4-反应器设备设计说明书

2018年“东华科技-陕鼓杯”第十二届全国大学生化工设计竞赛京博石化年产6万吨高纯MMA项目反应器设备设计说明书团队名称：the Chosen Youth指导老师：周颖、关珺、何德民团队成员：刘伟旭、王悦琳、郑雨芩、覃渫兰、林佳豪目录1反应器设计11.1设计概述11.2设计目标11.3反应器的分类21.3.1固定床反应器（填充床反应器）21.3.2流化床反应器（沸腾床）22反应器设计过程42.1反应器选型42.2催化剂选择42.3反应原理（反应动力学详见0-动力学来源文件夹）42.3.1主反应42.3.2副反应42.4工艺条件的选择42.4.1温度42.4.2压力42.4.3进料比42.5结构参数设计62.5.1反应器体积设计62.5.2筒体设计72.5.3折流板设计72.5.4封头设计82.5.5接管尺寸设计82.5.6气体分布器设计82.6压降核算83强度校核101 反应器设计1.1 设计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下列三个组成部分：原料的预处理、化学反应和产品的分离。原料的预处理是按照化学反应的要求，将原料进行处理。 例如：提纯原料，除去对反应有害的杂质；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。这些预处理操作都属于物理过程。反应产物的分离，也主要是物理过程。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。所以，化学反应这一步是整个生产过程的核心，是起主导作用的一步。因此化学反应器是生产过程的核心设备。化学反应器是将反应物通过化学反应转化为产物的装置。由于化学反应种类繁多，机理各异，因此，为了适应不同反应的需要，化学反应器的类型和结构也必然差异很大。反应器的性能优良与否，不仅直接影响化学反应本身，而且影响原料的预处理和产物的分离。因而，反应器设计过程中需要考虑的工艺和工程因素应该是多方面的。反应器设计的主要任务首先是选择反应器的型式和操作方法，然后根据反应和物料的特点，计算所需的加料速度、操作条件（温度、压力、组成等）及反应器体积，并以此确定反应器主要构件的尺寸，同时还应考虑经济的合理性和环境保护等方面的要求。在反应器设计时，除了通常说的要符合“合理、先进、安全、经济”的原则，在落实到具体问题时，要考虑到下列的设计要点：（1）保证物料转化率和反应时间；（2）满足物料和反应的热传递要求；（3）注意材质选用和机械加工要求。1.2 设计目标反应器为工艺流程中反应进行的场所，主要需要满足：（1）反应器有良好的传热能力；（2）反应器内温度分布均匀；（3）反应器有足够的壁厚，能承受反应压力；（4）反应器结构满足反应发生的要求，保证反应充分；（5）反应器材料满足反应物腐蚀要求；（7） 保证原料有较高的转化率，反应有理想的收率；（7）降低反应过程中副反应发生的水平。1.3 反应器的分类由于本项目所涉及的反应器为固定床和流化床反应器，所以此处只介绍固定床和流化床反应器。1.3.1 固定床反应器（填充床反应器）此种反应器主要用于气-固相反应，其结构简单、操作稳定、便于控制，易于实现连续化。床型可以多种多样，易于大型化。可根据流体流动的特点，设计和规划床层的内部结构和内构件排布，是近代化学工业使用较早且较普遍的反应器。它可以设计较大的传热面积，可以有较高的气体流速，传热和传质系数可以较高。且加热的方式比较灵活，可以有较高的反应温度。有3种基本形式：（1）轴向绝热式。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。流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动形式，床层与外界不发生热交换。与轴向绝热式反应器相比，径向绝热式反应器中流体流动的距离较短，流道截面积较大，流体的压力降较小，但结构较复杂。轴向绝热式固定床反应器和径向绝热式固定床反应器都属绝热反应器，适用于反应热效应不大，或反应系统能够承受绝热条件下由反应热效应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，适用于热效应较大的反应。但固定床反应器床层的温度分布不容易均匀。由于固相粒子不动，床层导热不太好，因此对于放热量较大的反应，应在设计时增大传热面积，及时移走反应热。但因此减小了有效空间，这是这类床型的缺点。尽管后起的流化床在传热上有很多优点，但由于固定床结构简单、操作方便，停留时间较长且易于控制，加上化工工程的习惯，因此固定床仍不能完全被流化床所取代。1.3.2 流化床反应器（沸腾床）流化床反应器的特点是细或粗的固体粒子在床内不是静止不动，而是在高速流体的作用下，被扰动而悬浮起来剧烈运动。固体的运动形态接近于可以流动的流体，故称流化床。由于物料在床内如沸腾的液体（被很多气泡悬浮），因此又称沸腾床。使固体流态化的介质也可以是液体，所以流化床越来越被化工工程师重视，适用于气-固、液-固和气-液-固三相反应。流化床反应器的最大优点是传热面积大，传热系数高，传热效果好。流态化较好的流化床，其床内各点温度相差不会超过5，可以防止局部过热。流化床的进料、出料、排废渣都可以用气流流化的方式进行，易于实现连续化，亦易于实现自动化生产和控制。生产能力较大，在气相-气相反应物（固相催化）、气相-固相反应物、气相-液相反应物（固相催化）、液相-液相反应物（固相催化）以及液相-固相反应物体系中越来越普遍地被应用。由于流化床体系内物料返混严重，粒子磨损较大，通常要有粒子回收和集尘的装置，另外存在床型和构件比较复杂、操作技术要求高以及造价较高等问题。2 反应器设计过程下面以R0101为例，详细介绍反应器的设计过程。2.1 反应器选型根据动力学文献，该催化剂寿命较长，且由于该反应为强放热反应，为了移走反应产生的热量和尽可能避免催化剂的损耗，以及结合实际工厂的应用，我们选择立式轴向固定床反应器。2.2 催化剂选择由动力学文献，选择的催化剂组成为Mo12Bi1.6Fe1Co8Ce0.4Cs0.4K0.2Sb0.48Ni0.12Ox。2.3 反应原理（反应动力学详见0-动力学来源文件夹）2.3.1 主反应 ISO-C4+O2=MAL+H2O2.3.2 副反应 3ISO-C4+2O2=4CH3COCH3 ISO-C4+6O2=4CO2+4H2O2.4 工艺条件的选择2.4.1 温度由文献可知，对于该催化剂，反应器的温度一般控制在380时异丁烯的转化率和甲基丙烯醛的选择性最高，所以反应器我们将其设置为恒温 380。2.4.2 压力因主反应异丁烯与O2的反应前后气体分子数相等，故压力对该反应转化率影响不大，考虑到与常压偏离越大，反应器及辅助设备的固定成本越高，同时参考工厂实例我们将反应器入口压力设置为 0.25MPa。2.4.3 进料比异丁烯与氧气的进料比不同对反应的选择性影响非常大。当该比例较小时，异丁烯转化率较低，反应不充分；随比例增大，MAL 的选择性越高，异丁烯的转化率越高；当该比例过高时，反应易发生过度氧化，且比例越高，MAL 的选择性越低，异丁烯的转化率越高。且由参考文献知，该反应器需同时通入水蒸气来稀释反应气氛，避免过度氧化。综合以上因素考虑以及所查阅的文献，我们采用的异丁烯、水蒸气和氧气的进料比为1:1:3.1。反应器进出口物流常数及组成详见下表：表2-1 反应器进出口物流信息进口出口Temperature/ 379.8380Pressure/bar2.52.4Vapor Frac11Mole Flow/ kmol/hr 453.344462.818Mass Flow/kg/hr 15402.85615402.856Volume Flow 163966.151174138.545Mole Frac/l/minISO-C40.1962PPMH2O0.1970.446MAL00.162CO200.091N20.0020.002O20.6050.288C3H6O00.009192.5 结构参数设计2.5.1 反应器体积设计反应器尺寸的设计既要为反应提供充足的空间又要为高放热反应的有效冷却提供足够的表面积，在进行反应器设计之前，首先需要计算反应器体积。列管式固定床反应器体积计算方式较多，较为常用的有积分运算法、停留时间计算法、空速计算法、软件模拟法及催化剂装填计算等。在前文分析及反应模拟基础之上，此处采用较为简洁的空速计算法计算反应器体积，并用软件模拟法加以验证。为了保证计算结果可靠性，应在计算过程中留有操作裕量。由文献知，在空速为4500 h-1时，催化剂的转化率和选择性最高。由Aspen可查得进口气体的体积流量为9837.97m3/h，故：V=QV/=9837.97/4500=2.19m3保留一定操作裕量之后，确定反应器有效体积为 3m3。选定反应器列管尺寸为：352.5mm，管长为5m，则由前所算出的反应体积得到列管数目：n=V/(L*0.785*di2)=850因列管采用正三角形排列，故实际列管数取n=925。将上述反应器结构参数输入到Aspen中进行软件验证，如下图所示：图2-1 反应器参数输入模拟结果如表2-1所示，转化率与选择性与文献中所述基本吻合，同时又用COMSOL软件进行了管内多物理场的模拟，浓度场的变化如下图所示，也与文献基本相符。故反应器体积等结构参数设计合理。图2-2 浓度场模拟2.5.2 筒体设计因反应管采用正三角形排列，故列管间距：t=1.368do=50mm六边形层数：a=(12n-3)0.5/6-0.5=17最外层六边形对角线管数：b=2a+1=35最外层列管到内壁的距离：e=1.2do=42mm筒体直径：D=t(b-1)+2e=1784mm筒体直径圆整为D=1800mm。2.5.3 折流板设计本工艺采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：h=0.25D=450mm折流板间距：B=0.3D=540mm折流板数量为：NB=列管长/折流板间距-1=9块折流板厚度为24mm。2.5.4 封头设计 采用EHA标准椭圆封头，由标准GB/T25198-2010查得其DN=1800mm，总深度H=475mm，容积为0.827m3。2.5.5 接管尺寸设计该选择性氧化反应为气固相反应，进料体积流量为9837.97m3/h，出料体积流量为10448.3m3/h，以进口管道为例，因该压力下的气体流速建议值在6-10m/s之间，取流速为10m/s，则Di=(Qi/0.785/ui)0.5=590mm，查标准HGT 20553-2011，选取DN=600mm的无缝钢管。同理出口管道取流速为10m/s，可选取为DN=600mm的无缝钢管。2.5.6 气体分布器设计气体分布器选自一带有锥形筒状开孔式结构的气体分布器专利。2.6 压降核算固定床反应器压降一般由以下公式进行计算：pbH=fmu02dp(1-bb3)fm=a+b(1-bRem)Rem=dpu02其中a取1.75，b取150。将数值代入以上三式，可得Rem为2654，fm为1.778，pb为0.23bar。由以上计算结果可知，床层压降小于入口压力的 15%，故反应段床层的压降在正常范围之内。3 强度校核列管式固定床反应器设计计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所设 计 算 条 件 壳 程管 程设计压力 0.275MPa设计压力 0.275MPa设计温度 456设计温度 456壳程圆筒内径Di1800 mm管箱圆筒内径Di1800mm材料名称Q345R材料名称Q345R 简 图计 算 内 容壳程圆筒校核计算前端管箱圆筒设计计算前端管箱封头(平盖)校核计算后端管箱圆筒设计计算后端管箱封头(平盖)校核计算管板设计计算续表前端管箱封头计算计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 0.28MPa设计温度 t 456.00 C内径 Di 1800.00mm曲面深度 hi 450.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 60.48MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm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= 0.3200 (或由用户输入)MPa续表压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 61.36MPa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 = = 4.10mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 4.70mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dnh = 7.00mm结论 满足最小厚度要求重量 196.05 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 0.31543MPa结论 合格续表后端管箱封头计算计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 0.28MPa设计温度 t 456.00 C内径 Di 1800.00mm曲面深度 hi 450.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 60.48MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm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= 0.3200 (或由用户输入)MPa续表压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 61.36MPa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 = = 4.10mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 4.70mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dnh = 7.00mm结论 满足最小厚度要求重量 196.05 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 0.31543MPa结论 合格续表 计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.28MPa设计温度 t 456.00 C内径 Di 1800.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 189.00MPa设计温度许用应力 st 60.48MPa试验温度下屈服点 ss 345.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算计算厚度 d = = 4.12mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 10.70mm名义厚度 dn = 13.00mm重量 2906.15Kg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 = 0.3200 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 27.08 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算续表最大允许工作压力 Pw= = 0.71479MPa设计温度下计算应力 st = = 23.35MPastf 60.48MPa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13.00mm,合格续表换热管内压计算计算单位中航一集团航空动力控制系