MDI缩合反应器设计计算表

MDI缩合反应器设计计算,,,,,,,,,

序号,计算项目,符号表示,参数来源,计算公式,国际单位,计算结果,参数说明,规范依据,其他说明

,一、基础工艺参数,,,,,,,,

1,苯胺/甲醛摩尔比,n(An)/n(F),设计值,取值范围2~3，此处取2.5,-,2.5,苯胺与甲醛的摩尔配比，高配比有利于生成MDA，降低多胺比例,工艺设计规范,根据MDI缩合工艺经验取值

2,酸胺摩尔比,n(H+)/n(An),设计值,取值范围1.2~1.5，此处取1.3,-,1.3,"酸与苯胺的摩尔配比，高配比有利于4,4'-异构体生成",工艺设计规范,根据MDI异构体分布控制要求取值

3,缩合反应温度,T1,设计值,取值范围50~80℃，此处取65℃,℃,65,缩合阶段反应温度，控制副反应发生,工艺设计规范,根据MDA合成工艺经验取值

4,转位重排温度,T2,设计值,取值范围90~150℃，此处取120℃,℃,120,转位重排阶段温度，促进异构体转化,工艺设计规范,根据MDA转位工艺经验取值

5,进料总流量,Q,设计值,根据生产能力设定，此处取10m³/h,m³/h,10,苯胺与甲醛混合物料的进料流量,生产任务书,根据年产10万吨MDI生产能力计算

,二、反应器容积与停留时间计算,,,,,,,,

6,反应器装填系数,φ,选用值,取值范围0.7~0.8，此处取0.75,-,0.75,反应器有效容积与净容积的比值，考虑物料膨胀和脱挥空间,HG/T20569-2013,根据液相反应物料特性取值

7,物料平均停留时间,τ,设计值,根据工艺要求取值，此处取2h,h,2,物料在反应器内的平均停留时间，确保反应完全,工艺设计规范,根据MDA缩合反应动力学确定

8,反应器有效容积,V有效,计算值,V有效=Q×τ,m³,240,反应器内实际参与反应的物料容积,化学反应工程,连续釜式反应器有效容积计算公式

9,反应器净容积,V净,计算值,V净=V有效/φ,m³,320,反应器的几何容积，不考虑装填系数,HG/T20569-2013,根据装填系数反算净容积

10,反应器内径,D,选用值,根据净容积和高径比计算，高径比取2，D=√(4V净/(πH))，H=2D，故D=∛(2V净/π),m,5.884054687,反应器圆筒部分的内径，高径比取2,HG/T20569-2013,根据高径比设计反应器尺寸

11,反应器高度,H,计算值,H=2×D,m,11.76810937,反应器圆筒部分的高度，高径比为2,HG/T20569-2013,根据高径比计算高度

12,操作液位高度,L,计算值,L=φ×H,m,23.53621875,反应器内物料的操作液位高度，为装填系数乘以反应器高度,HG/T20569-2013,根据装填系数确定液位高度

,三、反应热与撤热负荷计算,,,,,,,,

13,苯胺甲醛缩合反应热,ΔH_r,查表值,根据文献资料，取值为-4000kJ/kmol（以甲醛为基准）,kJ/kmol,-4000,苯胺与甲醛缩合反应的摩尔反应热，放热反应,化工热力学手册,类似胺醛缩合反应的热效应参考值

14,甲醛进料摩尔流量,n_F,计算值,n_F=Q×ρ_F×x_F/M_F，ρ_F=1000kg/m³，x_F=0.3（甲醛质量分数），M_F=30kg/kmol,kmol/h,7.5,甲醛溶液的进料摩尔流量，甲醛质量分数30%,物料衡算规范,根据进料流量和甲醛浓度计算

15,甲醛转化率,X,设计值,根据工艺要求取值，此处取0.95,-,0.95,甲醛的反应转化率，确保反应完全,工艺设计规范,根据MDA收率要求确定

16,甲醛反应速率,r,计算值,r=n_F×X/V有效,kmol/(m³·h),0.022265625,单位容积内甲醛的反应速率,化学反应工程,根据物料衡算计算反应速率

17,反应总放热速率,Q_r,计算值,Q_r=|ΔH_r|×n_F×X,kW,7.916666667,反应过程中释放的总热量速率,化工热力学手册,根据反应热和反应量计算放热速率

18,冷却介质入口温度,T_cin,设计值,选用循环水，入口温度30℃,℃,30,夹套冷却介质的入口温度,工艺设计规范,根据公用工程条件选用循环水

19,冷却介质出口温度,T_cout,设计值,设计温升5℃，出口温度35℃,℃,35,夹套冷却介质的出口温度,工艺设计规范,根据冷却负荷确定温升

20,对数平均温差,ΔT_m,计算值,ΔT_m=[(T1-T_cout)-(T1-T_cin)]/ln[(T1-T_cout)/(T1-T_cin)]，T1=65℃,℃,-26.53748642,反应器内物料与冷却介质的对数平均温差,传热学手册,根据两端温差计算对数平均温差

21,总传热系数,K,选用值,根据夹套反应釜经验值，取值200W/(m²·℃),W/(m²·℃),200,反应器夹套的总传热系数，考虑污垢热阻,HG/T20569-2013,根据类似设备经验取值

22,夹套换热面积,A,计算值,A=Q_r×1000/(K×ΔT_m),m²,-5.652381601,反应器夹套的换热面积，用于撤热,传热学手册,根据热负荷和传热系数计算换热面积

23,换热面积校核,A校核,判断值,A计算≤A实际，实际夹套面积=π×D×L，L=液位高度,-,满足,校核计算换热面积是否小于实际夹套换热面积,HG/T20569-2013,实际夹套面积大于计算面积，满足撤热要求

,四、搅拌系统计算,,,,,,,,

24,搅拌桨直径,D_a,选用值,根据反应器内径，D_a=D/3，此处取0.85m,m,2.5,涡轮式搅拌桨的直径，为反应器内径的1/3,HG/T20569-2013,根据反应器尺寸选用搅拌桨直径

25,搅拌桨转速,n,设计值,根据搅拌雷诺数确定，湍流区转速取150r/min,r/min,150,搅拌桨的转速，确保物料处于湍流状态,HG/T20569-2013,根据物料混合要求确定转速

26,物料密度,ρ,查表值,苯胺甲醛混合物料密度，取值1050kg/m³,kg/m³,1050,反应物料的平均密度,化工物性手册,根据物料组成估算密度

27,功率准数,N_p,选用值,涡轮式搅拌桨在湍流区的功率准数，取值6.3,-,6.3,搅拌桨的功率准数，湍流区为常数,化工搅拌手册,根据搅拌桨类型和流型选取

28,搅拌桨轴功率,P_a,计算值,P_a=N_p×ρ×n³×D_a⁵/1000/60³,kW,10093.68896,搅拌桨需要的轴功率,化工搅拌手册,根据功率准数公式计算搅拌功率

29,电机效率,η,选用值,选用异步电机，效率取值0.85,-,0.85,电机的传动效率，考虑轴承和联轴器损失,电机设计手册,根据电机类型选取效率值

30,电机额定功率,P_m,计算值,P_m=P_a/η,kW,11874.92819,驱动搅拌桨的电机额定功率,电机设计手册,根据搅拌功率和效率计算电机功率，选用标准电机功率

31,搅拌功率校核,P校核,判断值,P_m≥P_a，满足电机功率要求,-,满足,校核电机功率是否满足搅拌功率要求,HG/T20569-2013,电机功率大于搅拌功率，满足要求

,五、结构强度计算,,,,,,,,

32,反应器设计压力,P,设计值,操作压力0.1MPa，设计压力取1.2倍操作压力，即0.12MPa,MPa,0.12,反应器的设计压力，考虑操作压力波动,GB/T150.1-2013,根据操作压力确定设计压力

33,材料许用应力,[σ]^t,查表值,选用Q345R钢，设计温度120℃，许用应力189MPa,MPa,189,Q345R钢在设计温度下的许用应力,GB/T150.2-2013,根据材料和设计温度查取许用应力

34,焊接接头系数,φ,选用值,采用双面焊，100%无损检测，接头系数取1.0,-,1,焊接接头的强度系数，根据焊接方式和检测要求选取,GB/T150.1-2013,根据焊接质量控制要求选取

35,圆筒计算壁厚,δ,计算值,δ=(P×D)/(2×[σ]^t×φ-P),mm,0.793902826,反应器圆筒的计算壁厚，未考虑腐蚀裕量,GB/T150.3-2013,根据内压圆筒壁厚公式计算

36,腐蚀裕量,C2,选用值,根据物料腐蚀性，选取腐蚀裕量2mm,mm,2,考虑物料腐蚀的裕量，确保设备使用寿命,GB/T150.1-2013,根据物料腐蚀性选取

37,圆筒最小壁厚,δ_min,计算值,"δ_min=max(δ+C2,3mm)，对于内径大于1500mm的容器，最小壁厚取3mm",mm,3,反应器圆筒的最小壁厚，考虑制造和刚度要求,GB/T150.3-2013,根据计算壁厚和腐蚀裕量确定最小壁厚

38,圆筒实际壁厚,δ_n,选用值,选用标准壁厚6mm，满足最小壁厚要求,mm,6,反应器圆筒的实际选用壁厚，采用标准钢板厚度,GB/T709-2019,选用标准厚度钢板，满足强度和刚度要求

39,壁厚校核,δ校核,判断值,δ_n≥δ_min，满足壁厚要求,-,满足,校核实际壁厚是否大于等于最小壁厚,GB/T150.3-2013,实际壁厚满足最小壁厚要求

,六、异构体分布与线性/环体比例计算,,,,,,,,

40,"4,4'-MDA异构体比例",x_44,计算值,x_44=0.75+0.08×(n(H+)/n(An))，酸胺比1.3时，x_44=0.75+0.08×1.3=0.854,-,1.69144875,"4,4'-MDA异构体在总MDA中的摩尔比例",MDI工艺技术手册,根据酸胺比经验公式计算

41,"2,4'-MDA异构体比例",x_24,计算值,x_24=0.20-0.06×(n(H+)/n(An))，酸胺比1.3时，x_24=0.20-0.06×1.3=0.122,-,-0.506086562,"2,4'-MDA异构体在总MDA中的摩尔比例",MDI工艺技术手册,根据酸胺比经验公式计算

42,"2,2'-MDA异构体比例",x_22,计算值,x_22=1-x_44-x_24,-,-0.185362187,"2,2'-MDA异构体在总MDA中的摩尔比例",MDI工艺技术手册,根据异构体总量为1计算

43,线性MDA比例,x_linear,计算值,x_linear=0.8+0.05×(n(An)/n(F)-2)，胺醛比2.5时，x_linear=0.8+0.05×(2.5-2)=0.825,-,0.994202734,线性M