3-典型设备选型计算说明书

寻找春天队年产两万吨乙酸叔丁酯项目 反应器设计说明书2018.08文档标题文档副标题ASUS目录第一章 概述11.1化学反应器的分类11.2本项目设计概述3第二章 酯化反应器设计42.1反应器型式选择42.2反应原理52.2.1反应方程式52.2.2反应机理52.2.3催化剂选择62.3反应动力学方程62.3.1反应动力学方程62.3.2反应动力学参数82.3.3反应热力学参数82.4反应体积计算92.5工艺条件的选择102.5.1温度102.5.2压力102.5.3进料比102.6反应器尺寸设计112.6.1反应器列管长度和数目计算112.6.2催化剂床层压降核算112.6.3反应器壳体内径设计122.6.4反应器长度设计132.6.5折流板设计132.6.6反应器筒体壁厚设计142.7反应器热量衡算152.7.1取热介质选择及用量152.7.2换热面积校核162.8反应器机械设计172.8.1反应器封头设计172.8.2反应器支座设计182.8.3反应器接管法兰设计182.8.4催化剂支托结构设计192.8.5反应器拉杆设计202.8.6反应器连接结构设计202.9反应器参数汇总212.10反应器机械强度校核21第三章 塔设备设计计算333.1设计依据333.2塔的设计要求333.3塔型选择原则343.3.1与物性有关的因素343.3.2与操作条件有关的因素353.3.3其他因素353.3.4板式塔及塔板选择363.3.5填料塔及填料选择363.4塔设备详细设计373.4.1板式塔详细设计（以T0201脱酸塔为例）373.4.2填料塔详细设计（以T0203精制塔为例）453.4.3脱酸塔T0201结构设计503.4.4脱酸塔T0201接管设计523.4.5脱酸塔T0201机械强度核算54第四章 换热器的选型设计634.1换热器的选型设计依据634.2换热器类型简介634.3换热器的选用原则664.3.1基本要求664.3.2介质流程664.3.3终端温差674.3.4流速选择674.3.5压力降684.3.6传热膜系数684.3.7污垢系数684.3.8换热管694.4换热器型号的表示方法694.5管壳式换热器选型范例（以E0201为例）704.5.1选型用软件一览704.5.2工艺参数确定704.5.3换热器结构参数的确定734.5.4换热器结构校核794.6换热器机械强度校核计算结果834.7套管式换热器选型范例（以E0303为例）1034.7.1概述1034.7.2计算过程1044.5.3选型结果1074.8换热器设计一览表108第五章 泵1105.1泵的概述1105.2泵类型和特点1105.3泵选型原则1115.4泵选型示例（以P0204为例）1135.4.1离心泵设计选型1135.4.2变频调速器选型1155.5泵选型结果一览表116第七章 压缩机选型1187.1选型依据1187.2压缩机分类1187.3压缩机适用范围1197.4压缩机选型1207.4.1压缩机工艺参数1207.4.2压缩机选型实例（以C0101为例）1207.4.3选型结果1217.5压缩机选型一览表121第八章 容器设备选型1228.1储罐、缓冲罐1228.1.1概述1228.1.2设计依据1228.1.3容器类型选择1228.1.4储罐容积选择1238.1.5设计实例1238.1.6储罐、缓冲罐选型一览表1248.2气液分离器、回流罐1248.2.1设计依据1248.2.2气液分离器的分类1248.2.3设计目标1258.2.4气液分离器的设计（V0201以为例）1258.2.5气液分离器选型一览表129 广东工业大学寻找春天团队 131/131第一章 概述化工过程的生产可概括为下列三个组成部分：原料的预处理、化学反应和产品的分离与提纯。原料的预处理是按照化学反应的要求，将原料进行处理，属于物理过程。反应产物的分离，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的化学过程。化学反应是整个生产过程的核心，其余属于从属。化学反应器则是生产过程的核心设备。1.1化学反应器的分类工业反应器型式多种多样，根据不同的特性分类方法也有很多种，例如，可以按照物料聚集态分，可以按反应器结构分，可以按热交换情况分，还可以按反应器内的温度分布、操作方式等分类。其中，最常用的是按照结构原理进行分类。工业生产中应用广泛的几种反应器型式如图1-1所示。图1-1 工业常用反应器型式表1-1 部分反应器特性型式适用的反应优缺点管式气相、液相返混小、所需反应器容积较小、比传热面大；但对慢速反应，管要很长，压降大釜式液相、液-液相、液-固相适用性大、操作弹性大、连续操作时温度、浓度容易控制、产品质量均一，但高转化率时，反应容积大固定床气-固（催化或非催化）相返混小、高转化率时催化剂用量少，催化剂不易磨损；传热控温不易、催化剂装卸麻烦流化床气-固（催化或非催化）相、特别是催化剂失活很快的反应传热好、温度均匀、易控制、催化剂有效系数大；粒子输送容易、但磨耗大；床内返混大，对高转化率不利，操作条件限制较大移动床气-固（催化或非催化）相、催化剂需要不断再生的反应传热好、反应连续、返混小、催化剂不断循环再生；控制固体均匀下移比较困难，可能发生“贴壁”和“空腔”现象针对本反应，宜采用固定床反应器。固定床反应器是装填有固定不动的固体颗粒的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径215mm左右，堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。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，床层同外界无热交换。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，床层同外界无热交换。径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较，流道截面积较大，流体的压力降较小。但径向反应器的结构较轴向反应器复杂。3.列管式固定床反应器由多根反应管并联构成。管内或管间置催化剂，载热体流经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。图1-2 固定床反应器型式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：1.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）。2.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。1.2本项目设计概述本项目为利用异丁烯生产下游产品。以茂名石油化工有限公司的丁二烯抽余碳四为原料，首先将来自总厂丁二烯抽提工段的抽余碳四绝热压缩到1MPa，再冷凝液化后与乙酸及阻聚剂叔丁醇混合后进入合成反应器催化合成乙酸叔丁酯（TBAc），反应器出口的产品经过分离提纯精制得到TBAc产品。整个装置分为原料压缩、反应、分离精制三个单元共五个工段。本项目涉及到的反应器有乙酸叔丁酯合成反应器。下面对其酯化反应器进行了结构选型，并对反应器的制造工艺进行了详细的说明，进行了体积计算，确定了反应器的体积、结构及内构件规格，并对反应器的换热和压降进行核算。第二章 酯化反应器设计乙酸叔丁酯（TBAc）是十分重要的有机溶剂和精细化工原料。乙酸和异丁烯在酸催化剂的作用下发生酯化加成反应，同时伴随一些副反应的发生，有异丁烯和体系中水的加成反应、异丁烯的聚合反应。此反应要求一定的压力，以保证异丁烯为液态。酸烯加成合成乙酸叔丁酯可选用的催化剂有固体酸和液体酸催化剂。固体酸催化剂包括固体磷铝酸、阳离子交换树脂等，液体酸催化剂包括对甲苯磺酸、硫酸等。本章将对酸烯酯化生产乙酸叔丁酯过程中的酯化反应器进行设计。12.1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。对于酸烯酯化合成乙酸叔丁酯的过程来说，该反应可在30120下反应，一般选择的温度在3050，因为该反应是放热反应，反应时会放出大量的热量，这些热量需要及时从反应器内移走以保证反应器平稳运行。如果反应温度过高，副反应异丁烯自聚会加剧，异丁烯选择性降低。本反应选用Amberlyst15离子交换树脂作为催化剂，催化剂可以在相当长的一段时间内保持活性。综合上述考虑，为了提高异丁烯的选择性和转化率，及时移走反应热量，减少催化剂的损失，抑制二聚反应，流程的反应器采用技术最成熟的列管式固定床反应器，管间用冷却水移走热量。2.2反应原理2.2.1反应方程式异丁烯与乙酸在强酸性催化剂下加成时机理可视为异丁烯与氢原子结合形成碳正离子产物： C+(CH3)3，然后与乙酸根负离子 (CH3COO-)反应，最后生成了乙酸叔丁酯。反应方程式如下：CH32C=CH2+CH3COOHCH3COOCCH332.2.2反应机理鲁冬艳在其硕士毕业论文酸烯酯化合成乙酸叔丁酯动力学研究中提到，乙酸与异丁烯的反应可按照非均相反应的Eley-Rideal模型来对实验数据进行处理和关联。异丁烯与乙酸的反应是通过催化剂上活性位的吸附催化实现的，符合Langmuir吸附机理。在吸附、反应、脱附的表面反应过程中，反应为速率控制步骤，吸附和脱附处于平衡状态。Eley-Rideal（E-R）模型假设反应发生在一个易于吸附，另一个不易于吸附于催化剂表面的反应物之间，表面反应为速率控制步骤。该模型下的反应速率表达式为：r=fc(c)f()fT(T)式中，fT(T)即为反应速率常数k，k=k0e-E/RT，而浓度函数fc(c)通常便是为各组分浓度的指数形式即fcc=cAcB，c为组分的浓度。f()组分吸附分率的函数表达式，对于A+BC反应，一般表示为:i=Kici1+jKjcj式中，j在催化剂表面吸附的组分，Ki为组分的吸附速率常数， ci为组分的浓度。假设乙酸和乙酸叔丁酯优先吸附在催化剂上异丁烯的吸附可以忽略不计，表面反应为速率控制步骤，用表示催化剂的活性中心，用HAc表示乙酸，IB表示异丁烯，T表示乙酸叔丁酯，k1为正反应的反应速率常数，k2为逆反应的反应速率常数。则在E-R模型时酯化反应的机理如下反应物的吸附为：HAc+HAc表面反应为：HAc+IBT反应产物的脱附为：TT+2.2.3催化剂选择异丁烯与乙酸反应的催化剂我们选择了Amberlyst15离子交换树脂，其具体规格如表2-1所示。表2-1 催化剂参数名称Amberlyst 15形状球形（0.8-1mm）BET53.8m2/g孔容0.40cm3/g堆积密度0.82g/cm3真密度1.26g/cm3孔隙率38%2.3反应动力学方程2.3.1反应动力学方程理论上讲，化学平衡常数可由实验平衡数据计算得出，也可由热力学数据计算出来。但是从以上两种方法的计算结果可以看出，两种计算方法所得差别很大，不在同一数量级上。有文献就此两种方法做过比较，相对来讲，热力学方法可信度较低，因为组分的fH和fG的微小误差，能导致反应fH和fG的较大的误差。本体系中所使用的热力学数据部分是查表得到的，部分数据(乙酸叔丁酯fH、fG，乙酸Cp、异丁烯fG)是使用经验关联式计算得到，计算所得数据的可信度没有得到验证。故综合考虑，本体系使用平衡实验数据计算该反应的化学平衡常数。鲁冬艳在其硕士毕业论文酸烯酯化合成乙酸叔丁酯动力学研究中用HAcd、IB、T分别表示液体混合物中乙酸、异丁烯、乙酸叔丁酯的活度，用HAc、IB、T分别表示催化剂活性中心上乙酸、异丁烯、乙酸叔丁酯的吸附分率，V表示为催化剂上未被占据的活性中心的分率。则该可逆反应的正反应速率正比于组分乙酸的吸附分率和异丁烯的活度，逆反应速率正比于组分乙酸叔丁酯的吸附速率，净反应速率可表示为：rT=-rHAc=-rIB=k1HAcIB-k2T因为乙酸和乙酸叔丁酯的吸附和脱附均达到平衡，所以此两组分的吸附分率可根据Langmuir均匀表面吸附理论导出，组分的吸附速率与组分的液相活度及未占据的活性中心成正比，故可将乙酸和乙酸叔丁酯的吸附速率表示为：rHAc=kHAcaHAcVrT=kTaTVrHAc、rT分别表示为乙酸和乙酸叔丁酯的吸附速率，kHAca、kTa分别表示为乙酸和乙酸叔丁酯的吸附速率常数,、表示乙酸和乙酸叔丁酷的脱附速率常数,该两组份的脱附速率与该组分的吸附分率成正比,则可推出脱附速率：rHAcd=kHAcdHAcrTd=kTdT则吸附达到平衡时,乙酸和乙酸叔丁酯在催化剂上的吸附速率为：HAc=kHAcakHAcdHAcV=KHAcHAcVT=kTakTdTV=KTTVKHAc、KT别为乙酸和乙酸叔丁酯的吸附平衡常数，由于该模型假设只有乙酸和乙酸叔丁酯吸附在催化剂表面，忽略异丁烯的吸附，因此在催化剂表面有：HAc+T+V=1结合上式有：V=11+KHAcHAc+KTT可逆反应速率可表示为：rT=-rHAc=-rIB=k1KHAcHAcIB-k2KTk1KHAcT1+KHAcHAc+KTT=k1KHAcHAcIB-T/K1+KHAcHAc+KTT其中：K=k1KHAck2KT推动力表达式为：KHAcHAcIB-k2KTk1T=KHAcHAcIB-K2T其中：K2=KTKe吸附表达式为：1+KHAcHAc+KTT反应速率常数k的表达式为：k=k0exp-Ea/RT2.3.2反应动力学参数采用原文献中在35下实验测得的动力学参数并对其进行换算，结果如表2-2所示。表2-2 相关动力学数据表动力学参数数值（308.15K）k0， molh-1g-11.037810+13Ea，kJmol-149.9537KHAc70.5604lnKHAc4.256K22904.7504.7lnK269.759.76KT7.0310-7lnKT-14.1682.3.3反应热力学参数估算酸烯酯化体系中物质比热容的关联式较多，一般形式为：Cp,m=A+BT+CT2+DT3+ET4由于本体系为液态，液态物质的比热容数据的温度范围常常较小，常用关联式：Cp,m=A+BT+CT2J/(molK)式中参数使用Rozieka-Domalski基团贡献法确定，具体各物质关联比热容的参数见表2-3。表2-3 各物质基础热力学数据物质Cp=A+BT+CT2J/(mol K)AB102C104IB113.13-3.623.01HAc155.48-32.667.442T165.2485.6784.098部分物质的fHm和fGm的值可查表得到，乙酸叔丁酯的fHm使用Ducros法、IB和乙酸叔丁酯的fGm使用经验关联式：Sl,298=CP,lfGT=fHT-TfST计算得到异丁烯、乙酸、乙酸叔丁酯的fHm、fGm数据，如表2-4所示。表2-4反应体系各组分的fHm、fGm数据物质fHm(kJ/mol)fGm(kJ/mol)异丁烯-37.571.080乙酸-84.3-389.9乙酸叔丁酯-547.111-333.433经计算，各值如表2-5。表2-5常压下298.15K酯化反应的热力学数据fHm(kJ/mol)fGm(kJ/mol)-14.613-25.3112.4反应体积计算陈中华在其硕士毕业论文酸烯法合成乙酸叔丁酯的工艺研究中提到，对于Amberlyst15离子交换树脂，宜采用质量空速为3-5h-1，为提高催化剂的利用率，我们选取质量空速为5h-1。由Aspen Plus得出的原料质量流量8728kg/h，模拟结果见表2-6。表2-6 Aspen Plus反应器模拟结果Units02030204Mole Flowskmol/h145.3123.311Mass Flowskg/hr8728.148728.18Volume Flowcum/hr10.637910.2016所需催化剂质量为1745kg。根据催化剂的堆叠密度计算可得本反应器催化剂床层体积为：VR=M=1745820=2.13m3VR-催化剂体积，m3M-催化剂质量，kg-催化剂堆叠密度，kgm32.5工艺条件的选择2.5.1温度由于异丁烯与乙酸的反应为放热反应，单位时间内的绝热温升很高，如采用绝热式反应器，反应器出口位置温度可达120多摄氏度，部分碳四会气化，且二聚加剧，会对催化剂、反应器和反应体系造成破坏性影响，因此本设计中采用恒温列管式固定床反应器。由文献可知，反应器的温度一般控制在2040。由于考虑到冷却水的温度以保持较大的传热推动力以及维持较高的反应速率，我们选用35作为反应器的反应温度。2.5.2压力通过查阅大量文献，我们发现乙酸和异丁烯的反应在液相下转化率较气态高，一般采用的压力范围为0.8MPa-2.0MPa之间，由于来自总厂的抽余碳四为常压状态，对反应器进料加压需采用压缩机，压力越大，设备及操作费用消耗也就越大，且在高压下异丁烯的二聚也会加剧。综合考虑以上因素，我们采用1MPa为反应压力。2.5.3进料比乙酸和异丁烯的进料比的不同对反应的选择性影响较大。一般采用的酸烯摩尔比为1-6，乙酸含量低时异丁烯主要二聚，且乙酸含量越低，二聚产物的选择性越高。如果酸含量过高，则对后续分离工段的要求越高，能耗增大，故选用酸烯摩尔比为4。2.6反应器尺寸设计2.6.1反应器列管长度和数目计算该反应器所选用催化剂粒径1mm，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25mm1mm的304不锈钢无缝钢管。查得304不锈钢管在反应温度下许用应力t为121MPa，设计压力pd为1.2MPa，腐蚀余量C2为0，加工负偏差C1为0.2mm，根据壁厚计算公式：=pdD2t-pd+C1=1.2232121-1.2+0.2=0.3151则选用1mm壁厚的不锈钢管合格。我国国产标准304不锈钢管长度为6m，为方便加工制造，列管管长取6m。根据标准，一般催化剂填充高度占整个反应管长度的8090%左右。因此本设计选择催化剂的填充高度为L=5.5m，列管管长l=6m。催化剂床层的横截面积为：AR=VRL=2.135.5=0.387m2反应器单管横截面积为：A1=di24=0.025-0.00224=4.15510-4m2反应器列管数目：n=ARA1=0.3874.15510-4=931根2.6.2催化剂床层压降核算反应进料空床线速度为：u0=V0AR=10.63790.3873600=7.63410-3ms雷诺数修正计算公式为：Re=dsu011-固定床压力降计算公式为：P=fLu021-dp3f=150Re+1.75其中：流体密度，kg/m3；dp颗粒直径，m；f摩擦系数； L床层高度，m；u0空管流速，m/s；床层空隙率；流体的黏度，Pas。从Aspen Plus反应器模拟中获得反应混合物有关物性数据： =839.3kg/m3，=5.39110-4Pas将数据代入上述计算公式求解：Re=dsu011-=0.0017.634839.30.53911-0.38=19.163f=150Re+1.75=15019.163+1.75=9.58P=fLu021-dp3=9.585.50.0076342839.31-0.380.0010.383=5295Pa反应压力为1MPa，因此反应器固定床层压降符合设计要求。2.6.3反应器壳体内径设计反应器列管根数为931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：t=1.25d0=1.252532mm图2-1 列管排列方式示意图横过管束中心线的管数为：nc=1.1n=1.1931=35根管束中心线最外层管的中心至壳体内壁的距离为：e=1.25d0=1.425=35mm壳体内径为：Di=tnc-1+2e=3235-1+235=1158mm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：1200mm。2.6.4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6000mm；筒体顶部空间（上管箱）高度：根据压力容器手册，Ha=500mm；筒体底部空间（下管箱）高度：根据压力容器手册，Hb=500mm；由上述长度可知，反应器筒体长度为：H=7000mm。2.6.5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：h=0.25Di=0.251200=300mm折流板直径Dc为1200mm。折流板间距为：h0=0.3D=0.31110=333mm折流板数量为：NB=L-100h0-1=6000-100333-1=17块折流板实际间距为：h=L-100NB+1=6000-10017+1=328mm查得折流板厚度取10mm。2.6.6反应器筒体壁厚设计2.6.6.1材料选择该反应器的反应温度控制在35左右，反应压力为1MPa，需进行换热。反应器壳程走取热介质，我们选用冷却水取热，压力大约在0.5 MPa，入口温度为35。考虑到封头以及上下管箱材质，因此，筒体选用材料为304不锈钢钢。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=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。2.6.6.2筒体壁厚计算由于反应器为内压容器，其壁厚计算公式为：=pdD2t-pd+C1+C2式中：壳体厚度，mm； pd设计压力，内压容器取pd=(11.2) pw ，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； D壳体内径，mm。设计压力为pd=1.2pw=1.20.5=0.6MPa。假设操作温度下所需304不锈钢钢板的厚度为316mm，许用压力为：t=137MPa。将数据代入计算公式：=0.6120021371-0.6+0.3=3.494mm查阅筒体标准后最后将壁厚圆整为n=4mm。满足316mm的范围要求。有效壁厚为：e=n-C1+C2=4-0.3=3.7mm筒体名义厚度小于GB151中规定的最小厚度 8.00 mm，故规定筒体厚度为8mm。2.6.6.3水压试验校核304不锈钢常温下进行液压试验时，许用压力为=137MPa，屈服强度为ReL=205MPa。反应器的水压试验压力为：PT=1.25Pct=1.250.6137137=0.75MPa将数据代入校核公式得试验条件下的计算压力为：T=PTDi+e2e=0.751200+828=56.8MPa0.9ReL=0.92051=184.5MPa故有T2000Pr=Cp000=41860.893710-30.6083=6.15w=0.89370.7225=1.237将以上数据代计算得：2=0.360.608334970.556.151/31.2370.140.02019=1820.6W/m2K2.7.2.3总传热系数K本工艺列管选用304不锈钢，其导热系数为：=16.28W/(mK)。以内管表示的总传热系数K为：K=111+bdtdm+12dtd0代入数据计算，得：K=502.44W/(m2K)。2.7.2.4换热面积计算平均传热温差为：tm=t1-t2lnt1t2=15-5ln15/5=9.1则所需换热面积为：A=QKtm=1465000502.449.1=320.414m2反应器提供的实际换热面积为：A0=ndl=9323.140.0256=438.972m2实际设计传热面积A0大于按传热计算所需的传热面积A，所以符合要求。2.8反应器机械设计2.8.1反应器封头设计对于本工艺反应器外壳，所受压力为内压。封头选择椭圆形标准封头，形状系数为K=1。所以，其圆边高度为：hi=Di22=120022=300mm封头厚度取筒体厚度，根据压力容器封头标准GB/T 25198-2010，4-8mm壁厚的封头直边高度是25mm。所以对于本反应器所用封头，直边高度为25mm。最终确定的封头为标准椭圆形封头，公称直径1200mm，壁厚8mm，圆边高度300mm，直边高度为25mm，材料使用S304不锈钢。2.8.2反应器支座设计反应器支座选用耳式支座，材质为Q345R碳素钢，届时反应器直接放置于楼板之上，故选用B型耳式支座。设备筒体公称直径在1000-2000间，故选用4号支座，许用载荷为90kN。设备总重按35吨计算，则支座数量可按下式计算：n=mgkQ=359.80.8390=4.58=5个 2.8.3反应器接管法兰设计2.8.3.1反应物进出料管反应器进料和出料的温度一致，体积流量可取平均值10.4m3/h计算。选择进入反应器之前和反应器出料的管口速度为1.2m/s。则反应物进出料的接管管径为：d=4Vu=410.43.141.23600=0.0554m圆整后，选择60mm2mm的304不锈钢管。2.8.3.2冷却水壳层接管冷却水定性温度下的密度为996.9kg/m3，其质量流率为34.998t/h，则体积流量为35.11m3/h。选择进出口接管的冷却水流速为1.5m/s。则进出口接管的管径为：d=4Vu=435.113.141.53600=0.1115m所以，冷却水进出接管可选择127mm4mm的普通无缝钢管。2.8.3.3法兰选择列管式固定床反应器可参照管壳式换热器选择法兰。换热器常采用法兰结构形式有整体法兰、螺纹法兰、承插焊法兰、平焊法兰、对焊法兰和松套法兰等，法兰的密封面型式有平面、凸面、环连接面、凹凸面和榫槽面5种形式。法兰的结构型式和密封面形式可根据使用介质、设计压力、设计温度和公称直径等因素确定。根据行业标准NB/T47023-2012，本设计中法兰可选用长颈对焊法兰，采用凹凸面密封连接，具体尺寸可根据标准选用，公称压力PN为1.6MPa，公称直径DN1200mm。图2-2 凹凸面法兰2.8.4催化剂支托结构设计列管式反应器催化剂装填之后，为了使反应液体正常流通和防止催化剂自管下端漏出，每一根反应管都需分段设置催化剂支托部件，它是该类反应器的重要组件之一。反应器支托的结构型式经历了由繁到简、由难到易的演变。国内外的早期设计都采用管帽结构。管帽内设金属滤网，管帽与管子的连接方式由螺纹连接和卡扣连接，但是存在很多问题。本设计中，我们采用复合式弹簧支托结构，可以有效解决上述支托存在的问题。图2-3 复合式弹簧支托结构2.8.5反应器拉杆设计常用拉杆有两种形式，一种是拉杆定距管结构，一种是拉杆与折流板点焊结构。在本设计中采用拉杆定距管结构，查表确定使用直径12mm的拉杆，拉杆数为8根。2.8.6反应器连接结构设计2.8.6.1壳体与管板的连接结构壳体与管板的连接形式，分为两类：一是不可拆式，如固定式管板换热器管板与壳体是用焊接连接；一是可拆式，管板本身与壳体不直接焊接，而通过壳体上法兰和管箱法兰夹持固定。本工艺根据反应器的结构需要选择可拆式的连接方式。2.8.6.2管箱与管板的连接结构管箱与管板的连接结构形式较多，随着压力的大小、温度的高低以及物料性质、耐腐蚀情况不同，连接处的密封要求，法兰形式也不同。本工艺所用的固定式管板与管箱的连接结构较简单，采用螺栓法兰结构连接，考虑的管程介质的密封求以及加工制造方便性，法兰之间采用凹凸面密封形式。2.8.6.3反应管与管板的连接结构本工艺考虑到反应器的密封性能要求较高且管板要承受管束振动及疲劳载荷的作用，因此采用胀焊结合的连接结构，先进行强度焊后加贴胀。强度焊是保证列管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度，贴胀是消除列管与管孔之间缝隙的轻度胀接。2.9反应器参数汇总表2-7 反应器参数汇总表反应器类型恒温列管式固定床反应器反应器位号R0101反应温度35反应压力MPa1管程设计温度45壳程设计温度45管程工作压力MPa1壳程设计压力MPa0.65反应器内径mm1200反应器筒体长度mm7000反应器总高mm7650催化剂Amberlyst 15单管空速h-15催化剂填充量t1.745反应管内径mm23厚度mm1长度mm6000列管数931排列方式正三角形封头高度mm3252.10反应器机械强度校核初步设计完成后，使用SW6-2011对反应器进行强度校核，形成设计说明书。列管式固定床反应器设计计算计算单位广东工业大学XZCT团队设 计 计 算 条 件 壳 程管 程设计压力 0.8MPa设计压力 1.2MPa设计温度 40设计温度 40壳程圆筒内径Di1200 mm管箱圆筒内径Di1200mm材料名称S30408材料名称S30408计 算 内 容壳程圆筒校核计算前端管箱圆筒校核计算前端管箱封头(平盖)校核计算后端管箱圆筒校核计算后端管箱封头(平盖)校核计算管板校核计算前端管箱筒体计算计算单位压力容器专用计算软件计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 1.20MPa设计温度 t 40.00 C内径 Di 1200.00mm材料 S30408 ( 板材 )试验温度许用应力 s 137.00MPa设计温度许用应力 st 137.00MPa试验温度下屈服点 ss 205.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 0.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算计算厚度 d = = 5.28mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 7.70mm名义厚度 dn = 8.00mm重量 119.16Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 1.6000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 184.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 125.48 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 1.74696MPa设计温度下计算应力 st = = 94.11MPastf 137.00MPa校核条件stf st结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度8.00mm,合格前端管箱封头计算计算单位 广东工业大学XZCT团队计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.26MPa设计温度 t 40.00 C内径 Di 1200.00mm曲面深度 hi 300.00mm材料 S30408 (板材)设计温度许用应力 st 137.00MPa试验温度许用应力 s 137.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 0.00mm焊接接头系数 f 1.00压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 PT = 1.25Pc= 1.6000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 184.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 125.08MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 5.53mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 7.70mm最小厚度 dmin = 2.00mm名义厚度 dnh = 8.00mm结论 满足最小厚度要求重量 102.24 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 1.75254MPa结论 合格后端管箱筒体计算计算单位广东工业大学XZCT团队计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 1.20MPa设计温度 t 40.00 C内径 Di 1200.00mm材料 S30408 ( 板材 )试验温度许用应力 s 137.00MPa设计温度许用应力 st 137.00MPa试验温度下屈服点 ss 205.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 0.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算计算厚度 d = = 5.28mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 7.70mm名义厚度 dn = 8.00mm重量 119.16Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 1.6000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 184.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 125.48 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 1.74696MPa设计温度下计算应力 st = = 94.11MPastf 137.00MPa校核条件stf st结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度8.00mm,合格后端管箱封头计算计算单位 广东工业大学XZCT团队计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.28MPa设计温度 t 40.00 C内径 Di 1200.00mm曲面深度 hi 300.00mm材料 S30408 (板材)设计温度许用应力 st 137.00MPa试验温度许用应力 s 137.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 0.00mm焊接接头系数 f 1.00压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 PT = 1.25Pc= 1.6000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 184.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 125.08MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 5.62mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 7.70mm最小厚度 dmin = 2.00mm名义厚度 dnh = 8.00mm