石油大學(xué)北京府學(xué)路18號(hào)國賽作品設(shè)計(jì)集43反應(yīng)器

1、2018 年“東華科技-陜鼓杯”第十二屆大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競賽蘭州5 萬噸/年甲基丙烯酸甲酯項(xiàng)目反應(yīng)器設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)名稱：府學(xué)路 18 號(hào)團(tuán)隊(duì)團(tuán)隊(duì)成員：陳弘男 曾輝 陳釗宜 要馨惠 晏燕指導(dǎo)老師：黃星亮 孟祥海 王成秀 杜巍 徐建2018 年 8 月目錄第一章 設(shè)計(jì)概述1第二章 R0201 異丁烯氧化反應(yīng)器設(shè)計(jì)22.12.2反應(yīng)器型式選擇2反應(yīng)條件選取22.2.12.2.22.2.32.2.4溫度2異丁烯與氧氣進(jìn)料比選擇3水蒸氣進(jìn)料量選擇3. 42.32.4反應(yīng)催化劑的選取4反應(yīng)機(jī)理52.4.1 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程7反應(yīng)器模擬數(shù)據(jù)8反應(yīng)器體積計(jì)算102.52.62.7反應(yīng)器設(shè)計(jì)122.7.12.7.22.7

2、.32.7.4反應(yīng)器列管長度和數(shù)目計(jì)算12催化劑床層降核算12反應(yīng)器多物理場耦合驗(yàn)證13反應(yīng)器內(nèi)徑及長度計(jì)算162.8反應(yīng)器熱量衡算192.8.1 取熱介質(zhì)選擇及用量192.8.2 換熱面積校核20反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)212.92.9.12.9.22.9.32.9.42.9.52.9.62.9.72.9.8反應(yīng)器封頭選取21反應(yīng)器氣體分布器設(shè)計(jì)22反應(yīng)器支座設(shè)計(jì)23反應(yīng)器接管設(shè)計(jì)23反應(yīng)器拉桿設(shè)計(jì)24反應(yīng)器連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)25裙座選取25保溫層252.102.112.122.13反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)匯總25強(qiáng)度校核27強(qiáng)度校核結(jié)果匯總61反應(yīng)器 R0201 條件圖61第三章 R0301 氧化酯化反應(yīng)器設(shè)計(jì)62

3、3.13.23.3反應(yīng)器類型選擇63反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程63反應(yīng)條件選取633.2.13.2.23.2.3溫度64. 64進(jìn)料比643.33.43.5反應(yīng)催化劑的選取65反應(yīng)器模擬數(shù)據(jù)65攪拌釜反應(yīng)器詳細(xì)設(shè)計(jì)663.5.13.5.23.5.33.5.43.5.53.5.63.5.7設(shè)計(jì)67確定67攪拌釜反應(yīng)器攪拌槳形式及攪拌轉(zhuǎn)速確定69通氣量的確定72攪拌功率的確定73攪拌釜配件選型74換熱方式選取773.6 接管計(jì)算783.7 強(qiáng)度校核783.8 強(qiáng)度校核結(jié)果匯總893.9 R0301 氧化酯化反應(yīng)器工藝參數(shù)匯總90第四章 R0101 水合反應(yīng)器設(shè)計(jì)924.14.34.54.4反應(yīng)器類型的選擇92

4、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程92反應(yīng)催化劑的選取93反應(yīng)條件選取934.4.14.4.24.4.3溫度93. 94進(jìn)料比選取944.54.64.74.8反應(yīng)器模擬數(shù)據(jù)95反應(yīng)器計(jì)算96壓降核算96. 97接管4.8.1 進(jìn)料管4.8.2 出口管. 97. 974.9強(qiáng)度校核974.10 校核結(jié)果匯總1084.11 反應(yīng)器參數(shù)108第五章 R0102 叔丁醇脫水反應(yīng)器1095.15.25.35.45.5反應(yīng)器選型109反應(yīng)機(jī)理109反應(yīng)動(dòng)力學(xué)109催化劑的選取110反應(yīng)條件選取1105.5.1 溫度1105.5.2. 1115.5.3 進(jìn)料比1115.65.75.85.9物料表111計(jì)算112反應(yīng)器反應(yīng)器壓降

5、核算112. 113接管5.9.1 進(jìn)料管1135.9.2 出料管113強(qiáng)度校核113強(qiáng)度校核結(jié)果124反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)匯總1245.105.115.12第六章 T0101 異丁烯水合反應(yīng)精餾塔設(shè)計(jì)1256.1反應(yīng)精餾塔選型1256.1.1 反應(yīng)精餾塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1256.1.2 反應(yīng)精餾塔塔板選擇125反應(yīng)動(dòng)力學(xué)126反應(yīng)催化劑的選取127反應(yīng)精餾塔參數(shù)設(shè)計(jì)1276.4.1 反應(yīng)精餾塔設(shè)計(jì)條件1276.4.2 反應(yīng)持液量計(jì)算128反應(yīng)精餾塔塔徑計(jì)算1296.5.1 精餾段塔徑計(jì)算1296.5.2 提餾段塔徑計(jì)算131反應(yīng)精餾塔塔高1326.26.36.46.56.66.6.16.6.26.6.36

6、.6.46.6.5實(shí)際塔板數(shù) N132塔頂空間高 HD132塔板間距 HT132開設(shè)人孔的板間距 HT132人孔的設(shè)置1336.6.66.6.76.6.86.6.9進(jìn)料段空間高度133塔底空間高度 HB133塔筒體高度 H133裙座高度1336.6.10 封頭高度134反應(yīng)精餾塔反應(yīng)停留時(shí)間134溢流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算1346.76.86.8.16.8.16.8.36.8.46.8.56.8.6板上溢流形式的確定134溢流堰主要. 134降液管135受液盤135進(jìn)口堰135降液管底隙高度1366.9浮閥塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定1366.9.1 浮閥閥型1366.9.2 浮閥排列方式1366.106.11

7、塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)136水力學(xué)計(jì)算1376.11.1 塔板降1376.11.2 霧沫夾帶量1406.11.3 降液管內(nèi)液面高度1416.11.4 漏液的檢驗(yàn)1426.11.5 降液管液體停留時(shí)間142塔板的負(fù)荷性能圖1446.12.1 過量霧沫夾帶線1446.12.2 淹塔線1446.12.3 過量泄漏線1456.12.4 降液管超負(fù)荷線1456.12.5 液相負(fù)荷下限線1466.126.136.14反應(yīng)精餾塔物流表146接管計(jì)算1476.14.1塔頂蒸汽出口管徑. 錯(cuò)誤!未定義書簽。6.14.2塔頂冷凝回流口管徑. 錯(cuò)誤!未定義書簽。6.14.3進(jìn)料管接管管徑. 錯(cuò)誤!未定義書簽。6.14.4塔底

8、再沸出口管徑錯(cuò)誤!未定義書簽。6.14.5 塔底再沸回流管徑錯(cuò)誤!未定義書簽。6.15 強(qiáng)度校核1496.16 強(qiáng)度校核結(jié)果匯總168第七章 T0103 叔丁醇脫水反應(yīng)精餾塔1707.1 反應(yīng)精餾塔形式選擇1707.2 填料選擇1707.3.填料規(guī)格的選擇1717.4 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1737.57.6反應(yīng)催化劑的選取173反應(yīng)精餾塔參數(shù)設(shè)計(jì)1747.6.17.6.27.6.27.6.37.6.4反應(yīng)精餾塔設(shè)計(jì)條件174反應(yīng)精餾塔 T0103物流表174填料塔水力學(xué)參數(shù)175工藝概算175反應(yīng)持液量1787.6.5 反應(yīng)停留時(shí)間1797.7接管. 1797.7.1塔頂蒸汽出口管徑. 錯(cuò)誤!未定義書簽

9、。7.7.2塔頂冷凝回流口管徑錯(cuò)誤!未定義書簽。7.7.3進(jìn)料管接管管徑錯(cuò)誤!未定義書簽。7.7.4塔底再沸出口管徑. 錯(cuò)誤!未定義書簽。7.7.5塔底再沸回流管徑. 錯(cuò)誤!未定義書簽。7.87.9強(qiáng)度校核180強(qiáng)度校核結(jié)果194附錄 反應(yīng)器設(shè)計(jì)一覽表196第一章 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

10、的。本項(xiàng)目是以蘭州碳四抽余油作為原料生產(chǎn)甲基丙烯甲酯，包含異丁烯提純工段、甲基丙烯醛工段以及甲基丙烯酸甲酯工段。此工藝流程簡單，無大量廢酸產(chǎn)生，原子利用率高。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的反應(yīng)器有異丁烯水合預(yù)平衡反應(yīng)器、異丁烯水合反應(yīng)精餾塔、叔丁醇脫水預(yù)平衡反應(yīng)器、叔丁醇脫水反應(yīng)精餾塔、異丁烯氧化反應(yīng)器以及甲基丙烯醛氧化酯化反應(yīng)器。下面對(duì)異丁烯氧化反應(yīng)器和甲基丙烯酸氧化酯化反應(yīng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型并進(jìn)行詳細(xì)的工藝計(jì)算，最終確定的反應(yīng)器設(shè)備在滿足結(jié)構(gòu)合理性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了溫度分布、濃度分布及反應(yīng)時(shí)間等化工工藝參數(shù)的控制要求，使得質(zhì)量和性能得以保證。對(duì)于反應(yīng)精餾塔、水合反應(yīng)器以及脫水反應(yīng)器進(jìn)行簡單設(shè)計(jì)，確定大致。第二章

11、R0201 異丁烯氧化反應(yīng)器設(shè)計(jì)甲基丙烯酸甲酯（MMA）是重要的化工，同樣也是重要的化工原料，主要用于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、涂料等生產(chǎn)，其主要的生產(chǎn)工藝有異丁烯氨氧化法、異丁烯兩步氧化法以及異丁烯直接甲基化法，與其他方法相比，異丁烯直接甲基化法具有流程簡單、分離容易、無廢酸等特點(diǎn)，因此采用異丁烯直接甲基化法生產(chǎn)。異丁烯直接甲基化法主要涉及異丁烯氧化反應(yīng)以及甲基丙烯醛氧化酯化反應(yīng)器，本項(xiàng)目對(duì)異丁烯氧化反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.1 反應(yīng)器型式選擇用于氣固相連續(xù)反應(yīng)的反應(yīng)器主要有固定床反應(yīng)器、移動(dòng)床反應(yīng)器以及流化床反應(yīng)器等型式。不同型式的反應(yīng)器具有不同的傳遞特性，傳遞不影響化學(xué)反應(yīng)本身，但是影

12、響濃度和溫度的分布，從而影響反應(yīng)速率和選擇性。流化床反應(yīng)器傳熱效果好，溫度均勻，便于實(shí)現(xiàn)固體的連續(xù)輸入輸出，而且可以使用小顆粒的固體或催化劑。但是其缺點(diǎn)也很明顯，由于催化劑顆粒的劇烈運(yùn)動(dòng)，造成固體顆粒與流體嚴(yán)混，導(dǎo)致反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率較低，而且催化劑磨損嚴(yán)重。固定床反應(yīng)器內(nèi)流體接近平推流，可以獲得較高的選擇性和轉(zhuǎn)化率，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，催化劑磨損小。對(duì)于異丁烯與氧氣反應(yīng)生成甲基丙烯醛（MAL）的過程來說，其是強(qiáng)放熱反應(yīng)，因此在反應(yīng)過程中，需要不斷移走反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，因此選用列管式固定床反應(yīng)器，催化劑裝填于列管中，反應(yīng)氣體通過列管進(jìn)行反應(yīng)，殼程通冷卻介質(zhì)移走反應(yīng)熱量。2.2 反應(yīng)條件選取2.2.1

13、 溫度通過文獻(xiàn)可知，異丁烯氧化反應(yīng)溫度一般在 350-370，溫度對(duì)異丁烯氧化反應(yīng)的影響如下圖所示。圖 2-1 反應(yīng)溫度對(duì)異丁烯轉(zhuǎn)換率的影響圖 2-2 反應(yīng)溫度對(duì)選擇性的影響，在 350的情況下，異丁烯具有較高的轉(zhuǎn)化率以及選擇性，因此選擇 350作為反應(yīng)溫度。2.2.2 異丁烯與氧氣進(jìn)料比選擇異丁烯是易燃易爆的化學(xué)品，本反應(yīng)是將異丁烯與空氣混合反應(yīng)，在考慮到異丁烯轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，更應(yīng)該考慮到異丁烯極限的問題，通過可知異丁烯與空氣形成混合物，其極限為 1.7%9.0%(體數(shù))，考慮到安全問題，進(jìn)料中異丁烯的體數(shù)應(yīng)該大于其上限，因此，本項(xiàng)目選擇異丁烯與空氣摩爾比為 1:5 進(jìn)料，確保發(fā)生。2.2.3

14、 水蒸氣進(jìn)料量選擇在反應(yīng)器中通入一定量的水蒸氣有如用：（1） 水蒸氣的存在可以促進(jìn)異丁烯在催化劑表面的吸附，同時(shí)也可以產(chǎn)物在催化劑表面的脫附，進(jìn)而可以提高異丁烯的轉(zhuǎn)化率；（2） 水蒸氣與其他物質(zhì)相比具有較大的熱容，可以避免催化劑表面局部過熱，減少深度氧化反應(yīng)的發(fā)生，提高選擇性；（3） 可以使得催化劑表面的活性供氧中心變稀疏，減少 CC 鍵的斷裂或者有機(jī)物的聚合結(jié)焦，保證催化劑的活性以及使用。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，本項(xiàng)目加入的水蒸氣與異丁烯摩爾比為 1:1。2.2.4由 Aspen Plus 的靈敏度分析可知對(duì)反應(yīng)的影響：圖 2-3 反應(yīng)對(duì)異丁烯轉(zhuǎn)化率影響圖考慮到對(duì)于副反應(yīng)的影響程度，以及異丁烯轉(zhuǎn)化率的

15、要求，選擇0.15MPa 的反應(yīng)。2.3 反應(yīng)催化劑的選取MMA 的傳統(tǒng)工藝主要是以和劇毒氫酸為原料的醇法，反應(yīng)過程中還使用高腐蝕性的硫酸，并副產(chǎn)大量難以處理的硫酸氫銨，整個(gè)反應(yīng)的原子利用率只有 47%與醇法相比，以異丁烯為原料制 MMA 是一條工業(yè)前景良好的清潔工藝技術(shù)路線，無論反應(yīng)原料、催化劑還是生產(chǎn)過程的綠色化程度均有顯著提高，整個(gè)工藝的原子利用率達(dá)到 74%。該路線以碳四（異丁烯或叔丁醇)為原料，副產(chǎn)物為水（C4H8+CH3OH+3/2O2C5H8O2+2H2O)。由于叔丁醇首先脫水生成異丁烯再發(fā)生氧化反應(yīng)，所以，以異丁烯或叔丁醇為原料兩者在反應(yīng)本質(zhì)上是相同的，可統(tǒng)一稱為異丁烯氧化法。

16、異丁烯選擇性氧化甲基丙烯醛（MAL）是異丁烯備 MMA 的關(guān)鍵一步，對(duì)其進(jìn)行研究以提高收率具有重要的應(yīng)用意義。同時(shí)，烴類原料以及更為活潑的反應(yīng)產(chǎn)物在反應(yīng)條件下均易發(fā)生深度氧化，所以，控制深度氧化、提高目的產(chǎn)物的選擇性始終是研究中最具性的技術(shù)難題。因此需要選擇合適的催化劑，才可以降低深度氧化，提高甲基丙烯醛的選擇性。異丁烯氧化MAL 的催化劑是在丙烯氧化丙烯醛催化劑基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，也曾經(jīng)歷過 Cu2O、BiAsO4 和 MoBiO 等類型的變化。除 MoBi 復(fù)合氧化物體系外，其他復(fù)合氧化物體系，如 MoSbO、FeTeMoO、ReSbO以及負(fù)載金屬催化劑，如 Pt/SbOx 也有研究，而使用

17、雜多酸化合物催化異丁烯選MAL 多采用 Mo擇氧化也顯示了較好的活性，實(shí)際應(yīng)用中異丁烯選擇氧化BiCoFeO 為基礎(chǔ)的復(fù)合氧化物體系，并進(jìn)一步添加多種助劑。本項(xiàng)目采用的催化劑來自文獻(xiàn)提到的屬于 MoBi 復(fù)合氧化物 Cat-Ni0.4-M， 其物性組成如下表。表 2-1 催化劑物性2.4 反應(yīng)機(jī)理本工藝中，異丁烯、空氣以及水蒸氣作為原料，經(jīng)過加壓、預(yù)熱以及混合后通入裝有催化劑的列管式固定床反應(yīng)器中，經(jīng)過反應(yīng)，生成甲基丙烯醛、CO、CO2 以及甲基丙烯酸的混合氣，通過甲醇急冷噴淋吸收，精餾得到 MAL 和甲醇的混合物進(jìn)入 MAL 氧化酯化反應(yīng)器。氧化反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)如下：（1）C4H8 + O2

18、C4H6O + H2O（2）C4H8 + O2CO2 + H2O（3）C4H8 + O2CO + H2O（4）C4H8 + O2C4H6O2+H2O項(xiàng)目性能顆粒直徑，mm2.0堆積密度，gml-10.60視密度，gml-10.95比表面積，m2g-14.61孔體積，mlg-10.121空隙率0.6718圖 2-4 反應(yīng)機(jī)理為了簡化模型方程的推導(dǎo)，根據(jù)操作條件和列管式固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)，對(duì)加氫反應(yīng)器作理想化處理，提出以下幾點(diǎn)假設(shè)：（1）在垂直于流體方向的截面上流體性質(zhì)和速度是均勻的，徑向不存在速度梯度和溫度梯度，也不存在濃度梯度。（2）軸向傳熱和傳質(zhì)僅由平推流的總體所引起。按以上假設(shè)，我們采用擬

19、均相一維平推流模型，即忽略反應(yīng)器的軸向溫度分布和濃度分布，我們現(xiàn)在只考慮反應(yīng)器的徑向參數(shù)的變化，并按均相反應(yīng)器來考慮。根據(jù)以上假設(shè)導(dǎo)出反應(yīng)器模型。先把列管式固定床反應(yīng)器看作管式反應(yīng)器分析，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，隨物料的軸向而變化，故可取任意時(shí)間間隔某微元體積 dVR，對(duì)此微元體積進(jìn)行物料衡算。進(jìn)料量：FA = FA0 (1- xA )輸出量：FA + dFA = FA0 1- (xA + dxA )反應(yīng)量：rAdVR則微元體積的物料衡算式為：FA0 (1- xA )=FA0 1- (xA + dxA )+rAdVR化簡后可得：xAfxA 0FdxV =A0A()Rr-rBA物料衡算微分方程：FA dxA

20、 = rB (-rA )dVR0熱量衡算微分方程：p(-r )(-DH ) dl -U p d (T -T )dlrF C dT =d2t PtBAAtS4整理后得到如下方程：dxp d 2r()=-r A tB Adl4FA0p 1 )dT (-r )(-DH ) - Kp d (T - T=d r2dlF Cp 4tBAAtSt式中：FA0反應(yīng)物 A 進(jìn)料摩爾流量，kmol/h； Ft反應(yīng)物總進(jìn)料摩爾流量，kmol/h； G 流體的空床質(zhì)量流速，kg/(m2h)； B催化劑堆積密度，kg/m3；(-rA)反應(yīng)速率，kmol/(kg 催化劑h)；l反應(yīng)器長度方向距離，m；yA0進(jìn)料中組分 A

21、 的VR反應(yīng)器體積，m3；分?jǐn)?shù)；T反應(yīng)管內(nèi)反應(yīng)溫度，； TS反應(yīng)介質(zhì)溫度，； K總傳熱系數(shù)，W/(m2K)；XA反應(yīng)物 A 的轉(zhuǎn)化率。2.4.1 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程（1）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程本反應(yīng)主反應(yīng)為 C4H8 + O2C4H6O + H2O，其動(dòng)力學(xué)方程有文獻(xiàn)查得ERT-r = ke（2）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)采用原文獻(xiàn)中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行換算，結(jié)果如表 2-2 所示。表 2-2 相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)表（3）反應(yīng)熱力學(xué)參數(shù)通過查閱相關(guān)書籍，同時(shí)利用純物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)軟件 HCS，我們獲得各物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓和恒壓熱容計(jì)算公式，參數(shù)如表 2-3 所示。表 2-3 熱力學(xué)性質(zhì)表不同溫度下的反應(yīng)焓變計(jì)算公式為：T2

22、98.15= ui D f H298.15K ,i +Dr HTCPdT通過該公式計(jì)算可得表 2-4。表 2-4 氧化反應(yīng)熱力學(xué)性質(zhì)表2.5 反應(yīng)器模擬數(shù)據(jù)由前文所述，異丁烯與氧氣反應(yīng)詳細(xì)數(shù)據(jù)如下：從異丁烯提濃工段來的異丁烯與空氣混合，其中 n(異丁烯)：n(空氣)=1：5。經(jīng)過壓縮至 0.15MPa，于列管式換熱器中在 350發(fā)生主要反應(yīng)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率以異丁烯計(jì)為 95%。據(jù)見表 2-5。物料數(shù)反應(yīng)rHm(T=298.15K)，kJ/molrHm=A+BT+CT2+DT-1+ET3 ，J/molABCDEC4H8 + O2MAL + H2O-379.80224588.000-24.27318.

23、8914.640-11.367名稱fHm(T=298.15K)，kJ/molCp=A+Bx10-3T+Cx105T-2+Dx10-6T2ABCDC4H8-13.97522.305252.0700.000-75.898O2036.1620.845-4.3100.000MAL-12452.740185.532-7.546-53.165H2O-241.82730.00010.7100.2300.000動(dòng)力學(xué)參數(shù)數(shù)值k，kmolm -3s -11.14x1014E，J/mol174200表 2-5 氧化反應(yīng)器 R0201物流表inout物流編號(hào)S203S204Mass Flow ，kg/hrISOC4

24、H84002.0300144.9465H2O1295.79302563.1310MAL0.00004687.2540O22351.912062.3790N27745.72707745.7270CH4O0.00000.0000MMA0.00000.0000N-HEX-010.00000.0000C3H61.6815E-081.6815E-08C3H88.7563E-088.7563E-08NC4H103.83033.8303ISOC4H100.08010.08011C4H80.27100.2710CISC4H81.15511.1551TRANC4H80.47750.477513C4H60.000

25、00.0000NC5H120.00000.0000ISOC5H120.00000.0000TBA0.00500.0050CO0.000029.9426CO20.000047.0456MAA0.0000115.0363HQ0.00000.0000Total Flow， kmol/hr493.3566493.7575Total Flow，kg/hr15401.280015401.2800Total Flow，l/min283974.0000284041.0000Temperature，350.0000350.0000Pressure，bar1.50001.5000Vapor Frac1.00001

26、.00002.6 反應(yīng)器體積計(jì)算在反應(yīng)器選型、催化劑選擇、機(jī)理分析、動(dòng)力學(xué)分析以及反應(yīng)條件確定之后，我們?cè)贛o-Bi 復(fù)合氧化催化劑催化反應(yīng)操作條件范圍內(nèi)選取一個(gè)合適的操作點(diǎn)， 利用COMSOL 反應(yīng)工程模塊在選定的操作條件下對(duì)反應(yīng)器異丁烯轉(zhuǎn)化率和各物料濃度分布隨反應(yīng)時(shí)間的變化關(guān)系進(jìn)行模擬，具體結(jié)果如圖 2-5、2-6 所示。圖 2-5 物質(zhì)濃度停留時(shí)間圖由各物質(zhì)濃度隨時(shí)間變化可以看出，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為 8s 的時(shí)候，異丁烯的轉(zhuǎn)化率達(dá)到 95%，其轉(zhuǎn)化率已基本達(dá)到工業(yè)化反應(yīng)要求。此后即便反應(yīng)時(shí)間再延長，異丁烯的產(chǎn)率也沒有很大的變化，而反應(yīng)器體積和操作費(fèi)用以及后續(xù)工段的費(fèi)用反而會(huì)大大增加，故反應(yīng)時(shí)間

27、可取 8s。由于我們?cè)谑褂?COMSOL 模擬時(shí)是用以催化劑的為基準(zhǔn)的動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算的，此時(shí)已經(jīng)把催化劑床層的空隙體積考慮在內(nèi)。由 ASPEN 軟件可知進(jìn)口氣體體積流量為 17038.4m3/h，根據(jù)催化劑體積計(jì)算公式計(jì)算可得本反應(yīng)器催化劑床層體積為：Liquid Frac0.00000.0000Enthalpy，cal/sec-2.7732-8.5998V = tV0 =17038.4x8=56.50m3Re3600x0.6314各物料濃度隨反應(yīng)體積變化如圖 2-6 所示。圖 2-6 物質(zhì)濃度-反應(yīng)體積圖催化劑的質(zhì)量為：= VR rB = 56.50x0.6=33.90tMcat可以看出由催

28、化劑床層體積算出的反應(yīng)停留時(shí)間與模擬結(jié)果基本一致。將模擬算出的催化劑體積代入 Aspen 反應(yīng)器模塊，得到的反應(yīng)器進(jìn)出物料分布如表2-6 所示。表 2-6 反應(yīng)器物料表項(xiàng)目進(jìn)料出料總摩爾流量，kmol/hr493.36493.36總質(zhì)量流量，cm/hr15401.2815401.25總體積流量，cc/hr17038.4417042.45溫度，350.00350.00，bar1.501.50氣化分率1.001.00摩爾流量，kmol/hrC4H871.332.58O273.501.95MAL0.0066.87H2O71.93142.28經(jīng)過計(jì)算，其結(jié)果與 COMSOL 模擬所得結(jié)果基本一致。因此

29、，本次模擬結(jié)果合理。2.7 反應(yīng)器設(shè)計(jì)2.7.1 反應(yīng)器列管長度和數(shù)目計(jì)算該反應(yīng)器所選用催化劑粒徑 2mm，為降低反應(yīng)物在管內(nèi)的溝流、壁流效應(yīng)，反應(yīng)管內(nèi)徑應(yīng)大于催化劑粒徑的 8 倍。根據(jù)國標(biāo) GB/T17395-2008，列管選用50mm2mm 的管子。在本設(shè)計(jì)中，我們使用的計(jì)算模型為擬均相一維平推流模型。如果用 Pe 準(zhǔn)數(shù)來衡量返混程度，該模型應(yīng)滿足的條件為：當(dāng)雷諾準(zhǔn)數(shù) Re10 時(shí)，Pea=2。此時(shí)，有：dp = 1 dp1 = DaDa=100dp。另外，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，一般催化劑填充高度占整個(gè)反應(yīng)管長度的 8090%左右。在本反應(yīng)器中，催化劑粒徑為 2mm，因此本設(shè)計(jì)選擇催化劑的填充高度為

30、L=8m，列管管長 l=9m。催化劑床層的橫截面積為：= VRL= 56.50 = 7.06m3AR8催化劑床層的直徑約為：4AR4 7.06 =2.99m3d =Rpp反應(yīng)器單管橫截面積為：pp()2A =d=x 0.05 - 0.004= 1.66x10-32ii44反應(yīng)器列管數(shù)目：AR7.06n = 4253 4266根A1.66x10-3i2.7.2 催化劑床層降核算反應(yīng)器空管截面積為：A = n A = 42661.66x10-3 = 7.08m3空i反應(yīng)進(jìn)料空床線速度為：V017038.44u = 0.6685m / smA7.08x3600空固定床降計(jì)算公式為：Lu r(1- e

31、 )2DP = f md e3pRe = dpum rf = 150 +1.75,Re式中：流體密度，kg/m3； d p顆粒直徑，m； f摩擦系數(shù)；L床層高度，m； um空管流速，m/s； 床層空隙率；流體的黏度，Pa/s。1m1- e從 Aspend Plus 反應(yīng)器模擬中獲得反應(yīng)混合物有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： =0.9039kg/m3，=2.74510-5Pas將數(shù)據(jù)代入上述計(jì)算公式求解：Re = dpum r1= 0.002x0.6685x0.90391=119.44m1- e2.745x10-51- 0.6314f = 150 +1.75 =Re150+1.75 = 3.00119.448

32、x0.66852 x0.9039x (1- 0.6314)Lu 2r (1- e )P =fm= 3.00x=7098.2Pae 3d0.002x0.63143p反應(yīng)為 7098.2Pa，壓降小于進(jìn)口的 15%，因此反應(yīng)器壓降設(shè)計(jì)合格。2.7.3 反應(yīng)器多物理場耦合驗(yàn)證在反應(yīng)器設(shè)計(jì)階段，由于催化劑床層高度以及列管長度均是按照經(jīng)驗(yàn)值估算，因此對(duì)反應(yīng)器的反應(yīng)效果需要進(jìn)行驗(yàn)證。使用 COMSOL Multiphysics 對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行多物理場耦合計(jì)算。在計(jì)算過程中，我們考慮到質(zhì)量傳遞、動(dòng)量傳遞、熱量傳遞三場的相互影響，對(duì)三個(gè)傳遞場進(jìn)行耦合計(jì)算，進(jìn)而得到各物質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)的濃度分布以及物質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)的溫

33、度、速度分布。通過模擬計(jì)算可得濃度、溫度以及分布圖如下。圖 2-7 異丁烯濃度分布圖 2-8 氧氣濃度分布圖 2-9 MAL 濃度分布圖 2-10分布圖圖 2-11 溫度分布圖由 COMSOL 模擬計(jì)算結(jié)果可知，甲基丙烯醛濃度分布均勻，且轉(zhuǎn)換率和ASPEN 模擬結(jié)果相差無幾，勻，并不溫度飛升的區(qū)域。分布均勻，壓降小于進(jìn)口的 15，溫度分布均2.7.4 反應(yīng)器內(nèi)徑及長度計(jì)算2.7.4.1 反應(yīng)器殼體內(nèi)徑設(shè)計(jì)反應(yīng)器列管根數(shù)為 4266 根。列管排列方式選擇錯(cuò)列正三角形排列，詳細(xì)排列圖見圖 2-12 ，固定方法為焊接法。則管心距為：t = 1.25d0 = 1.25 50 = 62.5mm圖 2-1

34、2 管子排布圖橫過管束中心線的管數(shù)為：266=72根管束中心線最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離為：e = 1.25d0 = 1.25 50 = 62.5mm殼體內(nèi)徑為：Di = t (nc -1) + 2e = 62.5(72 -1) + 2 62.5 = 4562.5mm容器公稱直徑國標(biāo) GB/T 9019-2015 圓整，取反應(yīng)器殼體內(nèi)徑為：根據(jù)4600mm。2.7.4.2 反應(yīng)器長度設(shè)計(jì)列管長度：由前面工藝計(jì)算可知，列管長度為 9000mm；筒體頂部空間（上管箱）高度：根據(jù)容器手冊(cè)，Ha=1000mm；容器手冊(cè)，Hb=1000mm；筒體底部空間（下管箱）高度：根據(jù)由上述長度可知，反應(yīng)器筒體

35、長度為：H=11000mm。2.7.4.3 折流板設(shè)計(jì)在本反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，為從反應(yīng)體系取熱，需在反應(yīng)器殼體走取熱介質(zhì)，因此，殼體需設(shè)置折流擋板。本工藝采用弓形折流擋板，取弓形折流板的圓缺高度為殼體內(nèi)徑的 25%，則切去的圓缺高度為：h = 0.25D = 0.25 4600 = 1150mm折流板間距為：B = 0.3D = 0.3 4600 = 1380mm折流板數(shù)量為：-1 = 9000 -1 = 5塊列管長N =B1380折流板間距折流板厚度取 24mm。2.7.4.4 反應(yīng)器筒體壁厚設(shè)計(jì)（1）材料選擇該反應(yīng)器的反應(yīng)溫度控制在 350左右,反應(yīng)為 0.15MPa，需進(jìn)行換熱。大約在 0.9

36、MPa，反應(yīng)器殼程走取熱介質(zhì)，我們選用加壓水作為冷卻介質(zhì)，溫度為 175。因此，筒體選用材料為 Q345R 碳素鋼。根據(jù) GB/T 6713-2014鍋爐和容器用鋼板及 GB/T 150.2-2011 規(guī)定對(duì)鋼板厚度進(jìn)行選擇。計(jì)算C2=2mm；焊接方式選面焊對(duì)接接頭，100%無損探測，焊時(shí)，腐蝕裕量選接系數(shù)為 =1。（2）筒體壁厚計(jì)算由于反應(yīng)器為內(nèi)壓容器，其壁厚計(jì)算公式為：PD2s t f-Pd =+C + C12式中：殼體厚度，mm；P操作時(shí)可能的最大，內(nèi)壓容器取 P=(11.1)PW；t材料在操作溫度范圍內(nèi)的許用應(yīng)力，Pa； 焊接系數(shù)；C1厚度負(fù)偏差，mm，取 0.3mm； C2腐蝕裕量，

37、mm；D殼體內(nèi)徑，mm。操作時(shí)可能的最大為 P=1.1PW=1.10. 8=0.88MPa。假設(shè)操作溫度下所需 Q345R 鋼板的厚度為 1636mm，許用t=157MPa。為：將數(shù)據(jù)代入計(jì)算公式，得：=16.53mm。查閱筒體標(biāo)準(zhǔn)后最后將壁厚圓整為0=24mm。滿足 1636mm 的范圍要求。有效壁厚為；e=0-(C1+C2)=24-(0.3+2)=21.7mm（3）水壓試驗(yàn)校核Q345R 常溫下進(jìn)行ReL=325MPa。反應(yīng)器的水壓試驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)，許用為 =185MPa，屈服強(qiáng)度為為：s 185PT = 1.25P s t = 1.25 0.25 157 = 0.3682MPa將數(shù)據(jù)代入校核公

38、式得試驗(yàn)條件下的計(jì)算為：= PT ( Di + de ) = 0.3682 (4500 + 24) = 34.70MPasT2d2 24e0.9f ReL = 0.91 325 = 282.5MPa故有 T0.9ReL，所以所選材料水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。2.8 反應(yīng)器熱量衡算在本反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，反應(yīng)器里一共發(fā)生三個(gè)反應(yīng)：異丁烯和氧氣反應(yīng)生成甲基丙烯醛（MAL）和水，異丁烯和氧氣反應(yīng)生成甲基丙烯酸（MAA）和水，異丁烯和氧氣反應(yīng)生成一氧化碳、和水。當(dāng)反應(yīng)器選用絕熱式固定床反應(yīng)器時(shí)，由 Aspen 模擬結(jié)果可知，反應(yīng)體系終止溫度能達(dá)到 1000以上。因此以上反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，需要及時(shí)取走反應(yīng)熱以保證副反

39、應(yīng)盡可能少地發(fā)生，保證反應(yīng)體系平穩(wěn)安全運(yùn)行。2.8.1 取熱介質(zhì)選擇及用量如果想達(dá)到等溫催化反應(yīng)的條件，傳熱介質(zhì)既要求有良好的傳熱性能，又要求傳熱介質(zhì)本身的溫度和反應(yīng)管內(nèi)的催化劑的溫度差很小。本設(shè)計(jì)所用取熱介質(zhì)為 170、0.8MPa 的水，利用水沸騰蒸發(fā)帶走熱量，同時(shí)產(chǎn)生低壓蒸汽。根據(jù) Aspen Plus 反應(yīng)器模擬結(jié)果，獲得反應(yīng)器同時(shí)查得 0.8MPa 下水的汽化潛熱。結(jié)果如表 2-7 所示。物料的各項(xiàng)物性參數(shù)，換熱介質(zhì)與反應(yīng)物料可以并流，也可以逆流，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。逆流的優(yōu)點(diǎn)是原料氣進(jìn)入床層后能較快地升溫而接近最佳溫度，缺點(diǎn)是反應(yīng)后期易于過冷。而并流時(shí)后期降溫較慢，溫度分布較為均勻，不

40、足使前期升溫較慢，反應(yīng)效率會(huì)降低。當(dāng)正常工況時(shí)，逆流操作即可滿足換熱需求。并流時(shí)會(huì)使反應(yīng)物料升溫時(shí)間增長，反應(yīng)器體積增大。因此，本設(shè)計(jì)選用逆流換熱操作。反應(yīng)物流以及冷卻介質(zhì)物流物性信息見表 2-7。表 2-7 物流物性信息表有 Aspen 反應(yīng)器模擬可知，反應(yīng)器需要移除的熱量 Q=2.256x107kJ/hr反應(yīng)器所需要的冷卻介質(zhì)用量：Q2.2558107 kJ / hm冷 = 11016.3kg / hr2047.7kJ / kg2.8.2 換熱面積校核（1）床層對(duì)列管壁面的給熱系數(shù)對(duì)于本工藝反應(yīng)器，反應(yīng)放熱，需要移走熱量，床層被冷卻。床層對(duì)壁面總給熱系數(shù)可以按下式計(jì)算：G 0.7a d d

41、dpexp -4.6p 1 t =3.5lfmdt式中：f流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)；G流體的表觀質(zhì)量流速，kg/(m2K)； 流體粘度，Pas；dp催化劑粒徑； dt列管內(nèi)徑。將數(shù)據(jù)代入，計(jì)算得： 0.002 0.6685 0.9039 0.7a 0.0460.002 1=3.5exp -4.62.74510-50.05110.046 a1 = 48.44W / (m K )（2）殼程水沸騰傳熱系數(shù)物流名稱溫度 tP密度 定壓比熱 Cp導(dǎo)熱系數(shù) 粘度 氣化潛熱MPakg/m3kJ/(kgK)W/(mK)PaskJ/kg反應(yīng)進(jìn)料3500.150.90391.56950.05112.745x10

42、-5/反應(yīng)出料3500.150.90371.60320.0468/進(jìn)口水1700.8839.7355/2047.7出口水蒸氣1700.84.0118/0.5u l r ra=2.7 L V Vd (T)2- TWS式中： u L 殼程流速，m/s；lV 氣化潛熱，kJ/kg；rV 氣體密度，kg/m3；TW 管壁溫度，；TS 殼程溫度，。0.50.5 0.7 0.0270 4.0118 2047.7 103 ul r r= 1773.15W / (m K )a =2.7 V V= 2.7 d (T)2 10-3 (350 -170)2- TWS（3）總傳熱系數(shù)本工藝列管采用不銹鋼列管，查石油化

43、學(xué)工程原理書中可得其傳熱系數(shù)l = 19W /(m 2 K )R = 0.000174(m2 K) /W,取管程污垢為：。取殼程污垢系數(shù)0= 0.00008(m2 K ) / W 。系數(shù) RI總傳熱系數(shù)表達(dá)式為：1K =dtdt1 + b1+a1l dma 2 d0代入計(jì)算可算得：K = 45.65W/(m3 K )傳熱溫差Dt = 252.47Q計(jì)算的得換熱面積 A = 1957.4m2Dt K實(shí)際換熱面積 A= npdl = 6030.9m2實(shí)際換熱面積合格。2.9 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.9.1 反應(yīng)器封頭選取對(duì)于本工藝反應(yīng)器外殼，所受為內(nèi)壓。封頭選擇橢圓形標(biāo)準(zhǔn)封頭，形狀Di=2.0 。所以，

44、其圓邊高度為：H =1475mm。系數(shù)為 K=1，則f2Hf根據(jù)容器封頭標(biāo)準(zhǔn) GB/T 25198-2010，20mm 以下的封頭直邊高度是15mm，2002000mm 是 25mm，2000mm 以上是 40mm。所以對(duì)于本反應(yīng)器所用封頭，直邊高度為 40mm。最終確定的封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，公稱直徑 4600mm，壁厚 24mm，圓邊高度 1150mm，直邊高度為 40mm。2.9.2 反應(yīng)器氣體分布器設(shè)計(jì)對(duì)于大直徑列管式固定床反應(yīng)器，管箱是必不可少的結(jié)構(gòu)，其作用是聚散流體，是影響流場的一個(gè)關(guān)鍵因素。反應(yīng)物從進(jìn)口進(jìn)入反應(yīng)器后在管箱區(qū)域混合，然后分散到各個(gè)反應(yīng)管中。各個(gè)反應(yīng)管中分得流體的比例

45、和管箱中的氣體分布及導(dǎo)流設(shè)備有很大關(guān)系。由于在設(shè)計(jì)、安裝時(shí)流體的不穩(wěn)定性和壓降等原因造成流體在其設(shè)備內(nèi)部分布不均勻，而物流分配的不均勻性主要發(fā)生在管箱部分，主要是由管箱的來流不均勻所引起的。列管式固定床反應(yīng)器管箱內(nèi)常用的氣體分布器按結(jié)構(gòu)分為管式和環(huán)流式。相比管式氣體分布器，環(huán)流式氣體分布器有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1） 氣體均布點(diǎn)較多，更接近于理想模型，更有利于氣體的均布；（2） 環(huán)流式氣體分布器是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，比管式氣體分布器更接近塔體結(jié)構(gòu)， 更有利于氣體的均布；（3）環(huán)流式氣體分布器每個(gè)分布點(diǎn)出來的氣體擴(kuò)散路徑都相同，更有利于氣體的均布。由于本反應(yīng)器內(nèi)徑較大，一般的管式分布器和環(huán)流式分布器的效果不佳。通過查閱文獻(xiàn)并結(jié)合實(shí)際，我們采用一種新型的氣體分布器。本設(shè)計(jì)所采用的氣體分布器為一種雙通道環(huán)形氣體分布裝置，專利號(hào)為 CN104399275A。裝置包括頂板、引、外筒、導(dǎo)流板、內(nèi)筒、氣體分配板。外筒與頂板、內(nèi)筒和氣體分配板通過焊接組成的環(huán)形一次氣體分布空間，外筒與反應(yīng)器筒體內(nèi)壁間形成有一個(gè)環(huán)形氣體分布通道；引與氣體進(jìn)口管同軸布置；頂板上設(shè)置供小部分氣體向上運(yùn)動(dòng)的