【《氧化脱氢制苯乙烯的反应器选型分析案例》3800字】

第页氧化脱氢制苯乙烯的反应器选型分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u25946氧化脱氢制苯乙烯的反应器选型分析案例 160511.1反应器模拟模型构建 1185861.2反应器工艺条件的选择 210801.3反应器设计条件 495331.4反应器构件计算 11292991.5反应器设计结果汇总 151.1反应器模拟模型构建固定床反应器是一种已被充分研究的多相反应器。描述固定床反应器的数学模型有很多种，大致可分为两类：拟均相模型（不考虑液固浓度和温差）和多相模型（考虑液固浓度和温差），根据是否考虑反应器径向浓度梯度和温度梯度，可分为一维模型和二维模型。管式固定床反应器的流化状态接近塞流，不考虑轴向返混、温度梯度和浓度梯度。采用一维塞流模型。根据文献资料和物流特性分析，选择了NRTL物性法。氧与氢发生反应，使主反应向正方向推进。反应是放热的。为避免催化剂因应变温度过高而烧结失活，采用管式固定床反应器进行模拟。同时，反应产生的热量通过与反应流逆流的热交换介质排出。具体仿真模型如图所示图5-24反应器AspenPlus模拟示意图1.2反应器工艺条件的选择1.2.1反应气体入口温度反应器温度对EB转化率有很大影响。对于给定的EB进料速率，随着催化剂的逐渐失活，这些温度应逐渐升高，以保持EB转化和SM生产。根据催化剂的使用情况，将第二和第三级的入口温度控制得稍微高一点可能是有益的。各脱氢床入口温度可独立控制。在SMART反应器中，氧化床出口温度与脱氧床入口温度相同。该温度由氧气流速和稀释蒸汽流速决定。在SMART反应器进料中，氧气与氢气发生选择性反应。该反应为脱氢床提供所需的入口温度。1.2.2反应压力低压有利于反应的平衡，所以反应器的压力通常控制在尽可能低的水平。此参数由压缩机的吸入压力有效控制。压缩机的吸入压力应尽可能低，但应在压缩机的性能范围内。增大空速可以增大流体的湍流程度，使传热传质阻力膜变薄，催化剂颗粒外表面和颗粒内部反应组分的浓度和温度与气流主体趋于一致。因此，在工业生产中，适当的空速应通过特定反应器的经济计算来确定。通过在反应器速率模型中引入动力学方程，设定转化率目标，优化后反应器的停留时间为0.82s，反应器的设计空速为：1.2.4反应器物流参数通过AspenPlus对反应器进行模拟得反应器进出物流信息表：表5-25反应器进出口物流信息表项目反应器进口反应器出口流股信息原料气产品气温度℃639.27620.00压力bar1.011.01摩尔流量2838.712833.46质量流量72881.8972881.89乙苯1654.52241.52苯1.271.27甲苯0.850.85邻二甲苯3.393.39水25943.2826610.72氧气42700.0042107.24氢气48.961.03氮气0.000.00苯乙烯2529.623911.87

1.3反应器设计条件1.3.1设计条件表5-26设计条件一览表项目苯乙烯反应器设计温度/℃640设计压力/MPa0.121.3.2反应器催化剂用量催化剂总体积是决定反应器主要尺寸的基本依据，计算公式如下：式中：V0——原料气标准状况下体积流量，；SV——空速，。原料的体积流量为212523.6，则标准状况下该股物料的体积流量计算公式为：V则原料气标准状况下体积流量为：V则苯乙烯反应器催化剂床层的体积为：V取催化剂的装填密度为550kg/m3，所以催化剂用量为：m=ρV=550×1.3.4反应器列管尺寸及根数通过查找文献可知，给定转化管尺寸Φ40×3，故管内径为34，即为0.034；管长为9。每根反应管所填充的催化剂的体积计算公式为：式中：——管内径，；——空隙率每根反应管的填充高度为8.9，所以每根反应管所填充的催化剂的体积为：故所需反应管根数为：N=经圆整得，反应管根数为9254根。1.3.5反应器壳体内径列管式反应器壳体直径用下式计算：式中：t——列管管间距，对于正三角形排列，为列管外径；b——最外层六边形对角线上的管数，，——六边形层数，，n——列管数；e——最外层列管到壳体距离，。管束的排列方式如图所示：图5-27列管正三角形排列方式示意图反应器管束9254根，采用错列正三角形排列。采用焊接法，则管心距为：横过管束中心线的管数为：a=b=2a+1考虑本工艺的实际情况，取：则壳体内径为：D=0.05×(111−1)+2×0.0442=5.59m，圆整为5.6m1.3.6反应器换热任务核算1.3.6.1概述使用AspenPlus模拟混合物体系参与反应的反应热，当反应达到要求的时候，换热负荷为Q=2703.133kW，换热面积为：A由于反应器内的组成时刻在变化，换热系数也在发生变化，因此只能够粗略地估算该列管式反应器的换热系数。1.3.6.2换热系数估算（1）冷却介质与壁面传热系数计算式中：——冷却介质导热系数，；——当量直径，；——冷却介质流速，；——冷却介质密度，；——冷却介质粘度，；——冷却介质比容，；——流体粘度之比。查AspenPlus得：其中为壳程的当量直径，本工艺选择的是正三角型的排列方式，因此壳程的当量直径为：式中：——相邻两管的中心距，；——管外径，；则当量直径为：在加热条件下，最后一项一般可以简化为：（2）床层与壁面传热系数计算式中：——反应管内径，；——气体导热系数，；——颗粒直径，；——质量通量，；——气体粘度，。查AspenPlus得：所以：污垢热阻无法精确计算，它涉及换热介质与清理周期，因此本工艺两侧污垢热阻都取经验值0.00072。（3）总传热系数计算列管选用钢材S30408，其导热系数为48。以内管表示的总传热系数K为：式中：——管外侧传热系数，；——反应管壁厚，；——反应管导热系数，；——反应管外径，；——反应管平均直径，；——管内侧传热系数，；——反应管内径，；——反应管外侧污垢热阻，；——反应管内侧污垢热阻，。经计算得总传热系数。1.3.6.3换热面积核算由进出口物料的温度计算传热推动力为8℃。所需要的换热面积计算式为：经计算得换热面积。面积裕量为：该换热面积裕度在30%~50%范围内，故换热面积能满足换热要求。1.3.7反应器床层的流动阻力降计算此处流动阻力降以压降形式进行计算。一般固定床反应器压降不宜超过床内压力的15%。选择Ergun公式进行床层压降计算：式中：——摩擦阻力系数；——气体密度，；——床层表观流速，；——床层高度，；——床层空隙率；——催化剂比表面积当量直径，；——气体粘度，。查AspenPlus得：气体密度，气体粘度；代入数据计算得：床层表观流速：u=催化剂比表面积当量直径：则：R最终带入得：ΔP=6243.5213Pa<146000×0.15=21900Pa所以压降小于入口压力的15%，设计符合压降要求。1.4反应器构件计算1.4.1反应器进出料接管计算（1）乙苯气相生产苯乙烯为气固相催化反应，气体的体积流量为212523.63，反应器进口气体流速取25。则接管内径为：d根据GB/T8163-2018无缝钢管，材料为S31608，选取外径为1800，壁厚为12的无缝钢管，即Φ1800×20，在前端管箱筒体处。此时管内的流速为：u=（2）气体的出口体积流量为212523.63，反应器出口气体流速取25。则接管内径为：d根据GB/T8163-2018无缝钢管，材料为S31608，选取外径为1800，壁厚为12的无缝钢管，即Φ1800×20，接管在后端管箱筒体处。此时管内的流速为：u=1.4.2气体分布器的设计进气管的直径比反应器的直径小。如果反应气体从小直径的进气口直接注入大直径反应器，则进气口附近的气体流速过大，气体能量主要是动能，静压能很小，这对气体沿反应器径向分布非常不利，导致反应气体进入反应器后分布不均匀，影响反应的转化率和选择性。因此，在反应气入口设置配气装置非常重要。根据专利CN202893325U，本反应器采用新型气体分布器，具有结构简单、气体分布均匀、压降小、制造安装方便等特点。此新型气体分布器结构如下图所示，包括扩径稳流部段和球形封头。扩径稳流部段的第一端与反应器的封头通过法兰相连，第二端与球形封头相连，其直径为1600mm，高度为750mm。球形封头直径为1600mm，沿圆周方向均匀地设置分布孔，分布孔的孔径大小为20mm，孔间距大小为25mm。图5-28气体分布器结构简图1.4.3反应器冷却水进出口接管计算（1）冷却水进口体积流量为189.968，为液态水，流速取3。则接管内径为：根据GB/T8163-2018无缝钢管，材料为16Mn，选取外径为159，壁厚为4.5的无缝钢管，即Φ159×4.5，接管位于筒体处。此时管内的流速为：（2）冷却水出口体积流量为3286.261，为气液两相流体，摩尔气相分率为0.010，体积含气率大于0.17，参考《化工工艺设计手册》，采用以下公式计算管径：则经视差得接管内径为0.303m。根据GB/T8163-2018无缝钢管，材料为16Mn，选取外径为325，壁厚为10的无缝钢管，即Φ325×10，接管位于筒体处。此时管内的流速为：1.4.4反应器壳体参数设计反应器的操作压力为1.01bar，最高温度为620℃，在无安全泄放装置的情况下，内压容器的设计压力取设计温度一般比最高温度高15℃～30℃左右。因此管程设计压力为1.2bar，设计温度为650℃，考虑到管程气体的腐蚀性，选择材料为S31608.由于反应器为内压容器，其计算厚度的计算公式为：式中：——操作时可能的最大压力，内压容器取，；——壳体内径，；——材料在操作温度范围内的许用应力，；——焊接系数，局部无检测损单面焊取0.65，双面焊取0.85；100%无检测损单面焊取0.9，双面焊取1；——腐蚀裕量，根据材料和介质的腐蚀性质在1~8mm之间选择。在本工艺中，进行双面焊取，100%无损检测，焊接系数取1。查阅GB713可知，200℃下，Q345R许用应力。由此可计算出厚度为：δ查阅GB150可知，取腐蚀余量为3，负偏差为0.3。则壳体的名义厚度为：δ所以圆整后壳体厚度取10。1.4.5反应器封头设计本工艺采用列管式固定床反应器，其上下封头都选用标准椭圆形封头。形状系数，则有。为焊接方便，封头材料与管箱筒体一致，选择材料为Q345R。厚度计算式为：则：查阅GB150可知，取腐蚀余量为3，负偏差为0.3。则封头的名义厚度为：所以圆整后壳体厚度取20。查阅GB/T25198-2010可知，当时，封头的直边高度为40，其曲边高度为内径的四分之一，即：最终确定标准椭圆形封头公称直径为5000，名义厚度为20，曲边高度为1250，直边高度为40。1.4.6反应器高度筒体高度：裙座高度：封头高度：反应器高度还应包括筒顶空间和筒底空间，根据《压力容器手册