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1、 .目录第 1 章 反应器设计11.1 反应器设计概述11.2 反应器的选型1第 2 章 催化剂32.1 催化剂的选择32.2 催化剂失活的原因32.3 催化剂再生的方法3第 3 章 丙烷脱氢反应器43.1 主反应与副反应方程式43.2 反应机理43.3 动力学方程43.3.1 催化反应动力学模型43.3.2 失活动力学53.4 反应器设计思路说明63.4.1 反应条件63.4.2 反应器类型的选择73.4.3 反应器数学模拟73.4.4 反应器体积的计算73.5 催化剂设计113.5.1 催化剂用量113.5.2 催化剂来源113.5.3 催化剂的装填113.6 反应器部结构设计113.6.
2、1 催化剂床层开孔113.6.2 催化剂分布器123.6.3 气体分布器123.7 反应器管口计算123.7.1 进料管(以第一台反应器为例)123.7.2 出料管133.7.3 吹扫空气入口133.7.4 催化剂进料口133.7.5 催化剂出口133.7.6 排净口133.7.7 人孔143.7.8 催化剂床层固定钢143.8 加热炉143.9 机械强度的计算和校核143.9.1 反应器材料的选择143.9.2 反应器筒体厚度的选择143.9.3 反应器封头厚度的计算153.9.4 液压试验校核163.9.5 反应器强度校核163.9.6 反应器封头的选择253.10 设计结果总结(以第一台
3、反应器为例)26第 4 章 乙炔选择性加氢反应器264.1 概述264.2 反应方程式274.3 催化剂的选用274.4 设计简述274.5 在Polymath中的模拟与优化294.6 选择性加氢反应器总结30第 5 章 参考文献30 / 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
4、面的。反应器的设计主要包括：1)反应器选型；2)确定适宜的工艺条件；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，要考虑到以下的设计要点：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。它们的主要适用围和特性见下表1-1：表1-1 反应器类型反应器类型适用围 特性釜式反应器 液液，气液，液固，气
5、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；但床温差大，调节不易 本反应器主要针对的是
6、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CC键断裂的裂解反应比对CH键断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与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。综合反应以与催化剂特
7、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与环境友好的要求，丙烷脱氢(PDH)反应器选用Sn为助剂、Pt为活性中心，Al2O3为载体的Pt-Sn/Al2O3催化剂。催化剂为颗粒直径2mm的球形颗粒，密度为3800kg/m3，床层孔隙率取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
8、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/Al2O3催化剂失活。2.3 催化剂再生的方法利用CCRTM再生装置,对结焦的Pt-Sn/Al2O3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，移去额外的水分与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510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，也不用中断反应器催化脱氢反应过程。第 3 章 丙烷脱氢反应器主反应： C3H8C3H6+H2 Hr=116.0754KJ/mol副反应： C3H8C2H4+C
9、H4 Hr=75.8671KJ/mol C2H4+H2C2H6 Hr=-136.98KJ/mol C3H8+H2C2H2+C+4H2 Hr=330.595KJ/mol 3.1 主反应与副反应方程式3.2 反应机理图3-1 丙烷脱氢反应机理3.3 动力学方程3.3.1 催化反应动力学模型-r1=k1*(P(C3H8)-P(C3H8)*P(H2)/Keq)/(1+P(C3H6)/K1);-r2=k2*P(C3H8);-r3=k3*P(C2H4)*P(H2);单位：mol/(min*g).其中：Keq=exp(16.858-15394/t+148728/t2)atm R=8.314J/(mol*K)
10、;P(C3H8)是C3H8在反应器中的分压;P(C2H4)是C2H4在反应器中的分压; P(H2)是H2在反应器中的分压; t为反应器中的温度.3.3.2 失活动力学 C=Cm+CM CM=k2c*t动力学方程中各参数如以下图3-2：图3-2 动力学参数3.4 反应器设计思路说明3.4.1 反应条件反应温度：866K反应压力：1 atm稀释剂的选择：为了提高转化率，可以在反应气中添加稀释剂。水蒸汽是最 早作为稀释气体引入丙烷脱氢过程的，它能有效促进丙烷脱氢反应，提高反应转化率,而且水蒸汽还是一种很好的载热剂，但是水蒸气会对催化剂结构产生影响，给产物分离造成困扰，并且催化剂价格昂贵，因此我们选择
11、廉价的H2作为稀释剂，并且H2作为反应产物，也可以做到循环利用，提高原子利用率。本设计选用的氢烃比为1:1。反应器：径向绝热式移动床反应器，四台串联催化剂：球形，规格dp=2mm，空隙率反应进口流量：G=64869.711mol/min3.4.2 反应器类型的选择由于该反应体系的原料是以混合气体进料，且进料量比较大，考虑到环保因素以与所采用的催化剂易失活问题，如若采用流化床反应器，则床层返混比较大，不适于做高转化率反应，而该反应要求丙烷最终转化率为88%，因此我们考虑选用床层返混较小且利于催化剂再生的移动床反应器。绝热式反应器相较于列管反应器具有造价低，反应器空间利用率高，操作简单的优点，故考
12、虑选用。3.4.3 反应器数学模拟本次反应器设计利用设计软件POLYMATH进行优化和模拟。首先根据经验值确定反应器床层高度，然后利用软件语言写出反应程序，进而运行得到反应器物料的摩尔分率和温度沿反应器径向的变化情况与个点的反应状态。最后通过改变工艺参数，如管长、管径、进口温度等，对反应器结果进行优化，得到最优转化率和产量。3.4.4 反应器体积的计算（一） 基本衡算方程研究对象选丙烯，甲烷，乙烷，体系选反应器的一个小微元，(考虑结焦对反应的影响)对这个微元体系做物料衡算，如下：主反应：副反应：对这个微元体系做热量衡算，如下：其中a是结焦浓度和催化剂活性的关联系数，Nt是不同床层位置的进料流量
13、，Cp为进料物流的平均热容，Hr1，Hr2，Hr3分别是主副反应的反应热，r1，r2，r3分别是主副反应的反应本征动力学。（二）Polymath模拟过程有了基本的化学反应动力学，用平推流（PFR）通过polymath来模拟，进口总的物料流量是Aspen模拟整个流程达到稳态时的数据。得到模拟程序如下：图3-3 Polymath模拟程序得到以下反应器中产物丙烯的摩尔分率沿径向的变化(以第一台反应器为例)：图3-4 丙烯摩尔分率沿径向的变化 反应器温度沿径向的变化如下：图3-5 反应器温度沿径向的变化从表格中查得转化率最大时对应的催化剂厚度为D1=26cm。同理可得其他反应器催化剂床层厚度如下：D2
14、=22cm，D3=22cm，D4=27cm。床层空隙率=0.4，所以可得各反应器床层厚度分别为40cm，34cm，34cm，42cm。（三）反应器结构参数表3-1 反应器的结构参数反应器位号气体出口径/mm反应器径/mm催化剂床层厚度/mm催化剂床层长度/m材料R201 1200 2400 400 6 0Cr18Ni9R202 1200 2400 340 6 0Cr18Ni9R203 1200 2400 340 6 0Cr18Ni9R204 1200 2400 420 6 0Cr18Ni9（四）反应器塔压降校核其中：流体黏度，kg/(m.s)流体密度，kg/m3空隙率 dp催化剂直径 H反应器高度工艺数据如下：dp=0.002m由计
