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1、径向流动反应器工艺设计要点房鼎业Ξ朱子彬(华东理工大学化工学院,上海200237)径向流动反应器具有流道短、阻力小、可使用小颗粒催化剂、空速大等优点,已在石油与化学工业中推广应用。讨论了径向流动反应器工艺设计中的几个关键问题:①两种流体流动型式(Π型与Ζ型)的选择原则;②为防止流体短路而设置“催化剂封”;③防止催化剂细粒吹入分流与集流流道的措施;④移走反应热效应的方法;⑤流体均布的设计;⑥径向流动反应器的工艺设计模型。关键词:反应器径向流动工艺设计径向流动反应器是一种新型高效节能反应器,由于具有流体流道截面积大、
2、流速小、流道短、床层阻力小等显著特点,已在石油、化工、原子能等工业中得到应用1。阻力很小。(2)空速大。由于阻力小可以采用高空速操作,且在高空速下仍可达到较高的转化率,提高设备的生产能力。(3)可使用小颗粒催化剂。由于阻力小,允许使用小颗粒催化剂,减少了粒内传递过程对宏观反应速率的影响,提高催化剂粒内效率因子。化工中的许多反应,如氨合成反应,催化剂粒度对宏观反应速率影响很大,若从轴向流动反应器改为径向流动反应器,催化剂粒子可以从6～10mm减少到1.5～3.0mm,净氨值明显提高。近年来,径向流动反应器在国内外石
3、油、化工领域得到推广与应用,大型合成氨装置均采用了径向反应器,中型合成氨装置径向反应器也得到迅速推广。此外,甲醇工业中的径向合成反应器、炼油工业中的径向催化重整反应器、石油化工中的丁烯氧化脱氢径向反应器、甲苯岐化径向反应器、乙苯脱氢径向反应器均已在有关领域成功采用2,3。径向流动反应器在合成氨工业中的应用最为广泛。托普索公司开辟了大型径向流动反应器之先河,托普索径向氨合成塔分S2100和S2200型两种,前者为多段段间直接冷激型,后者为多段段间间接换热型。床层均为两段径向。催化床用1.5～3.0mm小颗粒催化剂,
4、催化床压降仅为0.01～0.02MPa,全塔压降仅为0.25MPa,降低了循环压缩机功耗。S2200型由于将段间冷激改为间接换热,避免了物料返混,进一步提高了氨净值。该塔1径向流动反应器的特点与应用径向流动反应器中流体的流动方向与传统的由上而下的轴向流动反应器不同,它由两个同心套筒组成,催化剂颗粒填充在两套筒之间,使流体径向通过。径向流动反应器可以是单段床层,也可以是多段床层;可以是绝热床层,也可以是换热床层(床层中设置冷管或副产蒸汽管)。径向流动反应器中流体有离心流动与向心流动两种,若床层中流体离心流动,分流流
5、道是中心管,集流流道是外围环隙;若床层中流体向心流动,分流流道是外围环隙,集流流道是中心管。近年来,在化工生产中应用的横向流动反应器、卧式反应器、球形反应器也具有径向流动反应器的特征。径向流动反应器的流体流动距离约为(略小于)反应器半径;横向流动反应器与卧式反应器的流动距离约为(略小于)反应器直径;球形反应器的流体流动距离约为于)球的半径。(略小径向流动反应器具有以下优点1:(1)阻力小。流体流过床层的路径比轴向反应器短得多,通气截面积大,气体线速度小。在床层体积一定时,流体流过床层的压降ΔΡ正比于流道距离L的2
6、～3次方(ΔΡ∝L2～3),因此径向床层Ξ房鼎业,男,1941年生,教授,博导。长期从事化学反应工程、无机与有机化工工艺的教学与科研工作。房鼎业等径向流动反应器工艺设计要点·19·采用特殊双层圆筒喷嘴结构使流体在床层中均布。我国大型氨厂改为S2200型塔的有湖北化肥厂、洞庭氮肥厂、大庆石化化肥厂、齐鲁石化公司第二化肥厂等。卡萨里型轴径向氨合成塔内件在大型氨合成塔中得到广泛应用3。鉴于原凯洛格型多段轴向冷激型氨合成塔阻力大,瑞士卡萨里公司将其进行改建,改为三段或四段轴径向催化床,采用1.5～3.0mm小粒度催化剂,
7、提高了氨净值,减少了压降,效果良好。目前,我国大型氨塔内件改为卡萨里轴径向氨塔的有赤天化、沧州化肥厂、辽河化肥厂、云天化、泸天化等。中的流动性质可将流动过程分为四个基本流型:动量交换型流道、摩擦阻力型流道,动量交换占优势型流道、摩擦阻力占优势型流道。一般说来,若分流流道中的流体流动为动量交换型或动量交换占优势型,此时分流流道中静压随流体流动方向而升高,而集流流动静压总是随流动方向而下降,为保证各床层中各流道截面的压差差别不致过大,此时宜选Π型分布较好,见图2-(1)。例如,托普索氨合成塔第一段径向催化床层就选Π型
8、径向流动床层。若分流流道中的流体流动为摩擦阻力型或摩擦阻力占优势型,此时分流流道中静压随流动方向而降低,而集流流道静压总是随流动方向而下降,为保证各床层中各流通截面积压差差别不致过大,此2径向流动反应器工艺设计要点2.1径向流动反应器气体流动型式的选择径向流动反应器气体流动型式有Z型和Π型,如图1所示。流体在分流与集流流道中作同方向流动称为Z型分布;流体在分流与集流流道中
