プロセスプラントの原子炉とは? 設計,統合,応用

プロセスプラントの原子炉とは? 設計,統合,応用

根本的な質問に答えますプロセスプラントの原子炉とは何か? 化学反応工学と プラントレベルの制御,ユーティリティ,安全システムを 統合する方法は?プロセスプラントの原子炉は,化学製造施設のコア変換ユニットで,反応動力学,熱伝送 (U = 300-1,500 W/m2K),混合 (CSTR)*ダムコーラー数* Da = k·τ (k は速度定数, τ は居住時間) で,この原子炉は 11〜10 Hz のスキャニング速度の *分散制御システム (DCS) *との統合により,温度,圧力,組成,流量,"先進プロセス制御 (APC) "と"プロセス分析技術 (PAT) "で,出力と選択性を ±0 範囲で最適化設計目標の0.5%

1プロセスプラント炉の基本設計原則

化学反応工学 (運動学,熱力学,輸送現象) と機械工学 (材料,圧力,熱伝達) とプロセス制御 (計測装置)統合設計には3つの原則があります.

• ** 原子炉選択とダムコーラー数解析:***ダムコーラー数* Da = k·τは,反応速度とコンベクト輸送速度の比率を定量化する.Da > 1の場合,反応は混合よりも速く,原子炉はPFRまたはバッチ原子炉のように振る舞う.Da < 0 について.1原子炉は均質な濃度でCSTRのように振る舞います. Pe = uL/Daxは軸性分散を特徴としています: Pe > 50 (最小のバックミックスでプラグ流量),Pe < 1 (完全にバックミックスされた CSTR). PFRにおける第一順位反応では,変換 X = 1 - exp ((-Da); CSTRでは, X = Da/(1+Da. CSTRと PFR の選択は,反応順序,選択性要件,CSTRは外熱反応に均等な温度を提供します.PFRは平衡限られた反応では1パスの変換が高くなる.
• **熱伝送統合と熱管理:**熱外反応炉は,熱外逃れを防ぐため,熱を絶え間なく除去する必要があります.*総熱伝達係数* U = 1/(1/hi + tw/kw + 1/ho + 汚れ) は,ジャケット付きCSTRでは300〜500W/m2K (ガラス内膜でUを30〜40%削減)内部コイルCSTRでは500-1,000W/m2K,シェル・アンド・チューブPFRでは800-1,500W/m2K.冷却容量クラス1 (安全,ΔTad < 50°C),クラス2 (中程度のリスク,50~200°C),クラス3 (高リスク,>200°C,緊急冷却または消化が必要)*緊急冷却*および *阻害剤注射*システムは,DIERS (緊急救助システム設計研究所) 方法によって指定されています..
• **DCS統合と高度なプロセス制御:**原子炉には,温度伝達器 (RTD PT100,3ワイヤ, ±0.5°C) 5〜20位置;圧力伝達器 (容量またはピエゾレシスティブ, ±0.1% FS) 給水,原子炉およびリレフに搭載されている.流量計 (質量のためのコリオリス), ±0.5%;導電性液体の磁性, ±0.2%;ガスの渦, ±1%);およびPAT (プロセス分析技術) の組成分析器 (オンラインFTIR,NIR,またはGC,1-5分サイクルの時間) *.DCSは1〜10Hzでスキャンします, PID制御ループで温度 (キャスケード: 原子炉温度 → ジャケット入口温度 → 蒸気/冷却バルブ),圧力 (ガス相原子炉の逆圧調節器) を管理する供給流量 (スタキオメトリックバランスの比率制御). *APC (Advanced Process Control) *は,モデル予測制御 (MPC) を使用して,多変数相互作用を最適化し,単ループPID制御と比較して可変性を30-60%削減します.

2プロセスプラントの主要型

産業プロセスプラントは,反応化学,生産規模,プロセス経済性に合わせて,原子炉の構成を展開する.3つの構成が化学製造における支配的な設計を表しています:

• **連続混ぜたタンク反応器 (CSTR):**これらのASME容器 (1-50m3,0.1-10MPa) は,機械的な振動 (ラシュトンまたはピッチブレイドプロペラー,D/T = 0.33-0) を特徴としています.5, N=50~300 RPM) において,ほぼ均一な温度と濃度を維持する.Peclet数 Pe < 1 の 1 つのよく混ぜたタンクCSTR は,均質な温度を必要とする液相反応 (ポリメリゼーション,エステリゼーション),変換に敏感性の低い選択性反応,連続的に触媒を加える/除去するプロセス複数のCSTRカスケード (3-5タンク) は,連続で n つの等サイズ CSTR に対して変換 X_n = 1 - (1+Da·n) −n で,より高いパス変換のためのPFR行動を推定する.
• **プラグフローリアクター (PFR) /チューブルリアクター:**これらのASMEチューブバンドルまたは単管原子炉 (チューブID25-100mm,長さ5~50m) は,最小限の軸間混合 (Pe>50) でプラグフロー動作を達成する.*宇宙速度* SV = v/L = 1/τは,原子炉単位容量あたりのスループットを定義しますPFR は,以下のようなガス相反応 (蒸気再構成,部分酸化),高パス変換を必要とする均衡制限反応,狭い居住時間分布が選択性を最大化させる熱外ガス相反応では,多管状の構成 (殻に25-50mmの数千のチューブ,50-500m2/m3の熱伝送エリアを供給する.
• **パックベッド催化炉:**このASME容器 (0.5-20m直径,2-30m高さ) は,固体触媒粒子の固定床 (3-10mmの排泄物または球体) を含んでおり,流体を通過します.*エルグンの方程式* ΔP/L = 150·μ·v·(1-ε)2/(dp2·ε3) + 1.75·ρ·v2·(1-ε) /(dp·ε3) は,触媒粒子の大きさと流量を制限する圧力低下 (典型的には0.01-0.5bar/m) を予測する.パックベッド反応器は,触媒リフォーム (Pt-Sn/Al2O3, 400-550°C, 0.050°C, 0.050°C) を使用する.5〜3MPa)メタノール合成 (Cu-ZnO-Al2O3, 200-300°C, 5-10 MPa) とアンモニア合成 (Fe-K2O-Al2O3, 400-550°C, 10-30 MPa)半径流の設計 (環状触媒床を通した内向または外向流) は,大径容器の軸性流と比較して,圧力低下を50~80%削減する.

プロセスプラント 原子炉タイプ 比較マトリックス

よくある質問 (FAQ)

Q: ダムコラー数とは何か? 原子炉の選択にどう影響するのか?

A: ダムコラー数 Da = k·τ は,反応速率 (速度の定数 k によって特徴付けられる) とコンベクト流量 (居住時間 τ によって特徴付けられる) の比率である.反応は,液体の居住時間より速く,PFRまたはバッチ反応器で完全な変換が可能である.. Da < 0 に対して1均質な濃度でCSTRを混ぜると,反応は遅い.中間Da (0.1-1) の場合は,選択は選択性要件に依存します.CSTRは均等な条件を与えます (温度感受性の選択性によりよい)PFRは狭い居住時間分布を示します (中間製品が望まれる連続反応ではよりよい).

Q:安全性と最適化のために DCS はプロセスプラントの原子炉とどのように統合されますか?

A:DCSは3つのレベルで統合される: (1) 基本制御・PIDループは,温度,圧力,レベル,流量を設定点 (スキャン速度は1-10Hz,ループ実行は100-500ms) に維持する.(2) 安全機器システム (SIS) 独立論理解答器 IEC 61511 による停止を開始するプロセス変数が安全限界を超えると緊急冷却または圧縮 (SIL 1-3 定位,応答時間 1-5 秒)(3) 先進的なプロセス制御 (APC) モデル予測制御 (MPC) 多変数相互作用の最適化 (e)初期原理や経験的モデルを用いて,PAT (オンライン分析機) はリアルタイムで構成データをAPCに供給します.障害が製品品質に影響する前に予期するフード・フォワード制御を可能にする.

Q:ストーセルの批判性分類とは何か?

A: ストーセルの分類 (Ciba-Geigyでフランシス・ストーセルが開発) は,以下に基づいて外熱反応の熱危険を分類します.ΔTad (すべての反応剤が熱除去なしで反応した場合,アディアバティック温度上昇)MTSR (合成反応の最大温度) は,すべての蓄積された反応剤がアジューティック反応を行う場合に達する温度であり,分解反応が始まる温度である.クラス1:ΔTad < 50°C標準冷却で安全である.クラス2:50 < ΔTad < 200°C,MTSRは分解に近づく場合,緊急冷却が必要である.クラス3:MTSRは分解開始を上回る 消化が必要クラス4〜5:分解は迅速で自己加速し,本質的により安全な設計 (少量セットサイズ,連続流量) が必要です.

Q: 固定床と流体床原子炉の選択を決定するのは何ですか?

A: 固定式炉はよりシンプル (触媒の引き寄せがない,触媒の磨きが少ない,放射流の設計では圧力低下が低い) が,以下に苦しんでいます:外熱反応における高温ホットスポット (平均より高く最大50°C), 触媒再生の難しさ (シャットダウンが必要) と熱伝送の制限 (U = 100-400 W/m2K). 流体床炉はほぼ同熱状態 (ホットスポット < 5°C) に達します.オンライン催化器再生 (CCR 連続催化器再生) を許可する優れた熱伝達力 (U = 500-2,000 W/m2K) を有するが, 20-150 μm (流動化用) の触媒粒子の大きさ,単位当たりの圧力の低下 (0.5-1.0 bar) を要する.触媒の磨きを処理する (0.1-1%/日交換). 流体化ベッドは,以下のために好ましい:FCC (流体催化クレイキング),MTO (メタノールからオレフィン),および外熱均衡制限反応.

タグ:ステンレス鋼の原子炉,化学反応器システム,工業化学反応器