R3001反应器计算.docx

反应器设计6.1.2.2反应器的选择反应器大致可以分为釜式反应器、管式反应器、固定床反应器、流化床反应器。下面分析四种反应器的优劣。6.1.2.2.1 釜式反应器：反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。 优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。6.1.2.2.2 管式反应器由于反应物的分子在反应器内停留时间相等，所以在反应器内任何一点上的反应物浓度和化学反应速度都不随时间而变化，只随管长变化。管式反应器具有容积小、比表面大、单位容积的传热面积大，特别适用于热效应较大的反应。由于反应物在管式反应器中反应速度快、流速快，所以它的生产能力高。管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产。和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流型接近与理想流体。管式反应器既适用于液相反应，又适用于气相反应。用于加压反应尤为合适。6.1.2.2.3 固定床反应器固定床反应器的优点是：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。固定床反应器的缺点是：传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。6.1.2.2.4 流化床反应器1、流化床反应器的优点由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大（可高达328016400m2/m3），有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。由于颗粒在床内混合激烈，使颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致，床层与内浸换热表面间的传热系数很高200400W/m2k，全床热容量大，热稳定性高，这些都有利于强放热反应的等温操作。这是许多工艺过程的反应装置选择流化床的重要原因之一。流化床内的颗粒群有类似流体的性质，可以大量地从装置中移出、引入，并可以在两个流化床之间大量循环。这使得一些反应再生、吸热放热、正反应逆反应等反应耦合过程和反应分离耦合过程得以实现。使得易失活催化剂能在工程中使用。2、流化床反应器的缺点气体流动状态与活塞流偏离较大，气流与床层颗粒发生返混，以致在床层轴向没有温度差及浓度差。加之气体可能成大气泡状态通过床层，使气固接触不良，使反应的转化率降低。因此流化床一般达不到固定床的转化率。催化剂颗粒间相互剧烈碰撞，造成催化剂的损失和除尘的困难。由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的磨损严重。虽然流化床反应器存在着上述缺点，但优点是主要的。流态化操作总的经济效果是有利的，特别是传热和传质速率快、床层温度均匀、操作稳定的突出优点，对于热效应很大的大规模生产过程特别有利。对于本工艺，由于放热量大，且温度对反应影响很大，优先考虑流化床和列管式固定床反应器。但是由于流化床催化剂的磨损非常严重，而且很容易形成气泡，影响气固接触，使得反应转化率降低。所以经过综合考虑我们选择管式固定床反应器作为丙烯氧化反应器。加氢反应器主要损伤型式与材料选择 加氢装置由于操作条件的特殊性，所以反应器有可能发生一些特殊的损伤现象。为防止这些破坏性的损伤发生，不仅要有正确的设计与选材，而且与正确的制造工艺和正确的操作维护关系极大。下面介绍热壁加氢反应器可能发生的主要损伤型式及其对策。1. 高温氢腐蚀2. 氢脆3. 高温硫化氢腐蚀连多硫酸应力腐蚀开裂1. 铬-钼钢的回火脆性损伤2. 奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离温氢腐蚀(HAHydoqgen Attack)(1) 高温氢腐蚀形式表面脱碳 内部脱碳与开裂 表面脱碳不产生裂纹，表面脱碳的影响一般很轻，其钢材的强度和硬度局部有所下降而延性提高。内部脱碳是由于氢扩散侵入到钢中发生反应生成甲烷，即Fe3C+2H2CH4+ 3Fe 。甲烷聚集于晶界空穴和夹杂物附近，形成很高的局部应力，使钢材产生龟裂、裂纹或鼓泡，并使钢材强度和韧性显著下降。由于这种损伤是发生化学反应的结果，所以它具有不可逆的性质，也称永久脆化现象。其实际的进展是甲烷气泡在晶界形核、成长及气泡串通产生晶间微裂纹，最终这些微裂纹能够连通而形成断裂通道。 这里要引出一个“孕育期”(或称潜伏期)的概念。就是对于处在形成甲烷气泡，但成长速度缓慢且没有串通的阶段，钢材的力学性能不发生明显改变的这段时间称为“孕育期”。 “孕育期”的概念对于工程上的应用是非常重要的。它可被用来确定设备和管道所采用的钢材的大致安全使用时间。“孕育期”的长短取决于许多因素，包括钢种、氢压、温度、冷作程度、杂质元素含量和作用应力等。影响高温氢腐蚀的主要因素1. 温度、压力和暴露时间的影响2. 合金元素和杂质元素的影响3. 热处理的影响4. 应力的影响抗高温氢腐蚀的材料选用及注意要点多少年来都是按照原称为“纳尔逊(Nelson)曲线来选择抗氢材料。现为API RP(推荐准则)941(第5版)”炼油厂和石油化工厂用高温高压临氢作业用钢标准上的一个图线。 在应用这个图线进行选材时，还应该注意以下几点：本图线只涉及到材料抗高温氢腐蚀的性能，它并不考虑在高温时其它重要因素引起的损伤。 由于纳尔逊曲线已经过多次修订，使用时务必按照最新版的曲线选用，才能保证使用的可靠性。在实际应用中，焊缝部位的氢腐蚀更是不可忽视的。在依据此图线进行选材时，应尽量减少不利影响的杂质元素含量，注意控制非金属夹杂物的含量和作用应力水平以及进行充分的回火和焊后热处理等对提高钢材抗高温氢腐蚀都是有好处的。 氢脆(HEHydrogen mbrittlement) (1) 氢脆现象的特征所谓氢脆 ，是由于氢残留在钢中所引起的脆化现象。产生了氢脆的钢材，其延伸率和断面收缩率显著下降。氢脆是可逆的，也称作一次脆化现象。氢脆发生的温度一般在150 以下。所以，实际装置中氢脆损伤往往都是发生在装置停工过程的低温阶段。 (2) 防止产生氢脆的有关要点 氢脆的敏感性一般是随钢材强度的提高而增加 钢的显微组织对氢脆也有影响 钢材的氢脆化程度与钢中的氢含量密切相关( 可以认为，在可能发生氢脆的温度下，会存在着不引起亚临界裂纹扩展的氢浓度，称之为安全氢浓度。它与钢材的强度水平、裂纹尖端的拉应力大小以及裂纹的几何尺寸有关)对于操作在高温高压氢环境下的反应器，在操作状态下，器壁中会吸收一定量的氢。在停工的过程中，若冷却速度太快，使吸藏的氢来不及扩散出来，造成过饱和氢残留在器壁内，就有可能引起亚临界裂纹扩展，对设备的安全使用带来威胁。为避免氢脆发生，可注意以下要点：钢材强度不要超过设计规定值。且要注意降低焊接热影响区的硬度(2Cr-1Mo钢应控制220HB)通过无损检测消除宏观缺陷消除残余应力使负荷应力降低 在加氢反应器等临氢设备中还存在不锈钢氢脆损伤的现象(有的还兼有相脆化)，其部位多发生在反应器催化剂支持圈的角焊缝上以及法兰梯型槽密封面的槽底拐角处。防止此类损伤的发生，主要应从结构设计上、制造过程中和生产操作方面采取如下措施：1. 尽量减少应变幅度，降低热应力和避免应力集中；2. 尽量保持Tp.347堆焊金属或焊接金属有较高的延性。3. 装置停工时尽量使钢中吸藏的氢释放出去。4. 尽量避免非计划的紧急停工。合适的工艺条件a 反应机理（1）EAQ的深度氢化反应是一个平行连续的反应，开始生成EAN和H4EAQ，EAN和H4EAQ再分别发生深度氢化反应。根据实验结果，我们可作出5-羟甲基糠醛氢化反应图。下图为5-羟甲基糠醛氢化反应图。（2）H4EAQ比较稳定，不易发生进一步的氢化反应，在低氢压下，H4EAQ基本不发生深度氢化，只有在高氢压下，催化剂浓度较高时，才会发生深度氢化生成一种单一的未知产物，这一点与前人研究的成果有所不同。（3）EAN在高氢压下生成相应的ETHAN，少部分生成未知产物。（4）氢气压力对深度氢化反应有很大的影响，有时甚至决定反应能否进行。（5）在低氢压下，没有H4EAQ的异构化产物，而在高氢压下，会产生少量的H4EAQ的异构产物。（6）氢化反应热为-75.33kl/mol。图 Error! No text of specified style in document.15-羟甲基糠醛氢化反应b 催化剂的选择目前，5-羟甲基糠醛加氢催化剂为载体钌碳催化剂Ru/C，金属钌是一种性能极好的催化剂，用于氢化、异构化、氧化和重整反应中。由英国石油公司和美国凯洛格公司联合研制成功的氨合成钌催化剂于1992年实现工业化。与传统的氨合成铁催化剂相比，钌催化剂的优势明显，在低温、低压和低氢氮比条件下具有较高的活性，而且抗毒性、稳定性良好，尤其是以活性炭为载体制备的钌催化剂由于活性炭材料本身具有较高的比表面、丰富的孔结构以及特有的物理化学性质，用作贵金属催化剂的载体，可使活性金属和促进剂的前驱体得到充分的分散，不仅能够节省贵金属用量，防止金属粒子烧结，同时炭材料与活性金属间的强相互作用，并直接影响催化剂的活性、选择性与稳定性。同时废弃催化剂中的活性金属可以回收再利用，被誉为继铁催化剂之后的第二代氨合成催化剂。c 工艺条件的选择在Ru/C催化剂的催化作用下，工作液中的有效5-羟甲基糠醛与氢气在3.5MPa和200条件下进行加氢反应。反应器结构计算表 1 反应器进料状况项目参数温度200压力（MPa）3.5相态总质量流率（kg/h）总体积流量（m3/h）组分名称四氢呋喃（THF）水氢气HMF液体和气体294103.17773.512质量分率（%）5.1289.710.254.87其它0.05表 2 反应器出料状况项目参数温度200压力（MPa）3.5相态总质量流率（kg/h）总体积流量（m3/h）组分名称四氢呋喃（THF）水氢气HMF液体和气体294103.735492.401质量分率（%）5.1391.040.010.022,5-二甲基呋喃（DMF）HAHDTHFADMTHF甲醇3.470.00010.010.240.00010.07a 反应器体积计算对于固定床反应器，由于气体的实际接触时间与催化剂堆积形成的空隙的体积有关，而空隙体积则与催化床层的体积有关。所以，用“催化床体积/进料体积流量”来定义空时。由化学反应动力学方程：反应温度为200，则：反应进料时HMF的初始浓度：进料时HMF的摩尔流量FHMF0=113.5291Kmol/hVR=113.529100.932dxHMF13.41=113.529113.410.932=7.890m3催化剂一般装填整个反应器的50%60%，此处我们选取50%装填量：V=7.8900.50=15.780m3圆整体积，则反应器定型体积为：V=7.8900.50=16.0m3b 反应器的直径和高度根据工业催化中规定，为了保证反应气流稳定，固定床反应器的长径比一般在612之间。此处我们选取反应器长度/反应器直径8，则：H=8D=16RV=R2H=16R3R=0.683m此处选取反应器直径D=1.4m，固定床反应器长度H=11.2mc 反应器筒体壁厚的设计设计参数的确定设计压力的相关确定计算压力=设计压力+液柱静压力设计压力：P=（1.051.1）P工此处我们取：P=1.1P工=1.13.5=3.85MP液体静压：PL=gHPL=对gH=597.14kg/m310m/s211.2m=66879.7P=0.06688MP计算压力p计：P计=P+PL=3.85+0.06688=3.917MP设计温度的相关确定该反应器操作温度为200，取设计温度220，则选用材质为15CrMo不锈钢钢板。取焊接接头系数=1.0（双面焊对接接头，100无损探伤），则查化工设备设计手册可知15CrMo不锈钢钢板材料在250时的许用应力t=110MP；腐蚀裕量C2=1mm。筒体的壁厚计算厚度=PcDi2t-Pc=3.917140021101-3.917=25.37821mm已知钢板腐蚀裕量C2=1mm；负偏差C1=0.9mm，则：设计厚度d=+C=25.37821+1+0.9=26.27821mm名义厚度n=26.28mmd 筒体封头设计反应釜的封头选用标准椭圆型封头（JB1154-73），内径与筒体相同，封头采用15CrMo不锈钢钢板材料制造。相关结构参数如下：公称直径曲面高度直边高度内表面积容积封头壁厚的设计对于标准椭圆形封头，其计算厚度按下式计算：经计算得t=25.15mme 反应器的水压试验水压试验压力的确定水压试验的压力：液压试验的强度校核15CrMo不锈钢材料的屈服极限，则：由，可知水压强度足够。压力表的量程、水温压力表的最大量程：或，即：由于使用15CrMo不锈钢，故要求水温5。水压试验操作过程操作过程：在保持筒体表面干燥的条件下，首先用水将筒体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至，稳压30，然后将压力缓慢降至，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将筒体内的水排净，用压缩空气吹干筒体。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。水压试验合格后再做气压试验。附件的设计a 筒体法兰的设计根据筒体内操作压力、温度和筒体直径，查压力容器法兰分类和规格表和压力容器法兰分类与技术条件（JB/T4700-2000），选带衬环的乙型对焊法兰（如图2-4所示），法兰材料为15CrMo。查标准非金属软垫片（JB/T4704-2000）、缠绕垫片（JB/T4705-2000）、金属包垫片（JB/T4706-2000）及压力容器法兰分类与技术条件（JB/T4700-2000），查标准JB/T4702-2000乙型平焊法兰，公称压力PN=0.3MPa，公称直径DN=1700mm，则法兰标记为：法兰C-RF1700-0.3JB/T4702-2000。图 Error! No text of specified style in document.2乙型平焊法兰结构示意图查标准压力容器用缠绕垫片（JB/T4702-2000），选用垫片为聚四佛乙烯填充袋材料，标记为：垫片1700-0.3JB/T4702-2000。b 螺栓根径和螺栓个数的设计根据GB150钢制压力容器设计，螺栓法兰的材料选择GB/T3077，其标准为30CrMoA，螺栓24个，直径16mm。c 人孔的设计人孔该固定床反应器内装催化剂，为了装卸催化剂并检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件等，设置人孔。本反应器为固定床反应器，本设计决定采用常压人孔。操作压力小于4MPa，根据标准HG/T21514-1995钢制人孔和手孔的类型与技术条件，选用常压人孔，其安装位置灵活。固定床反应器为立式反应器，反应器高度为11.2m，催化剂装填分为三段，故设四个人孔。图 Error! No text of specified style in document.3常压人孔简图查标准HG/T21515-1995常压人孔，所选人孔标记为：人孔FS（A-NY400）450-0.6HG/T21515-1995。其公称直径为500mm；公称压力40MPa；密封面型式为平面；筒节、凸缘材料为15CrMo不锈钢材料；垫片材料为为聚四佛乙烯填充袋材料；筒节高度为130mm。人孔补强确定根据标准JB/T4736-2002补强圈，该人孔可用补强圈补强。采用内坡口型式、全焊透焊接，补强圈放在釜壁外单面补强。图 Error! No text of specified style in document.4D型补强圈型式尺寸示意图（适用于壳体为内坡口的全焊透结构）所选人孔筒节内径为500mm，外径为516mm、壁厚为9mm。补强圈材料采用为15CrMo不锈钢材料，尺寸算确定如下：补强圈外径，内径。根据补强的金属面积应大于或等于开孔减少的截面积，补强圈的厚度按下式估算：其中：补补强圈厚度，mm；1人孔筒节厚度，mm；2器壁厚度（）与腐蚀裕量（）之差，mm；di人孔筒节内径，mm；圆整至标准值，取58mm厚。d 反应器支座的设计本反应器选择圆筒裙式支座选择依据裙式支座适用于高大型或重型立式容器的支承。裙座有圆筒形和圆锥形两种形式，通常采用圆筒型裙座。圆锥形裙座一般用于以下情况：1塔径D1000，且H/D30或D1000，且H/D25；2基本风压q0.5KN/m2或地震烈度8度时。圆锥形裙座的半锥角15。裙座开孔l 排气孔裙座顶部须开设80的排气孔，以排放可能聚结在裙座与封头死区有害气体。l 排液孔裙座底部须开设100的排液孔，一般孔径50，中心高50mm的长圆孔。l 人孔裙座上必须开设人孔，以方便检修；人孔为圆形，l 引出管通道孔考虑到管子热膨胀，在支承筋与引出管之间应保留一定间隙。裙座与塔体封头连接裙座直接焊接在塔底封头上，可采用对接焊缝或搭接焊缝。在没有风载荷或地震载荷时，对接焊缝承受容器重量产生的压缩载荷，搭接焊缝则承受剪切载荷。相比而言，搭接焊缝受力情况较差，在一些小塔或受力较小的情况下采用。本设计选用对接焊缝。裙座壳体过渡段塔壳设计温度低于-20或高于250时，裙座壳顶部分的材料应与塔下封头材料相同，选择15CrMo不锈钢钢板材料，裙座壳体过渡段长度取4倍保温层厚度，但不小于500mm；群座保护层当塔内或周围容器内有易燃、易爆介质时，一旦发生火灾，裙式支座型式会因温度升高而丧失强度，故裙座应设防火层。当裙座D1500mm时，仅外面敷设防火层；当裙座D1500mm时，两侧均敷设50mm石棉水泥层。当塔内操作温度很高，塔体与裙座的温度差引起不均匀热膨胀，会使裙座与塔底封头连接焊缝受力情况恶化，此时须对裙座加以保温。选用圆锥形裙座，裙座内径1400，裙座壁厚6mm，裙座高度2m。两侧均敷设50mm石棉水泥层。e 接口管的设计5-羟甲基糠醛进料管5-羟甲基糠醛预热后液相进料。由于5-羟甲基糠醛为液相，参照表2-6.设5-羟甲基糠醛管内流速为2.0m/s。表 Error! No text of specified style in document.1某些流体在管路中的常用流速范围流体及其流动类别流速范围/（m/s）水及低黏度液体（1105Pa1106Pa）1.53.0工业供水（8105Pa以下）1.53.0饱和蒸汽2040低压空气1215一般气体（常压）10205-羟甲基糠醛进料流量为113.5291Kmol/h，则：采用钢管，钢管的一端切成，伸入反应器内一定长度。配用具有突面密封的板式平焊管法兰，法兰标记为PL15-0.25JB/T4700-2000。氢气进料管氢气为气相进料。设氢气为理想气体，3.5MPa、200进料，由理想气体状态方程计算得密度：氢气进料流量为2100kmol/h，则：参照表2-6选取氢气管内流速为15m/s，则氢气进料管内径为：采用无缝钢管，材质为15CrMo，配用具有突面密封的板式平焊管法兰，法兰标记为PL70-0.25JB/T4700-2000。反应器出料管根据设计结果，我们可以得出反应器出口组成如表2-7，则：液体体积流量为：气体体积流量为：液体积流量计算如下：设出料的速率为，则出料管口直径为：选用无缝钢管，配用具有突面密封的板式平焊管法兰，法兰标记为PL100-0.25JB/T4700-2000。f 液体分布器液体分布器的种类很多，主要分为排管（重力型）、环管（压力型）、排管（压力型）、孔盘式、孔槽式、堰盘式、堰槽式。可知，苯酚液体进料管很细，不利于液体均匀分布。此处我们选择排管式液体分布器。此液体分布器具有在设计的液体流量范围均布性能好；占空间小；结构见到，加工方便；易于支撑；造价低廉等优点。双层管式液体分布器采用双层多排管式结构，也就是上下两层分布管结构，如下图：（a）（b）表 Error! No text of specified style in document.2双层多排管式液体分布器结构简图分布器被3mm厚的中间隔板分成上下两层通道。液体分布支管氛围上下两层，各层支管分别与水平总管的上下通道对应相连。位于分布器中心的垂直进料总管为嵌套在一起的两根短管。下层分布支管的作用是均匀的分布液体，当液体流量不稳（即开停车或调整生