1、目錄第一章 設計概述3第二章 反應器的設計與選型3反應器選型3反應器類型3反應類型4操作方式4反應物的稀釋4催化劑選擇4氧化鋁基催化劑5鈦基催化劑6保護催化劑7多功能催化劑7反應動力學分析8反應方程式8反應動力學方程8反應物性數據分析9氣體比熱容9反應熱10反應條件的選擇102.5.1 溫度102.5.2 床層高度及壓降11反應器設計12設計條件12反應器計算12氣體分布器的設計15第三章 反應器強度校核說明書162第一章 設計概述反應器是化工生產過程中一系列設備中的設備。化工技術過程開發的成功與否很大程度上取決于反應器內流體的溫度、濃度、停留時間及溫度分布、停留時間分布的控制水平和控制能力。

2、化工生產的工藝過程決定了反應器的結構型式，反應器的結構型式對工藝過程又有一個促進和完善的作用，同時反應器的結構型式在某種程度上也決定著產品的質量和性能。因此，化學反應器的選型、設計計算和選擇最優化的操作條件是化工生產中極為重要的課題。本項目是催化裂化煙氣脫硫并資源化利用的項目，以總廠云南省滇中產業聚集區安寧組團草鋪工業園區的催化裂化煙氣和硫化氫為原料，催化裂化煙氣經過吸收劑吸收再生后，與來自雙脫裝置的硫化氫充分混合預熱進行反應、硫磺回收。所有的廢水、廢氣均采取了可行的處理方法進行處理，處理后的廢水、廢氣可以達到規定的排放指標。因此本項目符合清潔生產的要求。此工藝主要涉及到的反應器有反應器，下面

3、對其設備一級反應器進行了反應條件、催化劑的選擇，通過 Aspen 模擬確定了反應器的體積，通過查閱文獻確定了反應器的大致結構。第二章 反應器的設計與選型2.1 反應器選型2.1.1 反應器類型反應器的功能是使過程氣中的 H2S 和 SO2 在催化劑的作用下進行克反應生成元素硫，反應器設計的好壞，將直接影響 SO2 的轉化率。反應器形式的選擇直接影響到全裝置的設備布置格局，關系到裝置長期平穩操作及總投資。反應器在工業中常見的是固定床反應器，反應器有臥式和立式兩種形式。立式反應器的特點是：反應器也可單獨設置，或上下設置，或中間用徑向內壁分開。兩種形式相比較，臥式反應器布置靈活，操作簡便，可并可縮小

4、占地面積；立式反應器占地面積大，反應器出口過程氣管線易結存液硫。臥式反應器的特點是：反應器可單獨設置，但的是用徑向的內壁把一個容器分割成幾個反應器，氣提在頂部，出口在底部，催化劑置于有瓷球的柵板上，呈一個約 1m 后的矩形床層，床層位于反應器中部。因此，工業上常采用臥式反應器。32.1.2 反應類型反應是放熱的分子數增加的反應，催化反應為主要生成 S8 的放熱反應。因此，低溫和高壓對反應有利。反應器的操作溫度不僅取決于熱力學，還要考慮硫的溫度和氣體組成。從熱力學角度分析，一定范圍內降低溫度，平衡轉化率就高，從而使二級反應的處理量減少，裝置和操作費用就降低；但是溫度過低，會引起硫蒸汽因催化劑細孔

5、產生的毛細管硫冷凝在催化劑的表面，作用而凝聚在催化劑的表面上，使其失活。因此，過程氣進入反應器溫度高 1114。另外，在催化劑上的床層的溫度至少應比硫蒸汽反應受其活性中心的擴散控制，從動力學角度出發，又不能使溫度太低。若使用鋁礬土作催化劑，則溫度還要提高。2.1.3 操作方式工藝是連續式操作的工藝，連續式操作的反應過程中都比較均勻穩定，反應溫度和催化劑的活性都不會隨反應時間而改變。2.1.4 反應物的稀釋在工藝中，蒸汽做稀釋劑，有重要作用：1、減緩催化劑表面液體硫的富集，從而維持催化劑活性的穩定2、降低反應體系中硫化氫和二氧化硫的閃點，使反應的安全性增加;3、稀釋劑在反應中承擔熱載體的作用。不

6、過，稀釋劑的加入同樣有它的不足。如表 2.1-1，水蒸氣作為稀釋劑，同時作為反應產物，因此抑制了應的進行。表 2.1-1 溫度、水蒸氣含量和轉化率的關系反綜上所述，結合反應特點和現有反應器的類型，應器的操作方式采用連續操作。決定選用臥式固定床反2.2 催化劑選擇非均相催化反應中催化劑與反應物的分離比較簡單，尤其是氣固相催化反應更容易分離，可以連續操作，廣泛應用于化工原料的生產。反應屬于氣固4過程氣溫度/不同水蒸氣含量的硫轉化率水蒸氣含量為 24%水蒸氣含量為28%水蒸氣含量為 32%175848381200757370225636056250504541相催化反應，硫磺回收催化劑的發展大致經歷

7、 3 個階段：天然鋁礬土催化劑階段、活性氧化鋁催化劑階段和多種催化劑同時發展并形成系列催化劑的階段。2.2.1 氧化鋁基催化劑氧化鋁基催化劑初期活性好，但是抗氧能力較差。國外催化劑以法國 CR-3S催化性能最佳（見表 2.2-1），國內 LS-811 和 CT6-2 的催化劑的性能與法國 CR相似，比較如表 2.2-2 所示。表 2.2-1法國 Al2O3 基催化劑的性質表 2.2-2 LS-811 和 CT6-2 催化劑的物性數據5項目數據催化劑種類LS-811CT6-2外觀白色球形白色球形比表面積 m2/g260260平均壓碎強度 （N/顆）150150堆密度 kg/L0.650.720.

8、650.72磨耗%(質量分數)0.30.3催化劑型號DR(1960 年）CR(1980CR-3S(200)Al2O3%(質量分數)Na2O%(質量分數)外觀白色球白色球白色球形形形比表面積 m2/g堆密度 kg/L0.720.820.650.720.650.72壓碎強度（N/顆）技術特點小孔、高 Na2O大孔、低 Na2O超小孔、很低 Na2O（4000（2500）（2000LS-300 催化劑在 LS-811 的基礎上改性而成，具有更大的比表面積和孔容，進一步提高了 H2S 和 SO2 的低溫反應的活性，已成為在物化性能、技術指標和催化活性上全面達到國外同類產品水平氧化鋁基硫磺回收催化劑，已

9、在國內 30 多套裝置上使用，效果良好，LS-300 催化劑的性質見表 2.2-3。表 2.2-3 LS-300 催化劑的性質2.2.2 鈦基催化劑目前國內外市場上有兩種類型的鈦基催化劑。一類以活性氧化鋁為主要成分，添加一定量的鈦作為活性成分；另一類是由氧化鈦粉末、水和少量成型添加劑混型后經焙燒而制成。國外主要是 CRS-31 催化劑和 S-701 催化劑，兩者的組分與應用情況相似，均對 CS2 有較高的催化效果，低溫條件下仍具有良好的反應活性。國內齊魯研制了一種氧化鈦基抗硫酸鹽化催化劑：LS-901，具有高活性、耐漏6數據化學組成%（質量分數）Al2O393Fe2O30.03SiO20.3N

10、a2O0.3其他余量孔容 ml/g0.4物理性質外觀球形比表面積 m2/g300平均壓碎強度 （N/顆）140堆密度 kg/L0.650.75磨耗%(質量分數)0.3圖樣O2、高空速的特點。但是鈦基催化劑價格昂貴，磨耗量較大；含鈦氧化鋁催化劑有機硫水解性能高但抗氧化能力不理想。2.2.3 保護催化劑國外的保護催化劑有法國的 AM 系列和的 CSR-7 兩種催化劑；國內同類型的催化劑有齊魯的 LS-971 催化劑和天然氣的 LS-971 催化劑。表 2.2-4 表明 LS-971 催化劑性能指標全面達到了國外同類催化劑的水平。LS-971催化劑用于低溫工藝及常規工藝，也可用作 AL2O3 基的保

11、護劑，具有優良的抗硫酸鹽化特性、脫氧能力和熱穩定性。表 2.2-4 LS-971 催化劑和國外保護催化劑的主要物化性質2.2.4 多功能催化劑齊魯和天然氣分別開發了多功能硫磺回收催化劑 LS-981 和CT6-7。工業試驗證明 CT6-7 催化劑具有良好的有機硫水解活性、活性及穩定性，是一種新型的多功能硫磺回收催化劑，在工業生產中往往是幾種催化劑聯合使用。工業應用表明 LS-981 催化劑具有良好的活性和有機硫水解活性以及脫“漏 O2”保護功能，抗硫酸鹽化性能強，活性穩定性好，適合長周期運行，各項性能優于同裝置原使用的催化劑，其物化性質見表 2.2-5。表 2.2-5 LS-981 催化劑的物

12、化性質7項目LS-971 催化劑國外催化劑指標實測指標實測外觀顏色形狀褐色球形褐色球形褐色球形褐色球形外形尺寸mm46464646載體Al2O3Al2O3Al2O3Al2O3比表面積 m2/g280250260堆密度 g/ml0.70.820.780.710.820.82平均壓碎強度，N/顆300150120138圖樣考慮到國內催化劑已逐步系列化；活性氧化鋁催化劑初期活性好，抗氧能力差；鈦基催化劑價格昂貴，磨耗量較大；含鈦氧化鋁催化劑有機硫水解性能高但抗氧化能力不理想，本項目選擇 LS-971 催化劑和 LS-300 催化劑，填裝方案為一級反應器全部采用 LS-971 催化劑，二、三級反應器上

13、部 1/3 填充 LS-971 催化劑，下部 2/3 填充 LS-300 催化劑。2.3 反應動力學分析2.3.1 反應方程式主反應為：生成 S8：生成 S6：副反應為：硫化氫的氧化：2.3.2 反應動力學方程生成 S6:其中，8外觀粒度堆密度 強度磨耗比表面積 孔容mm*mmg/ml293%(質量分數)m2/gml/g土黃色條形0.972932360.34表 2.3-1生成 S6 的動力學參數生成 S8：其中，(mol/(m3cat*s)；R=8.314J/(mol*K)硫化氫的氧化：表 2.3-2硫化氫氧化的動力學參數2.4 反應物性數據分析2.4.1 氣體比熱容氣體比熱容如下：表 2.4

14、-1 組分的比熱容9反應(m3/mol)0.5/sJ/mol4.728*10114.60*104k0EiHH2OK0,H2O反應mol/(m3*s*(J/molJ/mol1/pa Pa)1.50.00006073080000.00034備注：T/；Cp/(J/mol*)表 2.4-2 S6、S8 的比熱容2.4.2 反應熱表 2.4-3 25各反應的反應熱2.5 反應條件的選擇2.5.1 溫度反應是放熱的分子數增加的反應，催化反應為主要生成S8 的放熱反應。因此，低溫和高壓對反應有利。反應器的操作溫度不僅取決于熱力學，還要考慮硫的溫度和氣體組成。從熱力學角度分析，一定范圍內降低溫度，平衡轉化率

15、就高，從而使二級反應的處理量減少，裝置和操作費用就降低；但是溫度過低，會引起硫蒸汽因催化劑細孔產生的毛細管硫冷凝在催化劑的表面，作用而凝聚在催化劑的表面上，使其失活。因此，過程氣進入反應器溫度高 1114。另外，在催化劑上的床層的溫度至少應比硫蒸汽反應受其活性中心的擴散控制，從動力學角度出發，又不能使溫度太低。若使用鋁礬土作催化劑，則溫度還要提高。因此充分考慮硫在催化劑上的沉積，在10反應反應熱（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組分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-保證轉化率高的條件下參照表 4-13 選擇 240作為一級反應溫度，選擇220作為二、三級進口反應溫度。表 2.5-1 過程氣反應器溫度和硫溫度圖 2.5-1

17、H2S轉化率與溫度的關系由于在催化劑中進行的反應為擴散控制，反應空速不宜過高，這與催化劑的性質和操作溫度有密切關系。據介紹過程氣的停留時間取 312 秒都是可行的，達到化學平衡的時間較短，一般為 2 秒左右。由于操作過程中催化劑將從表層到逐漸失去活性，造成催化劑失活的有硫、碳的沉積，硫酸鹽化及熱老化等。另外，硫回收裝置通常與脫硫裝置匹配，無中間原料罐，這就要求硫回收裝置能長期平穩操作，否則大量含硫氣體放空排入大氣會造成嚴重的大氣污染。所以，設計時采取較低的空速是合理的，對國內催化劑一般取 9001200h。本項目一級的停留時間取 3.78 秒。2.5.2 床層高度及壓降上游脫硫裝置酸氣分離器的

18、壓力通常限制了硫回收裝置的總壓力降。所以，催化反應器的壓降不宜過大，也就是說床層不宜過高。另外，由于催化反應為擴散控制，空床氣速也不宜過大，故催化劑的有效床高一般不大于1.2m。此外，為了使過程氣通過催化劑時分布均勻，必須要維持一定的壓降，故11項目一級反應器二級反應器出口出口過程氣溫度/240305207232硫/188243183216催化劑。床層也不宜過薄。“薄餅”型的催化劑床層不能有效地利用所有的催化劑，或使反應氣體短路，或使之產生死角造成部分催化劑的浪費。所以，一般催化劑的床層也不宜小于 06m。不同的催化劑特性應選擇適宜的操作空速和床層壓降。根據引進裝置的情況來看，使用催化劑時的床

19、層壓降應取 22.5 kPa 左右是比較合適的，本項目取床層壓降為 2.5kPa。2.6 反應器設計2.6.1 設計條件表 2.6-1 反應器設計條件表 2.6-2 反應器介質及組成2.6.2 反應器計算2.6.2.1 體積的計算在反應器選型、催化劑選擇、動力學數據確定、反應條件確定之后，選擇 LS-971 催化劑和 LS-300 催化劑穩定時的最佳操作條件為設計條件，即溫度240，壓力為 0.14MPa，停留時間選擇 3.78 秒。反應器設備設計時必須考慮各設備的允許壓降，某國外公司提出反應12介質名稱質量分數%H2S40.7SO236.4進口H2O10.8其它12.1H2S5.6SO23.

20、5出口H2O29.4硫蒸汽0.5其它60.9筒體左封頭右封頭設計壓力 MPa0.250.250.25設計溫度600600600內徑 mm270027002700長度 mm5300-曲面深度 mm-675675器的允許的最大壓降為 4kPa.為降低壓降，無論反應器是立式還是臥式，床層高度一般不高于 1.2m，通常為 0.81.0m，該國外公司在同時考慮壓力降和反應器容積基礎上，根據裝置規模，床層高度選 1.2m。催化劑床層高度見表 2.6-4，因此，催化劑的由于硫化氫的處理量為 119.232t/d，表 2.6-3置。表 2.6-3 反應器的設置方式一級反應器獨立設表 2.6-4催化劑床層高度進口總體積流率為 15503.1m3/h 和二氧化硫達到由 Aspen 知，當一級最高轉化率 90.42%時，模擬的體積最小，停留時間為 3.78s，工段二氧化硫的轉化率高達 98.6%，由于在模擬時沒有考慮催化劑床層的空隙體積，故求出反應的總體積，即催化劑床層的總體積：2.6.2.2 直徑計算:表 2.