18萬(wàn)噸丙烷資源化利用項(xiàng)目4-2反應(yīng)器設(shè)計(jì)說(shuō)明書

煉化18萬(wàn)噸丙烷資源化利用項(xiàng)目反應(yīng)器設(shè)計(jì)說(shuō)明書PAGE2/=NUMPAGES64-62218萬(wàn)噸丙烷資源化利用項(xiàng)目反應(yīng)器設(shè)計(jì)說(shuō)明書目錄第一章設(shè)計(jì)概述 1第二章丙烷脫氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 22.1反應(yīng)器選型 22.1.1類型選擇 22.1.2供熱方式 22.1.3反應(yīng)類型 22.1.4操作方式 32.1.5反應(yīng)物的稀釋 42.2催化劑選擇 42.2.1鉻（Cr）系催化劑 42.2.2鉑（Pt）系催化劑 52.3反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析 62.3.1反應(yīng)方程式 62.3.2反應(yīng)機(jī)理 62.3.3反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程 72.4反應(yīng)物性數(shù)據(jù)分析 102.4.1氣體比熱容 102.4.2反應(yīng)熱 112.5反應(yīng)條件的選擇[11] 122.5.1溫度 122.5.2壓力 122.5.3碳?xì)浔?132.6反應(yīng)器設(shè)計(jì) 142.7連續(xù)化操作設(shè)計(jì) 152.8反應(yīng)器設(shè)計(jì)說(shuō)明書 17第三章丙烯環(huán)氧化反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 333.1反應(yīng)器選型 333.1.1反應(yīng)特點(diǎn) 333.1.2反應(yīng)器對(duì)比 333.2催化劑的選擇 343.2.1鐵硅酸鹽催化劑 353.2.2磷鎢雜多酸季銨鹽催化劑 353.3反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析 363.3.1反應(yīng)方程式 363.3.2反應(yīng)機(jī)理分析 363.3.3反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程 373.4反應(yīng)物性數(shù)據(jù)分析 373.4.1氣體比熱容 383.4.2反應(yīng)熱 383.5反應(yīng)條件的選擇 393.5.1溫度 393.5.2壓力 393.5.3過(guò)氧化氫濃度 403.5.4甲醇濃度 413.6反應(yīng)器尺寸設(shè)計(jì) 413.6.1反應(yīng)器體積確定 413.6.2反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 443.6.3板式反應(yīng)器尺寸設(shè)計(jì) 443.6.4列管式固定床反應(yīng)器尺寸設(shè)計(jì) 493.6.5板式反應(yīng)器與列管式反應(yīng)器比較 503.6.6板式反應(yīng)器三維設(shè)計(jì) 523.7板式反應(yīng)器筒體和封頭的校核 53參考文獻(xiàn) 58四川大學(xué)遠(yuǎn)航團(tuán)隊(duì)PAGE9/=NUMPAGES64-559第一章設(shè)計(jì)概述反應(yīng)器是化工生產(chǎn)過(guò)程中一系列設(shè)備中的核心設(shè)備?；ぜ夹g(shù)過(guò)程開發(fā)的成功與否很大程度上取決于反應(yīng)器內(nèi)流體的溫度、濃度、停留時(shí)間及溫度分布、停留時(shí)間分布的控制水平和控制能力?；どa(chǎn)的工藝過(guò)程決定了反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式對(duì)工藝過(guò)程又有一個(gè)促進(jìn)和完善的作用，同時(shí)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式在某種程度上也決定著產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。因此，化學(xué)反應(yīng)器的選型、設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇最優(yōu)化的操作條件是化工生產(chǎn)中極為重要的課題。本項(xiàng)目為丙烷資源化利用項(xiàng)目，以總廠在浙江省寧波市區(qū)石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的煉化總廠石油煉化過(guò)程中氣分裝置的精制碳三和輕烴回收裝置的LPG為原料，通過(guò)預(yù)處理脫硫后，充分混合預(yù)熱進(jìn)行無(wú)氧脫氫、急冷除雜脫水、深冷冷卻分離精制得到丙烯，然后與過(guò)氧化氫混合催化、除雜精制得到環(huán)氧丙烷（PO）；同時(shí)對(duì)副產(chǎn)品進(jìn)行精制得到丙二醇甲醚（PM），提高利潤(rùn)；對(duì)丙烷、丙烯、甲醇、廢氣等進(jìn)行回收循環(huán)，提高原子利用率；PO制備工藝采用的HPPO法，能有效的避免后續(xù)環(huán)境污染處理，以達(dá)到“清潔、環(huán)保、安全”的設(shè)計(jì)理念，具有較好的前景。所有的廢水、廢氣均采取了可行的處理方法進(jìn)行處理，處理后的廢水、廢氣可以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放指標(biāo)。本項(xiàng)目的大部分固體廢物可綜合利用，需要進(jìn)行堆放的廢渣中不含有毒有害物質(zhì)，可以直接堆放。因此本項(xiàng)目符合清潔生產(chǎn)的要求。此工藝主要涉及到的反應(yīng)器有丙烷脫氫反應(yīng)器和丙烯環(huán)氧化反應(yīng)器，下面對(duì)其核心設(shè)備丙烯環(huán)氧化反應(yīng)器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)選型，并對(duì)反應(yīng)器的制造工藝進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，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，使得產(chǎn)品質(zhì)量和性能得以保證；對(duì)于丙烷脫氫反應(yīng)器，不進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，只進(jìn)行了體積計(jì)算，確定了反應(yīng)器的體積以及大致結(jié)構(gòu)。第二章丙烷脫氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)2.1反應(yīng)器選型2.1.1類型選擇丙烷催化脫氫制丙烯是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，在反應(yīng)過(guò)程中，催化劑表面不斷結(jié)焦，失活較快。針對(duì)這一特點(diǎn)，丙烷脫氫制丙烯現(xiàn)有的成熟工藝Oleflex工藝采用移動(dòng)床反應(yīng)器，Catofin工藝和STAR工藝采用固定床反應(yīng)器。（1）固定床反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)是催化劑裝填量少且無(wú)磨損；但是采用固定床反應(yīng)器就必須頻繁切換，這會(huì)導(dǎo)致熱利用率降低，使系統(tǒng)復(fù)雜化。（2）移動(dòng)床反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)操作，反應(yīng)器負(fù)荷均勻，流化床反應(yīng)器傳熱過(guò)程可以很快完成，熱傳遞效率好，能夠穩(wěn)定地控制好床層溫度，保證了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率比較穩(wěn)定，提高了反應(yīng)的選擇性；缺點(diǎn)是催化劑容易磨損，其溫度不斷下降且難以控制，不能保證穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化率，并且該工藝使用貴金屬為活性組分的催化劑，成本較高，而使該工藝技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)性下降。2.1.2供熱方式Oleflex工藝和Catofin工藝采用內(nèi)加熱式供熱，STAR工藝則是采用外加熱式供熱。Oleflex工藝是對(duì)稀釋氫氣和反應(yīng)段的原料氣加熱來(lái)提供熱量，由于多個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)，Oleflex工藝需要進(jìn)行級(jí)間加熱；Catofin工藝合理利用了燒焦過(guò)程放出的熱量以及催化劑再生時(shí)的顯熱；STAR工藝是利用頂燒轉(zhuǎn)化爐對(duì)管間的燃燒氣流間接給反應(yīng)器加熱[1]。采用合適的供熱法方式對(duì)反應(yīng)有重要作用，采用級(jí)間加熱對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部構(gòu)造要求較小，采用內(nèi)部熱量進(jìn)行加熱對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部構(gòu)造要求嚴(yán)格，必須嚴(yán)格控制換熱方式，換熱構(gòu)件。2.1.3反應(yīng)類型丙烷催化脫氫制丙烯反應(yīng)是吸熱的分子數(shù)增加的反應(yīng)，因此，高溫和低壓對(duì)反應(yīng)有利，一定范圍內(nèi)溫度升高，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率就高，從而使原料氣循環(huán)量減少，裝置和操作費(fèi)用就降低；但是溫度過(guò)高，裂解副反應(yīng)增加，催化劑積碳嚴(yán)重，使催化劑迅速失活，所以操作溫度不宜太高。目前成熟丙烷脫氫工藝均采用絕熱過(guò)程反應(yīng)，絕熱過(guò)程是加熱到固定反應(yīng)溫度通入反應(yīng)器，后續(xù)反應(yīng)溫度變化較大，導(dǎo)致單程轉(zhuǎn)化率較低；但是針對(duì)絕熱過(guò)程的反應(yīng)器設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。同時(shí)工業(yè)上一般采用多段絕熱操作使轉(zhuǎn)化率盡量沿著最佳溫度曲線進(jìn)行，從而增大轉(zhuǎn)化率。等溫過(guò)程需要維持反應(yīng)體系溫度大致在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，溫度變化不大，同時(shí)可使反應(yīng)在最佳反應(yīng)溫度下進(jìn)行，從而獲得較高的轉(zhuǎn)化率；但是針對(duì)等溫過(guò)程的反應(yīng)器要求較高，控制等溫是關(guān)鍵，一般采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的熱管、均勻夾套式等都可以盡量實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。本項(xiàng)目的等溫反應(yīng)器采用的是內(nèi)部填埋熱管的間接加熱方式，熱管均勻排列在等溫固定床層中，采用煙道氣加熱，通過(guò)控制其流量使其達(dá)到等溫的目的。熱管本身的高導(dǎo)熱、等溫及自調(diào)節(jié)性能，使反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，傳熱效果好，床層溫度分布均勻，同時(shí)還可大大節(jié)省盛耗。其排列方式大致如圖2-1。圖2-1熱管反應(yīng)器示意圖2.1.4操作方式丙烷催化脫氫工藝按操作方式可分為兩種：間歇式操作與連續(xù)式操作，Oleflex工藝是連續(xù)性操作工藝，Catofin工藝和STAR工藝是間歇式生產(chǎn)工藝。連續(xù)式操作的反應(yīng)過(guò)程中都比較均勻穩(wěn)定，反應(yīng)溫度和催化劑的活性都不會(huì)隨反應(yīng)時(shí)間而改變，通過(guò)連續(xù)地補(bǔ)充催化劑可以維持催化劑的穩(wěn)定，從而確保產(chǎn)品組成不變。從裝置結(jié)構(gòu)上，間歇式生產(chǎn)方式需要周期性切換大型閥門和控制系統(tǒng)，而連續(xù)性生產(chǎn)方式只需在再生器管路上安裝一些小型控制閥門，從而降低了操作和維修成本。從安全角度上講，間歇式操作由于需要周期性的反應(yīng)器的切換，對(duì)裝置設(shè)計(jì)的安全系數(shù)較高。2.1.5反應(yīng)物的稀釋在催化脫氫制丙烯各工藝中，Oleflex工藝使用氫氣做稀釋劑，STAR工藝用蒸汽做稀釋劑。使用氫氣或蒸汽做稀釋劑，有重要作用：（1）減緩催化劑積碳反應(yīng)的發(fā)生，從而維持催化劑活性的穩(wěn)定（2）降低反應(yīng)體系中烴類的分壓，使反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率增加;（3）稀釋劑在反應(yīng)中承擔(dān)熱載體的作用。不過(guò)，稀釋劑的加入同樣有它的不足。比如，氫氣作為稀釋劑，氫氣本身作為反應(yīng)產(chǎn)物，因此抑制了脫氫反應(yīng)的進(jìn)行。綜上所述，結(jié)合反應(yīng)特點(diǎn)和現(xiàn)有反應(yīng)器的類型，我們決定采用如下方案：選擇用等溫固定床[2]的結(jié)構(gòu)，利用等溫反應(yīng)提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；同時(shí)采用熱管通入煙道氣加熱反應(yīng)物到反應(yīng)溫度，等溫反應(yīng)器中采用傳熱系數(shù)高的熱管均勻分布在固定床中控制溫度變化不大；操作方式采用兩套設(shè)備進(jìn)行反應(yīng)和再生的連續(xù)操作，用蒸汽吹掃抑制結(jié)焦和催化劑再生。2.2催化劑選擇非均相催化反應(yīng)中催化劑與反應(yīng)物的分離比較簡(jiǎn)單，尤其是氣固相催化反應(yīng)更容易分離，可以連續(xù)操作，廣泛應(yīng)用于化工原料的生產(chǎn)。在丙烷氣固相脫氫制備丙烯的催化劑中，以臨氫脫氫反應(yīng)催化劑為主，主要包括鉻（Cr）系催化劑和鉑（Pt）系催化劑。2.2.1鉻（Cr）系催化劑Cr2O3/γ-Al2O3催化劑具有很好的丙烷脫氫活性，美國(guó)UOP公司于上世紀(jì)30年代在小分子烷烴脫氫工業(yè)化裝置上最先使用該催化劑。在該催化劑的制備過(guò)程中，Cr前體不同，制得的催化劑的性能不同。在反應(yīng)過(guò)程中，會(huì)涉及反應(yīng)物與Cr2O3/γ-Al2O3催化劑之間的電子轉(zhuǎn)移，催化劑的活性與選擇性和該催化劑中Cr離子的價(jià)態(tài)變化有很大關(guān)系。通常認(rèn)為，在丙烷脫氫反應(yīng)中，催化劑活性中心是Cr2+，而非Cr3+[3]。Cr2O3/γ-Al2O3催化劑對(duì)原料混合氣適應(yīng)能力強(qiáng)，價(jià)格低。不過(guò)，此類催化劑活性不穩(wěn)定，而且催化劑中的Cr組分是重金屬，對(duì)環(huán)境有污染，使此類催化劑的使用受限制。2.2.2鉑（Pt）系催化劑國(guó)內(nèi)外對(duì)鉑系脫氫催化劑研究比較多，載體最常見的是γ-Al2O3，實(shí)驗(yàn)的主要方向?yàn)楦淖冚d體與助劑的類型、助劑量、反應(yīng)氣氛、進(jìn)料比等來(lái)研究鉑系催化劑在丙烷脫氫制丙烯中的催化性能。對(duì)于Pt-Sn體系催化劑，載體種類、還原條件、制備方法以及金屬負(fù)載量等對(duì)經(jīng)還原處理后Sn組分的價(jià)態(tài)有很大影響。助劑錫組分的還原難易程度與氧化錫和載體之間的相互作用密切相關(guān)，強(qiáng)的相互作用可以抑制錫組分的還原。楊維慎[4]等對(duì)Pt-Sn/γ-Al2O3催化劑的丙烷脫氫反應(yīng)性能、積炭與再生以及現(xiàn)相關(guān)表征等做過(guò)綜述。對(duì)于Pt-Sn/γ-Al2O3催化劑，改變反應(yīng)條件和氣氛對(duì)催化劑的丙烷脫氫性能有顯著影響，例如在氮?dú)庵羞M(jìn)行丙烷脫氫制備丙烯反應(yīng)，可以突破熱力學(xué)平衡的限制，催化劑活性有很大提高[5]。表2-1常見丙烷有氧脫氫制丙烯催化劑反應(yīng)性能[6]催化劑反應(yīng)溫度/℃轉(zhuǎn)化率/%丙烯選擇性/%丙烯收率/%制備方法Cr2O3/Al2O360050.090.045.0浸漬法K1.0Cr2O3/Al2O362045.175.330.9浸漬法La0.5K1.0Cr2O3/Al2O362039.085.033.2浸漬法Pt/Al2O362034.462.921.6浸漬法Pt/Sn/Al2O362030.190.627.2絡(luò)合浸漬Pt/Sn/K/Al2O362032.084.026.9多次浸漬Pt/Sn/Na/Al2O362034.695.432.1共浸法Pt/Sn/Li/Al2O362033.094.531.4共浸法PtSnNa0.3/La0.7/Al2O359033.497.132.4浸漬法PtSn/ZSM-559018.676.814.3分步浸漬因此經(jīng)過(guò)Pt系催化劑和其他催化劑的對(duì)比，以及與丙烷脫氫工藝的對(duì)應(yīng)，我們選擇Pt/Sn-Al2O3作為氧化脫氫的催化劑。具體參數(shù)如下：表2-2催化劑的各種參數(shù)[7]催化劑顆粒Pt/Sn/Al2O3催化劑顆粒形狀球形催化劑顆粒直徑1.0mm催化劑床層空隙率0.252.3反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析2.3.1反應(yīng)方程式主反應(yīng)為：丙烷脫氫生成丙烯：副反應(yīng)為：丙烷裂解生成乙烯和甲烷：乙烯加氫生成乙烷：丙烷裂解生成乙炔、甲烷和氫氣：丙烷裂解生成丙炔和氫氣：丙烷深度裂解結(jié)焦生成碳和氫氣：2.3.2反應(yīng)機(jī)理對(duì)于丙烷脫氫主反應(yīng)，假設(shè)丙烷兩步脫氫并同時(shí)考慮丙烯和氫氣為強(qiáng)吸附，表面反應(yīng)為速率控制步驟，氫不解離吸附，即符合Langmuir-Hinshelwood機(jī)理，查閱文獻(xiàn)《thekineticsofpropanedehydrogenation》，文獻(xiàn)中認(rèn)為脫氫反應(yīng)是分步進(jìn)行的，反應(yīng)機(jī)理假設(shè)如下[7]：華東理工大學(xué)反應(yīng)工程課題組在用密度泛函理論（DFT）研究丙烷在Pt（m）、Pt（100）和Pt（211）晶面上的吸附時(shí)發(fā)現(xiàn)[8]，因?yàn)楸闆](méi)有孤對(duì)電子，無(wú)法與Pt原子成鍵，所以在Pt表面是物理吸附。誘捕介導(dǎo)的解離吸附實(shí)驗(yàn)也表明，丙焼在Pt表面是物理吸附。物理吸附態(tài)的丙烷既可以參與脫氫反應(yīng)也可以再次脫附至氣相中。丙烷則可以通過(guò)其孤對(duì)電子與兩個(gè)Pt原子形成化學(xué)鍵，Pt表面吸附的氫原子在促進(jìn)丙烷脫附、抑制丙烯深度脫氫方面有著重要作用。2.3.3反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程李慶在固定床反應(yīng)器中測(cè)定了動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，在微觀動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上建立宏觀動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)充分利用密度泛函理論（DFT）計(jì)算出的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。在所研究的工藝范圍內(nèi)，該模型是高度適定的，能夠很好地描述動(dòng)力學(xué)特征，故采用以下模型進(jìn)行模擬計(jì)算。該主反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型由方程（1）為速率控制步驟，通過(guò)穩(wěn)態(tài)近似法進(jìn)行處理可推出如下[7]：因?yàn)槲锓NC3H7的覆蓋度較之其他項(xiàng)很小，可以忽略，得到的動(dòng)力學(xué)方程為：同時(shí)反應(yīng)在600℃下進(jìn)行，丙烷主要發(fā)生裂解為乙烯和甲烷的副反應(yīng)，其反應(yīng)模型符合裂解模型，即：。裂解后的乙烯會(huì)在高溫下與脫氫產(chǎn)生的氫氣發(fā)生加氫反應(yīng)：其中根據(jù)文獻(xiàn)查得相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)如下表2-3：表2-3丙烷脫氫動(dòng)力學(xué)參數(shù)[8]參數(shù)數(shù)值＆置信區(qū)間（置信水平，95%）kkEkkEKK?KK?kkEKK=通過(guò)單位換算、數(shù)據(jù)整合最終得到動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)方程催化劑Pt/Sn/Al2O3的活性會(huì)隨時(shí)間逐漸下降，同時(shí)隨著溫度的升高，催化劑活性下降的越快，因此，充分考慮到催化劑失活的特點(diǎn)，本項(xiàng)目采用催化劑平均活化因子對(duì)脫氫和裂解動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行修正，以更好的利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，適應(yīng)工業(yè)需求。失活動(dòng)力學(xué)采用單層一多層焦機(jī)理模型，該機(jī)理認(rèn)為焦的形成有兩個(gè)不同的階段，在第一個(gè)階段，吸附在催化劑上的丙烯首先形成焦炭前驅(qū)體并繼續(xù)反應(yīng)生成焦炭沉積在催化劑的表面上，這些直接在催化劑的表面上形成的焦炭稱為單層焦。而在第二個(gè)階段，焦炭繼續(xù)形成并在單層焦之上沉積所以稱之為多層焦。其動(dòng)力學(xué)表達(dá)形式如下[9]：其中：經(jīng)過(guò)Excel表格對(duì)方程在T=873.15K下進(jìn)行等溫反應(yīng)的擬合可以得到催化劑活性隨反應(yīng)時(shí)間變化關(guān)系如圖2-2所示。圖2-2反應(yīng)時(shí)間對(duì)催化劑活性影響圖由于在脫氫反應(yīng)體系中催化劑的活性決定反應(yīng)速率，因此保證催化劑活性對(duì)整個(gè)反應(yīng)乃至工藝的進(jìn)行至關(guān)重要。由上圖可知，在T=873.15K下，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到10min時(shí)，催化劑活性下降到不足10%，我們選擇催化劑反應(yīng)10min后進(jìn)行再生。通過(guò)擬合計(jì)算，10min內(nèi)的催化劑平均活化因子為0.345833，因此最終的動(dòng)力學(xué)方程為：2.4反應(yīng)物性數(shù)據(jù)分析表2-4丙烷脫氫涉及各物質(zhì)的基本熱力學(xué)數(shù)據(jù)[10]物質(zhì)?f?fH200CH4-74.85-50.84C2H452.3068.24C3H620.4262.84C3H8-103.85-23.56C2H6-84.68-32.802.4.1氣體比熱容氣體比熱容如下：2.4.2反應(yīng)熱25℃各反應(yīng)的反應(yīng)熱為：反應(yīng)熱隨溫度的變化可由表示反應(yīng)熱與溫度關(guān)系的基爾霍夫公式得：最終得到的反應(yīng)熱為：2.4.2粘度體系各物質(zhì)粘度表達(dá)式如下：2.5反應(yīng)條件的選擇[11]2.5.1溫度隨著反應(yīng)溫度的升高，丙烷的初活性升高，但是選擇性卻呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)580-620℃之間，選擇性下降的趨勢(shì)不明顯。當(dāng)溫度超過(guò)620℃時(shí)，選擇性有一個(gè)明顯的下降。當(dāng)反應(yīng)溫度在大于650℃時(shí)，丙烷轉(zhuǎn)化率提高較快，這是由于丙烷脫氫反應(yīng)是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，提高反應(yīng)溫度有利于脫氫反應(yīng)的進(jìn)行。但是反應(yīng)溫度的提高，在增加丙烷脫氫反應(yīng)速率的同時(shí)也造成丙烷裂解反應(yīng)、氫解反應(yīng)及烯烴深度脫氫反應(yīng)加劇，導(dǎo)致烯烴選擇性降低，而且高溫加劇催化劑表面積炭導(dǎo)致催化劑迅速到了積炭平衡狀態(tài)，低溫反應(yīng)有利于提高催化劑的穩(wěn)定性。因此充分考慮裂解結(jié)焦等副反應(yīng)，在保證選擇性搞得條件下選擇600℃作為反應(yīng)溫度。圖2-3溫度對(duì)丙烷脫氫反應(yīng)的影響關(guān)系2.5.2壓力壓力對(duì)丙烷轉(zhuǎn)化率和丙烯選擇性影響較大，這是因?yàn)楸槊摎浞磻?yīng)是體積增加的反應(yīng)，增加反應(yīng)體系的壓力，平衡向逆方向移動(dòng)，影響了丙烷轉(zhuǎn)化率。此外壓力的升高加劇丙烷的氫解反應(yīng)，降低丙烷選擇性，壓力選擇應(yīng)該越低越好。但在實(shí)際過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)負(fù)壓或超低正壓是很困難的，只能是微正壓壓力為0.4MPa。圖2-4壓力對(duì)丙烷脫氫反應(yīng)的影響關(guān)系2.5.3碳?xì)浔入S著氫烴比的增加，丙烷轉(zhuǎn)化率和丙烯選擇性下降，甲烷選擇性增加。這是因?yàn)闅錃鉃槊摎浞磻?yīng)的產(chǎn)物之一，原料中氫氣含量的增加會(huì)抑制反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致丙烷轉(zhuǎn)化率下降，但是氫氣的存在，又加劇了丙烷的氫解反應(yīng)，導(dǎo)致甲烷的選擇性升高，氫氣的存在可以有效地抑制反應(yīng)過(guò)程中催化劑的積炭，有利于提高脫氫催化劑的穩(wěn)定性。本項(xiàng)目脫氫采用水蒸氣作為稀釋劑，同時(shí)抑制結(jié)焦，因此不考慮通入氫氣進(jìn)行無(wú)關(guān)的副反應(yīng)。圖2-5碳?xì)浔葘?duì)丙烷脫氫反應(yīng)的影響關(guān)系2.6反應(yīng)器設(shè)計(jì)在反應(yīng)器選型、催化劑選擇、機(jī)理分析、動(dòng)力學(xué)分析確定之后，我們選取

Pd/Sn/Al2O3催化劑穩(wěn)定時(shí)的最佳操作條件為設(shè)計(jì)條件，即溫度873.15K，壓力為0.2MPa，分為絕熱段和等溫段與動(dòng)力學(xué)方程一起在Comsol反應(yīng)工程模塊進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果下：圖2-6丙烷脫氫反應(yīng)器濃度—停留時(shí)間關(guān)系圖2-7丙烷脫氫反應(yīng)器濃度—反應(yīng)體積關(guān)系由各物質(zhì)濃度隨時(shí)間的變化可以看出，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為1.6s的時(shí)候，丙烷的轉(zhuǎn)化率和丙烯的選擇性已基本達(dá)到絕熱段要求，此后，再延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，主反應(yīng)也沒(méi)有很大的變化，反而增加副反應(yīng)，故可取反應(yīng)停留時(shí)間為1.6s。由于我們?cè)贑omsol模擬時(shí)是以擬均相處理得到，因此無(wú)須再考慮催化劑床層的空隙體積，再由Aspen知加氫反應(yīng)器進(jìn)口總體積流率m3/h，故求出反應(yīng)的總體積，即催化劑床層的總體積：可以看出由停留時(shí)間算出來(lái)的催化劑床層的體積和模擬的結(jié)果基本一致。根據(jù)本項(xiàng)目采用的熱管反應(yīng)器，在內(nèi)部排布7根熱管用于加熱，熱管內(nèi)徑d1=0.48m，外徑d2=0.50m，筒體直徑D=2.6m，筒體高度H=7.8m。其能保證受熱均勻，夾層利用堿金屬蒸汽進(jìn)行加熱維持等溫，得到反應(yīng)器體積為：2.7連續(xù)化操作設(shè)計(jì)因?yàn)槭芊磻?yīng)平衡的限制，為獲得有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的單程轉(zhuǎn)化率，丙烷脫氫需要在大約600℃以上的高溫下操作。然而溫度升高時(shí)，將加劇催化劑表面結(jié)焦，導(dǎo)致催化劑迅速失活。催化劑的表面結(jié)焦是一種非永久性失活，可以通過(guò)氧化再生將積碳除去，從而恢復(fù)催化劑的活性。本項(xiàng)目在丙烷脫氫反應(yīng)體系中增加了水蒸氣作為稀釋劑，既能降低平衡分壓，又能延長(zhǎng)催化劑的活性至35min，使催化劑再生間隔延長(zhǎng)，從而減少反應(yīng)器個(gè)數(shù)來(lái)保證連續(xù)操作。在Pt/Sn/Al2O3催化劑上建立燒焦（再生）動(dòng)力學(xué)模型[9]如下：在600℃下建立相關(guān)模型，求得催化劑焦含量隨著再生時(shí)間的變化關(guān)系如圖2-8所示?？傻迷谠偕鷷r(shí)間在55—60min左右可認(rèn)為催化劑焦含量基本被清楚。又查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知Pt/Sn/Al2O3催化劑蒸汽吹掃時(shí)間為5min，氫氣還原時(shí)間為10min.故通過(guò)生焦時(shí)間、蒸汽吹掃時(shí)間、燒焦時(shí)間、氫氣再生時(shí)間的相對(duì)大小，初步確定需要4臺(tái)反應(yīng)器，3臺(tái)反應(yīng)器正常工作，1臺(tái)反應(yīng)器作為備用，以防萬(wàn)一。同時(shí)確定了如下圖2-9的操作時(shí)間表，總循環(huán)時(shí)間為105min。圖2-8催化劑焦含量與再生時(shí)間的關(guān)系圖圖2-9丙烷脫氫反應(yīng)器連續(xù)化操作時(shí)間表2.8反應(yīng)器設(shè)計(jì)說(shuō)明書設(shè)計(jì)初步完成后，使用SW6-2011對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行強(qiáng)度校核，形成設(shè)計(jì)說(shuō)明書。由于該反應(yīng)器為管殼式固定床反應(yīng)器，其中輸入數(shù)據(jù)如下：表2-5輸入數(shù)據(jù)值項(xiàng)目管程/殼程設(shè)計(jì)壓力/MPa管程/殼程設(shè)計(jì)溫度/℃設(shè)備直徑/mm計(jì)算長(zhǎng)度/mm備注輸入數(shù)據(jù)0.40/0.40600/61526008000見表2-7、表2-13由SW6-2011計(jì)算結(jié)果如下：表2-6計(jì)算結(jié)果表項(xiàng)目計(jì)算結(jié)果/mm備注設(shè)備筒體壁厚14見表2-8、表2-10、表2-12上封頭壁厚14見表2-9上封頭壁厚14見表2-12管板壁厚200見表2-15設(shè)備法蘭復(fù)核合格見表2-16表2-7輸入數(shù)據(jù)固定管板換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算計(jì)算單位四川大學(xué)遠(yuǎn)航團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算條件殼程管程設(shè)計(jì)壓力0.4MPa設(shè)計(jì)壓力0.4MPa設(shè)計(jì)溫度605設(shè)計(jì)溫度6152600mm管箱圓筒內(nèi)徑Di2600mm材料名稱S30408材料名稱S30408簡(jiǎn)圖計(jì)算內(nèi)容殼程圓筒校核計(jì)算前端管箱圓筒校核計(jì)算前端管箱封頭(平蓋)校核計(jì)算后端管箱圓筒校核計(jì)算后端管箱封頭(平蓋)校核計(jì)算管箱法蘭校核計(jì)算管板校核計(jì)算表2-8前端管箱筒體計(jì)算前端管箱筒體計(jì)算計(jì)算單位四川大學(xué)遠(yuǎn)航團(tuán)隊(duì)計(jì)算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB150.3-2011計(jì)算條件筒體簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力Pc0.40MPa設(shè)計(jì)溫度t615.00C內(nèi)徑Di2600.00mm材料S30408(板材)試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力137.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力t107.00MPa試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn)s205.00MPa鋼板負(fù)偏差C10.30mm腐蝕裕量C22.00mm焊接接頭系數(shù)1.00厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度==4.87mm有效厚度e=n-C1-C2=11.70mm名義厚度n=14.00mm重量631.74Kg壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值PT=1.25P=0.5000(或由用戶輸入)MPa壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平TT0.90s=184.50MPa試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力T==55.81MPa校核條件TT校核結(jié)果合格壓力及應(yīng)力計(jì)算最大允許工作壓力[Pw]==0.95869MPa設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力t==44.64MPat107.00MPa校核條件t≥t結(jié)論筒體名義厚度大于或等于GB151中規(guī)定的最小厚度14.00mm,合格表2-9前端管箱封頭計(jì)算前端管箱封頭計(jì)算計(jì)算單位四川大學(xué)遠(yuǎn)航團(tuán)隊(duì)計(jì)算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB150.3-2011計(jì)算條件橢圓封頭簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力Pc0.40MPa設(shè)計(jì)溫度t615.00C內(nèi)徑Di2600.00mm曲面深度hi650.00mm材料S30408(板材)設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力t107.00MPa試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力137.00MPa鋼板負(fù)偏差C10.30mm腐蝕裕量C22.00mm焊接接頭系數(shù)1.00壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值PT=1.25Pc=0.5000(或由用戶輸入)MPa壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力tT0.90s=184.50MPa試驗(yàn)壓力下封頭的應(yīng)力T==55.68MPa校核條件TT校核結(jié)果合格厚度及重量計(jì)算形狀系數(shù)K==1.0000計(jì)算厚度h==4.86mm有效厚度eh=nh-C1-C2=11.70mm最小厚度min=3.90mm名義厚度nh=14.00mm結(jié)論滿足最小厚度要求重量824.58Kg壓力計(jì)算最大允許工作壓力[Pw]==0.96084MPa結(jié)論合格表2-10后端管箱筒體計(jì)算后端管箱筒體計(jì)算計(jì)算單位四川大學(xué)遠(yuǎn)航團(tuán)隊(duì)計(jì)算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB150.3-2011計(jì)算條件筒體簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力Pc0.40MPa設(shè)計(jì)溫度t615.00C內(nèi)徑Di2600.00mm材料S30408(板材)試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力137.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力t107.00MPa試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn)s205.00MPa鋼板負(fù)偏差C10.30mm腐蝕裕量C22.00mm焊接接頭系數(shù)1.00厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度==4.87mm有效厚度e=n-C1-C2=11.70mm名義厚度n=14.00mm重量631.74Kg壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值PT=1.25P=0.5000(或由用戶輸入)MPa壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平TT0.90s=184.50MPa試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力T==55.81MPa校核條件TT校核結(jié)果合格壓力及應(yīng)力計(jì)算最大允許工作壓力[Pw]==0.95869MPa設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力t==44.64MPat107.00MPa校核條件t≥t結(jié)論筒體名義厚度大于或等于GB151中規(guī)定的最小厚度14.00mm,合格表2-11后端管箱封頭計(jì)算后端管箱封頭計(jì)算計(jì)算單位四川大學(xué)遠(yuǎn)航團(tuán)隊(duì)計(jì)算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB150.3-2011計(jì)算條件橢圓封頭簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力Pc0.40MPa設(shè)計(jì)溫度t615.00C內(nèi)徑Di2600.00mm曲面深度hi650.00mm材料S30408(板材)設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力t107.00MPa試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力137.00MPa鋼板負(fù)偏差C10.30mm腐蝕裕量C22.00mm焊接接頭系數(shù)1.00壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值PT=1.25Pc=0.5000(或由用戶輸入)MPa壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力tT0.90s=184.50MPa試驗(yàn)壓力下封頭的應(yīng)力T==55.68MPa校核條件TT校核結(jié)果合格厚度及重量計(jì)算形狀系數(shù)K==1.0000計(jì)算厚度h==4.86mm有效厚度eh=nh-C1-C2=11.70mm最小厚度min=3.90mm名義厚度nh=14.00mm結(jié)論滿足最小厚度要求重量811.05Kg壓力計(jì)算最大允許工作壓力[Pw]==0.96084MPa結(jié)論合格表2-12殼程圓筒計(jì)算殼程圓筒計(jì)算計(jì)算單位四川大學(xué)遠(yuǎn)航團(tuán)隊(duì)計(jì)算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB150.3-2011計(jì)算條件筒體簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力Pc0.40MPa設(shè)計(jì)溫度t600.00C內(nèi)徑Di2600.00mm材料S30408(板材)試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力137.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力t100.00MPa試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn)s205.00MPa鋼板負(fù)偏差C10.30mm腐蝕裕量C21.50mm焊接接頭系數(shù)1.00厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度==5.21mm有效厚度e=n-C1-C2=12.20mm名義厚度n=14.00mm重量5775.92Kg壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值PT=1.25P=0.5000(或由用戶輸入)MPa壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平TT0.90s=184.50MPa試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力T==53.53MPa校核條件TT校核結(jié)果合格壓力及應(yīng)力計(jì)算最大允許工作壓力[Pw]==0.93408MPa設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力t==42.82MPat100.00MPa校核條件t≥t結(jié)論筒體名義厚度大于或等于GB151中規(guī)定的最小厚度13.50mm,合格表2-13換熱器內(nèi)外壓計(jì)算換熱管內(nèi)壓計(jì)算計(jì)算單位四川大學(xué)遠(yuǎn)航團(tuán)隊(duì)計(jì)算條件換熱管簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力Pc0.40MPa設(shè)計(jì)溫度t615.00C內(nèi)徑Di248.00mm材料S30408(管材)試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力116.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力t91.00MPa鋼板負(fù)偏差C10.00mm腐蝕裕量C20.00mm焊接接頭系數(shù)1.00厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度==0.55mm有效厚度e=n-C1-C2=6.00mm名義厚度n=6.00mm重量240.53Kg壓力及應(yīng)力計(jì)算最大允許工作壓力[Pw]==4.29921MPa設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力t==8.47MPat91.00MPa校核條件t≥t結(jié)論換熱管內(nèi)壓計(jì)算合格換熱管外壓計(jì)算計(jì)算單位四川大學(xué)遠(yuǎn)航團(tuán)隊(duì)計(jì)算條件換熱管簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力Pc-0.40MPa設(shè)計(jì)溫度t615.00C內(nèi)徑Di248.00mm材料名稱S30408(管材)試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力116.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力t91.00MPa鋼板負(fù)偏差C10.00mm腐蝕裕量C20.00mm焊接接頭系數(shù)1.00厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度=3.91mm有效厚度e=n-C1-C2=6.00mm名義厚度n=6.00mm外壓計(jì)算長(zhǎng)度LL=6400.00mm外徑DoDo=Di+2n=260.00mmL/Do8.23Do/e43.33A值A(chǔ)=0.0006213B值B=55.65重量240.53kg壓力計(jì)算許用外壓力[P]==1.28425MPa結(jié)論換熱管外壓計(jì)算合格表2-14管板厚度計(jì)算腐蝕前帶法蘭固定式管板計(jì)算設(shè)計(jì)單位四川大學(xué)遠(yuǎn)航團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算條件簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì)壓力ps0.4MPa設(shè)計(jì)溫度Ts600平均金屬溫度ts600裝配溫度t015殼材料名稱S30408設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力[]t100MPa程平均金屬溫度下彈性模量Es1.6e+05MPa平均金屬溫度下熱膨脹系數(shù)s1.834e-05mm/mm圓殼程圓筒內(nèi)徑Di2600mm(高頸法蘭取法蘭頸部大小端平均值)14mm14mm筒殼體法蘭設(shè)計(jì)溫度下彈性模量1.6e+05MPa殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積A=0.25Di25.309e+06mm2殼程圓筒金屬橫截面積As=s(Di+s)1.15e+05mm2管設(shè)計(jì)壓力pt0.4MPa箱材料名稱:S31608設(shè)計(jì)溫度Tt500圓設(shè)計(jì)溫度下彈性模量Eh1.69e+05MPa筒管箱圓筒厚度(高頸法蘭取法蘭頸部大小端平均值)h13mm管箱圓筒厚度he13mm管箱法蘭設(shè)計(jì)溫度下彈性模量1.69e+05MPa材料名稱:S31608管子平均溫度tt500換設(shè)計(jì)溫度下管子材料許用應(yīng)力91MPa設(shè)計(jì)溫度下管子材料屈服應(yīng)力119MPa設(shè)計(jì)溫度下管子材料彈性模量1.6e+05MPa熱平均金屬溫度下管子材料彈性模量1.6e+05MPa平均金屬溫度下管子材料熱膨脹系數(shù)1.834e-05mm/mm管子外徑d260mm管管子壁厚t6mm管子根數(shù)n9

換熱管中心距S300mm一根管子金屬橫截面積4788mm2換熱管長(zhǎng)度L6400mm換管子有效長(zhǎng)度(兩管板內(nèi)側(cè)間距)L5870mm管子回轉(zhuǎn)半徑89.83Mm管子受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度1200mm熱系數(shù)Cr=162.9比值13.36管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力()[]=MPa管管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力()[]=57.06MPa材料名稱:S30408設(shè)計(jì)溫度600管設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力79MPa設(shè)計(jì)溫度下彈性模量1.6e+05MPa管板腐蝕裕量C20mm管板輸入厚度n265mm管板計(jì)算厚度258mm隔板槽面積(包括拉桿和假管區(qū)面積)Ad0mm2板管板強(qiáng)度削弱系數(shù)0.4管板剛度削弱系數(shù)0.4管板和管子連接型式脹接，開槽管板和管子脹接(焊接)高度l5mm管板和管子焊接(脹接)許用拉脫應(yīng)力[q]45.5MPa管材料名稱:14Cr1Mo法蘭厚度160mm箱法蘭外徑2830mm法基本法蘭力矩2.69e+08Nmm蘭管程壓力操作工況下法蘭力1.365e+08Nmm法蘭寬度115mm管箱圓筒抗彎剛度(管箱圓筒材料波桑比=0.3)3.4e+07Nmm管箱圓筒常數(shù)0.0098881/mm

材料名稱:S30408法蘭厚度255mm法蘭外徑與內(nèi)徑之比1.088殼體法蘭應(yīng)力系數(shù)Y(按K查<<GB150－2011>>表7-9)22.81殼程圓筒抗彎剛度(殼程圓筒材料波桑比=0.3)4.021e+07Nmm殼程圓筒常數(shù)0.0095281/mm螺栓材料名稱S31608螺栓材料彈性模量Eb1.6e+05MPa螺栓長(zhǎng)度lb418mm螺栓總橫截面積Ab6.837e+04mm2螺栓中心至FD作用位置的徑向距離SD61mm螺栓中心至FG作用位置的徑向距離SG49.8mm螺栓中心至FT作用位置的徑向距離ST59.9mm墊片材料名稱非金屬軟墊墊片材料回彈模量EG1600MPa墊片厚度δG3mm墊片有效受壓面積AG8.19e+04mm2膨脹節(jié)總體軸向剛度0.1N/mm計(jì)算系數(shù)換熱管束與不帶膨脹節(jié)殼體剛度之比0.3748換熱管束與帶膨脹節(jié)殼體剛度之比1.175e+07管板開孔后面積A1=A-0.25nd22.236e+05mm2管板布管區(qū)面積(三角形布管)(正方形布管)7.015e+05mm2管板布管區(qū)當(dāng)量直徑945.1mm管板開孔抗彎剛度(管板材料波桑比=0.3)2.516e+11Nmm管子加強(qiáng)系數(shù),K=1.135管束彈性基礎(chǔ)系數(shù)3.349N/mm3系數(shù)0.3188系數(shù)0.1927系數(shù)-2.42e+08系數(shù)3.684e+07

換熱器各部件最大應(yīng)力(MPa)熱+熱++熱管板徑向應(yīng)力許用值118.5237118.5237118.5237管板剪切應(yīng)力許用值39.5118.539.5118.539.5118.5殼體法蘭應(yīng)力許用值118.5237118.5237118.5237中部換熱管應(yīng)力許用值壓許用值91919191919157.0657.0657.0657.0657.0657.06周邊換熱管應(yīng)力許用值壓許用值91273912739127357.0657.0657.0657.0657.0657.06換熱管拉脫應(yīng)力許用值45.5136.545.5136.545.5136.5殼體軸向應(yīng)力許用值100300100300100300殼體端部總應(yīng)力許用值118.5237118.5237118.5237管箱軸向應(yīng)力許用值107321107321107321管箱端部總應(yīng)力許用值120240120240120240結(jié)論管板名義厚度200mm管板應(yīng)力滿足要求管板與換熱管形式:脹接，開槽管板與換熱管連接拉脫應(yīng)力滿足要求焊或脹接高度l=5mm換熱管中部換熱管應(yīng)力滿足要求周邊換熱管應(yīng)力滿足要求殼程圓筒殼程圓筒軸向應(yīng)力滿足要求殼程圓筒端部殼程圓筒端部應(yīng)力滿足要求管箱圓筒管箱圓筒軸向應(yīng)力滿足要求管箱圓筒端部管箱圓筒端部應(yīng)力滿足要求殼體法蘭殼程法蘭應(yīng)力滿足要求表2-15設(shè)備法蘭復(fù)核管箱法蘭計(jì)算計(jì)算單位四川大學(xué)遠(yuǎn)航團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)條件簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì)壓力p0.400MPa計(jì)算壓力pc0.400MPa設(shè)計(jì)溫度t600.0C軸向外載荷F0.0N外力矩M0.0N.mm殼材料名稱S30408體許用應(yīng)力107.0MPa法材料名稱14Cr1Mo許用[]f181.0MPa蘭應(yīng)力[]80.0MPa材料名稱S31608螺許用[]b137.0MPa應(yīng)力[]56.9MPa栓公稱直徑48.0mm螺栓根徑d142.6mm數(shù)量n48個(gè)Di2620.0Do2830.0墊結(jié)構(gòu)尺寸Db2760.0D外2680.0D內(nèi)2620.0δ08.0mmLe35.0LA52.0h8.0δ118.0材料類型軟墊片N30.0m0.30y(MPa)2.0壓緊面形狀1a,1bb9.80DG2660.4片b0≤6.4mmb=b0b0≤6.4mmDG=(D外+D內(nèi))/2b0>6.4mmb=2.53b0>6.4mmDG=D外-2b螺栓受力計(jì)算預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WaWa=πbDGy=163792.1N操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WpWp=Fp+F=2243191.5N所需螺栓總截面積AmAm=max(Ap,Aa)=39423.4mm2實(shí)際使用螺栓總截面積AbAb==68373.0mm2力矩計(jì)算操FD=0.785pc=2155421.8NLD=LA+0.5δ1=61.0mmMD=FDLD=131480728.0N.mm作FG=Fp=19645.1NLG=0.5(Db-DG)=49.8mmMG=FGLG=978300.9N.mmMpFT=F-FD=66989.2NLT=0.5(LA+1+LG)=59.9mmMT=FTLT=4012612.8N.mm外壓:Mp=FD(LD-LG)+FT(LT-LG);內(nèi)壓:Mp=MD+MG+MTMp=136471648.0N.mm預(yù)緊MaW=7384056.0NLG=49.8mmMa=WLG=367716448.0N.mm計(jì)算力矩Mo=Mp與Ma[]ft/[]f中大者M(jìn)o=162526608.0N.mm

螺栓間距校核實(shí)際間距=180.6mm最小間距102.0(查GB150-2011表9-3)mm最大間距1296.0mm形狀常數(shù)確定144.78h/ho=0.1K=Do/DI=1.0802.2由K查表9-5得T=1.884Z=12.995Y=25.053U=27.530整體法蘭查圖9-3和圖9-4FI=0.90729VI=0.478780.00627松式法蘭查圖9-5和圖9-6FL=0.00000VL=0.000000.00000查圖9-7由1/o得f=4.55729整體法蘭=532787.8松式法蘭=0.07.7ψ=δfe+1=2.00=/T=1.062.34=8.75剪應(yīng)力校核計(jì)算值許用值結(jié)論預(yù)緊狀態(tài)0.00MPa操作狀態(tài)0.00MPa輸入法蘭厚度δf=160.0mm時(shí),法蘭應(yīng)力校核應(yīng)力性質(zhì)計(jì)算值許用值結(jié)論軸向應(yīng)力99.71MPa=120.0或=267.5()校核合格徑向應(yīng)力0.65MPa=80.0校核合格切向應(yīng)力52.30MPa=80.0校核合格綜合應(yīng)力=76.00MPa=80.0校核合格剛度系數(shù)0.987校核合格法蘭校核結(jié)果校核合格PAGE49/=NUMPAGES64-559第三章丙烯環(huán)氧化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)3.1反應(yīng)器選型3.1.1反應(yīng)特點(diǎn)丙烯直接氧化制環(huán)氧丙烷分為高壓法和低壓法，高壓法是在較高的壓力下，使丙烯能全部溶解在較少量的甲醇中，是氣液固三相轉(zhuǎn)化成液固兩相反應(yīng)體系；低壓法是在較低的壓力下，使丙烯基本上能溶解再較多的甲醇溶液中，也形成液固兩相體系。同時(shí)，直接環(huán)氧化反應(yīng)屬于強(qiáng)放熱反應(yīng)，需要及時(shí)地移走熱量才能保證反應(yīng)盡可能的向目標(biāo)產(chǎn)物方向進(jìn)行。3.1.2反應(yīng)器對(duì)比過(guò)氧化氫直接氧化丙烯制環(huán)氧丙烷反應(yīng)為一般為液固催化反應(yīng)，操作簡(jiǎn)單，基本采用列管式反應(yīng)器，在醇溶劑不足的情況下也會(huì)在低壓下形成氣液固三相反應(yīng)，一般采用三相涓流床。下面主要針對(duì)反應(yīng)體系對(duì)應(yīng)的列管式反應(yīng)器進(jìn)行分析：（1）列管式反應(yīng)器制作簡(jiǎn)單，但在提高反應(yīng)能力方面有一定的局限性。一般，提高反應(yīng)能力主要是通過(guò)提高換熱面積和催化劑裝填量來(lái)解決，也就是要加大列管的直徑或增加列管的數(shù)量，但這樣會(huì)產(chǎn)生床層徑向溫度分布不均勻，導(dǎo)致反應(yīng)不易控制，而且增加了副反應(yīng)的發(fā)生。（2）環(huán)氧化反應(yīng)為液固相可逆催化強(qiáng)放熱反應(yīng)，為保證放熱反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行需不斷地移出反應(yīng)熱，以使反應(yīng)過(guò)程沿最佳曲線進(jìn)行。目前工業(yè)上采用的列管式反應(yīng)器為了避免催化劑易老化、使用壽命短等缺點(diǎn)，通常在實(shí)際中采用大量填裝催化劑，以加大備用系數(shù)，延長(zhǎng)催化劑更換周期的時(shí)間，但太大的備用系數(shù)增加了催化劑床層高度，大大增加了設(shè)備運(yùn)行阻力和動(dòng)力消耗。在列管式固定床內(nèi)部一般存在熱點(diǎn)，對(duì)于此反應(yīng)，溫度過(guò)高會(huì)引起副產(chǎn)物丙二醇甲醚的增加，導(dǎo)致主產(chǎn)物選擇性下降。因此，針對(duì)這一情況，我們團(tuán)隊(duì)決定采用一種適用于液相強(qiáng)放熱反應(yīng)的等溫板式反應(yīng)器，有效換熱面積大，可使氣固催化可逆反應(yīng)沿著最佳溫度曲線進(jìn)行，氣體流動(dòng)阻力小、動(dòng)力消耗低、可回收熱量多、產(chǎn)量高、生產(chǎn)成本低，同時(shí)也可大大提高加氫催化劑利用系數(shù)和反應(yīng)器的容積利用率、增大催化劑裝填量等。因此本項(xiàng)目在環(huán)氧丙烷合成工段的反應(yīng)器設(shè)計(jì)中采用的是工業(yè)板式反應(yīng)器。工業(yè)板式反應(yīng)器內(nèi)部換熱板組的排列方式有兩種，一種是換熱板組平行于催化劑床層徑向放置并且沿著同心的扇形排開，換熱板組之間設(shè)置了冷管，如下右圖3-2所示；另一種是換熱板組垂直于催化劑床層徑向近似于同心圓排列，如下左圖3-1所示。圖3-1工業(yè)板式反應(yīng)器內(nèi)部剖面圖圖3-2換熱板組與冷管1-反應(yīng)器進(jìn)口管，5-中心集液管，7-冷卻介質(zhì)進(jìn)口，8-催化劑卸出管口，9-出汽管口14-反應(yīng)器出口管，17-冷管進(jìn)口，18-冷管出口，19-冷管出口分配器，20-外分布筒21-冷管進(jìn)口分配器，22-主分配管，23-換熱板組分配管，24-換熱板組，25-板翅26-冷管出水管，27-冷管橫截面，28-換熱板出汽管，29-冷管，30-換熱板，31-緊固箍32-反應(yīng)器殼體，33-換熱板組水汽收集管，34-環(huán)形筋板3.2催化劑的選擇非均相催化反應(yīng)中催化劑與反應(yīng)物的分離比較簡(jiǎn)單，液固相催化反應(yīng)容易分離，可以連續(xù)操作，廣泛應(yīng)用于化工原料的生產(chǎn)。過(guò)氧化氫法制備環(huán)氧丙烷主要運(yùn)用的催化劑有鐵硅酸鹽催化劑和磷鎢雜多酸季銨鹽催化劑。3.2.1鐵硅酸鹽催化劑鈦硅酸鹽用作環(huán)氧化催化劑已是成熟的技術(shù)，以TS-1為代表，用過(guò)氧化氫使丙烯環(huán)氧化的工藝，反應(yīng)條件溫和、副產(chǎn)物少。用過(guò)氧化氫直接環(huán)氧化丙烯制PO的反應(yīng)條件為：在溶劑介質(zhì)中，含鈦分子篩催化劑體系存在下，用含氮堿及其有機(jī)或無(wú)機(jī)酸鹽組成的緩沖液體系控制pH值為5.5～8.0。反應(yīng)具有高的轉(zhuǎn)化率和選擇性，催化劑的活性穩(wěn)定。3.2.2磷鎢雜多酸季銨鹽催化劑中科院大連化學(xué)物理研究所設(shè)計(jì)合成一類磷鎢雜多酸季銨鹽催化劑，可利用過(guò)氧化氫高轉(zhuǎn)化率、高選擇性使烯烴均相催化環(huán)氧化，催化劑穩(wěn)定性好。該催化劑在環(huán)氧化反應(yīng)結(jié)束后從反應(yīng)體系中析出，可如多相催化劑那樣過(guò)濾分離回收后循環(huán)使用，兼有均相催化劑和多相催化劑的優(yōu)點(diǎn)。該催化劑析出的質(zhì)量回收率為90％。以回收的催化劑進(jìn)行丙烯催化環(huán)氧化，其催化活性和選擇性與新鮮催化劑相同，表明該催化劑的穩(wěn)定性很好。該催化劑本身不溶于有機(jī)相中，但有H2O2存在時(shí)它緩慢溶解于油相并使烯烴均相催化環(huán)氧化。在反應(yīng)進(jìn)程中體系逐漸由渾濁變澄清。隨著環(huán)氧化反應(yīng)的進(jìn)行，H2O2逐漸消耗，催化劑又逐漸析出，反應(yīng)體系也隨之由澄清變渾濁，指示環(huán)氧化反應(yīng)的結(jié)束[12]。綜上對(duì)比：本反應(yīng)選擇具有沸石微孔結(jié)構(gòu)的TS-1催化劑，以SiO為載體，Ti為活性中心。每克催化劑表面積達(dá)到420～450m2，孔體積為0.18-0.26cm3。且催化劑可通過(guò)壓制粘合技術(shù)制成不同顆粒形狀不同大小的晶粒。本反應(yīng)選用直徑為0.5mm的齒形催化劑顆粒，堆密度為0.12g/cm3。催化劑規(guī)格大致如下：表3-1TS-1分子篩規(guī)格孔徑（nm）硅鋁比BET比表面積（m2/g）相對(duì)結(jié)晶度（%）殘鈉（%）灼減（%）0.560.582045/4580≥350≥95≤0.1≤5催化劑結(jié)構(gòu)如圖：圖3-3TS-1催化劑骨架TS-1分子篩壽命能長(zhǎng)達(dá)3年，其會(huì)發(fā)生暫時(shí)性失活，可通過(guò)再生的方法恢復(fù)。再生方法分為外部再生與原地再生方法。外部再生方法是將失活的催化劑引出，在540℃的焙燒爐里面焙燒6個(gè)小時(shí)，將堵塞在催化劑微孔中的微量高聚物燒掉，重新打開催化劑的活性位。原位再生方法則是將失活的催化劑在當(dāng)前的條件下先用甲醇沖洗1個(gè)小時(shí)，然后再用80℃的雙氧水沖洗24小時(shí)，從而完成再生。為避免外部再生帶來(lái)的開停車的損耗，項(xiàng)目催化劑失活后采用原地再生方法。3.3反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析3.3.1反應(yīng)方程式主反應(yīng)：丙烯氧化生成環(huán)氧丙烷：副反應(yīng)：環(huán)氧丙烷與甲醇反應(yīng)生成丙二醇甲醚：過(guò)氧化氫分解為水：3.3.2反應(yīng)機(jī)理分析以TS-1分子篩為催化劑，雙氧水為氧化劑，一定條件下可高選擇性高轉(zhuǎn)化率地進(jìn)行丙烯環(huán)氧化反應(yīng)。TS-1分子篩上烯烴與過(guò)氧化氫的環(huán)氧化反應(yīng)機(jī)理如圖3-4所示，在反應(yīng)過(guò)程中甲醇既能作為溶劑，又可與活性鈦原子位結(jié)合從而參與催化反應(yīng)。圖3-4烯烴與H2O2的環(huán)氧化反應(yīng)機(jī)理3.3.3反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型中，冪指數(shù)方程的應(yīng)用較廣，可以較好地描述各類反應(yīng)，工程應(yīng)用方便，因此采用冪指數(shù)模型。陳曉暉等[13]根據(jù)多組實(shí)驗(yàn)中的濃度隨時(shí)間的變化，利用非線性差分方法得到各點(diǎn)的反應(yīng)速度，再用最小二乘法擬合出副反應(yīng)模型中的各個(gè)參數(shù)，得到30～60℃、壓力0.2～0.4MPa時(shí)的反應(yīng)速率模型為：主反應(yīng)：醚化反應(yīng)：過(guò)氧化氫分解：3.4反應(yīng)物性數(shù)據(jù)分析表3-2環(huán)氧化各反應(yīng)涉及的熱力學(xué)數(shù)據(jù)物質(zhì)?f?fC3H620.4262.84H2O2-187.61-118.04PO-122.59-25.77H2O-285.83-237.178MeOH-239.03-166.82PM-438.36/O2003.4.1氣體比熱容氣體比熱容如下：3.4.2反應(yīng)熱25℃各反應(yīng)的反應(yīng)熱為：;;;反應(yīng)熱隨溫度的變化可由表示反應(yīng)熱與溫度關(guān)系的基爾霍夫公式得：最終得到的反應(yīng)熱（KJ/mol）為：3.5反應(yīng)條件的選擇3.5.1溫度圖3-5反應(yīng)溫度對(duì)過(guò)氧化氫的反應(yīng)速率和環(huán)氧丙烷的選擇性的影響[14-15]由圖可知，隨著反應(yīng)溫度提高，雖然過(guò)氧化氫的反應(yīng)速率逐步提高，但環(huán)氧丙烷選擇性急劇下降。反應(yīng)溫度從40℃升至50℃，隨著反應(yīng)溫度的升高，丙烯環(huán)氧化過(guò)氧化氫的反應(yīng)速率加快[16]；另外，反應(yīng)活性物種TiOOH在低溫穩(wěn)定，高溫不利于其生成，不利于環(huán)氧化反應(yīng)進(jìn)行，所以過(guò)高的反應(yīng)溫度會(huì)使活性物種TiOOH量減少，不利于環(huán)氧丙烷的生成。溫度過(guò)高還會(huì)促進(jìn)環(huán)氧丙烷開環(huán)生成丙二醇副反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致環(huán)氧丙烷選擇性下。因此，45℃是合適反應(yīng)溫度。3.5.2壓力在相同反應(yīng)流速和壓力相對(duì)較低的情況下，可明顯發(fā)現(xiàn)壓力愈大，那么環(huán)氧丙烷選擇性與過(guò)氧化氫反應(yīng)速率這兩者會(huì)隨之加大[17]。其關(guān)鍵在于壓力過(guò)大時(shí)丙烯溶液的分解速度相對(duì)較快，如果壓力值達(dá)到0.4Mpa，丙烯壓力對(duì)其造成的影響相對(duì)較小。因此，反應(yīng)壓力為0.4MPa較為合適。圖3-6反應(yīng)壓力對(duì)過(guò)氧化氫的反應(yīng)速率和環(huán)氧丙烷的選擇性的影響3.5.3過(guò)氧化氫濃度過(guò)氧化氫濃度增大，過(guò)氧化氫的反應(yīng)速率加快，但是其選擇性也隨之降低，在氧化氫濃度為20%時(shí)，反應(yīng)具有一個(gè)較高的和轉(zhuǎn)化率，同時(shí)兼顧工業(yè)上過(guò)氧化氫的濃度影響，選取35%的濃度進(jìn)料。圖3-7過(guò)氧化氫的濃度對(duì)過(guò)氧化氫的反應(yīng)速率和環(huán)氧丙烷的選擇性的影響3.5.4甲醇濃度過(guò)氧化氫的反應(yīng)速率和選擇性隨著升高的甲醇濃度不斷提高，同時(shí)為了保證在低壓條件下丙烯能充分的溶解在甲醇中形成液相，故采用高濃度甲醇作為溶劑進(jìn)料。圖3-8甲醇濃度對(duì)過(guò)氧化氫的反應(yīng)速率和環(huán)氧丙烷的選擇性的影響綜合各個(gè)工藝條件和催化劑活性范圍對(duì)反應(yīng)的影響，我們選取的工藝條件為45℃、0.4MPa、35%的過(guò)氧化氫濃度、99.0%甲醇的溶劑。3.6反應(yīng)器尺寸設(shè)計(jì)3.6.1反應(yīng)器體積確定在進(jìn)行反應(yīng)器的設(shè)計(jì)之前，我們需要確定反應(yīng)器尺寸的組合形式，確定組合形式之前，我們需要確定反應(yīng)器的體積進(jìn)而設(shè)計(jì)，因此在反應(yīng)器選型、催化劑選擇、機(jī)理分析、動(dòng)力學(xué)分析確定之后，我們選取TS-1催化劑穩(wěn)定時(shí)的最佳操作條件為設(shè)計(jì)條件，即溫度318.15K，壓力0.4Mpa，并采取甲醇作為溶劑，35%的過(guò)氧化氫作為原料。根據(jù)查找的動(dòng)力學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)，用龍格庫(kù)塔法在Excel表格中對(duì)反應(yīng)器的濃度變化情況進(jìn)行模擬求解，初步得到反應(yīng)器平均停留時(shí)間t=300s，濃度隨時(shí)間的變化情況如圖3-9所示。圖3-9龍格庫(kù)塔法單釜計(jì)算隨后將動(dòng)力學(xué)方程一起運(yùn)用Comsol反應(yīng)工程模塊進(jìn)行模擬。選取主反應(yīng)和兩個(gè)副反應(yīng)來(lái)進(jìn)行反應(yīng)曲線的擬合。在Comsol反應(yīng)工程模塊模擬出參與反應(yīng)的各物質(zhì)濃度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系，采用瞬態(tài)間歇式定常體積求解類型進(jìn)行求解，結(jié)果如下（因?yàn)镃H3OH濃度過(guò)大、O2和PM濃度過(guò)小，故在此只考慮主反應(yīng)設(shè)計(jì)的物質(zhì)濃度變化）：圖3-10參與反應(yīng)各物質(zhì)濃度與時(shí)間的關(guān)系在Comsol反應(yīng)工程模塊模擬出參與反應(yīng)的各物質(zhì)與反應(yīng)器體積的關(guān)系，采用穩(wěn)態(tài)活塞流近似求解，結(jié)果如下：圖3-11參與反應(yīng)各物質(zhì)濃度與催化劑床層體積的關(guān)系由各物質(zhì)濃度隨時(shí)間的變化可以看出，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為300s的時(shí)候，過(guò)氧化氫和丙烯的轉(zhuǎn)化率和環(huán)氧丙烷的選擇性已基本達(dá)到工藝給定要求，此后，再延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，也沒(méi)有很大的變化，故可取反應(yīng)停留時(shí)間為300s。圖3-12丙烯轉(zhuǎn)化率隨床層體積變化關(guān)系由于我們?cè)贑omsol模擬時(shí)是以擬均相處理得到，因此無(wú)須再考慮催化劑床層的空隙體積。由Aspen模擬數(shù)據(jù)可知丙烯環(huán)氧化反應(yīng)器進(jìn)口總體積流率354.768m3/h，進(jìn)而求得反應(yīng)的總體積，即催化劑床層的總體積V催可以看出由停留時(shí)間算出來(lái)的催化劑床層的體積和模擬的結(jié)果一致。3.6.2反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的工業(yè)板式反應(yīng)器側(cè)視圖和俯視圖如下，催化劑裝填在內(nèi)分布筒和外分布筒之間的所有空隙，類似于徑嗎向反應(yīng)器。反應(yīng)氣體通過(guò)反應(yīng)器上部的氣體分布器進(jìn)入外分布筒和反應(yīng)器殼體的環(huán)隙，再穿過(guò)上半部開孔大、下半部開孔小的外分布筒，從徑向進(jìn)入催化劑床層，反應(yīng)后的氣體從內(nèi)分布筒進(jìn)入中心集氣管，最后從反應(yīng)器底部出去，如下左圖所示。圖3-13板式立式簡(jiǎn)圖圖3-14板式反應(yīng)器俯視圖3.6.3板式反應(yīng)器尺寸設(shè)計(jì)本團(tuán)隊(duì)根據(jù)工程上的經(jīng)驗(yàn)以及一個(gè)反應(yīng)器體積，初步設(shè)計(jì)板式反應(yīng)器有20塊換熱板組、20個(gè)冷管，并且沿著中心環(huán)形陣列，然后估算出換熱板組的寬度W0、換熱板組的高度H0、外分布筒半徑R3、內(nèi)分布筒半徑R2、中心集液管R1的大小，組合得到兩種方案，冷管的體積近似催化劑床層體積的1/4，再利用Comsol對(duì)以下方案進(jìn)行模擬，催化劑床層近似擬均相處理，以尋求最優(yōu)的反應(yīng)器尺寸，這里以兩塊換熱板組所夾的區(qū)域模擬為例。圖3-15Comsol模擬的兩塊板組的尺寸示意圖方案一：W0=1.2m，H0=4.5m，R1=0.25m，則R2=R1+W0=1.45m，R3=R2+0.2=1.65m催化劑床層體積故尺寸設(shè)計(jì)滿足要求。方案二：W0=1m，H0=5.8m，R1=0.25m則R2=R1+W0=1.25m，R3=R2+0.2=1.45m催化劑床層體積故尺寸設(shè)計(jì)滿足要求。用COMSOLMultiphysics這款軟件分別對(duì)這兩種方案進(jìn)行多物理場(chǎng)的耦合計(jì)算，因?yàn)槠錅囟茸兓⑿?，影響很小，故考慮傳質(zhì)動(dòng)量傳遞兩場(chǎng)耦合，進(jìn)而得到各物質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)的濃度、速度、壓力、溫度等分布，比較兩種方案得出反應(yīng)器換熱板的最佳尺寸。方案一取換熱板組的寬度W0=1.2m，換熱板組高度H0=4.5m，內(nèi)分布筒半徑R1=0.25m，外分布筒半徑R3=1.65m，提取相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，在Comsol三維建模，保持溫度接近恒定時(shí)，再增加Brinkman方程、稀物質(zhì)傳遞兩個(gè)物理場(chǎng)模擬化工反應(yīng)器的三傳一反。事先查找的相關(guān)參數(shù)如下：表3-3模擬所需參數(shù)換熱板組個(gè)數(shù)20混合氣體粘度μ-Pa?s1.4×10-5C3H6擴(kuò)散系數(shù)-cm2/s0.411混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)k-W/(m?K)0.281H2O2擴(kuò)散系數(shù)-cm2/s0.488外分布筒開孔率0.6PO擴(kuò)散系數(shù)-cm2/s0.247孔隙率ε0.5MeOH擴(kuò)散系數(shù)-cm2/s0.678反應(yīng)器個(gè)數(shù)n1PM擴(kuò)散系數(shù)-cm2/s0.207混合液體密度ρ-kg/m3785.9977H2O擴(kuò)散系數(shù)-cm2/s0.564總體積流量Vm-m3/h345.7678O2擴(kuò)散系數(shù)-cm2/s0.493我們采用的是20塊換熱板組沿著半徑方向排列，每?jī)蓧K換熱板組之間有冷管，冷管是等腰三角形，求得冷管頂角度數(shù)為，根據(jù)方案一的尺寸，求得冷管所占體積為：假設(shè)冷管的長(zhǎng)邊為a,則有解得a=0.74m冷管邊長(zhǎng)為0.74m。由以上冷管和換熱板組等尺寸，在Comsol中建模進(jìn)行求解，其中換熱板組內(nèi)部和冷管均為冷卻水，查得相關(guān)的傳熱系數(shù)可得K=10W/m2/K，用以撤走反應(yīng)區(qū)域放出的熱。模擬求解動(dòng)量傳遞、流體傳熱、稀物質(zhì)傳遞三個(gè)物理場(chǎng)時(shí)，反應(yīng)器的區(qū)域就是一個(gè)熱源，我們以反應(yīng)熱作為熱源為邊界條件，也以換熱板組內(nèi)與冷管內(nèi)冷卻水換的熱為邊界條件，求解結(jié)果如下所示。（1）速度分布圖中箭頭指向即為流速方向，可以看出，進(jìn)口流通截面積大，流速小，出口截面積小，流速大，并且在冷管邊界出現(xiàn)了流速的不均勻分布；圖3-16板式反應(yīng)器的速度分布（2）濃度分布兩個(gè)物理場(chǎng)耦合后C3H6和PO的濃度變化如下所示，可以看出，丙烯摩爾濃度由1710mol/m3降到了340mol/m3，即C3H6的轉(zhuǎn)化率達(dá)到了80.12%，環(huán)氧丙烷濃度由45.2mol/m3升到1400mol/m3，即PO的收率達(dá)到了78.94%；這是因?yàn)樵趶?qiáng)放熱的條件下會(huì)加快過(guò)氧化氫的分解，說(shuō)明丙烯環(huán)氧化反應(yīng)關(guān)鍵組分是丙烯，但是其轉(zhuǎn)化率是過(guò)氧化氫的量決定的。圖3-17板式反應(yīng)器C3H6濃度分布圖3-18板式反應(yīng)器PO濃度分布（3）溫度分布在傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞相互影響且不斷與外界換熱的情況下，反應(yīng)區(qū)域溫度變化如下所示，可以看出，整個(gè)反應(yīng)區(qū)域溫度分布均勻，換熱情況好，僅僅在換熱板組附近溫度有所變化，很好的處于催化劑的活性溫度范圍之內(nèi)，因此采用這種板式反應(yīng)器就很好地解決了催化劑床層的容易燒結(jié)、存在熱點(diǎn)等問(wèn)題。圖3-19板式反應(yīng)器溫度分布方案二模擬同上，冷管長(zhǎng)邊求得為a=0.65，模擬結(jié)果圖見Comsol源文件。3.6.4列管式固定床反應(yīng)器尺寸設(shè)計(jì)由于工業(yè)上環(huán)氧化反應(yīng)器大多數(shù)為列管式固定床反應(yīng)器，而我們?cè)O(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用的是板式反應(yīng)器，為了這比較兩種反應(yīng)器，我們也做了列管式反應(yīng)器尺寸的設(shè)計(jì)，通過(guò)得到其溫度濃度等分布再比較兩者的優(yōu)劣。環(huán)氧化列管式固定床反應(yīng)器同樣采用一臺(tái)布置，經(jīng)過(guò)模擬設(shè)計(jì)出三種方案尺寸：方案一：管徑60mm，高4.2m，總管數(shù)2500根，反應(yīng)體積為：1/4×3.14×0.062×4.2×2500=29.688m3方案二：管徑56mm，高4.1m，總管數(shù)3000根，反應(yīng)體積為：1/4×3.14×0.0562×4.1×3000=30.295m3方案三：管徑50mm，高4.0m，總管數(shù)3800根，反應(yīng)體積為：1/4×3.14×0.052×4.0×3800=29.845m3這里僅以方案一為例，其余見Comsol模擬源文件。方案設(shè)計(jì)為管徑R0=0.03m,管高H0=3.8m在Comsol中利用多物理場(chǎng)耦合，即三傳一反的耦合來(lái)得到丙烯環(huán)氧化反應(yīng)的濃度分布：圖3-20管式反應(yīng)器C3H6濃度變化圖圖3-21管式反應(yīng)器PO濃度變化圖如圖3-20、3-21所示為C3H6、PO在反應(yīng)器內(nèi)的濃度分布，C3H6進(jìn)口濃度為1710mol/m3，出口濃度為391mol/m3，由此得到C3H6的轉(zhuǎn)化率為；PO進(jìn)口濃度為50.1，出口濃度為1360mol/m3，由此得到PO的收率為同時(shí)在列管式反應(yīng)器中溫度分布不均勻，徑向溫差較大，達(dá)到46℃，無(wú)法實(shí)現(xiàn)等溫操作。圖22管式反應(yīng)器溫度分布3.6.5板式反應(yīng)器與列管式反應(yīng)器比較兩者模擬源文件見Comsol模擬源文件，模擬結(jié)果比較如下所示：表3-4板式反應(yīng)器與列管式反應(yīng)器比較反應(yīng)器類型列管式固定床反應(yīng)器板式反應(yīng)器尺寸管徑0.025m管長(zhǎng)4.0m管數(shù)3800根管徑0.028m管長(zhǎng)4.1m管數(shù)3000根管徑0.03m管長(zhǎng)3.8m管數(shù)2800根換熱板組寬度W0=1.0m換熱板組高度H0=5.8m內(nèi)分布筒半徑R1=0.25m外分布筒半徑R3=1.45m換熱板組寬度W0=1.2m換熱板組高度H0=4.5m內(nèi)分布筒半徑R1=0.25m外分布筒半徑R3=1.65mC3H6濃度(mol/m3)進(jìn)口17101710171017101710出口431402391368340PO濃度(mol/m3)進(jìn)口50.150.150.150.150.1出口13201350136013601400C3H6轉(zhuǎn)化率74.79%76.49%77.13%78.48%80.12%PO收率74.27%76.02%76.60%76.61%78.94%壓降/MPa0.60.60.60.40.4比較結(jié)果在傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞兩場(chǎng)耦合的條件下，從生產(chǎn)能力來(lái)看，板式反應(yīng)器較列管式固定床反應(yīng)器C3H6轉(zhuǎn)化率更高，PO收率較高，生產(chǎn)能力更大；從能量損耗來(lái)看，板式反應(yīng)器反應(yīng)床層壓降更低，即大大減少了反應(yīng)器的能耗；從設(shè)備投資來(lái)看，板式反應(yīng)器造價(jià)較低。綜上所述，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的板式反應(yīng)器優(yōu)于一般的立式列管式固定床反應(yīng)器，更適用環(huán)氧丙烷的大規(guī)模生產(chǎn)。最終我們確定的反應(yīng)器為板式反應(yīng)器，其尺寸為換熱板組寬度W0=1.2m、換熱板組高度H0=4.5m、內(nèi)分布筒半徑R1=0.25m、外分布筒半徑R3=1.65m。3.6.6板式反應(yīng)器三維設(shè)計(jì)SolidWorks是基于Windows系統(tǒng)下的原創(chuàng)的三維設(shè)計(jì)軟件。其易用和友好的界面，能夠在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作中，SolidWorks完全自動(dòng)捕捉設(shè)計(jì)意圖和引導(dǎo)設(shè)計(jì)修改。在SolidWorks的裝配設(shè)計(jì)中可以直接參照已有的零件生成新的零件。不論設(shè)計(jì)用"自頂而下"方法還是"自底而上"的方法進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，SolidWorks都將以其易用的操作大幅度地提高設(shè)計(jì)的效率。為了進(jìn)一步完善草酸酯加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，本次裝配圖的繪制不僅使用了CAD，還使用了Solidwork2014。同時(shí)還使用Solidwork2014進(jìn)行了裝配過(guò)程視頻的制作。首先是整體反應(yīng)器的設(shè)計(jì)全貌，如圖3-21所示：圖3-21SolidWorks反應(yīng)器設(shè)計(jì)全貌內(nèi)部在設(shè)有固定加強(qiáng)圈，以固定換熱板組，內(nèi)外分布筒設(shè)有開孔，方便物料由外向內(nèi)逐級(jí)擴(kuò)散，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-22所示：圖3-22板式反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖最后，我們得到板式反應(yīng)器的三維爆炸模型，如圖3-23所示，自上而下分別是進(jìn)料口、外分布筒、上緊固箍、換熱板組、冷管組、下緊固箍、封頭、出料口。圖3-23環(huán)氧化板式反應(yīng)器三維3.7板式反應(yīng)器筒體和封頭的校核表3-5筒體的校核立式攪拌容器校核計(jì)算單位四川大學(xué)遠(yuǎn)航團(tuán)隊(duì)筒體設(shè)計(jì)條件內(nèi)筒設(shè)計(jì)壓力pMPa0.4設(shè)計(jì)溫度t°C60內(nèi)徑Dimm4000名義厚度dnmm10材料名稱Q345R許用應(yīng)力[s]189[s]tMPa189壓力試驗(yàn)溫度下的屈服點(diǎn)sEQ\s(t,s)345鋼材厚度負(fù)偏差C1mm0.3腐蝕裕量C2mm2厚度附加量C＝C1＋C2mm2.3焊接接頭系數(shù)f1壓力試驗(yàn)類型液壓試驗(yàn)壓力pTMPa0.5筒體長(zhǎng)度Lwmm8000內(nèi)筒外壓計(jì)算長(zhǎng)度Lmm封頭設(shè)計(jì)條件筒體上封頭筒體下封頭夾套封頭封頭形式橢圓形橢圓形名義厚度dnmm1010材料名稱設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力[s]tMPa189189鋼材厚度負(fù)偏差C1mm0.30.3腐蝕裕量C2mm22厚度附加量C＝C1＋C2mm2.32.3焊接接頭系數(shù)f11主要計(jì)算結(jié)果內(nèi)圓筒體內(nèi)筒上封頭內(nèi)筒下封頭校核結(jié)果校核合格校核合格校核合格質(zhì)量mkg7911.151363.031363.03攪拌軸計(jì)算軸徑mm備注表3-6筒體內(nèi)壓校核內(nèi)筒體內(nèi)壓計(jì)算計(jì)算單位四川大學(xué)遠(yuǎn)航團(tuán)隊(duì)計(jì)算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB150.3-2011計(jì)算條件筒體簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力Pc0.43MPa設(shè)計(jì)溫度t60.00°C內(nèi)徑Di4000.00mm材料Q345R