反应器详细设计说明书

1、目录第一章 设计概述3第二章 反应器的设计与选型3反应器选型3反应器类型3反应类型4操作方式4反应物的稀释4催化剂选择4氧化铝基催化剂5钛基催化剂6保护催化剂7多功能催化剂7反应动力学分析8反应方程式8反应动力学方程8反应物性数据分析9气体比热容9反应热10反应条件的选择102.5.1 温度102.5.2 床层高度及压降11反应器设计12设计条件12反应器计算12气体分布器的设计15第三章 反应器强度校核说明书162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。

2、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反应器，下面

3、对其设备一级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。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

4、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，但的是用径向的内壁把一个容器分割成几个反应器，气提在顶部，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。32.1.2 反应类型反应是放热的分子数增加的反应，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，还要考虑硫的温度和气体组成。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

5、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，过程气进入反应器温度高 1114。另外，在催化剂上的床层的温度至少应比硫蒸汽反应受其活性中心的扩散控制，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

6、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，因此抑制了应的进行。表 2.1-1 温度、水蒸气含量和转化率的关系反综上所述，结合反应特点和现有反应器的类型，应器的操作方式采用连续操作。决定选用卧式固定床反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。反应属于气固4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相催化反应，硫磺回收催化剂的发展大致经历

7、 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 基催化剂的性质表 2.2-2 LS-811 和 CT6-2 催化剂的物性数据5项目数据催化剂种类LS-811CT6-2外观白色球形白色球形比表面积 m2/g260260平均压碎强度 （N/颗）150150堆密度 kg/L0.650.720.

8、650.72磨耗%(质量分数)0.30.3催化剂型号DR(1960 年）CR(1980CR-3S(200)Al2O3%(质量分数)Na2O%(质量分数)外观白色球白色球白色球形形形比表面积 m2/g堆密度 kg/L0.720.820.650.720.650.72压碎强度（N/颗）技术特点小孔、高 Na2O大孔、低 Na2O超小孔、很低 Na2O（4000（2500）（2000LS-300 催化剂在 LS-811 的基础上改性而成，具有更大的比表面积和孔容，进一步提高了 H2S 和 SO2 的低温反应的活性，已成为在物化性能、技术指标和催化活性上全面达到国外同类产品水平氧化铝基硫磺回收催化剂，已

9、在国内 30 多套装置上使用，效果良好，LS-300 催化剂的性质见表 2.2-3。表 2.2-3 LS-300 催化剂的性质2.2.2 钛基催化剂目前国内外市场上有两种类型的钛基催化剂。一类以活性氧化铝为主要成分，添加一定量的钛作为活性成分；另一类是由氧化钛粉末、水和少量成型添加剂混型后经焙烧而制成。国外主要是 CRS-31 催化剂和 S-701 催化剂，两者的组分与应用情况相似，均对 CS2 有较高的催化效果，低温条件下仍具有良好的反应活性。国内齐鲁研制了一种氧化钛基抗硫酸盐化催化剂：LS-901，具有高活性、耐漏6数据化学组成%（质量分数）Al2O393Fe2O30.03SiO20.3N

10、a2O0.3其他余量孔容 ml/g0.4物理性质外观球形比表面积 m2/g300平均压碎强度 （N/颗）140堆密度 kg/L0.650.75磨耗%(质量分数)0.3图样O2、高空速的特点。但是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。2.2.3 保护催化剂国外的保护催化剂有法国的 AM 系列和的 CSR-7 两种催化剂；国内同类型的催化剂有齐鲁的 LS-971 催化剂和天然气的 LS-971 催化剂。表 2.2-4 表明 LS-971 催化剂性能指标全面达到了国外同类催化剂的水平。LS-971催化剂用于低温工艺及常规工艺，也可用作 AL2O3 基的保

11、护剂，具有优良的抗硫酸盐化特性、脱氧能力和热稳定性。表 2.2-4 LS-971 催化剂和国外保护催化剂的主要物化性质2.2.4 多功能催化剂齐鲁和天然气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、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

12、化性质7项目LS-971 催化剂国外催化剂指标实测指标实测外观颜色形状褐色球形褐色球形褐色球形褐色球形外形尺寸mm46464646载体Al2O3Al2O3Al2O3Al2O3比表面积 m2/g280250260堆密度 g/ml0.70.820.780.710.820.82平均压碎强度，N/颗300150120138图样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

13、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：生成 S6：副反应为：硫化氢的氧化：2.3.2 反应动力学方程生成 S6:其中，8外观粒度堆密度 强度磨耗比表面积 孔容mm*mmg/ml293%(质量分数)m2/gml/g土黄色条形0.972932360.34表 2.3-1生成 S6 的动力学参数生成 S8：其中，(mol/(m3cat*s)；R=8.314J/(mol*K)硫化氢的氧化：表 2.3-2硫化氢氧化的动力学参数2.4 反应物性数据分析2.4.1 气体比热容气体比热容如下：表 2.4

14、-1 组分的比热容9反应(m3/mol)0.5/sJ/mol4.728*10114.60*104k0EiHH2OK0,H2O反应mol/(m3*s*(J/molJ/mol1/pa Pa)1.50.00006073080000.00034备注：T/；Cp/(J/mol*)表 2.4-2 S6、S8 的比热容2.4.2 反应热表 2.4-3 25各反应的反应热2.5 反应条件的选择2.5.1 温度反应是放热的分子数增加的反应，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，还要考虑硫的温度和气体组成。从热力学角度分析，一定范围内降低温度，平衡转化率

15、就高，从而使二级反应的处理量减少，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，过程气进入反应器温度高 1114。另外，在催化剂上的床层的温度至少应比硫蒸汽反应受其活性中心的扩散控制，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10反应反应热（J/mol）-52000-31000-519500(K)273.15298.700800S6J/(K*mol)109.35112.75120.82124.92127.28128.75129.72S8J

16、/(K*mol)151.98156.04166.69172.11175.25177.21178.51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-保证转化率高的条件下参照表 4-13 选择 240作为一级反应温度，选择220作为二、三级进口反应温度。表 2.5-1 过程气反应器温度和硫温度图 2.5-1

17、H2S转化率与温度的关系由于在催化剂中进行的反应为扩散控制，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逐渐失去活性，造成催化剂失活的有硫、碳的沉积，硫酸盐化及热老化等。另外，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

18、压力通常限制了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，由于催化反应为扩散控制，空床气速也不宜过大，故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11项目一级反应器二级反应器出口出口过程气温度/240305207232硫/188243183216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，使用催化剂时的床

19、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 反应器设计条件表 2.6-2 反应器介质及组成2.6.2 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，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。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12介质名称质量分数%H2S40.7SO236.4进口H2O10.8其它12.1H2S5.6SO23.

20、5出口H2O29.4硫蒸汽0.5其它60.9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，床层高度选 1.2m。催化剂床层高度见表 2.6-4，因此，催化剂的由于硫化氢的处理量为 119.232t/d，表 2.6-3置。表 2.6-3 反应器的设置方式一级反应器独立设表 2.6-4催化剂床层高度进口总体积流率为 15503.1m3/h 和二氧化硫达到由 Aspen 知，当一级最高转化率 90.42%时，模拟的体积最小，停留时间为 3.78s，工段二氧化硫的转化率高达 98.6%，由于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：2.6.2.2 直径计算:表 2.