反应器设计说明书

云南石化120万Nm3/h催化裂化烟气脱硫项目第十一届全国大学生化工设计竞赛云南石化120万Nm3/h催化裂化烟气脱硫项目反应器设计说明书团队名称： 兰州理工大学鸿成团队 指导老师： 王东亮、朱照琪、张栋强、李宁、杨勇 团队成员： 史嘉桢、史娟利、张俊彦、朱文祥、罗正刚完成时间： 2017年8月 目录第一章 设计概述3第二章 反应器的设计与选型42.1反应器选型42.1.1反应器类型42.1.2反应类型42.1.3操作方式42.1.4反应物的稀释52.2催化剂选择52.2.1氧化铝基催化剂52.2.2钛基催化剂72.2.3保护催化剂72.2.4多功能催化剂72.3反应动力学分析82.3.1反应方程式82.3.2反应动力学方程82.4反应物性数据分析92.4.1气体比热容92.4.2反应热102.5反应条件的选择102.5.1温度102.5.2床层高度及压降112.6反应器设计122.6.1设计条件122.6.2反应器计算122.6.3气体分布器的设计15第三章 反应器强度校核说明书16第一章 设计概述反应器是化工生产过程中一系列设备中的核心设备。化工技术过程开发的成功与否很大程度上取决于反应器内流体的温度、浓度、停留时间及温度分布、停留时间分布的控制水平和控制能力。化工生产的工艺过程决定了反应器的结构型式，反应器的结构型式对工艺过程又有一个促进和完善的作用，同时反应器的结构型式在某种程度上也决定着产品的质量和性能。因此，化学反应器的选型、设计计算和选择最优化的操作条件是化工生产中极为重要的课题。本项目是催化裂化烟气脱硫并资源化利用的项目，以总厂云南省滇中产业聚集区安宁组团草铺工业园区的催化裂化烟气和硫化氢为原料，催化裂化烟气经过吸收剂吸收再生后，与来自双脱装置的硫化氢充分混合预热进行克劳斯反应、硫磺回收。所有的废水、废气均采取了可行的处理方法进行处理，处理后的废水、废气可以达到国家标准规定的排放指标。因此本项目符合清洁生产的要求。此工艺主要涉及到的反应器有克劳斯反应器，下面对其核心设备一级克劳斯反应器进行了反应条件、催化剂的选择，通过Aspen模拟确定了反应器的体积，通过查阅文献确定了反应器的大致结构。第二章 反应器的设计与选型2.1反应器选型2.1.1反应器类型克劳斯反应器的功能是使过程气中的H2S和SO2在催化剂的作用下进行克劳斯反应生成元素硫，反应器设计的好坏，将直接影响SO2的转化率。反应器形式的选择直接影响到全装置的设备布置格局，关系到装置长期平稳操作及总投资。克劳斯反应器在工业中常见的是固定床反应器，反应器有卧式和立式两种形式。立式反应器的特点是：反应器也可单独设置，或上下重叠设置，或中间用径向内壁分开。两种形式相比较，卧式反应器布置灵活，操作简便，可并可缩小占地面积；立式反应器占地面积大，反应器出口过程气管线易结存液硫。卧式反应器的特点是：反应器可单独设置，但更多的是用径向的内壁把一个容器分割成几个反应器，气提入口在顶部，出口在底部，催化剂置于有瓷球的栅板上，呈一个约1m后的矩形床层，床层位于反应器中部。因此，工业上常采用卧式反应器。2.1.2反应类型克劳斯反应是放热的分子数增加的反应，克劳斯催化反应为主要生成S8的放热反应。因此，低温和高压对反应有利。反应器的操作温度不仅取决于热力学因素，还要考虑硫的露点温度和气体组成。从热力学角度分析，一定范围内降低温度，平衡转化率就高，从而使二级克劳斯反应的处理量减少，装置和操作费用就降低；但是温度过低，会引起硫蒸汽因催化剂细孔产生的毛细管硫冷凝在催化剂的表面，作用而凝聚在催化剂的表面上，使其失活。因此，过程气进入反应器床层的温度至少应比硫蒸汽露点温度高1114。另外，在催化剂上的克劳斯反应受其活性中心的孔内扩散控制，从动力学角度出发，又不能使温度太低。若使用铝矾土作催化剂，则温度还要提高。2.1.3操作方式克劳斯工艺是连续式操作的工艺，连续式操作的反应过程中都比较均匀稳定，反应温度和催化剂的活性都不会随反应时间而改变。2.1.4反应物的稀释在克劳斯工艺中，蒸汽做稀释剂，有重要作用：1、减缓催化剂表面液体硫的富集，从而维持催化剂活性的稳定2、降低反应体系中硫化氢和二氧化硫的闪点，使反应的安全性增加;3、稀释剂在反应中承担热载体的作用。不过，稀释剂的加入同样有它的不足。如表2.1-1，水蒸气作为稀释剂，同时作为反应产物，因此抑制了克劳斯反应的进行。表2.1-1温度、水蒸气含量和转化率的关系过程气温度/不同水蒸气含量的硫转化率水蒸气含量为24%水蒸气含量为28%水蒸气含量为32%175848381200757370225636056250504541综上所述，结合反应特点和现有反应器的类型，我们决定选用卧式固定床反应器的操作方式采用连续操作。2.2催化剂选择非均相催化反应中催化剂与反应物的分离比较简单，尤其是气固相催化反应更容易分离，可以连续操作，广泛应用于化工原料的生产。克劳斯反应属于气固相催化反应，克劳斯硫磺回收催化剂的发展大致经历3个阶段：天然铝矾土催化剂阶段、活性氧化铝催化剂阶段和多种催化剂同时发展并形成系列催化剂的阶段。2.2.1氧化铝基催化剂氧化铝基催化剂初期活性好，但是抗氧能力较差。国外催化剂以法国CR-3S催化性能最佳（见表2.2-1），国内LS-811和CT6-2的催化剂的性能与法国CR相似，比较如表2.2-2所示。表2.2-1 法国Al2O3基克劳斯催化剂的性质催化剂型号DR(1960年）CR(1980CR-3S(200)Al2O3%(质量分数)939493.8Na2O%(质量分数)0.50.30.24外观48mm白色球形48mm白色球形36mm白色球形比表面积m2/g270270270堆密度 kg/L0.720.820.650.720.650.72压碎强度（N/颗）200150120技术特点小孔、高Na2O（4000g/g大孔、低Na2O（2500g/g）超小孔、很低Na2O（2000g/g）表2.2-2 LS-811和CT6-2催化剂的物性数据项目数据催化剂种类LS-811CT6-2外观57mm白色球形46mm白色球形比表面积 m2/g260260平均压碎强度 （N/颗）150150堆密度 kg/L0.650.720.650.72磨耗%(质量分数)0.393Fe2O30.03SiO20.3Na2O0.3其他余量物理性质孔容 ml/g0.4外观46mm 球形比表面积 m2/g300平均压碎强度 （N/颗）140堆密度 kg/L0.650.75磨耗%(质量分数)260280230250堆密度g/ml0.70.820.780.710.820.82平均压碎强度，N/颗300150120138图样2.2.4多功能催化剂齐鲁研究院和天然气研究院分别开发了多功能硫磺回收催化剂LS-981和CT6-7。工业试验证明CT6-7催化剂具有良好的有机硫水解活性、克劳斯活性及稳定性，是一种新型的多功能硫磺回收催化剂，在工业生产中往往是几种催化剂联合使用。工业应用表明LS-981催化剂具有良好的克劳斯活性和有机硫水解活性以及脱“漏O2”保护功能，抗硫酸盐化性能强，活性稳定性好，适合长周期运行，各项性能优于同装置原使用的催化剂，其物化性质见表2.2-5。表2.2-5 LS-981催化剂的物化性质外观粒度堆密度强度磨耗比表面积孔容单位mm*mmg/ml293%(质量分数)m2/gml/g土黄色条形45150.972930.52360.34考虑到国内催化剂已逐步系列化；活性氧化铝催化剂初期活性好，抗氧能力差；钛基催化剂价格昂贵，磨耗量较大；含钛氧化铝催化剂有机硫水解性能高但抗氧化能力不理想，本项目选择LS-971催化剂和LS-300催化剂，填装方案为一级反应器全部采用LS-971催化剂，二、三级反应器上部1/3填充LS-971催化剂，下部2/3填充LS-300催化剂。2.3反应动力学分析2.3.1反应方程式主反应为： 生成S8：2H2S+SO238S8+2H2O生成S6：2H2S+SO212S6+2H2O副反应为：硫化氢的氧化： 2H2S+32O212SO2+H2O2.3.2反应动力学方程生成S6:rH2S=-ksPH2SPSO20.5-1KPH2OPS60.251+KH2OPH2O2其中，ks=k0exp(-EiRT)KH2O=K0exp-HiRTK=KEKE=9.502*10-7exp(1.11*104T)(1KPa0.5)表2.3-1 生成S6的动力学参数反应k0mol/(m3*s*(Pa)1.5EiJ/molHH2OJ/molK0,H2O1/pa2H2S+SO212S6+2H2O0.00006073080000.00034生成S8：rH2S=1.663*10-4exp(-3.078*107RT)PH2SPSO20.5-1KPH2OPS80.251+1.125*10-5exp(2.510*106RT)PH2O2其中， rH2S (mol/(m3cat*s)；R=8.314J/(mol*K)K=PH2OPS80.1875PH2SPSO20.5硫化氢的氧化：rH2S=Afexp-EaRT*CH2SCO21.5表2.3-2 硫化氢氧化的动力学参数反应Af(m3/mol)0.5/sEa J/molrH2S=Afexp-EaRT*CH2SCO21.54.728*10114.60*1042.4反应物性数据分析2.4.1气体比热容气体比热容如下：CP=a+bT+cT2+dT3+eT4+fT5表2.4-1 组分的比热容组分ab(102)c(105)d(109)e(1011)f(1015)SO238.913.90-3.108.61-H2S34.031.241.00-20.000.50-H2O33.460.690.76-3.59-CO236.114.23-2.887.46-N229.000.220.57-2.87-O229.101.16-6.081.31- 备注：T/；Cp/(J/mol*)表2.4-2 S6、S8的比热容 单位(K)273.15298.15400500600700800S6J/(K*mol)109.35112.75120.82124.92127.28128.75129.72S8J/(K*mol)151.98156.04166.69172.11175.25177.21178.512.4.2反应热表2.4-3 25各反应的反应热反应反应热（J/mol）2H2S+SO238S8+2H2O-520002H2S+SO212S6+2H2O-310002H2S+32O212SO2+H2O-5195002.5反应条件的选择2.5.1温度克劳斯反应是放热的分子数增加的反应，克劳斯催化反应为主要生成S8的放热反应。因此，低温和高压对反应有利。反应器的操作温度不仅取决于热力学因素，还要考虑硫的露点温度和气体组成。从热力学角度分析，一定范围内降低温度，平衡转化率就高，从而使二级克劳斯反应的处理量减少，装置和操作费用就降低；但是温度过低，会引起硫蒸汽因催化剂细孔产生的毛细管硫冷凝在催化剂的表面，作用而凝聚在催化剂的表面上，使其失活。因此，过程气进入反应器床层的温度至少应比硫蒸汽露点温度高1114。另外，在催化剂上的克劳斯反应受其活性中心的孔内扩散控制，从动力学角度出发，又不能使温度太低。若使用铝矾土作催化剂，则温度还要提高。因此充分考虑硫在催化剂上的沉积，在保证转化率高的条件下参照表4-13选择240作为一级克劳斯反应温度，选择220作为二、三级克劳斯进口反应温度。表2.5-1 过程气进、出口反应器温度和硫露点温度项目一级反应器二级反应器入口出口入口出口过程气温度/240305207232硫/188243183216图2.5-1 H2S 转化率与温度的关系由于在催化剂中进行的克劳斯反应为孔内扩散控制，反应空速不宜过高，这与催化剂的性质和操作温度有密切关系。据介绍过程气的停留时间取312秒都是可行的，达到化学平衡的时间较短，一般为2秒左右。由于操作过程中催化剂将从表层到深层逐渐失去活性，造成催化剂失活的因素有硫、碳的沉积，硫酸盐化及热老化等因素。另外，克劳斯硫回收装置通常与脱硫装置匹配，无中间原料罐，这就要求硫回收装置能长期平稳操作，否则大量含硫气体放空排入大气会造成严重的大气污染。所以，设计时采取较低的空速是合理的，对国内催化剂一般取9001200h。本项目一级克劳斯的停留时间取3.78秒。2.5.2床层高度及压降上游脱硫装置酸气分离器的压力通常限制了克劳斯硫回收装置的总压力降。所以，催化反应器的压降不宜过大，也就是说床层不宜过高。另外，由于催化反应为孔内扩散控制，空床气速也不宜过大，故合成催化剂的有效床高一般不大于1.2m。此外，为了使过程气通过催化剂时分布均匀，必须要维持一定的压降，故催化剂。床层也不宜过薄。“薄饼”型的催化剂床层不能有效地利用所有的催化剂，或使反应气体短路，或使之产生死角造成部分催化剂的浪费。所以，一般催化剂的床层也不宜小于06m。不同的催化剂特性应选择适宜的操作空速和床层压降。根据引进装置的情况来看，使用合成催化剂时的床层压降应取22.5 kPa左右是比较合适的，本项目取床层压降为2.5kPa。2.6反应器设计2.6.1设计条件表2.6-1反应器设计条件筒体左封头右封头设计压力MPa0.250.250.25设计温度600600600内径mm270027002700长度mm5300-曲面深度mm-675675表2.6-2反应器进出口介质及组成介质名称质量分数%进口H2S40.7SO236.4H2O10.8其它12.1出口H2S5.6SO23.5H2O29.4硫蒸汽0.5其它60.92.6.2反应器计算2.6.2.1体积的计算在反应器选型、催化剂选择、动力学数据确定、反应条件确定之后，我们选择LS-971催化剂和LS-300催化剂稳定时的最佳操作条件为设计条件，即温度240，压力为0.14MPa，停留时间选择3.78秒。克劳斯反应器设备设计时必须考虑各设备的允许压降，某国外公司提出反应器的允许的最大压降为4kPa.为降低压降，无论反应器是立式还是卧式，床层高度一般不高于1.2m，通常为0.81.0m，该国外公司在同时考虑压力降和反应器容积基础上，根据装置规模，推荐催化剂床层高度见表2.6-4，因此，催化剂的床层高度选1.2m。由于硫化氢的处理量为119.232t/d，表2.6-3推荐一级克劳斯反应器独立设置。表2.6-3反应器的设置方式H2S的处理能力150t/d以下150300t/d大于300t/d反应器设置方式反应器组合为一个壳体反应器独立设置采用径向分割的立式反应器表2.6-4 推荐催化剂床层高度装置规模推荐催化剂床层高度，mm50t/d H2S8005075t H2S90075100t/d H2S1000100150t/d H2S1100150200t/d H2S1200由Aspen知，当一级克劳斯进口总体积流率为15503.1m3/h和二氧化硫达到最高转化率90.42%时，模拟的体积最小，停留时间为3.78s，克劳斯工段二氧化硫的转化率高达98.6%，由于我们在模拟时没有考虑催化剂床层的空隙体积，故求出反应的总体积，即催化剂床层的总体积：V催=15503.1360