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1、反应器选型与设计一、反应器类型 反应器设备种类很多，按结构型式分，大致可分为釜式反应器、管式反应器、 塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等。1.1 釜式反应器： 反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温 度。物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即 返混程度最大。应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不 存在时间这个自变量。 优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。 缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。绝大多数用于有液相 参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。1.2 管式反应器
2、 由于反应物的分子在反应器内停留时间相等，所以在反应器内任何一点上的反 应物浓度和化学反应速度都不随时间而变化，只随管长变化。 管式反应器具有容积小、比表面大、单位容积的传热面积大，特别适用于热效 应较大的反应。 由于反应物在管式反应器中反应速度快、流速快，所以它的生产能力高。 管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产。 和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流型接 近与理想流体。 管式反应器既适用于液相反应，又适用于气相反应。用于加压反应尤为合适。1.3 固定床反应器固定床反应器的优点是：返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应 伴有串联副反应时可得较高选择性。催化
3、剂机械损耗小。结构简单。 固定床反应器的缺点是：传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也 可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。操作过程中 催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反 应器或移动床反应器。固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已 应用于工业上。目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。1. 4 流化床反应器（1）流化床反应器的优点 由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大（可 高达32806400m2/m3），有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。 由于颗粒在床内混合激烈，使颗粒在全床内
4、的温度和浓度均匀一致，床层 与内浸换热表面间的传热系数很高200 400 /（ 2），全床热容量大，热稳定 性高，这些都有利于强放热反应的等温操 作。这是许多工艺过程的反应装置选择 流化床的重要原因之一。 流化床内的颗粒群有类似流体的性质，可以大量地从装置中移出、引入，并可以 在两个流化床之间大量循环。这使得一些反应再生、吸热放热、正反应逆 反应等反应耦合过程和反应分离耦合过程得以实现。使得易失活催化剂能在工 程中使用。（2）流化床反应器的缺点 气体流动状态与活塞流偏离较大，气流与床层颗粒发生返混，以致在床层 轴向没有温度差及浓度差。加之气体可能成大气泡状态通过床层，使气固接触不 良，使反应的
5、转化率降低。因此流化床一般达不到固定床的转化率。 催化剂颗粒间相互剧烈碰撞，造成催化剂的损失和除尘的困难。 由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的磨损严重。虽然流化床反应器存 在着上述缺点，但优点是主要的。流态化操作总的经济效果是有利的，特别是传 热和传质速率快、床层温度均匀、操作稳定的突出优点，对于热效应很大的大规 模生产过程特别有利。二、反应器设计原则反应器设计时，应遵循“合理、先进、安全、经济”的原则，具体设计时还 需满足以下要求：1 满足物料转化率和反应时间的要求2 满足反应的热传递要求3 满足物料流动和混合的要求，设计适当的搅拌器或类似作用的装置4 满足防腐和机械加工要求，合理选择材质
6、三、反应器选型1. 参考相关文献，对于气-固相反应，反应器类型主要有固定床反应器、流化床 反应器和移动床反应器，本反应的反应器类型主要为固定床反应器。对于固定床 反应器的优点是： 返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选 择性。 催化剂机械损耗小。 结构简单。 正因为它有这么多优点，根据工艺需求，考虑到气-固相反应形式，因此最后选 择气-固相绝热固定床反应器。2. 工艺确定（国外传统的甲苯歧化与烷基转移技术）目前，世界上传统的甲苯歧化与烷基转移技术共有6种，即XylenePlus法、 Tat ora y法、LTD法、MTDP法、Tx法及MsTDP法。我们采用的是与T
7、a tora y法类似 的生产工艺。22.2 反应机理反应序号反应方程式12 TOL BZN + PX22 TOL - BZN + OX32 TOL - BZN + MX4TOL +1,2,3TMB -2 PX5TOL +1,2,3TMB -2 OX6TOL +1,2,3TMB -2 PX7TOL +1,2,4TMB 2 PX8TOL +1,2,4TMB 2 OX9TOL +1,2,4TMB 2 MX10TOL +1,3,5TMB -2 PX11TOL +1,3,5TMB 2 OX12TOL +1,3,5TMB -2 MX131,2,3TMB + H2 - BZN + C3H8141,2,4T
8、MB + H2 BZN + C3H8151,3,5TMB + H2 - BZN + C3H816C3H8 - H2 + C3H617TOL + P-MEB - EB + PX18TOL + P-MEB - EB + OX19TOL + P-MEB - EB + MX20TOL + O-MEB - EB + PX21TOL + O-MEB - EB + OX22TOL + O-MEB - EB + MX23TOL + M-MEB - EB + PX24TOL + M-MEB - EB + OX25TOL + M-MEB - EB + MX26P-MEB + H2 - TOL + C2H627O-
9、MEB + H2 - TOL + C2H628M-MEB + H2 - TOL + C2H629C2H6 - C2H4 + H2302 P-MEB - EB + C10A312 O-MEB - EB + C10A32P-MEB + H2 - EB + CH433O-MEB + H2 - EB + CH434M-MEB + H2 - EB + CH43物料表反应器进料物料反应器出料物料Temperature C450450Pressurebar3131Vapor Frac11Mole Flow kmol/hr2376.3572376.357Mass Flow kg/hr72796.0637279
10、6.063Volume Flow cum/hr4608.9894608.989EnthalpyGcal/hr21.1221.058Mass Flow kg/hrH23499.9923482.8TOL25036.045885.141BZN260.4442545.285OX238.7488132.963MX37.97413734.275PX46.2988159.671EB1.77236.032P-MEB2388.639386.959O-MEB2023.336327.78M-MEB7393.7442676.5351,3,5TMB9358.8576186.2051,2,3TMB4937.4413856
11、.1411,2,4TMB16041.9868357.875C10A1530.8661530.866CH4029.939C2H6056.116C2H400C3H80211.478C3H600CO200CH4O00H2O00C4H8-0100C5H10-0100C6H12-01001,4-DTB00Mole Flow kmol/hrH21736.211727.682TOL271.71663.871BZN3.33432.584OX2.24976.605MX0.358129.364PX0.43676.857EB0.01668.157P-MEB19.8733.219O-MEB16.8342.727M-M
12、EB61.51522.2681,3,5TMB77.86451.4681,2,3TMB41.07932.0831,2,4TMB133.46769.536C10A11.40611.406CH401.866C2H601.866C2H400C3H804.796C3H600CO200CH4O00H2O00C4H8-0100C5H10-0100C6H12-01001,4-DTB00* VAPOR PHASE *Enthalpykcal/kg290.132289.268Heat Capcal/gm-K0.7340.734Conductivity kcal-m/hr-sqm0.1390.14Densitykg
13、/cum15.79415.794Viscosity cP0.0180.018四. 固定床反应器的计算方法（甲苯歧化与C9芳烃烷基转移翻译器计算示例） 固定床反应器工艺计算的内容有三个方面：一是反应器的有效体积即催化 剂装填量的计算，二是床高和床径的计算，三是传热面积和床层压力降的 计算。v的计算有经验法和数学模型法两种。R 经验法是根据空速、空时收率、催化剂负荷等数据，反推完成一定任务所 需的催化剂装填量，比较简单。 数学模型法按座标数目分有一维模型和二维模型；按相态分有拟均相模型 和非均相模型。4.1经验计算法（经验法主要用于计算催化剂床层体积、传热面积及床层压力降。 ） 4.1.1催化剂的
14、选择本工艺采用绝热固定床反应器，与Tat ora y技术类似，选用沸石催化剂，临 氢操作，反应原料为甲苯和C9芳烃。该工艺工业化后催化剂不断更新换代，转化 率由原来的35.5%提升至47.0%；操作周期由最初的3个月延长至36个月。该工艺 具有反应器结构及反应流程简单、转化率高、选择性高等特点，而且该工艺不仅 可以处理甲苯，还可以充分利用C9芳烃，最大限度地满足生产PX的要求，因此在 与其他工艺的竞争中始终处于优势地位。由于我们采用的是与Tat ora y技术类似 的生产技术，因此我们采用上海石油化工研究院开发的以丝光沸石为主体的 HAT-096型甲苯歧化与烷基转移催化剂。4.1. 2.催化剂用量的计算根据重时
