3-反应器设计说明书

1 反应器设计说明书 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 1 化育臻善 工于至诚 目录 第一章 概述. 2 1.1 化学反应器的分类. 2 1.1.1 固定床反应器. 2 1.1.2 鼓泡反应器. 3 1.2 化学反应器设计的基本内容. 4 1.2.1 反应器设计的基本内容. 4 1.2.2 反应器设计基本方程. 4 1.3 本项目设计概述. 5 第二章 醋酸乙烯合成反应器设计. 6 2.1 反应器型式选择. 6 2.2 反应原理. 6 2.2.1 反应机理. 6 2.2.2 催化剂选择. 7 2.2.3 反应器模型建立. 7 2.2.4 反应动力学方程. 9 2.3 反应体积计算. 10 2.4 工艺条件的选择. 11 2.4.1 温度. 11 2.4.2 压力. 12 2.4.3 进料比. 12 2.4.4 反应器设计条件. 13 2.5 反应器尺寸设计. 13 2.5.1 反应器列管长度和数目计算. 13 2.5.2 催化剂床层阻力降核算. 14 2.5.3 反应器内径和长度设计. 15 2.6 反应器热量衡算. 18 2.6.1 取热介质选择及用量. 18 2.6.2 换热面积校核. 19 2.7 反应器机械设计. 21 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 2 化育臻善 工于至诚 2.7.1 反应器封头设计. 21 2.7.2 反应器气体分布器设计. 22 2.7.3 反应器支座设计. 23 2.7.4 反应器接管法兰设计. 23 2.7.5 催化剂支托结构设计. 24 2.7.6 反应器拉杆设计. 24 2.7.7 反应器连接结构设计. 25 2.8 反应器参数汇总. 25 2.9 反应器机械强度校核. 27 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 3 化育臻善 工于至诚 第一章第一章 概述概述 任何化工过程的生产，从原料到产品的过程都可以概括为以下三个部分：原料预处理、 化学反应和产品分离。原料预处理是按照化学反应对原料的要求，将原料进行处理，例如， 提纯原料， 除去对反应不利的杂质； 加热原料使其达到化学反应要求的温度； 若原料为固体， 将其进行破碎，以利于反应等等。这些预处理操作属于物理过程。反应产物分离，主要也是 物理过程。而化学反应则是一种或几种物质转化为所需物质及其他杂质的化学过程。所以， 化学反应是整个生产过程的核心，是起主导作用的一步。故反应器是生产过程的核心设备之 一。 1.11.1化学反应器的分类化学反应器的分类 工业生产中使用的反应器型式多种多样，分类方法也有许多种，例如，可以根据物料聚 集态分， 可以根据反应器结构分， 可以根据热交换情况分， 还可以根据反应器内的温度分布、 操作方式等分类。其中，最常用的是按照相态进行分类。 1.1.1固定床反应器 固定床反应器又称填充床反应器， 是装填有固体催化剂或固体反应物来实现多相反应过 程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径 2-15mm 左右，堆积成一定高度（或厚度）的 床层。床层静止不动，流体通过床层来进行反应。它与流化床反应器及移动床反应器的区别 在于固定床反应器中的固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固相催化反 应。 固定床反应器有三种基本形式： 1、轴向绝热式固定床反应器。流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界没有热交换； 2、径向绝热式固定床反应器。流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床 层同外界没有热交换。径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短，流道截面积较 大，流体的压力降较小。但径向反应器的结构比轴向反应器复杂。以上两种形式都属绝热反 应器，适用于反应热效应不大，或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应而引起的温度变 化的场合； 3、列管式固定床反应器由多根反应管并联构成。管内或管间放置催化剂，载热体流经 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 4 化育臻善 工于至诚 管间或管内进行加热或冷却，管径通常在 2550mm 之间，管数可多达上万根。列管式固定 床反应器适用于反应热效应较大的反应。 此外，还有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。例如：当 反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热反应器串联成多级绝热式固定床反应器, 反应器之间设换热器或补充物料以调节温度，以便在接近于最佳温度条件下操作。 固定床反应器的优点： 1、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； 2、催化剂机械损耗小； 3、结构简单。 但是，固定床反应器也存在明显的缺点： 4、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，超过允许温度）； 5、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适用，常代之以流 化床反应器或移动床反应器。 1.1.2鼓泡反应器 气-液相反应器是用来进行气液相反应的另一大类反应器。由于气液相反应的复杂性， 对不同的反应条件和传质、传热、返混的不同要求，形成多种气-液反应器的类型和结构型 式。按气-液两相的接触形态可分为鼓泡塔、填料塔、鼓泡搅拌釜和喷雾塔等。多数有机物 的氧化、氯化等都采用气-液反应器。 鼓泡反应器是以液相为连续相，气相为分散相的气液反应器。主要类型有槽型鼓泡反应 器、鼓泡管式反应器等多种结构型式，其中鼓泡塔应用最广。 鼓泡反应器的特点有： 1、气相既与液相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率； 2、鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决，用于高压时 也无困难； 3、鼓泡塔内液体返混严重，气泡易产生聚并，故效率较低。 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 5 化育臻善 工于至诚 由于上述特点，鼓泡反应器更适用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的 反应。 1.21.2化学反应器设计的基本内容化学反应器设计的基本内容 工业反应器设计的任务是根据给定的生产能力， 确定反应器的型式和适宜的尺寸以及相 应的操作条件，使反应过程有最大收益，这就是反应器设计的优化。然而在反应器投产运转 以后，还必须根据各种因素和条件的变化作出相应的修正，以使它仍能处于最优的条件下操 作，即还需进行操作的优化。 1.2.1 反应器设计的基本内容 1、选择合适的反应器型式和结构 根据反应系统的动力学特性，如反应过程中的浓度效应、温度效应以及反应的热效应， 结合反应器的流动特性和传递特性，如反应器的返混程度，选择合适的反应器类型以满足反 应过程的需要，使反应结果达到最佳。反应器结构是指为保证一定的传递特性反应器所必需 的整体结构及相应的部件结构。 2、确定最佳的工艺条件 操作工艺条件，如反应器的进口物料配比、流量、反应温度、压力和最终转化率等，直 接影响反应器的反应结果，也影响反应器的生产能力。在确定工艺条件时还必须使反应器在 一定的操作范围内具有良好的运转特性，而且要有抗干扰的能力，满足操作稳定性的要求。 3、计算所需反应器体积 根据所确定的操作条件，针对所选定的反应器型式，计算完成规定生产能力所需的反应 器体积，同时由此确定优化的反应器结构和尺寸。 1.2.2 反应器设计基本方程 反应器设计的基本方程包括反应动力学方程式、物料衡算方程式、热量衡算方程式和动 量衡算方程式。反应动力学方程式是化学反应器设计的基础。 1、物料衡算方程式 物料衡算方程式以质量守恒定律为基础，是计算反应器体积的基本方程。对间歇反应器 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 6 化育臻善 工于至诚 和全混流反应器，由于反应器中浓度均匀，可对整个反应器做物料衡算。对于反应器中物料 浓度沿反应器长度具有分布的反应器，应选取反应器微元体积，假定在这些微元体积中浓度 和温度均匀，对该微元作物料衡算，将这些微元加和起来，成为整个反应器。对整个反应器 或对反应器微元体积进行某反应组分的物料衡算，基本公式为： 某组分流入量某组分流入量= =某组分流出量某组分流出量+ +某组分反应消耗量某组分反应消耗量+ +某组分积累量某组分积累量 在不同情况下，上式可作相应简化。对于间歇过程，由于分批加料、卸料，反应过程中 某组分流入量和流出量为零。对非定态反应器，则上式各量均需要考虑。 2、热量衡算方程式 热量衡算方程式以能量守恒与转化定律为基础。 在计算反应速率时必须考虑反应体系的 温度，通过热量衡算可以计算反应器中的温度的变化。与物料衡算相仿，对整个反应器或某 一微元体积进行反应体系的热量衡算，基本公式为： 带入的热焓带入的热焓= =流出的热焓流出的热焓+ +反应热反应热+ +热量的累积热量的累积+ +传向环境的热量传向环境的热量 式中的反应热项，放热反应时为负值，吸热反应时为正值。不同情况下，上式可以简化： 对于间歇过程，反应过程中飞入与流出的热焓为零；对连续流动反应器，在定态条件下，热 量累积项为零；对等温流动反应器，在定态条件下，带入热焓与流出热焓两项相等；对绝热 反应器，传向环境的热量为零。 3、动量衡算方程式 动量衡算方程式以动量守恒和转化定律为基础，计算反应器的压力变化。当气相流动反 应器的压降大时需要考虑压力对反应速率的影响，此时需进行动量衡算。 物料衡算方程式和反应速率方程式是描述反应器性能的两个最基本的方程式。 反应器设 计可采用经验方法和数学模型方法。 1.31.3本项目设计概述本项目设计概述 本项目为陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目。 其中母 厂为本项目提供充足的乙炔原料。整个装置分为醋酸乙烯制备、循环乙炔精制、循环醋酸和 醋酸乙烯精制、乙醛处理共四个工段。 本项目主要涉及到的反应器为醋酸乙烯制备反应器， 下面对反应器进行了设计和结构选 型，并且给出了其工艺制造说明。选用合适的压力、温度、停留时间等条件，满足反应器产 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 7 化育臻善 工于至诚 物转化率。设计过程中确定了反应器的体积参数和结构参数，并对其床层压力降和机械强度 进行了校核。 第二章第二章 醋酸乙烯合成反应器设计醋酸乙烯合成反应器设计 2.12.1 反应器型式选择反应器型式选择 通过上一章的叙述，我们知道用于气固相连续反应的反应器主要有固定床反应器、移动 床反应器以及流化床反应器等型式。不同型式的反应器具有不同的传递特性，传递不影响化 学反应本身，但是影响浓度和温度的分布，从而影响反应速率和选择性。 流化床反应器传热效果好，温度均匀，便于实现固体的连续输入输出，而且可以使用小 颗粒的固体或催化剂。但是其缺点也很明显，由于催化剂颗粒的剧烈运动，造成固体颗粒与 流体严重返混，导致反应物转化率较低，而且催化剂磨损严重。固定床反应器内流体流动接 近平推流，可以获得较高的选择性和转化率，结构简单，操作方便，催化剂磨损小。 气相乙炔和气相醋酸合成醋酸乙烯酯的反应中，选用工业 Zn（Ac）2/C 为催化剂，一般 温度选择在 150-225，压力为常压，乙炔与醋酸物质的量之比通常为 2.4-6.4。在空时为 900-1500h -1的条件下，催化剂内外扩散阻力可忽略。本反应过程放出大量热，需要冷却介质 及时将热量移走，以保持催化剂活性及反应器的平稳运行。 2.22.2 反应原理反应原理 2.2.1 反应机理 反应共分三步进行，其中以第一步反应的速度最慢。 1、首先，乙炔分子吸附在催化剂表面形成络合物； 2323 )()(OCOCHZnCHHCOCOCHZnCHCH 2、然后，这一络合物迅速进行分子重排，生成络合物； )()()( 3323 OCOCHZnCHCHOCOCHOCOCHZnCHHC 3、最后，该络合物与醋酸反应又分解成醋酸锌分子和醋酸乙烯。 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 8 化育臻善 工于至诚 2332333 )()()(OCOCHZnOCOCHCHCHCOOHCHOCOCHZnCHCHOCOCH 2.2.2 催化剂选择 对于合成醋酸乙烯反应，锌、镉、汞等化合物均起主催化剂作用。镉的化合物价格贵， 汞的化合物又有剧毒，因此，工业上采用醋酸锌为主催化剂，载体采用活性炭。活性炭的主 要成分是炭，此外还有少量 H、O、N、S 等。含量虽少，但对活性的性质有一定的影响。活 性炭具有不规则的石墨结构，在 300800下焙烧时， 表面上形成碱性基团，故使活性炭 能呈现酸或碱。性能良好的催化剂，一般要求活性炭微孔直径不小于醋酸锌、醋酸、乙炔和 醋酸乙烯分子平均直径的总和，最好是在 20-30之间分布，在此范围的比表面积最大。其 具体规格如表 2-1 所示。 表表 2-1催化剂催化剂参数参数 名称Zn（Ac）2/C 形状球形（3.0mm） BET280m2/g 孔容0.54cm3/g 堆积密度0.832g/cm3 真密度3.7g/cm3 孔隙率70% 2.2.3 反应器模型建立 为了简化模型方程的推导，根据操作条件和列管式固定床反应器的特点，对醋酸乙烯反 应器作理想化处理，提出以下几点假设： （1）在垂直于流体流动方向的截面上流体性质和速度是均匀的，径向不存在速度梯度 和温度梯度，也不存在浓度梯度。 （2）轴向传热和传质仅由平推流的总体流动所引起。 按以上假设，我们采用拟均相一维平推流模型，即忽略反应器的轴向温度分布和浓度分 布，我们现在只考虑反应器的径向参数的变化，并按均相反应器来考虑。根据以上假设导出 反应器模型。 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 9 化育臻善 工于至诚 先把列管式固定床反应器看做管式反应器分析， 达到稳态后， 随物料流动的轴向而变化， 故可取任意时间间隔某微元体积 dVR，对此微元体积进行物料衡算。 进料量： 0(1 ) AAA FFx 输出量： 0 1 () AAAAA FdFFxdx 反应量： AR r dV 则微元体积的物料衡算式为： 00 (1)=1 () + AAAAAAR FxFxdxr dV 化简然后进行积分可得： f 0 0 A A x AA R BAx Fdx V r 物料衡算微分方程： 0 AABAR F dxrdV 热量衡算微分方程： 2 4 tPtBAAtS FC dTdrHdlUd TTdl 经整理后，可得到如下的积分方程和微分方程： 2 0 4 tBA A A ddx r dlF 2 1 4 tBAAtS t dT drHK d TT dlFCp 式中：FA0反应物 A 进料摩尔流量，kmol/h； Ft反应物总进料摩尔流量，kmol/h； G 流体的空床质量流速，kg/(m 2h)； B催化剂堆积密度，kg/m 3； (-rA)反应速率，kmol/(kg 催化剂h)； 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 10 化育臻善 工于至诚 l反应器长度方向距离，m； yA0进料中组分 A 的分子分数； VR反应器体积，m 3； T反应管内反应温度，； TS反应介质温度，； K总传热系数，W/(m 2 K)； xA反应物 A 的转化率。 2.2.4 反应动力学方程 （1）反应动力学方程 本设计采用的动力学为黎汉生等测定的固定床反应器动力学方程， 该动力学模型是简化 得到的 LHHW 型式的反应动力学表达式。 )./(CC RT 87673 exp1525. 0r 5 . 0 HAc 0 . 1 HCHC 2222 skgmol ）（ （2）反应动力学参数 将原文献中的参数进行单位换算，可得： 指前因子 k0=0.0048225/kmol 0.5m1.5/(kg/s); 活化能 E=87673/(J/mol); （3）反应热力学参数 查阅文献，可得各物质的标准摩尔生成焓、熵和恒温热容计算公式，参数如表 2-2 所 示： 表表 2-2 各物质基础热力学数据 物 质 fHm(T=298.15K) Kcal/mol fSm（T=298.15） cal/mol Cp=A+BT+CT2+DT3，cal/(mol K) CpAB103C106D10-5 醋 酸 乙 -72.5294.7321.043.62166.764-21.63 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 11 化育臻善 工于至诚 烯 醋 酸 -103.8167.9315.902.3852.65-24.5 乙 炔 54.1948.0010.5012.133.84-2.46 不同温度下的反应焓变计算公式为： 298.15, 298.15 T rTifK iP HHC dT 通过该公式计算可得乙炔和醋酸反应生成醋酸乙烯的反应热为： H =-96.18KJ/mol 2.32.3 反应体积计算反应体积计算 本反应在空时为 9001500h -1的条件下，催化剂内外扩散阻力可忽略。进口物料流量为 24.776m 3，同为避免反应器体积过大，将反应气体等量分成两部分处理，即用两台相同的反 应器进行反应制备， 以下设计以其中一台反应器为例。 单个反应器进口物料流量 V0=12.388m 3， 综合考虑将反应停留时间定为 5.2s，此时催化剂床层体积为： 3 0R m42.64388.122 . 5VV 反应器进出口物料的介质名称、组成和流量如表 2-3 所示： 表表 2-3 进出口物料的介质名称、组成和流量 介质名称 进口组成（质量分 数） 进口流量（kg/h） 出口组成（质量分 数） 出口流量（kg/h） C2H20.45542120.130.39636624.61 HAC0.53449431.500.39836811.52 VAC0.0033307.380.19718267.17 CH3CHO0.0011106.030.0020188.69 CO20.000214.600.000328.10 CH3COCH32.08E-051.920.000219.73 H2O0.0021195.440.0018169.57 C6H10O40.000549.580.000762.08 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 12 化育臻善 工于至诚 HCOOH0.000437.910.000437.91 CR-ALD0.000760.930.000877.80 C4H6O30.0019174.630.0023212.87 MDEA1.804E-101.67E-051.804E-101.67E-05 2.42.4 工艺条件的选择工艺条件的选择 2.4.1 温度 根据文献可知，该反应的允许温度范围较宽，为 150-220。根据 Aspen Plus 模拟反 应器，做醋酸乙烯产量对反应进口温度灵敏度分析，设置温度范围为 150-220，可得到分 析结果如图 2-1 所示： 图 2-1 反应温度与醋酸乙烯量的关系 由于本反应体系采取的是恒温列管式固定床反应器， 在催化剂床层之间设置换热器与冷 公用工程进行换热，使反应一直在催化剂的活性温度范围内进行，以达到良好的转化率与选 择性，并且避免因为绝热放热反应温度的升高导致催化剂失活，所以选择一个合适的反应器 入口温度与各段催化剂床层入口温度至关重要。但是随着入口温度的上升，醋酸乙烯的转化 率大幅度下降，导致其收率并没有提高；而在 180温度范围内，醋酸的转化率有 25%左右， 有较高的收率。综合考虑，低转化率将对后续分离步骤带来大负荷。另一方面，由于反应放 热，高温对反应器的强度要求更加严格，综合经济分析的结果，故选择反应器入口温度为 180。 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 13 化育臻善 工于至诚 2.4.2 压力 图图 2-22-2 反应压力与醋酸乙烯量的关系反应压力与醋酸乙烯量的关系 由图 2-2 可知， 随着反应压力的增加， 醋酸乙烯的转化率增加， 但是反应器机械强度大。 所以反应压力应尽可能选择较低水平，但是压力太低的情况下，转化率低。 综上所述，综合考虑转化率改变对反应系统循环消耗，选择性改变对后续分离工段负荷 的影响，以及高压对设备费用的影响。在本反应体系下，考虑到床层压降，选择醋酸乙烯反 应器适宜的反应压力为 1atm。 2.4.3 进料比 根据文献可知，该反应的允许进料比范围较宽，乙炔/醋酸物质的量比为 2.4-6.4。 模拟反应器，做醋酸乙烯产量对反应进料比分析，设置范围 1.45-4.82，可得到分析结果如 图 2-3 所示： 图图 2-32-3 进料比与醋酸乙烯量的关系进料比与醋酸乙烯量的关系 由图 2-3 可得，随着乙炔的量增大，醋酸乙烯生成量逐渐增大，但是程度逐渐减慢，综 合考虑到气体乙炔回流的负荷对工艺流程装置的负荷大，故选择进料比为 2.5（乙炔与醋酸 物质的量比）。 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 14 化育臻善 工于至诚 2.4.4 反应器设计条件 筒体设计压力：0.98MPa，筒体设计温度：192.5； 列管设计压力：0.11MPa，列管设计温度：198。 2.52.5 反应器尺寸设计反应器尺寸设计 2.5.1 反应器列管长度和数目计算 该反应器所选用催化剂粒径3.0mm，为降低反应物在管内的沟流、壁流效应，反应管 内径应大于催化剂粒径的 8 倍。 根据国标 GB/T17395-2008， 列管选用38mm2.5mm 的管子。 在本设计中，我们使用的计算模型为拟均相一维平推流模型。如果用 Pe 准数来衡量返 混程度，该模型应满足的条件为：当雷诺准数 Re10 时，Pea=2。此时，有： 11 0.005 2 pp aa ap dd DD PeuLudLL 即床层高度 L100dp。另外，根据标准，一般催化剂填充高度占整个反应管长度的 80 90%左右。在本反应器中，催化剂粒径为 3.0mm，因此本设计选择催化剂的填充高度为 L=8m， 列管管长 l=9m。 催化剂床层的横截面积为： 2 R R m0525. 8 8 42.64 L V A 催化剂床层直径为： m202. 3 14. 3 0525. 844 R R A d 反应器单管截面积为： 2422 m10553. 8033. 0 4 14. 3 4 ii dA 反应器列管数目为： 9415 10553. 8 0525. 8 A A n 4 i R 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 15 化育臻善 工于至诚 2.5.2 催化剂床层阻力降核算 反应气进料空床线速度： s/m5385. 1 2 . 5 8L um 固定床压力降计算公式为： 2 m 3 p (1)Lu Pf d pm 1501 1.75, Re Re1 d u f 其中：流体密度，kg/m 3； dp颗粒直径，m； f摩擦系数； L床层高度，m； um空管流速，m/s； 床层空隙率； 流体的黏度，Pa/s。 从 Aspen Plus 反应器模拟中获得反应混合物有关物性数据： =1.07kg/m 3，=1.3810-5Pas 将数据代入上述计算公式求解： 9 .1192 7 . 01 1 1037843. 1 07053. 15385. 1003. 0 1 1ud Re 5 mP 876. 175. 1 9 .1192 150 75. 1 Re 150 f kPa d Lu fP P m 08.11 7 . 0003. 0 7 . 0107053. 15385. 18 876. 1 )1 ( 3 2 3 反应压力设为 0.11MPa，此时床层压力降符合要求。 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 16 化育臻善 工于至诚 2.5.3 反应器内径和长度设计 2.5.3.1 反应器壳体内径设计 反应器列管根数为 9415 根。列管排列方式选择错列正三角形排列，固定方法为焊接法。 则管心距为： mmdt0475. 0038. 025. 125. 1 0 图图 2-4 列管排列方式列管排列方式示意图示意图 横过管束中心线的管数为： 根10794151 . 11 . 1nnc 管束中心线最外层管的中心至壳体内壁的距离为： mte0475. 0 壳体内径为： mmentD ci 51300475. 0211070475. 021 根据压力容器公称直径国标 GB/T 9019-2015 圆整，取反应器壳体内径为：5200mm。 2.5.3.2 反应器长度设计 列管长度：由前面工艺计算可知，列管长度为 9000mm； 筒体顶部空间（上封头）高度：根据压力容器手册，Ha=1300mm； 筒体底部空间（下封头）高度：根据压力容器手册，Hb=1300mm； 封头直边高度取 50mm； 筒体上部添加管箱布置气体分布器，管箱高度 Hc=1000mm； 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 17 化育臻善 工于至诚 上下管板取 50mm； 反应器下部无物料聚集，所以用 150mm 直边代替下部管箱，便于反应器保温材料安装； 裙座形式为圆筒形，高度为 5000mm； 由上述长度可知，反应器筒体长度为：H=16650mm。 2.5.3.3 折流板设计 在本反应器设计中，为从反应体系取热，需在反应器壳体走取热介质，因此，壳体需设 置折流挡板。本工艺采用弓形折流挡板，取弓形折流板的圆缺高度为壳体内径的 25%，则切 去的圆缺高度为： mmDh i 1300520025. 025. 0 折流板间距为： mmDB i 15603 . 0 折流板数量为： ? 列管长 折流板间距 ? ? ?ttt ?t ? ? ?块 折流板厚度取 10mm。 2.5.3.4反应器筒体壁厚设计 （1）材料选择 该反应器的反应温度控制在 180，反应压力为 0.1MPa，需进行换热。反应器壳程走取 热介质，我们选用锅炉软水取热，压力大约在 0.89MPa，入口温度为 175，出口为饱和中 压水，进入汽包进行相变，可生产中压水蒸气使用。筒体选用材料为 S22053 双相不锈钢。 根据 GB/T 6713-2014锅炉和压力容器用钢板及 GB/T 150.2-2011 规定对钢板厚度进行 选择。计算时，腐蚀裕量选 C2=2.0mm；焊接方式选用双面焊对接接头，100%无损探测，焊 接系数为=1。 （2）筒体壁厚计算 由于反应器为内压容器，其壁厚计算公式为： 21 2 CC p Dp c t ic 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 18 化育臻善 工于至诚 式中：壳体厚度，mm； pc计算压力，MPa； t材料在操作温度范围内的许用应力，MPa； 焊接系数； C1厚度负偏差，mm，取 0.3mm； C2腐蚀裕量，mm； Di壳体内径，mm。 操作时可能的最大压力为 P=1.1PW+0.08=1.10.89+0.08=1.06MPa。 操作温度下 S22053 钢板的许用压力为： t=230MPa。 将数据代入计算公式，得：=14.3mm。查阅筒体标准后最后将壁厚圆整为名义厚度 0=15mm。 有效壁厚为； e=0-(C1+C2)=15-(0.3+2)=12.7mm （3）水压试验校核 S22053 常温下进行液压试验时，许用压力为 =230MPa，屈服强度为 ReL=450MPa。 反应器的水压试验压力为： MPaPP t T 33. 1 230 230 06. 125. 125. 1 将数据代入校核公式得试验条件下的计算压力为： MPa DP e eiT 47.136 7 .124 7 .12520033. 1 4 T MPa L 4050 . 14509 . 0Re9 . 0 故有T0.9ReL，所以所选材料水压试验强度足够。 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 19 化育臻善 工于至诚 2.62.6 反应器热量衡算反应器热量衡算 在本反应为强放热反应，需要及时取走反应热以保证副反应尽可能少地发生，保证反应 体系平稳运行。 2.6.1 取热介质选择及用量 如果想达到等温催化反应的条件，传热介质既要求有良好的传热性能，又要求传热介质 本身的温度和反应管内的催化剂的温度差很小。本设计所用取热介质为 175、0.89MPa 的 锅炉软水，将其加热到饱和来移走热量。取热介质的定性温度为 175。 根据 Aspen Plus 反应器模拟结果，获得反应器进出口物料的各项物性参数，同时查得 各温度下饱和水蒸气的物性参数。结果如表 2-4 所示。 换热介质与反应物料可以并流，也可以逆流，两者各有优缺点。逆流的优点是原料气进 入床层后能较快地升温而接近最佳温度， 缺点是反应后期易于过冷。 而并流时后期降温较慢， 温度分布较为均匀，不足使前期升温较慢，反应效率会降低。本设计选用逆流换热操作。 表表 2-4 各项物流各项物流物性参数表物性参数表 物流名称 温度 t压力 P密度定压比热 Cp导热系数粘度潜热表面张力 MPakg/m3J/(kgK)W/(mK)10-5Pa sKJ/KgN/m 反应进料1800.151.0262713.520.52251.38 反应出料1800.151.1152360.210.47571.377 饱和水1750.89833.764816.840.679152031.90.043 根据反应器 Aspen Plus 模拟结果，反应器中需要移出的热量为 Q=2.210 7kJ/h。 传热温差：? ?t ? ? ?, 由公式：? ? ?t, 得 m0=10827kg/h, 液态水体积流率：? ?t ? ? ?t? 态态体? ? ?态?态? ? t体tt态?态? 取介质流速 u=0.5m/s，管内径 d ? ? ? ? t体t? 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 20 化育臻善 工于至诚 取列管内径 d=100mm，则取热介质质量流率 ?t? ?h? ? t体? ? ? ? ? t体? 态态体? ? 态体态?t ? ? ?t ? 2.6.2 换热面积校核 （1）床层有效热导率 e 由公式PrRe)( 0 p ee 可求取 e 式中：-流体热导率，W/(mk)； 0 e -流体不流动的床层有效热导率，W/(mk)； p Re-颗粒雷诺数， GdP P Re ； Pr普朗特数， f P C Pr ； G流体的表观质量流速，kg/(m2s)； 流体粘度，Pas； CP流体比热容，J/(kgK)； )(-系数； 其中， ）（ S B B e 3 2 -1 0 ， 式中， S -粒子的热导率，W/(mk)； ? ? ?（? ?） ?t体? t体? ； 查得，粒子热导率 S =0.25W/(mk)； 查图得，09. 0 1 ，03. 0 2 可得， ?=0.152 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 21 化育臻善 工于至诚 计算得，75. 1 0 e ； 查得，)(=0.09 则358 1037843. 1 647. 1003. 0 Re 5 GdP P 699. 0 050. 0 1037843. 187.2536 Pr 5 P C 计算得，3 .24 e ，215. 1 e W/(mk) （2）床层和器壁间的传热膜系数 h0 由公式 )( 2 1 0 y b a d ddh e t PP 可求 h0， 式中：dt管径，m; a1 2,（b）无量纲数 b 的函数， e twd h b 2 ； hw二维模型壁面传热膜系数，计算得hw=47.08W/(m 2k) 则2 2215. 1 033. 008.147 b 查图得，a1 2=5，（b）=0.5 2 . 055. 8 3587 . 0 3 .24 033. 0 8 033. 0 003. 0 4 RePr 4 p e tt p d L d d y 计算得，)/(2 .186 55. 8 5 . 0 5 033. 0 215. 1 )( 2 2 10 KmW y b a d h t e （3）冷却介质对列管壁面的给热系数 h2 换热系数 h2可用以下经验式求取： 3 11 2/1 11 2 Pr w Pv C tCg t h 式中：CP1饱和液体的比热容，J/(kgk); 陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司 15 万吨/年醋酸乙烯项目 反应器设计说明书 22 化育臻善 工于至诚 饱和温度下液体的气化潜热，J/kg; 1饱和液体的粘