4-反应器设计说明书VIP

长安大学 风与天幕2019 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛宁夏长城能化年产10万吨高纯VAM项目反应器设计说明书设计单位长安大学设计团队风与天幕队成员姓名周慧、吴雪雪、穆原冰、王艺凡、卢楷彬指导教师叶林静、罗钰、邢建宇、周昭辉、谈震2019年7月18日目 录1反应器设计41.1设计概述41.2设计目标41.3反应器的分类51.3.1固定床反应器（填充床反应器）51.3.2流化床反应器（沸腾床）51.3.3本厂所参考的新型反应器62反应器设计过程82.1反应器选型82.2催化剂选择82.3反应原理（反应动力学详见0-动力学来源文件夹）82.3.1主反应82.3.2温度92.3.3压力92.3.4进料比102.4结构参数设计112.4.1反应器体积设计112.4.2筒体设计112.4.3折流板设计122.4.4封头设计122.4.5接管尺寸设计122.4.6气体分布器设计122.5压降核算123反应器校核133.1输入结构参数133.2校核结果151 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。此工艺主要涉及的反应器有VAM合成反应器、乙炔法合成乙醛反应器。下面将对VAM合成反应器进行选型，并对其设计过程进行详细的说明；对于乙炔非汞法合成乙醛反应器，不进行具体设计，只将设计条件和计算结果汇成一览表。1.3.3 本厂所参考的新型反应器文献依据：新型乙炔法气相合成醋酸乙烯固定床反应器的数值模拟 作者 李莉 概述：该新型反应器具有三套管结构的固定床反应器，通过改善反应器的换热方式从而提高反应器的换热能力。本文所研究的具有新型换热结构的固定床反应器的结构如图 1-1 所示。该新型列管式固定床反应器的每只管束为三套管结构，套管间隙装填催化剂形成催化剂床层；内管两端封闭，侧壁开孔通过管道与反应器壳程相连，实现将反应物与冷却介质的隔离。反应物气体由上封头进入催化剂床层，带有产品的混合气由床层侧壁导出。冷却介质分两部分进入反应器，一部分经壳程来冷却催化剂床层；另一部分经导管自下而上进入内管，到达封闭的内管顶部后向下折流来冷却催化剂床层，从而实现了冷却介质自内外两侧对催化剂床层进行冷却。图1-1新型列管式固定床反应器的结构简图2 反应器设计过程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，选择的催化剂为39#催化剂，活性组分为醋酸锌，国产Y一氧化铝为载体。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 主反应副反应工艺条件的选择2.3.2 温度由文献可知，对于该催化剂，反应器的温度一般控制在170-220,时当反应温度升高时，反应速度加快，醋酸单程转化率升高，使时空率增加，但是选择性降低，副反应增多，使得反应液中丙酮，丁烯醛，二乙烯基乙炔等有害杂质增多，影响产品质量，综合考虑之后我们将反应器设置为恒温 170，通过改变压力来改变转化率和选择性，确定最终设计温度为200。2.3.3 压力通过观察主反应，可以得知，主反应前后分子数不相等，提高压力可以使得平衡右移，而且提高压力不仅对提高产量有利，而且由于减少了其它有害杂质的含量，使副反应减少，反应液质量也好。参考工厂实例，我们将压力设置为3bar，确定最终设计压力为1MPa。2.3.4 进料比合成反应速度与乙炔的分压成正比，与醋酸的分压无关，所以增大摩尔比有利于反应，当摩尔比过大时，虽然醋酸转化率高，但由于加入的酷酸较少最终的收率不一定高。另一方面摩尔比过大必然过量乙炔很多造成循环量大，设备也就随着要大，同时使后系统回收乙炔负荷增大，操作上不经济.综合考虑摩尔比一般控制在2.53.0之间，综合以上因素考虑以及所查阅的文献，我们采用的的进料比为乙炔和醋酸3:1。表2-1 反应器进出口物流信息单位E102OUTR101OUT从E102R101至R101R102流股类型CONVENCONVEN相态VaporVapor温度C150170压力bar13摩尔汽相分率11摩尔液相分率00摩尔固相分率00质量汽相分率11质量液相分率00质量固相分率00摩尔分率C2H20.7482440.692365CH3COOH0.2463160.079029VAM0.0002210.222229H2O0.0026590.003249CH3CHO0.0011660.001425CROTO-011.70E-102.08E-10CO20.0013920.001701ACETO-011.00E-061.23E-06质量流量kg/hr34160.4634160.46质量分率体积流量cum/hr34882.099965.0862.4 结构参数设计2.4.1 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，反应空速可达400 h-1时，且催化剂的转化率和选择性也非常高。由Aspen可查得进口气体的体积流量为34882.09m3/h，故：V=QV/=34882.09/400=87.2m3保留一定操作裕量之后，确定反应器有效体积为88m3。参考同期乙炔醋酸制醋酸乙烯项目VAM合成反应器的单台产值，约为5万吨/年，我们将反应器台数定位两台，并联操作。则每台反应器的有效体积为44m3。选定反应器列管尺寸为：352.5mm，管长为7m，则由前所算出的反应体积得到列管数目：n=V/(L*0.785*di2)=8897因列管采用正三角形排列，故实际列管数取n=9682。 2.4.2 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=57最外层六边形对角线管数：b=2a+1=115最外层列管到内壁的距离：e=1.2do=42mm筒体直径：D=t(b-1)+2e=5784mm筒体直径圆整为D=5800mm。2.4.3 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=1450mm选择折流板间距为1m。则折流板数量为：NB=列管长/折流板间距-1=6块折流板厚度为20mm。2.4.4 封头设计 采用EHA标准椭圆封头，由标准GB/T25198-2010查得其DN=5800mm，曲面高度H=1490mm，直边高度为40mm，容积为26.60m3。2.4.5 接管尺寸设计该反应为气相反应，进料体积流量为34882.09 m3/h，出料体积流量为9965.086m3/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=1110mm，查标准HGT 20553-2011，选取DN=1150mm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。2.4.6 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。2.5 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。2.6 反应器设备条件图详见图纸设备条件图3-R0101MAL列管式固定床反应器3 反应器校核3.1输入结构参数3.2校核结果立式搅拌容器校核计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所筒体设计条件内 筒设计压力 pMPa1设计温度 t C200内径 Dimm5800名义厚度 dnmm20材料名称Q345R许用应力 s 185 s tMPa170压力试验温度下的屈服点 s 325钢材厚度负偏差 C1mm0.3腐蚀裕量 C2mm2厚度附加量 CC1C2mm2.3焊接接头系数 f1压力试验类型液压试验压力 pTMPa1筒体长度 Lwmm7000内筒外压计算长度 Lmm封 头 设 计 条 件筒体上封头筒体下封头夹套封头封头形式椭圆形椭圆形名义厚度 dnmm1919材料名称Q345RQ345R设计温度下的许用应力 s tMPa183183钢材厚度负偏差 C1mm0.30.3腐蚀裕量 C2mm22厚度附加量 CC1C2mm2.32.3焊接接头系数 f11主 要 计 算 结 果内圆筒体内筒上封头内筒下封头校核结果校核合格校核合格校核合格质 量 m kg20093.65478.975478.97搅拌轴计算轴径mm 备 注内筒体内压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 计算条件筒体简图计算压力 pc 1.00MPa设计温度 t 200.00 C内径 Di 5800.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 185.00MPa设计温度许用应力 st 170.00MPa试验温度下屈服点 ss 325.00MPa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 = = 17.11mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 17.70mm名义厚度 dn = 20.00mm重量 20093.59Kg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 = 1.0000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 292.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 164.34 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= = 1.03443MPa设计温度下计算应力 st = = 164.34MPastf 170.00MPa校核条件stf st结论 合格内筒上封头内压计算计算单位 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 1.00MPa设计温度 t 200.00 C内径 Di 5800.00mm曲面深度 hi 1490.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 170.00MPa试验温度许用应力 s 185.00MPa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 = 1.25p= 1.0000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 292.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 167.77MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 0.9647计算厚度 dh = = 16.48mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 16.70mm最小厚度 dmin = 8.70mm名义厚度 dnh = 19.00mm结论 满足最小厚度要求重量 5478.97 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 pw= = 1.01329MPa结论 合格内筒下封头内压计算计算单位 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 1.00MPa设计温度 t 200.00 C内径 Di 5800.00mm曲面深度 hi 1490.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 170.00MPa试验温度许用应力 s 185.00MPa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 = 1.25p= 1.0000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 292.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 167.77MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 0.9647计算厚度 dh = = 16.48mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 16.70mm最小厚度 dmin = 8.70mm名义厚度 dnh = 19.00mm结论 满足最小厚度要求重量 5478.97 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 pw= = 1.01329MPa结论 合格任意式法兰作为松式法兰计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所设 计 条 件简 图设计压力 p1.000MPa计算压力 pc1.000MPa设计温度 t200.0 C轴向外载荷 F0.0N外力矩 M0.0N.mm壳材料名称Q345R许用185.0MPa体应力 170.0MPa法材料名称16Mn许用174.0MPa兰应力147.0MPa材料名称35CrMoA螺许用228.0MPa应力206.0MPa栓公称直径 dB42.0mm螺栓根径 d d37.1mm数量 n40个Di1390.0Do1600.0垫 结构尺寸Db1600.0D外1540.0 mmD内1400.0l15.0图(a)结构DG取法兰与翻边接触面中心处,与垫片 位置无关图(b)结构b06.4mm DG= ( D外+D内 )/2b0 6.4mm DG= D外 - 2bb06.4mm b= b0DG1510.1片b0 6.4mm b=2.53 b14.97压紧面形状1a,1b材料类型 软垫片N 70.0m2.7