固定床列管式反应器的设计03(决赛国学改)

《固定床列管式反应器的设计03(决赛国学改)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固定床列管式反应器的设计03(决赛国学改)（40页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、D&C Chemical Co., Ltd.达纯化工有眼司D&C Chemical CoM Ltd.D&C Chemical Co., Ltd.D&C Chemical Co., Ltd.疋床刖管贰反应器D&C Chemical Co., Ltd.设计说朋目录固定床列管式反应器1的设计：一.反应器选择及操作条件说明3二工艺计算52.1催化剂用量52.2 站器列管数62. 3换热面积6三设备尺寸计算73.1反应器筒体直径732反应器高度8!1!3. 3筒体和封头厚度8接4.1进料管942出料管1043熔盐进出口104. 4安全阀104.5温度计接管114. 6 孔11五设计结果汇总12D&C C

2、hemicals Co.f Ltd.六参考文献:13固定床列管式反应器1的设计：一、反应器选择及操作条件说明14二工艺计算162.1催化剂用量162.2 站器列管数1723换热面积17三设备尺寸计算1831反应器筒体直径1832反应器高度1933筒体和封头厚度19四接管零部件尺寸计算204.1进料管204. 2出料2143熔盐进出口214. 4安全阀224.5鞍计接管224. 6 孔22五设计结果汇总23六参考文献：24D&C Chemical Co., Ltd.固定床列管式反应器1的设计一、反应器选择及操作条件说明A反应器选择：本工艺反应为气固相反应，返混程度不高，为了很好的控制温度，使传热

3、的面积更人，我们选择了列管式固定床形式。它的优点有：返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应 伴有串联副反应时町得较高选择性；催化剂机械损耗小；结构简单。它的投资和操作费用介 于绝热固定床和流化味之仙，气相两步氧化法生产内烯酸比较理想的反应设备。B操作条件说明：1.反应方程式：CH2CHCH3+02-*CH2CHCH0该步骤中会有副反应发生，副反应产物为乙酸和丙酸等。进料状态：丙烯是液态进料，经过丙烯蒸发器后变为气体进入预混合器，空气经过空气斥缩机进 入预混合器，水直接以液态水形式进入预混合器。2工艺条件确定：使用Mo-Bi系列催化剂。在温度为325C时候单程的丙烯醛收率为 90.2%，丙烯

4、酸的收率为6.0%，总收率为96.2%c原料组成反应器一的物料衡算表格可 以确定。反应温度控制在320C左右，出料温度为25OC,该反应是放热反应，反应产生 的热量要及时通过熔盐经熔盐换热器带走。反应温度反应温度对选择性、空时收率及出口气中各组分气体含量有一定关系。当选择操作温 度比较低时，反应的选择性较好，但空时收率较低；随着温度的升高，反应选择性略有下 降，与此同时空时收率在逐渐提高。温度继续升高，由于完全氧化副反应的加剧，使得反 应选择性明显下降，而且因为大量的氧气被消耗在完全氧化副反应上，使得反应器岀口气 屮氧气的含量大幅度地减少，并有一定量的一氧化碳生成，而一氧化碳的存在可使催化剂

5、3D&C Chemical Co., Ltd.的活性减退，这样必然使得空时收率产生明显下降。因此，丙烯酸合成过程存在着一个最 适宜的操作温度范围，并且随着使用催化剂活性的不断下降，需要相应地将操作温度逐渐 提高。反应压力在丙烯酸地合成过程中，由丁原料的单程转化率较低，丙烯的单程转化率一般较低。 因此，需要有大最的气体物料在系统内循环。丙烯酸合成反应属于分子数减少的反应，增 加压力有利于反应向生成丙烯醛和丙烯酸方向进行，同时加圧使反应物的浓度提高，有助 于反应速度的加快，这样就使得反应的空时收率能有所提高。因此，提高压力不仅可使空 时收率提高，而且有利于反应选择性的改善。但是，当斥力过大时容易有

6、二聚体的出现， 不利于得到所盂产品。当然压力的提高要受到设备条件的约朿，设备的投资费用随着压力 的升高而提高。3.已知物性参数由物料衡算得到如下表格:物料名称流 量摩尔流量质量物料名称 流 量摩尔流量质量(kg/h) kmol/h 组成(kg/h) kmol/h组成其中进料的总质最流最为25617.8 kg/h,縻尔流最为887.732kmol/h.出料的总质量流最为25617.8 kg/h,摩尔流量为88,2834kmol/h.二工艺计算2.1催化剂用量此工艺采用列管式固定床反应器,催化剂填充丁反应器的列管当中。催化剂为钳-钮催化剂,圆形,粒度为。520.5血,催化剂的空速为95lo下面是反

7、应方程式:CH2CHCH5+02-CH2CHCH0由物料衡算中可得，原料进料总的质最流量为25617. 8kg/h,在该条件下进料的半 均密度为6. 25kg/m5由公式:V上式中:为催化剂床层体积，单位为才:D&C Chemical Co., Ltd.Vf为原料气体体积流量，单位为必V为催化剂空速，单位为胪。故得：25617.895x6.25= 43.15(m3)#D&C Chemical Co., Ltd.#D&C Chemical Co., Ltd.2. 2反应器列管数给定管子为O30mX2.5m,故内径&为0.02加，催化剂填充高度为3.5m。故列管数兀4=25128(+8；)x (0

8、.025)2#D&C Chemical Co., Ltd.#D&C Chemical Co., Ltd.列管采用正三角形排列，实际取的管数为25200根。2. 3换热面积2. 3. 1热量衡算：由aspen模拟可得:对于该反应，反应吸收的总热量为：10993817KJ/h;反应放出的总热最为:17299022KJ/h.因此对于该反应实际放热量为：17299022-10993817=6305205KJ/h反应的传热系数为K二130. 52. 3. 2核算换热面积熔盐进口温度325C出口温度为250C,整个床层近似地看成等温为330C, 故传热推动力为:At(330-250) + (330 - 3

9、25) = 42 化需要传热而积为:KAtm6305205130.5x42.5=1136.85m2实际传热面积为：役=MltLn = 3.14x 0.025 x 3.5 x 25200 = 6923.70nrAQA需，能满足传热要求。三设备尺寸计算3.1反应器筒体直径列管式反应器壳体直径用下式计算：D=t (b-l)+2e上式中：t列管管间距，对于正三角形排列t=l. 368d0, d。为列管外径;b- 最外层六边形对角线上的管数，b=2a+l, a为八边形层数，a = (12n-3)-i n 为列管数；6 2e-最外层列管到壳体距离,e=(ri.5)d0o列管为30mm X 2. 5mm,共

10、25200根。所以t = l. 368X0. 025=0. 0342 (m)a = -x（12x25200-3）- = 91（层）6 2b=2X91+l=183（根）7D&C Chemicals Co.f Ltd.e = l. 5X0. 025=0. 0375(m)D=0. 0342(183- 1)+2X0. 0375=6. 299(m)取反应器壳体直径 P=6. 3m3. 2反应器高度列管长度：由工艺计算中可知，列管长度Z=4. 55/；筒体顶部空间：根据床力容器手册，从二1加；筒体底部空间：根据圧力容器手册，仏二2加；封头高度：采用EHA椭圆形封头，根据JB/T 4746-2002可得，曲

11、面高度 炉1000, 直边高度仏=50血,则封头高度 炉2X (1.0+0.05) =2. Im.由于反应器下部用于 对反应出料的降温，根据西安华威公司提供的相关材料可知气用于降温部分的长度为2. 2m。由以上可得：反应器高度H二L+Ha+Hb+Hc+U=4. 5+1. 0+2. 0+2.1+2. 2=11. 8m3. 3筒体和封头厚度化工生产中的容器壁厚可根据下式计算：s_ Ppi2b。一 p式中:D&C Chemicals Co” Ltd.S一一容器计算厚度，mm：P一设计压力，MPa：Dx筒体内直径，mm：a材料的许用压力，MPa：0焊缝系数。本反应器材质选择不锈钢0Crl8Ni9,査G

12、B150可知，材料的许用床力为82.6MPa：采用双而焊对接焊缝，焊缝系数取0.85：由工艺计算中可知，反应器设计压力为0. 4MPa,筒体内直径为6300mm。所以筒体的计算厚度s =13.48mm0.3x 63002x82.6x0.85-0.3査GB708可知，厚度负偏差C产0.22mm，腐蚀裕ft C2=2mm,故筒体的名义厚度6二S+G+G=13. 48+0. 22+2=15. 7mm取圆整后，则筒体的名义厚度为16mm。封头厚度与筒体厚度等同。接管零部件尺寸计算4.1进料管由物料衡算中可知，进料流量% = 3.685m3/s .根据常用化工单元设计 书中Pd常压操作时，町取12-20

13、m/s：绝对圧力为600014000pa时，町取30“50m/s；绝对 压小丁 6000pa时，nJ取5070m/So山丁进料部位的气体密度较小设进料流速为30m/s。则进料管直径d=0.396m/4Vf _/4x 3.685寸 TZUf _ V 3.14x30由以上计算，选取公称直径400mm, 0 426mm X 8mm的进料管。管法兰选用PL400(B) -0. 25RF,外加补强圈,型号为 DN200x 6-Q235-B JB/T4736。4. 2出料管由物料衡算中可知，出料流量Vf = 6.775m / s,管流速u f同样取3om/s,则出料管直径#D&C Chemicals Co

14、” Ltd.#D&C Chemicals Co” Ltd.由以上计算，选取公称直径550mm, 0 569mmX9. 5mm的出料管。管法兰选用PL400(B) -0. 25RF,外加补强圈,型号为 DN200X6-B-Q235-B JB/T4736。4. 3熔盐进出口最大撤热暈为：27.22MW同4.1、4.2,熔盐流量Vf =0.23m/s ,管流速Uf = 2m/s,熔盐进出口直径由以上计算，选取公称直径400mm, 0 426mm X 8mm的接管。管法兰选用PL400(B)-0. 25RF,外加补强圈，型号为 DN200X6-B-Q235-B JB/T4736。4.4安全阀由本设计设

15、计压力为180Kpa,额定排放压力为180KPa,参考化工设计手册，选公称11D&C Chemicals Co.f Ltd.直径为100mm, e 108nunX4mm的接管，接管距轴500mm。管法兰选用PL100 (B) -025RF-査法兰标准：D二210mm, C=18nun。故取管1 = J(0.9045 x 2000 +100 + 4尸 一 395? - 0.6545 x 2000 -0.5x J(1000 + 4)? - 500, +18=145.46mm长 L 为 150mm。4. 5温度计接管采用外用接管，内用无缝钢管，参照化工设计手册，外接管为e45mmX3.5min, L

16、=137mm,无缝钢管为e 32mmX3. 5mm,长度 L=163Ctomo4.6孔工作压力为0.18MPa ,工作温度为325C,筒体内径为6300 mm,大于900mm, 故选用人孔III (A G) A450-0. 6 HG21516-95,法兰选用 PL450 (B) -0. 25RF,同时采用 补强圈DN450X6-B-Q235-B JB/T4736,厚度与筒体相同。五设计结果汇总项目数值及运算列管规格e 30mmX2. 5mm,长 4.55m铁钮催化剂规格圆形，4)5. 20.5nm,填充 3. -5m列管数25200,正三角形排列换热面积1136.85 m2筒体直径6. 3m筒

17、体高度7.5m封头高度1050mm反应器髙度11.8m筒体壁厚16mm封头壁厚16mm进料管e 426mmX 9mm出料管0 569mmX9. 5mm熔盐进出口 426mmX9mm安全阀接管0 108mm X 4mm，长 150mmD&CChemiglCj Ltd.六参考文献： 常用化工单元设备的设计第2章列管式换热器的选型，陈英南、刘玉兰主编，华东理工大学出版 社。 化工原理第三版第1章流体流动、第4章传热及换热器，化学工业出版社，管国锋、赵汝溥主 编。 化工原理修订版上册第1章流体流动、第4章传热，天津人学出版社，夏清、陈常贵主编。 列管式固定床反应器的设计探讨，北京石油化工学院学报，赵增

18、慧、夏丽。 壮相氧化按基化合成碳酸二甲酯工艺的模拟研究，南京工业人学，张宗飞。西安华威公司年产三万吨丙烯酸反应器制造方案。13D&C Chemical Co, Ltd.固定床列管式反应器2的设计一、反应器选择及操作条件说明A反应器选择：本工艺反应为气固相反应，返混程度不高，为了很好的控制温度，使传热的面积更大，我们选择了列管式固定床形式。它的优点有：返混小，流体同催化剂可进行有效接 触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性；催化剂机械损耗小：结构简单。 它的投资和操作费用介于绝热固定床利流化床之间，气相两步氧化法生产丙烯酸比较理想 的反应设备。B操作条件说：1反应方程式：2 CHzCHCHOO

19、： 2CH2CHC00H该步骤中会有副反应发生，副反应产物为甲醛、乙醛、二氧化碳、一氧化碳等。进料状态:丙烯醛液态进料，空气一部分气压缩机进入反应器，另一部分经循环进入反 应器。2.工艺条件确定：使用Mo-V列催化剂。在温度为325C时候单程的丙烯醛的转化率为 98.65%丙烯酸的收率为88. 1%原料组成反应器一的物料衡算表格可以确定。反应温度控 制在300C,出料温度为250C,该反应是放热反应，反应产生的热量要及时通过熔盐经 熔盐换热器带走。反应温度反应温度对选择性、空时收率及出口气中各组分气体含量有一定关系。当选择操作温 度比较低时，反应的选择性较好，但空时收率较低；随着温度的升高，反

20、应选择性略有下 降，与此同时空时收率在逐渐提高。温度继续升高，由于完全氧化副反应的加剧，使得反 应选择性明显下降，而且因为大量的氧气被消耗在完全氧化副反应上，使得反应器出口气 中氧气的含最大幅度地减少，并有一定量的一氧化碳生成，而一氧化碳的存在可使催化剂 的活性减退，这样必然使得空时收率产生明显下降。因此，内烯酸合成过程存在着一个最 适宜的操作温度范围，并且随着使用催化剂活性的不断下降，盂要相应地将操作温度逐渐 提高。反应压力在丙烯酸地合成过程中，由于原料的单程转化率较低，丙烯醛的单程转化率一般较低。 因此，需要有大量的气体物料在系统内循环。丙烯酸合成反应属于分子数减少的反应，增 加床力有利于

21、反应向生成丙烯酸方向进行，同时加床使反应物的浓度提高，有助于反应速 度的加快，这样就使得反应的空时收率能有所提高。因此，提奇压力不仅可使空时收率提 高，而且有利于反应选择性的改善。但是，当压力过大时容易有二聚体的出现，不利于得 到所需产品。当然斥力的提高要受到设备条件的约束，设备的投资费用随着床力的升高而 提高。3已知物性参数有物料衡算得到如卜表擀：RST0IC2第二反应器物料平衡表物料名称质童流童摩尔流童质童物料名称 质童流 摩尔流童 质童kmol/h量kmol/h(kg/h)组成(kg/h)组成。22437.2976.168170.079O21032.43332.264750.034n22

22、0868.31744.9380.68N22086831744.9380.68h2o276836153.66730.09h2o2994.72166.23220.098ch2chch.38436050.91339041.25E-03ch2chch.38436050.91339041.25E-03F9 CH2CHCHO3307.23358.990150.108Fll CH2CHCHO9.92170.1769705323E04输AA641.72958.9050480.021输AA4382.64560.816380.143入 ch3cooh154.63092.5749265.04E-03出 CHjCOO

23、H154.63092.574926504E03co2335.97187.6340220.011CO2764.335617.36740.0249co1183534.2253243.86E-03CO390.988713.95870.013HCHO8.2665860.2753117269E04HCHO33.064151.1011741.08E-03CH3CHO3.0129520.06839359.82E-05CH3CHO12.108410.27485913.95E-04C7H8000C7H8000DAA000DAA000总计30681.5941058.361总计30681.5941040.61881

24、二工艺计算2.1催化剂用量此工艺采用列管式固定床反应器，催化剂填充于反应器的列管当中。催化剂为钳-锐催化剂，圆形，粒度为05. 20.5顾催化剂的空速为114胪。下面是反应方程式：CH2CHCH3+02CH：CHCHO由物料衡算中可得，原料进料总的质最流最为25617. 8kg/h,在该条件下进料的平 均密度为7. 106kg/m5M317D&C Chemical Co., Ltd.V =3 由公式：R v上式中:%为催化剂床层体积，单位为加D&C Chemical Co., Ltd.D&C Chemical Co., Ltd.Vf为原料气体体积流量，单位为应刑；V为催化剂空速，单位为力T。故

25、得:30481.594 =3?114x7.1062. 2反应器列管数给定管子为。30血X2. 5m,故内径占为0.02刃，催化剂填充高度为3.0。故列管数37.63X (O.O25)2=25555(+bi)列管采用正三角形排列，实际取的管数为25600根。2. 3换热面积 2. 3.1热量衡算：由aspen模拟可得：对于该反应，反应吸收的总热最为：5. 88X10；KJ/h总热最为:6. 92X10:KJ/h因此对于该反应实际放热量为：6. 92X10?-5. 88X 107=l. 04X10?KJ/h反应的传热系数为K=200. 3D&C Chemical Co., Ltd.2. 3. 2核

26、算换热面积熔盐进口温度325C出口温度为250C,整个床层近似地看成等温，为310C,故传热推动力为：At(310250) + (310 300) = 3yc2 _需要传热面枳为:KAtm=s&=1483-49m?实际传热面枳为:爲:=dtLn = 3.14x 0.025 x 3.0 x 25600 = 6028.8mAQA爲，能满足传热要求。三设备尺寸计算3.1反应器筒体直径列管式反应器壳体直径用下式计算：P=t(b-l)+2e上式中：t 列管管间距，对于正三角形排列t = l. 368do, d。为列管外径;b 最外层六边形对角线上的管数，b=2a+l, a为六边形层数，a = -(12n

27、-3)-, n 为列管数；6 2e - 最外层列管到壳体距离，e=(Tl. 5)doo列管为30mm X 2. 5mm,共25200根。所以t = l. 368X0. 025=0. 0342 (m)a = -x(12x 256003)% - = 92(层)6 2b=2X921 = 185 根)e = l. 5X0. 025=0. 0375 (m)D=Q. 0342(185-1)+2X0. 0375=6. 3678m取反应器壳体直径 D=6. 4m3.2反应器高度列管长度：由工艺计算中可知，列管长度Z=3. 4m筒体顶部空间：根据圧力容器手册，HEi；筒体底部空间：根据压力容器手册，仏二2加封头

28、高度：采用EHA椭圆形封头，根据JB/T 4746-2002可得，曲面高度侏1000如,百边高度“=50颐 则封头高度 Hf2 X (1. 0+0. 05)二2. Into由以上可得：反应器高度H二L+Ha+Hb十He=3. 4+1+2. 0+2.1二8. 5m3. 3筒体和封头厚度化工生产中的容器壁厚可根据下式计算:s = PB 2Qe- p式中：S容器计算厚度，mm；P一设计压力，MPa；Di筒体内直径，mm；a一一材料的许用压力，MPa：卩焊缝系数。本反应器材质选择不锈钢0Crl8Ni9,GB150可知，材料的许用床力为82.6MPa；采用双而焊对接焊缝，焊缝系数取0.85：由工艺计算中

29、可知，反应器设计压力为0. IMPa,筒体内直径为6300mm。所以筒体的计算厚度s =0.3x64002x82.6x0.85-0.3=13.70mm查GB708可知，厚度负偏差G二0.22mm,腐蚀裕虽Q二2mm,故 筒体的名义厚度6二S+G+Q二13. 70+0. 22+2=15. 92mm取圆整后，则筒体的名义厚度为16mm。封头厚度与筒体厚度等同。4.1进料管由物料衡算中可知，进料流最Vf = 7.764m3/s.根据常用化工单兀设备设计书中Pq 常压操作时，可取12-20m/s；绝对乐力为6000-14000pa时，町取30-50m/s：绝对压小j 6000pa时.可取5070m/s

30、。由于进料部位的气体密度较小设进料流速为30m/s则进料管直径d =4x7.764V 3.14x30=0.574m21D&C Chemical Co., Ltd.由以上计算，选取公称直径600mm, 0 619mmX9. 5mm的出料管。管法兰选用PL600-0. 25RF, 外加补强圈，型号为 DN200X6-B-Q235-B JB/T4736。4. 2出料出料管;由物料衡算中可知，出料流量Vf =7.181m3/s,管流速Uf同样取3伽人, 则出料管直径竺=4x7.181 _O 552mTZUfV 3.14x 30由以上计算，选取公称直径550mm, 0 569mm X 9. 5mm的出料

31、管。管法兰选用PL550-0.25RF,外加补强圈，型号为 DN200X6-B-Q235-B JB/T4736。4. 3熔盐进出口最人撤热量为：16.19MW同4.1、4.2,熔盐流量Vf = 0.64m3 /s ,管流速uf = 4m/s，熔盐进出口直径#D&C Chemical Co., Ltd.#D&C Chemical Co., Ltd.由以上计第选取公称直450mm, 468mm X 9mm的接管。管法兰选用PL450(B) -025RF,#D&C Chemical Co., Ltd.外加补强圈，型号为 DN200X6-B-Q235-B JB/T4736。4. 4安全阀由本设计设计压

32、力为175Kpa,额定排放压力为175KPa,参考化工设计手册，选公称 直径为100mm, 0 108mmX4mm的接管，接管距轴500mm。管法兰选用PL100 (B) -0. 25RF。查法兰标准：D二210mm, C=18mmo故取管1 = J(0.9045 x 2000 +100 + 4尸 一 395? - 0.6545 x 2000 -0.5x J(1000+ 4尸 - 500 +18 =145.46mm长 L 为 150mm。4. 5温度计接管采用外用接管，内用无缝钢管，参照化工设计手册，外接管为e45mmX3.5mm, L二 137mm,无缝钢管为0 32mmX3. 5mm 长度

33、 L=1630mm。4.6孔工作压力为18MPa,工作温度为325C,筒体内径为6300 mm,大于900mm, 故选用人孔III (A - G) A450-0. 6 HG21516-95,法兰选用 PL450 (B) -0. 25RF,同时采用 补强圈DN450X6-B-Q235-B JB/T4736,厚度与筒体相同。23D&C Chemical Co., Ltd.#D&C Chemical Co., Ltd.五设计结果汇总项目数值及运算列管规格 30mmX2. 5mm,长 3. 4m铁钳催化剂规格圆形，5. 20.5nm,填充3. 0m列管数25600正三角形排列换热面积1483. 49m

34、2筒体直径6. 4m筒体高度6. 4m封头高度1050mm反应器高度8. 5m筒体壁厚16mm封头壁厚16mm进料管O 619mmX9. 5mm出料管e 569mmX9. 5mm熔盐进出口 468mmX9mm安全阀接管 108mmX4mm25D&C Chemical Co., Ltd.六参考文献： 常用化工单元设备的设计第2章列管式换热器的选型，陈英南、刘玉兰主编，华东理工人学出版 社。 化工原理第三版第1章流体流动、第4章传热及换热器，化学工业出版社，管国锋、赵汝溥主 编。 化工原理修订版上册第1章流体流动、第4章传热，天津人学出版社，夏清、陈常贵主编。 列管式固定床反应器的设计探讨，北京石油化工学院学报，赵增慧、夏丽。 气相氧化拨基化合成碳酸二甲酯工艺的模拟研究，南京工业大学，张宗飞。西安华威公司年产三万吨丙烯酸反应器制造方案。#