缩合反应器的设计

1、缩合反应器的设计一 确定反应器类型 本工段中是正丁醛在w(NaOH)=2的溶液为催化剂的条件下，缩合成缩丁醇醛，并同时脱水得辛烯醛反应。考虑到间歇釜式反应器虽然操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产，但对于本工段而言采用间歇操作不适宜，不仅需要消耗较多的劳动力，而且间歇釜需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。因而本工段采用连续操作的釜式反应器较为合理，并且根据文献查的本工段反应器为带夹套连续釜式搅拌反应器。二 确定反应器的设计条件 由羰基缩合工段的模拟结果知道缩合反应器的处理量是F0=437.114Kmol/h,其中正丁醇的量为FA0=3

2、29.879Kmol/h。液体的体积为V=35 cum/hr，则CA0=(329.879/35)=9.425Kmol/ cum 即为9.425mol/l。原料处理量为Q0=(351000)/60=583.3L/min。查文献得知该反应在温度为125，压力为0.45MPa下的正丁醇的转化率为XAf=0.93。而反应器的设计压力是考虑到最危险情况下达到的最大压力，故考虑到实际生产状况以及经济的合理性等原因，这里的反应器设计压力为1MPa 。设计温度亦要考虑到生产实际的可能的最高温度，故这里的设计温度为150 。现将反应器的设计条件列如下表所示。缩合反应器的设计条件表原料处理量Q0 / L/min5

3、83.3正丁醛的处理量FA0 /Kmol/h329.879操作温度T/125操作压力P/MPa0.45设计温度T/150设计压力P/MPa1三 反应釜的相关计算 （1）反应釜体积的计算由于该反应为液相反应，物料的密度变化很小，故可近似认为是恒容过程。该反应器可视为等温过程的釜式反应器，当采用搅拌器搅拌均匀时釜内各处的温度和浓度也接近均匀时，该釜式反应器可视为定态操作。查的文献【1】得知丁醛缩合脱水反应得辛烯醛的动力学方程式RA=8.182106 EXP-6.245104/RTCP 2.456 Mol/(Ls) (1)式（1）中的RA 为丁醛缩合脱水的反应速率；Mol/(LS) ； R为气体常数

4、，R=8.314J/(KMol)； T 为反应温度，T=398K； Cp为正丁醛的浓度，mol/l；原料处理量为Q0=(351000)/60=583.3L/min；将该反应器视为等温理想的CSTR反应器,则反应器内的浓度等于出料口浓度，而出料口浓度CA=CA01-XAf=9.425(1-0.93)= 0.660mol/l；因为是定态操作，故其反应速率也是常数：RA=8.182106 EXP-6.245104/RTCP2.456 Mol/(LS) =8.182106 EXP-6.245104/（8.314398）0.6602.456 =0.0188 Mol/(Ls)根据釜式反应器的物料衡算知空时

5、：= Vr/Q0 =（CA0XAf) / RA = (9.4250.93) / 0.0188 = 466.24 (s) = 7.77 (min)则理论体积为Vr= Q0= 583.37.77 = 4532.241 (L) = 4.53 (m3) 实际反应器的体积V,要比反应体积Vr 大，以保证反应物料上面有一定的空间通常由下式确定 V= Vr / f (2) 式（2）中f为装填系数，等于0.4 0.85，一般有经验确定，也可以根据反应物料的性质不同而选择：对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取小的系数，如0.40.6；对于不起泡沫或不沸腾的液体可取0.70.85 。【2】对于本物系取装填系数为0.7

6、。则 V= Vr / f = 4.53 / 0.7 = 6.47 (m3) （2） 反应釜内筒的高度和内径由于此反应为液液反应，故而取筒体高度H与筒体内径Di的比为H/Di=1.2；而筒体内径： Di =（( 4V ) / (3.14( H / Di ) )）1/3 = (46.47) /（ 3.131.2）1/3 = 1.9 (m) 故釜式缩合反应器的内径取 Di = 1900 mm , 选取材料为Q245R,(先假设其厚度为316mm),在设计温度为150 时查文献【3】知道其在该条件下的许用应力为 t = 117MPa 。则反应釜的内筒厚度可按下式计算 (3) 式（3）中PC为设计压力，

7、MPa； Di为筒体内径，mm； t为在t温度下的许用应力，MPa； 为焊接接头系数，采用双面对焊接，局部无损探伤，取0.85；综上可得筒体计算厚度为 = ( 11900)/ ( 21170.851) = 9.6 mm。取筒体的腐蚀裕量C2=2 mm；Q245R钢板的厚度负偏差C1=0.3 mm；则反应釜筒体的设计厚度 d = + C2 = 9.6+2=11.6 mm；根据钢板厚度规格，可选用名义厚度n =12 mm;由于强度计算得到的罐体厚度与假设的厚度范围相同，故所作的计算有效，即取名义厚度n =12 mm是合适的。筒体的高度H= 1.2Di = 1.21900 = 2280 mm =2.

8、28 m 。（3） 反应釜内筒封头的确定 为了便于制造，封头的材料也选择Q245R，而封头的形式有以下几种 图1椭圆封头 图2蝶形封头 图3 球冠形封头 本反应釜采用椭圆封头，而标准椭圆形封头的内径与反应釜筒体的内径相同Di=1900 mm ,封头的计算厚度可按下式计算【4】： (4)式（4）中PC为设计压力，MPa； Di为筒体内径，mm； t为在t温度下的许用应力，MPa； h为封头的计算厚度； K为椭圆形封头形状系数；K=2+( Di / 2 hi )2/6 (5) 为焊接接头系数，采用双面对焊接，局部无损探伤，取0.85； 式（5）中hi为凸形封头内曲面深度；查取【4】取K=0.5，则

9、Di / 2 hi= 1； 对于本反应釜 PC = 1 MPa；Di=1900 mm； t= 117 MPa；故椭圆封头的计算厚度为： 取筒体的腐蚀裕量C2=2 mm；Q245R钢板的厚度负偏差C1=0.3 mm；则反应釜筒体的设计厚度 d = + C2 = 4.79+2= 6.79 mm；根据钢板厚度规格，可选用名义厚度n = 8 mm；由于强度计算得到的罐体厚度与假设的厚度范围相同，故所作的计算有效，即取名义厚度n =8 mm是合适的。 但考虑到加工制造的方便，故这里的封头的名义厚度与筒体的名义厚度相等，即n =12mm。则凸形封头内曲面深度 hi = 950 mm = 0.95 m 。封

10、头直边高度一般为25mm或40 mm,这里取封头直边高度h10=40 mm。 （4）反应釜夹套筒体尺寸的确定 反应釜筒体及夹套筒体的主要尺寸标注如图4所示； 图4 反应釜筒体及夹套的主要尺寸 4.1 夹套上边缘距反应釜法兰尺寸A 的确定 该尺寸的大小根据内筒体法兰的型式、螺栓型式、保温( 保冷) 的要求以及反应釜筒体直径D , 的大小而定, 通常A =80 12 0 m m , 即可以了。故这里的A=100mm。 4.2 釜筒体与下封头焊缝和夹套筒体与下封头焊缝之间的距离H5 的确定 1为此先确定夹套与筒体的间隙釜筒体与夹套筒体之间的空隙距离，若忽略壁厚的影响时： 1= (D2D1 ) / 2

11、 （6） 式（6）中 D2为夹套筒体直径，mm ； D1为釜筒体直径，mm ； 工业中通常1 为50 80 mm 左右，而且釜底与夹套釜底的空间距离2 ，应该近似等于1 。这里的1= 80 mm。故夹套筒体直径为： D2= （280）+ 1900 = 2060 mm。 4.3反应釜夹套壁厚与封头高度的确定 反应釜夹套内部走的是常压冷却水，夹套外边也是常压。故反应釜的夹套材料也用Q245R；其设计压力为PC=0.1MPa；设计温度T=100 时查文献【3】知道其在该条件下的许用应力为 t = 147MPa；采用双面对焊接，局部无损探伤，故 =0.85；K为椭圆形封头形状系数；取K=0.5，则Di

12、 / 2 hi= 1， = (0.12060) / ( 21470.85 0.1) = 0.825 mm由于夹套的厚度为0.76mm，则厚度偏薄，考虑到实际情况时则容易变形，故取厚度为3 mm。 封头高度 hi = 1030 mm,即h2=1030 mm。封头直边高度一般为25mm或40 mm,这里取封头直边高度h20 =25 mm。 4.4建立平衡式, 求H5 釜筒体封头高为h1= 950, 封头直边高h10=40 mm；夹套封头高度为h2 = 1030 mm ；封头直边高h20=25 mm。 故 H2 = h1 + h10 =950 + 40 = 990 mm； H4 = h2 + h20

13、 =1030+25= 1055 mm； 由图中的标注可知：H2 + 2 = H4 + H5 故H5 = H2 +2H4 = 990 + 80 1055 =15 mm。4.5夹套筒体高H3的确定 由图中的标注可知：H3 = H1 + H5A = 2280 + 15100 = 2195 mm。（5）换热面积与冷却水流量的计算 根据aspen plus 对该反应器进行简单模拟，采用其流程图可如下图所示 图5 釜式反应器的模拟根据该反应器模拟得出该反应过程中若要保持恒温，则需要移走的热量是4417.75 kw。由于要保持反应釜内恒温，则该传热过程为一边恒温的传热，而冷却水的进口温度为25，出口温度为4

14、0，故夹套的进出口对数平均温差为： （7）式（7）中的 t1 为进口端冷热流股的温差，本反应釜中t1=100； t2 为出口端冷热流股的温差，本反应釜中t2 =85 ； 故 。依经验可取传热系数K= 45 W /（m2），按传热速率方程： （8）则按式（8）可得传热面积 m2 考虑考虑15%的面积浴度，又根据 （9） 式（9）中T为冷却水的进出口温差； 为冷却水质量流量，kg/h； 为冷却水在进出口平均温度下的比热容，即为4.187kJ/(kg)；故冷却水的质量流量为 。 (四) 反应器的校核 由前面的计算可知反应釜的筒体面积为S=DH=3.141.92.28=13.6 m2 由此可见在还没计算反应釜的釜底面积的情况下，该