管式反應(yīng)器課程設(shè)計(jì)

1、化學(xué)化工學(xué)院化工專業(yè)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 管式反應(yīng)器設(shè)計(jì) 化 工 系 化工專業(yè)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)文檔質(zhì)量評(píng)分表（100分）指標(biāo)點(diǎn)2.2問題分析能力（25分）指標(biāo)點(diǎn)3.1設(shè)計(jì)解決方案（75分）反應(yīng)規(guī)模及方案（3分）反應(yīng)器設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范（10分）反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)及其來源（3分）反應(yīng)器選型合理性（5分）反應(yīng)器物理、數(shù)學(xué)模型合理性（5分）反應(yīng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、圖紙及其合理性（20分）反應(yīng)器物料衡算（7分）反應(yīng)器換熱設(shè)計(jì)校核及合理性（10分）反應(yīng)器熱量衡算（7分）反應(yīng)器控制方案、危險(xiǎn)及其相應(yīng)安全措施（10分）反應(yīng)器設(shè)計(jì)文檔質(zhì)量（20分）小計(jì)小計(jì)總計(jì)評(píng)委簽名: 日期：目錄緒論11設(shè)計(jì)內(nèi)容與方法介紹21.1反應(yīng)器設(shè)

2、計(jì)概述21.2設(shè)計(jì)內(nèi)容21.3生產(chǎn)方法介紹31.4反應(yīng)器類型特點(diǎn)41.5反應(yīng)器選擇及操作條件說明42工藝計(jì)算52.1主要物性數(shù)據(jù)52.2MATLAB 計(jì)算，確定管長，主副反應(yīng)收率52.3管數(shù)計(jì)算63壓降計(jì)算公式74催化劑用量計(jì)算75換熱面積計(jì)算76反應(yīng)器外徑計(jì)算87壁厚計(jì)算88 筒體封頭計(jì)算99管板厚度計(jì)算910設(shè)計(jì)結(jié)果匯總911設(shè)計(jì)小結(jié)10緒論管式反應(yīng)器一種呈管狀、長徑比很大的連續(xù)操作反應(yīng)器。這種反應(yīng)器可以很長，如丙烯二聚的反應(yīng)器管長以公里計(jì)。反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)可以是單管，也可以是多管并聯(lián)，可以是空管，如管式裂解爐，也可以是在管內(nèi)填充顆粒狀催化劑的填充管，以進(jìn)行多相催化反應(yīng)，如列管式固定床反應(yīng)器。

3、通常，反應(yīng)物流處于湍流狀態(tài)時(shí)，空管的長徑比大于50，填充段長與粒徑之比大于100(氣體)或200（液體），物料的流動(dòng)可近似地視為平推流。管式反應(yīng)器返混小，因而容積效率（單位容積生產(chǎn)能力）高，對(duì)要求轉(zhuǎn)化率較高或有串聯(lián)副反應(yīng)的場合尤為適用。此外，管式反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)分段溫度控制。管式反應(yīng)器在近40年里，由于其體積小，效率高的特點(diǎn)，在化工中的應(yīng)用與發(fā)展十分迅速。因此，對(duì)管式反應(yīng)器的研究具有深遠(yuǎn)的意義。 ；我國自20世紀(jì)80年代引進(jìn)這一先進(jìn)技術(shù)后，由上?；ぱ芯吭骸⒛先A集團(tuán)設(shè)計(jì)院和鄭州工業(yè)大學(xué)在“七五”期間承擔(dān)了管式反應(yīng)器的國家攻關(guān)項(xiàng)目，四川大學(xué)在“八五”、“九五”、“十五”期間也承擔(dān)了管式反應(yīng)器的國家攻

4、關(guān)項(xiàng)目和有關(guān)基礎(chǔ)研究工作。一些研究、設(shè)計(jì)院和高校大力協(xié)同，積極開展基礎(chǔ)研究工作和承擔(dān)工程項(xiàng)目，至今取得了很大的成績，填補(bǔ)了這一領(lǐng)域的空白。隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，我國研制的新型管式反應(yīng)器也必將趕上世界先進(jìn)水平，在化工界占有一席之地。20世紀(jì)60年代美國TVA公司將管式反應(yīng)器用于磷酸銨的氣液固三項(xiàng)系統(tǒng)，省掉了傳統(tǒng)的預(yù)中和工藝；70年代以來，許多國家在磷復(fù)合肥工業(yè)中相繼開發(fā)了各種管式反應(yīng)器以及相應(yīng)的新流程，如德國UHDE公司、西班牙CROS公司。目前世界上生產(chǎn)磷酸銨最簡捷、能耗最低的流程是西班牙Aspindesa公司開發(fā)的生產(chǎn)粉狀MAP的管式反應(yīng)器噴霧流程。如今的管式反應(yīng)器的開發(fā)已擴(kuò)展到磷酸銨以外的

5、許多化肥生產(chǎn)領(lǐng)域，如硫基復(fù)合肥的中和段采用了短管型管式反應(yīng)器，并且在擴(kuò)大段形成了一個(gè)內(nèi)循環(huán)反應(yīng)過程以延長停留時(shí)間。然而，隨著科技的不斷發(fā)展，新型的管式反應(yīng)器將被不斷地被研究出，為化工行業(yè)帶來方便。1設(shè)計(jì)內(nèi)容與方法介紹1.1反應(yīng)器設(shè)計(jì)概述化學(xué)反應(yīng)器是將反應(yīng)物通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的裝置，是化工生產(chǎn)及相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。由于化學(xué)反應(yīng)種類繁多，機(jī)理各異，因此，為了適應(yīng)不同反應(yīng)的需要，化學(xué)反應(yīng)器的類型和結(jié)構(gòu)也必然差異很大。反應(yīng)器的性能優(yōu)良與否，不僅直接影響化學(xué)反應(yīng)本身，而且影響原料的預(yù)處理和產(chǎn)物的分離，因而，反應(yīng)器設(shè)計(jì)過程中需要考慮的工藝和工程因素應(yīng)該是多方面的。l 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)主要包括：1)反應(yīng)

6、器選型；2)確定合適的工藝條件；3)確定實(shí)現(xiàn)這些工藝條件所需的技術(shù)措施；4)確定反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸；5)確定必要的控制手段。l 在反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)，除了通常說的要符合“合理、先進(jìn)、安全、經(jīng)濟(jì)”的原則，在落實(shí)到具體問題時(shí)，要考慮到下列的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：1)保證物料轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)時(shí)間；2)滿足物料和反應(yīng)的熱傳遞要求；3)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臄嚢杵骱皖愃谱饔玫臋C(jī)構(gòu)；4)注意材質(zhì)選用和機(jī)械加工要求。1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容在列管反應(yīng)器中進(jìn)行鄰二甲苯（A）氧化制鄰苯二甲酸酐（B），反應(yīng)為連串平行反應(yīng)。三個(gè)反應(yīng)的速率方程為r1=k1PAPO2 k1=0.04017exp(-13500/T)r2=k2PBPO2 k2=0.1175exp(-

7、15500/T)r3=k3PAPO2 k3=0.01688exp(-14300/T)(-Hr)B= 1285 kJ/kmol; (-Hr)C=4561 kJ/kmol其中C是歸并在一起的最終產(chǎn)物CO和CO2。已知?dú)怏w混合物的表觀質(zhì)量流速為G(5850 kg/m2·h)，催化劑堆積密度為1300kg/m3，反應(yīng)壓力1.25×105Pa,氣體平均摩爾質(zhì)量Mm=29.48 kg/kmol，入口處鄰二甲苯的摩爾分?jǐn)?shù)yA0(0.00874)，入口處氧的摩爾分?jǐn)?shù)yO2(0.2064)，原料溫度T0(628K),比熱容Cp=1.047(kJ/kmol·K)。反應(yīng)熱量通過管外冷流

8、體強(qiáng)制循環(huán)移除，傳熱系數(shù)U=508kJ/(m2·h·K)，且認(rèn)為冷流體溫度恒定，溫度為Tc(613K)。試對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行床層壓降校核。催化劑粒徑，床層空隙率參數(shù)自己選擇。催化劑耐受的最高溫度為660 K。產(chǎn)能：1萬噸鄰苯二甲酸酐/年每年生產(chǎn)周期按300天計(jì)1.3生產(chǎn)方法介紹鄰二甲苯氧化法610640K主反應(yīng)如上圖，此外，由副反應(yīng)還生成苯甲酸、順丁烯二酸酐等。該反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，因此選擇適宜的催化劑（高活性和高選擇性）和移出反應(yīng)熱以抑制深度氧化反應(yīng)，是工業(yè)過程的關(guān)鍵。工業(yè)生產(chǎn)方法一般是采用以五氧化二釩為主的釩系催化劑（見金屬氧化物催化劑）進(jìn)行鄰二甲苯的氣相氧化。19

9、74年，開發(fā)了高負(fù)荷表面涂層的釩系催化劑，催化劑載體是惰性的無孔瓷球、剛玉球和碳化硅球等。選用環(huán)狀載體制備催化劑。這種新型催化劑可以減少因內(nèi)擴(kuò)散引起的深度氧化反應(yīng)，從而提高了苯酐的收率、選擇性和催化劑的負(fù)荷。反應(yīng)器多采用列管式固定床。典型工藝過程是將過濾后的無塵空氣經(jīng)壓縮、預(yù)熱，與氣化的鄰二甲苯蒸氣混合后進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)熱由管外循環(huán)的熔鹽帶出。反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，被冷卻的反應(yīng)氣經(jīng)進(jìn)一步冷卻，回收粗苯酐。尾氣經(jīng)水洗回收順丁烯二酸酐后放空，或用催化燃燒法凈化后再放空。粗苯酐經(jīng)減壓精餾由塔頂分離出低沸點(diǎn)的順丁烯二酸酐、甲基順丁烯二酸酐及苯甲酸等，塔底物料經(jīng)真空精餾，得到苯酐產(chǎn)品。1.4反應(yīng)器類型

10、特點(diǎn)反應(yīng)器大致可以分為釜式反應(yīng)器、管式反應(yīng)器、固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器。其中，固定床反應(yīng)器又分為絕熱式、多段絕熱式、列管式、自熱式反應(yīng)器。釜式反應(yīng)器：反應(yīng)器中物料濃度和溫度處處相等，并且等于反應(yīng)器出口物料的濃度和溫度。物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間又長又短，存在不同停留時(shí)間物料的混合，即返混程度最大。適應(yīng)范圍廣泛，投資少，投產(chǎn)容易。但換熱面積小，反應(yīng)溫度不易控制，停留時(shí)間不一致。多大多數(shù)用于有液相參與的反應(yīng)。管式反應(yīng)器：反應(yīng)物的分子在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間相等，所以在反應(yīng)器內(nèi)任何一點(diǎn)上的反應(yīng)物濃度和化學(xué)反應(yīng)速度都不隨時(shí)間變化，只隨管長變化。管式反應(yīng)器具有容積小、比表面大、單位容積的傳熱面積大，特別適用

11、于熱效應(yīng)較大的反應(yīng)。適用于大型化和連續(xù)化的化工生產(chǎn)。管式反應(yīng)器既適用于液相反應(yīng)，又適用于氣相反應(yīng)。用于加壓反應(yīng)尤為適用。固定床反應(yīng)器：返混小，流體同催化劑可進(jìn)行有效解除，當(dāng)反應(yīng)伴有串聯(lián)副反應(yīng)時(shí)可得較高選擇性。催化劑機(jī)械損耗小。結(jié)構(gòu)簡單。主要用于氣固相催化反應(yīng)。流化床反應(yīng)器：流固相界面積大，有利于非均相反應(yīng)的進(jìn)行，提高了催化劑的利用率。顆粒在床內(nèi)混合激烈床層與內(nèi)浸換熱表面見的傳熱系數(shù)很高，全床熱容量大，熱穩(wěn)定高。但是催化劑顆粒間相互碰撞劇烈，造成催化劑的損失和除塵的困難。絕熱式固定床反應(yīng)器：結(jié)構(gòu)簡單，床層橫截面溫度均勻。單位體積內(nèi)催化劑量大，即生產(chǎn)能力大。但只適用于熱效應(yīng)不大的反應(yīng)。多段絕熱式固

12、定床反應(yīng)器：熱效應(yīng)大，常把催化劑床層分成幾段，段間采用間接冷卻或原料氣冷激。列管固定床反應(yīng)器：反應(yīng)器由多根反應(yīng)管并聯(lián)構(gòu)成，管數(shù)可達(dá)萬根以上，具有良好的傳熱性能，單位床層體積具有較大的傳熱面積，可用于熱效應(yīng)中等或稍大的反應(yīng)過程。自熱式反應(yīng)器：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，操作彈性小。啟動(dòng)反應(yīng)時(shí)常用電加熱。1.5反應(yīng)器選擇及操作條件說明A反應(yīng)器選擇：本工藝反應(yīng)為氣固相反應(yīng)，返混程度不高，為了很好的控制溫度，使傳熱的面積更大，我們選擇了列管式固定床形式。它的優(yōu)點(diǎn)有：返混小，流體同催化劑可進(jìn)行有效接觸，當(dāng)反應(yīng)伴有串聯(lián)副反應(yīng)時(shí)可得較高選擇性；催化劑機(jī)械損耗??；結(jié)構(gòu)簡單。它的投資和操作費(fèi)用介于絕熱固定床和流化床之間，是氣相

13、氧化法生產(chǎn)鄰苯二甲酸酐比較理想的反應(yīng)設(shè)備。B 操作條件說明：1. 反應(yīng)方程式：C6H4CH3CH3 +3O2C6H4C2O3 +3H2O該步驟中會(huì)有副反應(yīng)發(fā)生，副反應(yīng)產(chǎn)物為苯甲酸、順丁烯二酸酐等。進(jìn)料狀態(tài): 鄰二甲苯是液態(tài)進(jìn)料，經(jīng)過鄰二甲苯蒸發(fā)器后變?yōu)闅怏w進(jìn)入預(yù)混合器，空氣經(jīng)過空氣壓縮機(jī)進(jìn)入預(yù)混合器。 2. 工藝條件確定：使用V2O5為催化劑。反應(yīng)溫度控制在 625K左右，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量要及時(shí)通過熔鹽經(jīng)熔鹽換熱器帶走。2工藝計(jì)算2.1主要物性數(shù)據(jù)物質(zhì)鄰二甲苯鄰苯二甲酸酐分子式C8H10C8H4O3相對(duì)分子質(zhì)量106148密度8801530熔點(diǎn)-25.5130.8沸點(diǎn)144.4

14、284 閃點(diǎn)30152 自燃點(diǎn)4635702.2 MATLAB 計(jì)算，確定管長，主副反應(yīng)收率本次反應(yīng)器設(shè)計(jì)利用計(jì)算軟件MATLAB進(jìn)行優(yōu)化和模擬。首先利用軟件語言寫出反應(yīng)程序；然后運(yùn)行得到反應(yīng)器物料收率和溫度隨反應(yīng)器長度的變化情況及各個(gè)點(diǎn)的反應(yīng)狀態(tài)。最后通過改變工藝參數(shù)，如冷流體熔鹽的溫度、管徑，對(duì)反應(yīng)器結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，由MATLAB計(jì)算得到數(shù)據(jù)，做出主副反應(yīng)收率隨管長變化圖以及管內(nèi)溫度隨管長變化圖，最終確定最適收率和管長。主副反應(yīng)收率隨管長變化圖 管內(nèi)溫度隨管長變化圖由主副反應(yīng)收率隨管長變化圖可以看出，當(dāng)管長在4m以下時(shí)，隨著管長增加，主反應(yīng)收率增長速度高于副反應(yīng)收率增長速度；當(dāng)管長在4m以上

15、時(shí)，隨著管長增加，主反應(yīng)收率增長速度低于副反應(yīng)收率增長速度，所以選擇管長為4m。當(dāng)選擇管長為4m時(shí)，主反應(yīng)的收率為63%，副反應(yīng)的收率為14.5%。同時(shí)，由管內(nèi)溫度隨管長變化圖可以看出，管長在4m內(nèi)的最高溫度為631K，而催化劑耐受的最高溫度為660 K，所以管長選擇合理。2.3管數(shù)計(jì)算此次生產(chǎn)任務(wù)為1萬噸鄰苯二甲酸酐/年，每年生產(chǎn)周期按300天計(jì)，氣體混合物的表觀質(zhì)量流速為G(5850 kg/m2·h)，入口處鄰二甲苯的摩爾分?jǐn)?shù)yA0(0.00874),選用的管子內(nèi)徑為0.026m,主反應(yīng)的收率為63%，根據(jù)工藝參數(shù)計(jì)算出所需管數(shù)。長徑比=400032=125>50,符合要求

16、n= 10000000×106300×24×148×0.63×0.00874×5850××0.026×0.0264 =58165根由于反應(yīng)器管子數(shù)太多，加工制造不方便，綜合考慮，選擇12臺(tái)列管式反應(yīng)器并聯(lián)，管子采用正三角形排布方式，以下數(shù)據(jù)為一臺(tái)列管式反應(yīng)器的工藝參數(shù)。列管參數(shù)表列管規(guī)格管數(shù)管長（mm）管材500040000Cr18Ni93壓降計(jì)算公式PH = Gg.g.dp .1-3 .(1501-dp+1.75G)G-流體質(zhì)量流率，kg/m2/s -流體黏度，kg/m/s-流體密度，kg/m3 -孔隙

17、率H-列管長度 g-重力加速度，m/ s2其中H=4.0m,G=1.625 kg/m2·s，g=1.169 kg/m3 ,g=9.81m/ s2, =0.58，dp=0.005m, =1.81·10-6kg/m·s計(jì)算得到：P=1.6251.169×9.81×0.005 .1-0.580.583 .1501-0.58×1.81×10-60.005+1.75×1.625×4=700Pa<10%P所以壓降計(jì)算符合要求。4催化劑用量計(jì)算反應(yīng)器體積：催化劑量： 5換熱面積計(jì)算傳熱系數(shù)U=508kJ/(m2&

18、#183;h·K)=141.11W/( m2·K)對(duì)數(shù)平均溫差公式tm = t1-t2lnt1t2計(jì)算得tm=9.82K由Aspen模擬可知，反應(yīng)放出熱量為Q=4039KW根據(jù)公式A需=QK·tm ,計(jì)算得到A需=2915 m2A實(shí) =58165×4××0.026=19004 m2 因?yàn)?A實(shí)>A需，所以換熱面積設(shè)計(jì)合理6反應(yīng)器外徑計(jì)算根據(jù)公式 D = t·(nc-1)+2 b'反應(yīng)管按正三角形排列，故 nc=1.1n=1.158165=265.3266»» t=1.368d0=0.036m

19、b'=1.3d0=1.3×0.026=0.0338計(jì)算得 D=9.608m圓整后取D=9.7m7壁厚計(jì)算該反應(yīng)器操作溫度為 625K，取設(shè)計(jì)溫度 625K，操作壓力 1.25×105Pa,取設(shè)計(jì)壓力為 1.25×105Pa,考慮到反應(yīng)溫度較高， 且反應(yīng)為放熱反應(yīng)， 采用鋼號(hào)為 Q345R 的鋼板，取焊接接頭系數(shù) =0.85，則查化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)可知該材料在設(shè)計(jì)溫度625K時(shí)的許用應(yīng)力t=137MP；腐蝕裕量 C2=2mm。計(jì)算厚度= PcDi2t -Pc =78.5mm設(shè)計(jì)厚度d =+C2=80.5mm已知鋼板腐蝕裕量 C2=2mm；負(fù)偏差 C1=0.3m

20、m，則：名義厚度n = d +C1（圓整）=81mm 8 筒體封頭計(jì)算反應(yīng)器封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭（JB1154-73），內(nèi)徑與筒體相同，封頭采用 Q345R 材料制成，相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：公稱直徑 DN=7400mm；曲面高度 h1=1750mm；直邊高度 h2=25mm；內(nèi)表面積 F= 53.2 m2 ；容積 V=7.82 m3。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，其計(jì)算厚度按下式計(jì)算：PcDi2t -Pc =85.38mm9管板厚度計(jì)算根據(jù)管板厚度計(jì)算公式，算出管板厚度為 6.0mm。=2.389×ni d-i Et Ep·L1-t4Di213=6.0mm10設(shè)計(jì)結(jié)果匯總設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表列管式反應(yīng)器參數(shù)單位計(jì)算值設(shè)計(jì)溫度K625操作溫度K625設(shè)計(jì)壓力Pa1.25×105操作壓力Pa1.25×105管長mm4000管子內(nèi)徑m0.026管子根數(shù)根58165反應(yīng)器數(shù)臺(tái)15管子排列方式正三角形排列管子壓降Pa700催化劑用量t160.5換熱面積m219004反應(yīng)器外徑m9.7反應(yīng)器壁厚mm81筒體封頭厚度mm85.38長徑比125管板厚度mm6.0管子材質(zhì)及規(guī)格0Cr18Ni9 11設(shè)計(jì)