算与校核8材料的选择8筒体厚度的计算8液压试验校核8管口设计9反应器进口管设计9反应器出口管设计9封头的设计9第二章 苯甲醇反应器的设计111.8 反应方程式111.9 催化剂参数111.10 反应器类型的选定111.11 反应相关参数111.12 反应器结构设计12
2、催化剂填充量12反应器长度计算12反应器压降的计算13机械强度的计算与校核13材料的选择13筒体厚度的计算13液压试验校核14管口设计14反应器进口管设计14反应器出口管设计14封头的设计151.13 气体分布器设计1511第一章 甲苯择形歧化反应器设计1.7 反应方程式主反应： 副反应： 副反应： 1.8 催化剂参数表 1-1 催化剂物性表催化剂直径5mm空隙率0.4密度1810kg/m31.9 反应器类型的选定反应的反应物为气态的甲苯，催化剂为固体改性 ZSM-5 催化剂，反应相态为气固两相，主反应为甲苯的择形歧化，副反应为对二甲苯的脱甲基化和对二甲苯的异构化。在该反应系统中，考虑到催化剂
3、不易失活，而且返混对反应不利，所以采用固定床反应器，这样可以显著提高产物的选择性。与此同时，通过采用 Aspen 软件进行模拟可得，反应系统的绝热温升 Tad 为 0.4，即整个反应系统表现为微吸热的反应，由于绝热温升很小，故可采用绝热式固定床反应器，而且可将反应过程视为等温过程。现有的二甲苯异构化、甲苯歧化，以及乙苯脱氢制苯乙烯的反应方法中，一般采用径向反应器，气体在分流流道和集流流道呈同向流动， 由此不利于气体沿轴向的均匀分布。而径向反应器通常采用控制压降很大的气体分配器来实现气体的均布。在甲苯歧化反应中，其反应介质中含有大量的氢气，其氢烃摩尔比高达 4 6 倍或更高，大量的气体循环使得减
4、少反应器的压降成为节能的关键所在。因此， 对于该反应器我们选择径向反应器。1.10 径向反应器的数学模型相比轴向反应器，径向反应器具有如下的优点：1.10.1 操作费用低。流通截面大，床层阻力很小，对于受平衡影响十分显著，转化率较低，反应物大量循环或带有大量载气的反应工艺来说，采用径向流反应器，符合节能降耗的目标；1.10.2 生产能力高。压降小可采用高空速，增加反应器能力；使用小颗粒催化剂，减少粒内传递过程对反应速率的影响，提高转化率；1.10.3 易于大型化。通常受设备制造和运输等限制，目前轴向反应器的直径一般难以超越 5m，而径向流反应器可提高床层轴向高度满足大型化要求；1.10.4 设
5、计制造难度大。径向床层内流体状态远较轴向流反应器复杂，反应内流体沿轴向的均布是关键技术，影响到床层温度分布，热稳定性，产品质量和产量等。图 1-1 径向反应器内四种流动模型表 1-2 离心向心压力等值线图、速度等值线图、速度矢量图对比表向心离心压力等值线图速度等值线图速度矢量图对于径向反应器，床层两侧的静压差为气体通过催化剂床层的流动推动力， 因此，流道内静压的分布规律可以体现气体流动的分布规律。床层两侧的静压差沿轴向变化越小，流体沿轴向流动的分布越均匀。由图可以分析得到向心式的反应器较离心式反应器气体流动更加均匀。但是，由文献中我们知道，对于 型径向反应器，离心式较向心式更加优越，因为分流流
6、道的静压是随流动方向而升高的，而集流流道的静压却是随流动方向而降低的。采用分流、集流反方向的 型流动。能使分、集流流道间静压差相互对消，因而是合适的分布方式。因此我们采用了离心 型反应器。对于流场模拟情况与文献相反，我们猜测可能的原因在于网格划分的质量，介质参数的设定等方面。1.11 反应器结构示意图1-气体进口；3-气体分流流道；4-气体集流流道；5-催化床；6-多孔壁筒；7-多孔壁外筒；8-圆筒形容器；10-催化床；11-限流控制段；12-催化剂封图1-2 反应器结构示意图1.12 反应器尺寸和工艺参数表 1-3 反应器工作参数反应温度350反应选择性87%反应压力1.5MPa年操作时间8
7、000 h催化剂改性 ZSM-5 分子筛质量空速4 反应转化率36%表 1-4 反应器结构参数反应器结构（m）高度直径中心管结构（m）扇形筒结构催化剂封内径厚度开孔长度孔径个数截面积高度6.52.260.050.6180.00660.006410.030.5介质物性（温度 350，压力 1.5MPa）质量流量 kg/h体积流量 m3/h密度 kg/m3入口出口入口出口入口出口31486110727.510720.629.3529.37催化剂名称形状粒径堆密度 kg/m3孔隙率改性 ZSM-5球形3mm6500.55介质流动形式离心 型（固定床）1.6.1 径向反应器压降的计算其中反应器高 6.
8、5m，内径 1.9m，中心管平均直径 0.63m1.6.2 等截面分流流道的静压分布当流体沿截面分流管均匀分布时，流速随管长呈线性关系，其分流流道静压差公式如下： =29.35m/s,D=0.618m,L=6m, 0.015将数据带入得分流流道总压降为+2.94kpa1.6.3 等截面集流流道的静压分布从始端计算，集流流道静压差公式如下： =29.37m/s ,L=6m, 0.018,kc=1.15将数据带入得集流流道静压总压降-2.795kpa集流流道压降与分流流道压降随床层高度的变化图如图 1-3：图 1-3 急流流道压降与分流流道压降变化图图中显示，对于分流流道静压控制属于动量交换控制模
9、型，该反应器分流流道压降与集流流道压降差距比较明显，造成的原因可能是不合理的流道尺寸，为此，我们对于该反应器采用比较大的侧壁穿孔压降或床层压降来平衡流道静压差的差别。1.13 机械强度的计算与校核（1） 材料的选择考虑到该反应的反应温度为 350，反应压力为 1.5MPa，而且主反应是微吸热反应，所以在选择材料时，我们选择性能较好的合金钢：0Cr18Ni9。（2） 筒体厚度的计算设计温度：365设计压力：1.51.3=1.95Mpa 热轧钢板负偏差 =1.2mm腐蚀裕度 =1mm材料的许用应力 名义厚度：查阅筒体标准，最终将名义厚度圆整为46mm。筒体有效厚度：（3） 液压试验校核液压试验的压
10、力：液压试验时容器应力： （ ） 根据s T 0.9fs s ，可以判断该反应器符合强度要求。最大允许工作压力： 根据 可知：反应器的压力符合设计要求。 根据s t s t f 可知：反应器所受应力符合设计的要求。1.14 管口设计2.1.1 反应器进口管设计进口物料流率：总管直径 故反应器进口管直径的尺寸为 2.1.2 反应器出口管设计总管直径 故反应器进口管直径的尺寸为 1.15 封头的设计选用椭圆形EHA封头，其相关参数如下： 封头直径D=2300mm封头深度H=615mm 截面A=6 m2体积V=1.76 m3材料选用0Cr18Ni9，其 名义厚度: 60 万吨/年甲苯甲醇制PX 项目
11、反应器设计说明书查阅标准 GBT 25198-2010，最终将名义厚度圆整为 22mm。有效厚度： 10 60 万吨/年甲苯甲醇制PX 项目反应器设计说明书第二章 苯甲醇反应器的设计1.1 反应方程式主反应： 副反应： 副反应： 1.2 催化剂参数表 2.1 催化剂物性表催化剂直径5mm空隙率0.3密度650kg/m31.3 反应器类型的选定反应的反应物为气态的苯，催化剂为改性 HP/ZSM-5 分子筛，反应相态为气固两相。在该反应系统中，考虑到催化剂不易失活，而且返混对反应不利，所以采用固定床反应器，这样可以显著提高产物的选择性。通过采用 Aspen 软件进行模拟可得，该反应系统在绝热条件下
12、Tad 为91，即整个反应系统表现为放热，工程中绝热温升在 200 摄氏度以下的均可用绝热式反应器，绝热式反应器相较列管式换热反应器具有造价低，反应器空间利用率高，操作简单的优点，同时为防止反应器飞温以及由于温度升高导致的催化剂失活的情况的发生，我们采用多段绝热段间冷却式固定床反应器，整个催化剂床层分为两段。1.4 反应相关参数表 2.2 设计数据和工作参数反应温度394反应选择性50%反应压力1.2MPa年操作时间8000 h催化剂改性 HP/ZSM-5 分子筛质量空速8h-1反应转化率48%反应器压降6.16kPa201.5 反应器结构设计1.5.1 催化剂填充量根据空速算得催化剂的填充量为：式中： 催化剂的填充量，kgMON原料气体质量流量，kg/h 质量空速，h-1带入数据，催化剂填充量：催化剂密度为0.650
