固定床
關注創(chuàng)建者：牛魔王 創(chuàng)建時間：2020-06-20
固定床的實例教程
編 輯 | 化工活動家
來 源 | 石油化工設備
作 者 | 何鵬 等
關鍵詞 | 列管式 固定床反應器 換熱結構
共 3684 字 | 建議閱讀時間 13 分鐘
導讀
列管式固定床反應器在化工裝置中應用廣泛，多用于強放熱反應，反應器結構與固定管板熱交換器相似，管程為反應區(qū)，催化劑裝填于列管內(nèi)，物料在通過管內(nèi)的催化劑床層時發(fā)生反應，殼程空間充滿換熱介質(zhì)，形成反應換熱系統(tǒng)。列管式反應器常見的應用有甲醇合成塔、環(huán)氧乙烷反應器、丙烯酸反應器及煤制乙醇反應器等。
化工裝置生產(chǎn)規(guī)模不斷放大已經(jīng)成為當前發(fā)展的趨勢，核心反應裝備的大型化也成為國內(nèi)外爭相研究的課題。甲醇制烯烴、煤制乙二醇、煤制乙醇等新興煤化工技術不斷取得突破，開始進入化工大宗品市場，對單臺反應器的產(chǎn)能擴大的需求尤為強烈，如單系列60萬t/a甲醇制烯烴裝置需配套180萬t/a甲醇產(chǎn)能，至少需要3臺列管式合成塔；30萬t/a煤制乙二醇裝置加氫工序需設計4~6臺列管式反應器。在此背景下，列管反應器換熱結構的設計逐漸突破傳統(tǒng)單一的結構形式，發(fā)展出了束管式、繞管式、板片式等結構形式，實現(xiàn)了單臺反應器的產(chǎn)能擴大，提升了單系列裝置的經(jīng)濟效益。
展開 近日，中科院大連化物所李燦院士研究團隊與陜西延長石油(集團)有限責任公司合作開發(fā)的“催化汽油固定床催化反應吸附脫硫工藝(YD-CADS)”在牡丹江首控石油化工有限公司20萬噸/年催化汽油固定床催化吸附脫硫裝置上一次開車成功，生產(chǎn)符合國V標準汽油，這是繼山東恒源石化40萬噸/年重汽油深度脫硫工業(yè)化后汽油超深度脫硫技術的又一個成功的應用。
YD-CADS工藝技術于2013年通過了中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會組織的成果鑒定，擁有自主知識產(chǎn)權，為國際首創(chuàng)，整體處于國際同類技術的領先水平。2016年初該技術在山東恒源石油化工股份有限公司40萬噸/年重汽油深度脫硫工業(yè)示范裝置上開車成功，標志著YD-CADS工藝正式進入產(chǎn)業(yè)化應用實施階段。牡丹江首控石化項目于2017年5月開工建設，2018年初建成中交，2018年6月一次開車成功，目前裝置運行平穩(wěn)，產(chǎn)品汽油硫含量穩(wěn)定在10ppm以下，生產(chǎn)滿足國V汽油質(zhì)量標準要求的清潔汽油。
展開 沸-固復合床渣油加氫技術
當前煉油廠加工原油的重質(zhì)化、劣質(zhì)化程度加劇，煉油企業(yè)正處于轉型發(fā)展的關鍵時期，傳統(tǒng)固定床加氫等技術面臨諸多挑戰(zhàn)和壓力，依托STRONG沸騰床加氫技術，中國石化大連石油化工研究院開發(fā)了沸-固復合床劣質(zhì)渣油加氫技術。該技術由STRONG沸騰床加氫技術與S-RHT固定床渣油加氫技術聯(lián)合而成，配套催化劑及其級配體系，形成渣油加氫的迭代技術。該技術具有原料適應性強、運轉周期長及加氫重油氫含量高等優(yōu)點，與傳統(tǒng)渣油加氫技術相比，在相同原料性質(zhì)下，復合床裝置運轉周期可延長50%~100%，同時加氫重油氫含量得到較大幅度提升。
01
沸-固復合床工藝流程
在復合床技術中，沸騰床作為固定床渣油加氫裝置的保護反應器，解決了反應器壓降和熱點的問題，降低了瀝青質(zhì)等大分子的擴散阻力，提高了劣質(zhì)原料加工能力；強化了重金屬脫除和瀝青質(zhì)轉化，大幅降低后續(xù)固定床反應器脫金屬和瀝青質(zhì)轉化負荷；沸騰床反應器可實現(xiàn)催化劑在線加排，提升運行周期。沸騰床加氫生成油進入后續(xù)固定床單元，通過優(yōu)化固定床催化劑級配體系，實現(xiàn)加氫生成油的高效提質(zhì)，大幅提升加氫重油氫含量。沸-固復合床工藝流程見圖7。
02
復合床中試運行結果
以石化企業(yè)典型渣油為原料，在實驗室復合床中試裝置上開展相關加氫過程研究。中試試驗裝置由沸騰床和固定床熱聯(lián)合組成，第一反應器為沸騰床反應器，裝填脫金屬催化劑，第二和第三反應器為固定床反應器，按特定級配裝填固定床脫金屬催化劑、脫硫催化劑、脫氮催化劑和降殘?zhí)看呋瘎?/span>
展開 4、多級串聯(lián)反應釜
三、固定床反應器
又稱填充床反應器，裝填有固體催化劑或固體反應物用以實現(xiàn)多相反應過程的一種反應器。固體物通常呈顆粒狀，粒徑2～15mm左右，堆積成一定高度（或厚度）的床層。床層靜止不動，流體通過床層進行反應。它與流化床反應器及移動床反應器的區(qū)別在于固體顆粒處于靜止狀態(tài)。
固定床反應器主要用于實現(xiàn)氣固相催化反應，如氨合成塔、二氧化硫接觸氧化器、烴類蒸汽轉化爐等。用于氣固相或液固相非催化反應時，床層則填裝固體反應物。涓流床反應器也可歸屬于固定床反應器，氣、液相并流向下通過床層，呈氣液固相接觸。
1、軸向絕熱式固定床反應器
流體沿軸向自上而下流經(jīng)床層，床層同外界無熱交換。
2、絕熱式固定床反應器
下圖是絕熱式固定床反應器的示意圖。它的結構簡單，催化劑均勻堆置于床內(nèi)，床內(nèi)沒有換熱裝置，預熱到一定溫度的反應物料流過床層進行反應就可以了。
? 徑向絕熱式固定床反應器
流體沿徑向流過床層，可采用離心流動或向心流動，床層同外界無熱交換。徑向反應器與軸向反應器相比，流體流動的距離較短,流道截面積較大,流體的壓力降較小。但徑向反應器的結構較軸向反應器復雜。以上兩種形式都屬絕熱反應器,適用于反應熱效應不大,或反應系統(tǒng)能承受絕熱條件下由反應熱效應引起的溫度變化的場合。
? 列管式固定床反應器
由多根反應管并聯(lián)構成。管內(nèi)或管間置催化劑，載熱體流經(jīng)管間或管內(nèi)進行加熱或冷卻，管徑通常在25～50mm之間，管數(shù)可多達上萬根。列管式固定床反應器適用于反應熱效應較大的反應。
展開 床式反應器
床式反應器主要適用于固相物料或固體催化劑參與的化學反應。常見的床式反應器可以分為以下幾種∶
（1）固定床反應器 固定床反應器又稱填充床反應器，反應器內(nèi)部裝填有固體催化劑或固體反應物用于實現(xiàn)多相反應過程。固體物通常呈顆粒狀，堆積成一定高度或厚度的床層，床層靜止不動，流體通過床層發(fā)生反應。
固定床反應器有以下幾種基本形式
① 軸向絕熱式固定床反應器。流體沿軸向自上而下流經(jīng)床層，床層同外界無熱交換。
②徑向絕熱式固定床反應器。流體沿徑向流過床層，可采用離心流動或向心流動的方式，床層同外界無熱交換。
徑向反應器與軸向反應器相比，流體流動的距離較短，截面積大，流體的壓降較小。但徑向反應器的結構較為復雜。以上兩種形式都屬絕熱反應器，適用于反應熱效應不大，或反應系統(tǒng)能承受絕熱條件下由反應熱效應引起的溫度變化的反應過程。
③ 列管式固定床反應器。由多根反應管并聯(lián)構成。管內(nèi)或管間布置催化劑，冷熱載體流經(jīng)管間或管內(nèi)進行加熱或冷卻。列管式固定床反應器適用于反應熱效應相對較大的反應。
④ 多級固定床反應器。是根據(jù)反應過程中不同的工藝條件的需要，將上述基本形式的反應器串聯(lián)起來，組合而成的反應器。如∶當反應熱效應大或需分段控制溫度時，可將多個絕熱反應器串聯(lián)成多級絕熱式固定床反應器，反應器之間設換熱器或補充物料以調(diào)節(jié)體系溫度，以便于反應在最佳工藝條件下進行。
固定床反應器結構簡單，物料不易返混，催化劑機械損耗小，流體同催化劑可進行有效接觸。
展開 
固定床的最新內(nèi)容
氣力輸送案例
寬篩分顆粒反應器模擬仿真
固定床反應器模擬仿真
五、自主可控，助力流化床工藝升級
在石油石化流化床仿真實踐中，適配行業(yè)需求的專業(yè)軟件是提升設計效率的關鍵。
VirtualFlow 作為一款高性能 CFD 軟件，憑借豐富的湍流模型與多相流模型，能精準模擬流化床內(nèi)復雜流體行為。
固定床、鼓泡床等反應裝置的流場分析
? 攪拌罐等混合裝置的模擬與優(yōu)化
? 加氫反應器的分布器、冷氫箱等結構優(yōu)化
? 旋風分離器、油水分離器等多相分離設備分離過程模擬
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? 換熱設備、干燥器、冷凝器等換熱裝置的模擬分析
? 高壓釜反應器的模擬
? 填料塔、板式塔、分餾塔盤等塔設備的模擬
? 煙氣脫硫塔設備的模擬
煉化工程仿真分析應用與案例分享
該氣化熔融系統(tǒng)中爐內(nèi)溫度分布和常規(guī)固定床溫度分布趨勢相似,但是相對于常規(guī)固定床,其主要氣化區(qū)溫度集中在1200~1500℃,使得氣化反應中Boudouard反應以及水煤氣反應的反應速率顯著提高,且焦油產(chǎn)量相對于固定床工藝也較低[24]。同時系統(tǒng)結構設置使得下部氣化熔融區(qū)溫度高,煤氣出口溫度低,極大地減少了熱損失,熱轉化利用效率大幅提高。
氣固體系
5.1 流化床反應器分析
5.2 固定床反應器反應過程模擬
5.3 加氫裂解反應器冷氫箱優(yōu)化設計
5.4 徑向移動床反應器反應過程模擬
6.
為防止在上升氣流的作用下填料床層發(fā)生松動或跳動，保持操作中填料床層為一恒定的固定床，從而必須保持均勻一致的空隙結構，使操作正常、穩(wěn)定，故需在填料層上方設置填料壓緊裝置。
為了便于安裝和檢修，填料壓緊裝置不能與塔壁采用連續(xù)固定方式，對于小塔可用螺釘固定于塔壁，而大塔則用支耳固定。
固體吸附技術包括固定床吸附技術、循環(huán)流化床吸附技術，基于氣體或液體與固體吸附劑面上活性點之間的分子間引力實現(xiàn)目標組分的捕集分離。膜分離技術主要利用不同氣體組分與膜材料之間的差異性物理或化學作用進行選擇性吸收與分離的技術。基于氣體分離機理的不同，膜的類型可分為分離膜和吸收膜兩類。膜分離技術的實施過程中通常需要吸收膜和分離膜共同完成。
活性炭過濾風速在《吸附法工業(yè)有機廢氣治理工程技術規(guī)范》(HJ2026—2013)中，可以查到固定床吸附，采用顆粒狀吸附劑氣體流速宜低于0.6m/s，采用纖維狀吸附劑氣體流速宜低于0.15m/s，采用蜂窩狀吸附劑氣體流速宜低于1.2m/s;過濾面積即可根據(jù)處理風量和過濾風速計算得出。 碳層厚度的設計，就需要結合廢氣的產(chǎn)生濃度、去除效率、活性炭的更換時長等因素進行。
3、活性炭催化燃燒廢氣處理設備一般采用固定床催化反應器。反應器的設計應按標準進行，應便于操作、維護和裝卸催化劑。
4、防爆裝置：隔膜泄壓防爆，安裝在主機頂部。設備運行中發(fā)生事故時，能及時泄壓，防止事故發(fā)生。
五、塑料廠廢氣處理催化燃燒設備技術特點：
1.運行成本低，當有機廢氣達到一定濃度(1000mg/m3以上)時，凈化裝置內(nèi)的加熱室不需要輔助加熱，節(jié)省了成本。
③ 列管式固定床反應器。由多根反應管并聯(lián)構成。管內(nèi)或管間布置催化劑，冷熱載體流經(jīng)管間或管內(nèi)進行加熱或冷卻。列管式固定床反應器適用于反應熱效應相對較大的反應。
④ 多級固定床反應器。是根據(jù)反應過程中不同的工藝條件的需要，將上述基本形式的反應器串聯(lián)起來，組合而成的反應器。
其中，氫氧化鈣具有價格較低和儲熱密度較高的優(yōu)勢，其反應機理和循環(huán)穩(wěn)定性已有較多研究，在反應器級別的研究中，文獻[
11-13
]表明氫氧化鈣存在易結塊、易團聚、循環(huán)穩(wěn)定性較差等問題，未改性的儲熱材料在固定床反應器中傳熱性能較差，反應時間過長，在流化床反應器中易堵塞管道且物料損失較大，難以實現(xiàn)熱能的高效儲存與釋放。為解決上述問題，需要對氫氧化鈣材料進行改性或造粒。
