反应器设计说明书

中石化扬子公司年产10万吨HPPO法环氧丙烷项目2013年“中国石化-三井化学杯”第七届全国大学生化工设计竞赛中石化扬子公司年产10万吨HPPO法环氧丙烷项目反应器设计说明团队名称：浙江工业大学Wingteam团队成员：严海波、吴春园、谢琴玲、吴梦杰、周凯完成时间：2013年7月中石化扬子公司年产10万吨HPPO法环氧丙烷项目目录第一章概述...............................................................................................................1第二章主反应机理及动力学...................................................................................32.1反应机理........................................................................................................32.2动力学方程....................................................................................................32.3主要副反应....................................................................................................4第三章催化剂特性、失活原因及再生方法...........................................................53.1催化剂特性....................................................................................................53.2催化剂失活原因............................................................................................53.3催化剂的再生方法........................................................................................5第四章反应器设计思路说明...................................................................................64.1反应器类型选择............................................................................................64.2换热方式选择................................................................................................64.3催化剂排布方式选择....................................................................................64.4反应器模型确定............................................................................................7第五章反应器参数设定...........................................................................................85.1催化剂床层数，催化剂用量与各催化剂床层进出口温度确定................85.2空时及液体空速的确定..............................................................................13第六章反应器内部结构设计.................................................................................146.1绝热隔板......................................................................................................146.2液体分布器..................................................................................................14第七章反应器内径与塔高的计算.........................................................................16第八章换热器设计.................................................................................................17第九章控制系统.....................................................................................................19中石化扬子公司年产10万吨HPPO法环氧丙烷项目第十章反应器设计总结及在模拟中的应用.........................................................20参考文献.....................................................................................................................21中石化扬子公司年产10万吨HPPO法环氧丙烷项目1第一章概述化学反应过程和反应器是化工生产流程的中心环节，反应器的设计往往占有重要的地位。一个适合反应体系的反应器可大大提高目标产物的转化率且能保证稳定的操作环境。反应器的设计主要包括：反应器选型；确定合适的工艺条件；确定实现这些工艺条件所需的技术措施；确定反应器的结构尺寸；确定必要的控制手段。本反应器主要针对的是丙烯用双氧水直接环氧化生成环氧丙烷的反应，该反应的高效反应温度在40-65℃，反应压力为20bar。而该反应器设计两个最主要的难点也是这个反应两个最大的特点是：（1）反应为强放热反应，且允许反应温度范围较窄，温度过低会导致反应速率过低，温度过高则导致副反应加剧；（2）催化剂容易结焦失活，而连续工业化不允许频繁停车来更换催化剂，否则会导致产品质量的不稳定以及额外的能量与原料消耗。针对上述两个反应特点，项目组创新性地设计了逐层外取热模拟移动床反应器（见图1.1）。该反应器实现了逐层取热功能，使反应体系温度保持在40-65℃的高效低副产反应温度范围，同时通过精密的控制系统，用原料进料口的切换与“6+1”的催化剂床层模式来实现生产和催化剂再生的一体化，不但解决催化剂失活再生问题，而且生产能力大、生产效率高。中石化扬子公司年产10万吨HPPO法环氧丙烷项目2图1.1反应器结构示意图中石化扬子公司年产10万吨HPPO法环氧丙烷项目3第二章主反应机理及动力学该反应器主要针对的是HPPO法丙烯用双氧水直接环氧化制备环氧丙烷，该反应是一个连串反应，具体过程如下反应式所示：+H2O2+H2OOΔH=-219.6KJ/molO+CH3OHO+H2OOHOCH3ΔH=-35.6KJ/molHOOHΔH=-92.0KJ/mol2.1反应机理TiOSiSiOSiOOSiH2O2/CH3OHTiSiOSiOOOHHOH3CTiSiOSiOOOHHOH3CTiSiOSiOOHHOH3CO2.2动力学方程本反应为一连串反应，各步反应速率不同。环氧化反应：165.063.0228302163221043.1HCOHRTCCer环氧丙烷醚化反应：66.054050521039.2PORTCer由动力学实验显示，副产丙二醇的量相对于丙二醇单甲醚的量很少，故丙二醇生成反应的速率对总反应速率的影响可忽略不计。故总反应的反应速率为：66.0540505165.063.0228302211039.21043.16322PORTHCOHRTCeCCerrr中石化扬子公司年产10万吨HPPO法环氧丙烷项目42.3主要副反应2H2O22H2O+O2ΔH=-98.1KJ/mol中石化扬子公司年产10万吨HPPO法环氧丙烷项目5第三章催化剂特性、失活原因及再生方法3.1催化剂特性本反应选择具有沸石微孔结构的TS-1催化剂，以SiO为载体，Ti为活性中心。每克催化剂表面积达到420-450m2，孔体积为0.18-0.26cm3。且催化剂可通过压制粘合技术制成不同颗粒形状不同大小的晶粒。本反应选用直径为0.5mm的齿形催化剂颗粒，堆密度为0.12g/cm3。3.2催化剂失活原因根据研究，现在普遍认同的TS-1催化剂失活原因分为暂时性失活和永久性失活。暂时性失活是随着反应进行，产物环氧丙烷在水与甲醇作用下开环生成丙二醇与丙二醇单甲醚。这两种副产物在反应条件下又能与环氧丙烷反应，逐渐生成高聚物。这一系列的副反应都是在催化剂的微孔中进行，而生成的高聚物由于不能从催化剂的微孔中释放出来，堵塞了催化剂微孔，使活性位减少，催化剂逐渐失活。而永久性失活则是随着反应的进行，催化剂活性中心Ti流失，造成催化剂逐渐失活。3.3催化剂的再生方法暂时性失活的催化剂可通过再生的方法恢复。再生方法分为外部再生与原地再生方法。外部再生方法是将失活的催化剂引出，在540℃的焙烧炉里面焙烧6个小时，将堵塞在催化剂微孔中的微量高聚物烧掉，重新打开催化剂的活性位。原位再生方法则是将失活的催化剂在当前的条件下先用甲醇冲洗1个小时，然后再用80℃的双氧水冲洗24小时，从而完成再生。为避免外部再生带来的开停车的损耗，本项目拟定催化剂原地再生方法。中石化扬子公司年产10万吨HPPO法环氧丙烷项目6第四章反应器设计思路说明4.1反应器类型选择由于该反应体系是原料以混合液态的形式进料，且进料量比较大，因此若是使用流化床反应器，原料液在输送以及均匀分布上存在问题，而且液体较难通过催化剂床层的孔道，流速较难达到将催化剂吹起沸腾的要求，也就较难达到流态化的效果，因此我们考虑选用了原料液自上而下流过催化剂床层的固定床床反应器模型。4.2换热方式选择由于该反应的放热量比较大，反应热约为-219.6KJ/mol，绝热温升达到124℃。而适宜的反应温度为40-65℃，因此若是采用单段固定床催化剂，由于温度不易控制，过大的反应热会使反应体系超温，引起副反应的急剧增加。因此我们考虑采用了多段绝热外取热的方式来及时移除反应热，使反应体系温度保持在选择性最高的温度范围内。4.3催化剂排布方式选择该反应体系的催化剂选用的是钛硅分子筛TS-1催化剂，该催化剂的失活时间约为60天，而对一个化工生产流程而言，一个生产周期一般是一年甚至是更长的时间，若为适应催化剂失活时间而过于频繁的开停车将会导致能耗增加，产品质量不稳定等一系列的问题，因此为适应该催化剂失活时间与生产开停车周期要求，本项目拟用催化剂切换方式。同时催化剂切换存在双塔切换和单塔切换两种方式，若是采用双