流化床反应器的设计.docx
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流化床反应器的设计
流化床反应器的设计25(总8页)
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
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Umf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
(1)
对于的大颗粒
(2)
式中:
dp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Rep<20,将已知数据代入公式
(1),
校核雷诺数:
将Umf带入弗鲁德准数公式作为判断流化形式的依据散式流化,
Frmf<;聚式流化,Frmf>。
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Ut其最大气速不能超过床层最小颗粒的带出速度Ut,其计算公式如下式所示:
当
时,
(3)
当
时,
(4)
当
时,
(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Ut,因此用dp=60μm计算带出速度。
代入已知数据求得
校核雷诺数:
Rep=(流化床操作气速
如上所述,已知颗粒的临界流化速度Umf和催化剂的小颗粒的带出Ut,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
(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/m3,所以静床高度的确定
,
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H1=2Hmf=。
扩大段高度取扩大段直径的三分之一,H2=。
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H4=,其锥底直径为。
由此可得,流化床总高H=H1+H2+H3+H4=
其长径比为=。
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,设计温度为500摄氏度,设计压力为,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=,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te=tn-c1-c2=。
筒体的应力按下式进行计算
。
许用应力[σ]tφ==85Mpa>,应力校核合格。
对于扩大段,
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,设计温度为500摄氏度,腐蚀裕量为2mm,封头焊缝系
数为。
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=
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pT=p+=,pT==,取两者中大
值,即pt=。
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
σs=
可以知道水压试验时筒体壁内应力小于σs,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
项目名称
主反应流化床反应器
操作介质
甲醇和水混合气,Sr-SAPO-34
操作流量m3/h
操作压力MPa
操作温度℃
450
密相段气速m/s
密相段直径m
密相段高度m
稀相段气速m/s
稀相段直径m
稀相段高度m
过渡段高度m
锥形段m
裙座m
1