流化床反应器的设计.docx
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流化床反应器的设计.docx
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流化床反应器的设计
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:
450C
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:
30〜80叩
催化剂平均粒径为60ym
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,67.1wt%;丙烯收率,22.4wt%;总收率,89.5wt%。
水醇质量比为0.2
甲醇在450C下的粘度根据常压下气体粘度共线图查得为24.3卩Pa.s
甲醇450C下的密度根据理想气体状态方程估算为0.54kg/m3
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X
(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
mf
2
1500-0.549.81
16502.4310一5
=0.0013m/s
校核雷诺
mf
dpg
数:
Rep
dpUmf:
?
610一50.00130.54
2.4310一5
=1.7310「:
:
20
对于的大颗粒
式中:
dp为颗粒的平均粒径;p,p分别为颗粒和气体的密度;卩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),
1650J
610_5
Umf
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
FrmfV0.13;聚式流化,Frmf>0.13。
代入已知数据求得
mf
U2ff
2
0.00132
—=0.0029
dpg6.010一59.81
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
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:
18J
(3)
dUtP
0.4vR二—:
:
:
500
当epJ时
(4)
dUt亍
R=P/500
当ep」时
3.id…订2Plp丿
(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=60^m计算带出速度
卜代心2
1/3
d
=0.399m/s
代入已知数据求得
校核雷诺数:
Rep=0.532(0.4 2.3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 U0=1000Umf-10000.0013=1.3m/s 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24829.3m3/h甲醇气体, 即6.9m3/s。 根据公式 (6) Dt=: 46.9=2.6m W3.14汇1.3 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: U^700Umf-7000.0013=0.91m/s 将流速带入公式(6)中 Dt 46.9=3.1m 3.140.91 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 4 取质量空速为2h,则催化剂的量为6.7吨。 由催化剂的装填密度为750kg/m3,所以静床高度的确定 _m催化剂4_6700^4_ Hmf22一1.7m 7503.142.62 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H1=2Hmf=3.4m。 扩大段高度取扩大段直径的三分之一,H2=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 出二D沁30“.22m 锥形段取锥底角为40°取锥高为H4=1.2m,其锥底直径为1.5m。 由此可得,流化床总高H=H1+H2+H3+H4=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 »匚g=mg==2.38kpa APpA27.9 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©=0.85壁厚的附加量取c=2mm。 流化床 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-Cl-C2=3.4mm。 筒体的应力按下式进行计算 tpDte0.226003.4 23.4 ,e76.57Mpa 2te2^3.4 。 许用应力[2]=100x0.85=85Mpa76.57Mpa应力校核合格。 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椭圆圭寸头 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pT=p+0.1=0.3Mpa,pT=1.25p=0.25Mpa,取两者中大值,即pt=0.3Mpa。 水压试验时壁内应力 °32600m=120Mpa pTI.KD0.5te1 2te 20.853.4 0.31迥°.53.4「泅卩* 20.853.4 已知0Cr18Ni9材料在常温下的屈服强度为os=137Mpa,计算 0.9s=123.3Mpa 可以知道水压试验时筒体壁内应力小于0.9⑧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 24829.3 操作压力MPa 0.12 操作温度C 450 密相段气速m/s 1.3 密相段直径m 2.6 密相段高度m 3.4 稀相段气速m/s 0.91 稀相段直径m 3.1 稀相段高度m 1.1 过渡段高度m 0.22 锥形段m 1.2 裙座m 1
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