徑向流動反應(yīng)器在石油化工中的應(yīng)用

徑向流動檢測器是一種新型高效節(jié)能檢測器。由于其巨大的流量分布、小的流速、短的流量和小的床層阻力等特點，它在石油、化工、原子能等行業(yè)得到了應(yīng)用。1徑向流動反應(yīng)器c徑向流動反應(yīng)器中流體的流動方向與傳統(tǒng)的由上而下的軸向流動反應(yīng)器不同,它由兩個同心套筒組成,催化劑顆粒填充在兩套筒之間,使流體徑向通過。徑向流動反應(yīng)器可以是單段床層,也可以是多段床層;可以是絕熱床層,也可以是換熱床層(床層中設(shè)置冷管或副產(chǎn)蒸汽管)。徑向流動反應(yīng)器中流體有離心流動與向心流動兩種,若床層中流體離心流動,分流流道是中心管,集流流道是外圍環(huán)隙;若床層中流體向心流動,分流流道是外圍環(huán)隙,集流流道是中心管。近年來,在化工生產(chǎn)中應(yīng)用的橫向流動反應(yīng)器、臥式反應(yīng)器、球形反應(yīng)器也具有徑向流動反應(yīng)器的特征。徑向流動反應(yīng)器的流體流動距離約為(略小于)反應(yīng)器半徑;橫向流動反應(yīng)器與臥式反應(yīng)器的流動距離約為(略小于)反應(yīng)器直徑;球形反應(yīng)器的流體流動距離約為(略小于)球的半徑。徑向流動反應(yīng)器具有以下優(yōu)點:(1)阻力小。流體流過床層的路徑比軸向反應(yīng)器短得多,通氣截面積大,氣體線速度小。在床層體積一定時,流體流過床層的壓降ΔΡ正比于流道距離L的2～3次方(ΔΡ∝L2～3),因此徑向床層阻力很小。(2)空速大。由于阻力小可以采用高空速操作,且在高空速下仍可達到較高的轉(zhuǎn)化率,提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。(3)可使用小顆粒催化劑。由于阻力小,允許使用小顆粒催化劑,減少了粒內(nèi)傳遞過程對宏觀反應(yīng)速率的影響,提高催化劑粒內(nèi)效率因子?；ぶ械脑S多反應(yīng),如氨合成反應(yīng),催化劑粒度對宏觀反應(yīng)速率影響很大,若從軸向流動反應(yīng)器改為徑向流動反應(yīng)器,催化劑粒子可以從6～10mm減少到1.5～3.0mm,凈氨值明顯提高。近年來,徑向流動反應(yīng)器在國內(nèi)外石油、化工領(lǐng)域得到推廣與應(yīng)用,大型合成氨裝置均采用了徑向反應(yīng)器,中型合成氨裝置徑向反應(yīng)器也得到迅速推廣。此外,甲醇工業(yè)中的徑向合成反應(yīng)器、煉油工業(yè)中的徑向催化重整反應(yīng)器、石油化工中的丁烯氧化脫氫徑向反應(yīng)器、甲苯岐化徑向反應(yīng)器、乙苯脫氫徑向反應(yīng)器均已在有關(guān)領(lǐng)域成功采用。徑向流動反應(yīng)器在合成氨工業(yè)中的應(yīng)用最為廣泛。托普索公司開辟了大型徑向流動反應(yīng)器之先河,托普索徑向氨合成塔分S-100和S-200型兩種,前者為多段段間直接冷激型,后者為多段段間間接換熱型。床層均為兩段徑向。催化床用1.5～3.0mm小顆粒催化劑,催化床壓降僅為0.01～0.02MPa,全塔壓降僅為0.25MPa,降低了循環(huán)壓縮機功耗。S-200型由于將段間冷激改為間接換熱,避免了物料返混,進一步提高了氨凈值。該塔采用特殊雙層圓筒噴嘴結(jié)構(gòu)使流體在床層中均布。我國大型氨廠改為S-200型塔的有湖北化肥廠、洞庭氮肥廠、大慶石化化肥廠、齊魯石化公司第二化肥廠等。卡薩里型軸徑向氨合成塔內(nèi)件在大型氨合成塔中得到廣泛應(yīng)用。鑒于原凱洛格型多段軸向冷激型氨合成塔阻力大,瑞士卡薩里公司將其進行改建,改為三段或四段軸徑向催化床,采用1.5～3.0mm小粒度催化劑,提高了氨凈值,減少了壓降,效果良好。目前,我國大型氨塔內(nèi)件改為卡薩里軸徑向氨塔的有赤天化、滄州化肥廠、遼河化肥廠、云天化、瀘天化等。2徑向流處理器技術(shù)的要點2.1流體流動床層類型徑向流動反應(yīng)器氣體流動型式有Z型和Π型,如圖1所示。流體在分流與集流流道中作同方向流動稱為Z型分布;流體在分流與集流流道中作反方向流動稱為Π型分布。圖1Z型和Π型流體分布徑向流動反應(yīng)器中,按流體在分流與集流流道中的流動性質(zhì)可將流動過程分為四個基本流型:動量交換型流道、摩擦阻力型流道,動量交換占優(yōu)勢型流道、摩擦阻力占優(yōu)勢型流道。一般說來,若分流流道中的流體流動為動量交換型或動量交換占優(yōu)勢型,此時分流流道中靜壓隨流體流動方向而升高,而集流流動靜壓總是隨流動方向而下降,為保證各床層中各流道截面的壓差差別不致過大,此時宜選Π型分布較好,見圖2-(1)。例如,托普索氨合成塔第一段徑向催化床層就選Π型徑向流動床層。若分流流道中的流體流動為摩擦阻力型或摩擦阻力占優(yōu)勢型,此時分流流道中靜壓隨流動方向而降低,而集流流道靜壓總是隨流動方向而下降,為保證各床層中各流通截面積壓差差別不致過大,此時宜選Ζ型分布較好,見圖2-(2)。例如,乙苯脫氫制苯乙烯就選用Ζ型徑向流動床層。流體在分流與集流流道中的流動是變質(zhì)量流動,分流流道中流體向前流動過程中不斷有流體分出,集流流道中流體向前流動過程中不斷有流體匯合,見圖3。對變質(zhì)量流動的流體,不能用一般柏努利方程來描述其流動過程中能量變化規(guī)律,要用動量守衡定律推導變質(zhì)量流動中的能量變化規(guī)律。對變質(zhì)量流動的流體,由動量守衡定律可以推導出:dP+2Kρudu+fdeu22ρdl=0(1)dΡ+2Κρudu+fdeu22ρdl=0(1)積分后可得:PA?PB=K(u2B?u2A)ρ+Rn(2)ΡA-ΡB=Κ(uB2-uA2)ρ+Rn(2)式中P壓強,Pau線速度,cm/sρ流體密度,g/cm3f阻力系數(shù),無因次de流道當量直徑,cmRn摩擦阻力,PaK分流或合流動量交換系數(shù),無因次式(2)表述了在流道中由A至B的靜壓強變化[PA-PB]與動量交換項[K(u2BB2-u2AA2)ρ]及摩擦阻力頂Rn之間的關(guān)系。(1)分流流道(2)集流流道圖3分流流道與集流流道在集流流道中,uB>uA,因此K(u2BB2-u2AA2)ρ>0;而Rn肯定大于0,所以PA肯定大于PB,即集流流道中靜壓總是隨流動方向而下降,PB<PA。在分流流道中,uA>uB,因此K(u2BB2-u2AA2)ρ<0;而Rn肯定大于0,所以由A點至B點靜壓是減少還是增大,取決于動量交換項與摩擦阻力項的相對大小。如果動量交換項K(u2BB2-u2AA2)ρ大于摩擦阻力項Rn,則PA<PB,流體流動過程中靜壓升高,稱為動量交換型或動量交換占優(yōu)勢型;如果動量交換項K(u2BB2-u2AA2)ρ小于摩擦阻力項Rn,則PA>PB,流體流動過程中靜壓降低,稱為摩擦阻力型或摩擦阻力占優(yōu)勢型。動量交換系數(shù)需由實驗測定,我們測得分流動量交換系數(shù)Kd與集流動量交換系數(shù)Kc分別由下式計算:2.2確定“催化劑封”的高度由于徑向流動反應(yīng)器一般由內(nèi)外多孔分布筒和套體組成,內(nèi)外分布筒之間堆放催化劑。催化劑在還原與使用過程中,體積會收縮,因此徑向流動反應(yīng)器的催化劑層上部一定要設(shè)“催化劑封”,以防氣體短路。若“催化劑封”高度不夠,氣體仍會短路,造成反應(yīng)器生產(chǎn)強度與轉(zhuǎn)化率下降。若“催化劑封”高度過大,有相當多的催化劑成為反應(yīng)的死角,造成催化劑的浪費,其死角部分的催化劑活性得不到有效利用。所以要合理優(yōu)化確定“催化劑封”的高度?！按呋瘎┓狻笨刹捎脫醢迨?此時擋板要有足夠高度,否則氣體就會短路;若擋板高度過高,必然會有死角。擋板的高度一般略大于催化劑還原后的收縮高度。軸徑向反應(yīng)器巧妙地在集流流道的上部設(shè)置一段不開孔或不設(shè)噴嘴的部分,形成“催化劑封”,預防氣體短路,又不致于形成死角。這樣,集氣管比分氣管低一定的高度,就使徑向床層頂部造成一段由催化劑自封式的軸徑向二維流動。這種“催化劑自封”簡化了徑向床的結(jié)構(gòu),充分有效地利用了自封處催化劑的活性,減少(并未完全避免)“死區(qū)”效應(yīng)?！按呋瘎┳苑狻钡母叨纫话銘?yīng)略大于觸媒還原與使用的最大沉降高度與通道長度之和?！按呋瘎┳苑狻苯Y(jié)構(gòu)已被國內(nèi)外許多徑向反應(yīng)器所采用。2.3控制分流流道徑向流動反應(yīng)器床層中流體流動的速度雖然較小,催化劑顆粒不易吹出,但是由于采用略小粒度催化劑,且催化劑免不了會有粉塵,有可能被吹出,進入集流流道,或倒吸(因突然降壓而倒吸)進入分流流道。因此,要采取措施,防止這種現(xiàn)象產(chǎn)生。措施之一是在分流、集流流道內(nèi)側(cè)設(shè)置不銹鋼絲網(wǎng),以防催化劑吹出;措施之二是對“控制均勻流動的流道”采用雙層結(jié)構(gòu),一層密沖小孔。另一層是不均勻鉆較小的孔。例如,若分流流道為控制流體均勻的流道,那么分流流道設(shè)雙層結(jié)構(gòu),一層密沖小孔(小孔孔徑比催化劑顆粒小),另一層根據(jù)流體均布計算不均勻鉆孔(鉆孔孔徑可以略大于催化劑粒徑)。2.4在床層中設(shè)置冷管如果徑向流動反應(yīng)器中進行的是可逆放熱催化反應(yīng),在反應(yīng)過程中要將反應(yīng)熱移走,可采用兩種方法:一是多段段間冷激或多段段間間接換熱,每段均為絕熱徑向床層或軸徑向床層,托普索100型與卡薩里型氨合成塔屬于多段冷激型,托普索200型氨合成塔屬于多段段間間接換熱型;二是在徑向床層中設(shè)置冷管。對徑向流動反應(yīng)器,其“流動同平面”是圓柱體的側(cè)平面,要使得“流動同平面”傳熱均勻,一般的內(nèi)冷管由于冷管內(nèi)上下溫度變化大,不能適應(yīng)徑向流動反應(yīng)器換熱要求,我們提出了鼠籠式冷管的概念,即相鄰兩根冷管中冷流體的流向逆向,以使“流動同平面”自上而下傳熱基本均勻。也有用正反向三套內(nèi)冷管的方法,也是相鄰兩根冷管內(nèi)流體流向逆向。若徑向流動反應(yīng)器的床層中設(shè)置副產(chǎn)蒸汽的冷管,則因沸騰水與蒸汽溫度相同,可以使上下傳熱均勻。冷管的排管密度要根據(jù)反應(yīng)過程中床層溫度分布盡量與最佳溫度曲線接近為設(shè)計依據(jù)。2.5徑向流動反應(yīng)器的模型徑向流動反應(yīng)器由于流體流道截面積大,催化床一般很薄,因此存在著流體沿軸向的均勻分布問題。如果反應(yīng)氣體在催化床中分布不均勻,將會影響徑向流動反應(yīng)器的溫度分布、濃度分布,影響催化床層的熱穩(wěn)定性,還會影響反應(yīng)器的生產(chǎn)能力與反應(yīng)器的選擇性等。因此徑向流動反應(yīng)器的流體均布是反應(yīng)器設(shè)計的一個關(guān)鍵問題。徑向流動反應(yīng)器分流與集流流道中的流體是變質(zhì)量流動,其流動規(guī)律不能用柏努利方程描述,需用動量守恒原理分析其中流體的靜壓與流體的動能間的變化規(guī)律,要用由動量守恒原理推導出的修正動量方程式(2)、(3)、(4)來描述它們的流動過程。徑向流動反應(yīng)器要使流體均布,必須采取一系列有效措施,托普索公司采用噴嘴壓降補償法;我們在為國內(nèi)設(shè)計徑向或軸徑向流動反應(yīng)器時,采用分流或集流流道不均勻開孔或開不等直徑孔的方法,其目的都是為了使分集流流道間的靜壓差被穿孔阻力所平衡。2.6徑向流動反應(yīng)器床層的數(shù)學模型由于徑向流動反應(yīng)器催化床層中流體流動速度小,所以外擴散過程有可能影響反應(yīng)速率,因此用一維非均相模型計算比一維擬均相模型計算準確。在軸向反應(yīng)器中因流速大,Re大,一維擬均相模型可忽略流體主體與催化劑顆粒表面的溫差與濃差。但對徑向流動反應(yīng)器,因流速小,不能完全排除外擴散的影響,要計及流體主體與顆粒表面溫差與濃差,需采用一維非均相模型。固定床反應(yīng)器的一維擬均相模型是一階常微分方程組,分別表達流體組成、流體溫度、床層靜壓沿流動方