22.4.3 反应器设计举例(二氧化硫催化氧化反应器)
1.反应特点
二氧化硫催化氧化反应是定压、放热的反应。二氧化硫在转化器中与固体催化剂接触氧化成三氧化硫,之后在吸收塔中与水反应成硫酸。其中固体催化剂具有活化分子,氧分子吸附在其上,二氧化硫吸附在固体催化剂的活性中心。
2.反应动力学
该反应属于气-固相催化反应,氧化二氧化硫的工业反应器中有一定层数近于绝热的催化剂床层。气体在每层接触后用热交换器间接冷却或加空气内部冷激。
建立数学模型模拟工业反应器必须考虑气流同催化剂表面之间的传质传热现象,以及反应物和生产物在催化剂孔隙内扩散的影响。
反应动力学方程如下:
参数K 1、K 2、K 3的值用非线性回归法决定,如下所示:
3.反应器设计过程
根据反应特点和参考其他厂区的二氧化硫催化氧化装置,采用中间换热式固定床反应器。管内装填催化剂,壳程通沸腾水以及时增加反应产生的热量和控制反应温度。
(1)Aspen Plus模拟数据
Aspen Plus模拟数据表如表22-5所示。
表22-5 Aspen Plus模拟数据表
(2)反应器结构设计
催化剂的时空产率为180 kg/(h·m3),生成三氧化硫的质量流量为405.54 kg/h,由此可得:
第四段催化剂体积=时空产率/质量流量=405.54/180=2.253 m3
第三段催化剂体积=10 990.08/180=61.056 m3
第二段催化剂体积=9 297.787/180=51.654 m3
第一段催化剂体积=8 269.836/180=45.94 m3
该体积为催化剂的体积,取催化剂的填装空隙率为0.3,由此可得催化剂的装填体积V 0=160.903/(1-0.3)=0.89 m3。
反应器筒体的长度为12 m,直径为2.5 m,选用两个标准椭圆封头曲面深度为2 m。
(3)床层压降计算
已知筒体长度H=12 m,蒸汽流速u=0.9 m/s,孔隙率ε=0.3,密度ρ=11.15 kg/m3,黏度μ=1.81×10-6 Pa·s,当量直径d p=4.953×10-3 m。
计算雷诺数(https://www.daowen.com)
计算压降
(4)换热面积校核
对于管程床层对壁面的给热系数α1,计算如下。
已知管内径d i=0.034 m,当量直径d p=4.953×10-3 m,蒸汽流速u=0.9 m/s,物料气体密度ρg=11.15 kg/m3,黏度μ=1.81×10-6 kg/(m2·s),物料气体导热系数λg=0.064 5 W/(m·K)。
计算得到α1=4 348.3 W/(m2·K)。
对于壳程水沸腾的传热系数α2,计算如下。
已知重力常数g=9.81 m/s2,水密度ρl=1 000 kg/m3,蒸汽密度ρV=0.6 kg/m3,蒸汽恒压比热容C p V=4 646.29 J/(kg·K),焓r=2.358×106 J/kg,壳程蒸汽入口温度T W=230℃,壳程蒸汽出口温度T S=100℃,蒸汽流速u=0.9 m/s,蒸汽导热系数λV=0.048 4 W/(m·K)。
对于总传热系数,计算如下。
计算得到K 0=1 191 W/(m2·K)。
反应器热负荷为35.786 MW。
实际面积A实=20 452.3 m2。
由于A实＞A需,换热面积足够。
反应器结构数据表如表22-6所示。
表22-6 反应器结构数据表
思考题
1.如何综合选用不同化工工艺设备?
2.选择换热器时要考虑哪些方面?
3.如何根据物料选择反应器类型?