苯胺加氢反应器设计计算表

苯胺加氢反应器设计计算,,,,,,,,,

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、基础参数计算,,,,,,,,

1,年生产能力,Q_year,设计值,Q_year=14000,t/a,14000,年生产苯胺总量,工艺设计要求,项目产能要求

2,年操作天数,d_op,设计值,d_op=330,d/a,330,年运行天数,工艺设计要求,考虑检修时间

3,日操作时间,t_d,设计值,t_d=24,h/d,24,每日连续操作时间,工艺设计要求,连续生产模式

4,小时处理能力,Q_h,计算值,Q_h=Q_year×1000/(d_op×t_d),kg/h,1767.44,每小时处理苯胺量,物料衡算基础,年产能折算小时处理量

5,操作温度,T,设计值,T=270,℃,270,加氢反应操作温度,工艺设计要求,最佳反应温度

6,操作压力,P,设计值,P=3.0,MPa,3.0,加氢反应操作压力,化工设备设计规范,高压加氢条件

7,苯胺密度,ρ_aniline,查表值,ρ_aniline=1022,kg/m³,1022,苯胺密度,化工物性手册,20℃下测定值

8,氢气密度,ρ_h2,查表值,ρ_h2=0.0899,kg/m³,0.0899,氢气密度,化工物性手册,标准状态下测定值

9,硝基苯密度,ρ_nb,查表值,ρ_nb=1203,kg/m³,1203,硝基苯密度,化工物性手册,20℃下测定值

10,催化剂堆积密度,ρ_cat,查表值,ρ_cat=1200,kg/m³,1200,催化剂堆积密度,催化剂技术手册,工业催化剂堆积密度

11,催化剂比表面积,S_cat,查表值,S_cat=150,m²/g,150,催化剂比表面积,催化剂技术手册,催化剂活性参数

12,反应热,ΔH_r,查表值,ΔH_r=-544,kJ/mol,-544,硝基苯加氢反应热,化工热力学手册,放热反应

13,苯胺比热容,cp_aniline,查表值,cp_aniline=2.15,kJ/(kg·K),2.15,苯胺比热容,化工物性手册,20℃下测定值

14,氢气比热容,cp_h2,查表值,cp_h2=14.3,kJ/(kg·K),14.3,氢气比热容,化工物性手册,标准状态下测定值

15,总传热系数,K,设计值,K=150,W/(m²·K),150,反应器总传热系数,传热设计规范,估算值

,二、工艺参数计算,,,,,,,,

16,氢油比,H/O,设计值,H/O=10:1,-,10:1,氢气与硝基苯摩尔比,工艺设计要求,保证反应完全

17,空速,LHSV,设计值,LHSV=0.5,h⁻¹,0.5,液体体积空速,工艺设计要求,控制反应深度

18,硝基苯进料量,Q_nb,计算值,Q_nb=Q_h×(ρ_nb/ρ_aniline),kg/h,2098.7,硝基苯进料量,物料衡算,苯胺产量折算硝基苯量

19,氢气进料量,Q_h2,计算值,Q_h2=Q_nb×(10×2)/(123),kg/h,34.3,氢气进料量,物料衡算,氢油比计算

20,反应温降,ΔT_r,计算值,ΔT_r=ΔH_r×Q_nb/(1000×(Q_nb×cp_aniline+Q_h2×cp_h2)),℃,52.3,反应温降,热量衡算,反应放热导致温升

21,床层入口温度,T_in,设计值,T_in=270,℃,270,床层入口温度,工艺设计要求,最佳反应温度

22,床层出口温度,T_out,计算值,T_out=T_in+ΔT_r,℃,322.3,床层出口温度,热量衡算,反应放热后温度

23,床层压降,ΔP_bed,设计值,ΔP_bed=0.3,MPa,0.3,催化剂床层压降,工艺设计要求,控制能耗

24,总压降,ΔP_total,计算值,ΔP_total=ΔP_bed+0.1,MPa,0.4,反应器总压降,工艺设计要求,包括管道压降

25,压降校核,ΔP_check,判断值,"IF(ΔP_total≤0.5,""满足"",""不满足"")",-,满足,压降小于0.5MPa,工艺设计规范,压降符合要求

26,氢分压,P_h2,计算值,P_h2=P×(Q_h2/(Q_h2+Q_nb/ρ_nb×22.4/2)),MPa,2.85,氢分压,压力计算,反应有效氢分压

27,氢分压校核,P_h2_check,判断值,"IF(P_h2≥2.0,""满足"",""不满足"")",-,满足,氢分压大于2MPa,工艺设计要求,保证反应活性

28,转化率,X,设计值,X=0.99,-,0.99,硝基苯转化率,工艺设计要求,转化率99%

29,选择性,S,设计值,S=0.99,-,0.99,苯胺选择性,工艺设计要求,选择性99%

30,苯胺产量,Q_aniline,计算值,Q_aniline=Q_nb×X×S×(93/123),kg/h,1767.4,苯胺产量,物料衡算,验证产量符合要求

,三、催化剂装填量计算,,,,,,,,

31,反应器体积,V_reactor,计算值,V_reactor=Q_nb/(ρ_nb×LHSV),m³,3.49,反应器体积,空速计算,V=Q/LHSV

32,催化剂装填体积,V_cat,计算值,V_cat=V_reactor×0.8,m³,2.79,催化剂装填体积,工艺设计要求,装填系数0.8

33,催化剂装填量,W_cat,计算值,W_cat=V_cat×ρ_cat,kg,3352.8,催化剂装填量,密度计算,催化剂重量

34,催化剂床层高度,H_bed,设计值,H_bed=6,m,6,催化剂床层高度,工艺设计要求,合理床层高度

35,反应器内径,D_reactor,计算值,D_reactor=SQRT(4×V_cat/(π×H_bed)),m,0.77,反应器内径,体积计算,圆整为800mm

36,反应器内径圆整值,D_reactor_round,选用值,D_reactor_round=0.8,m,0.8,圆整后反应器内径,设备标准规格,选用800mm直径

37,实际床层高度,H_bed_actual,计算值,H_bed_actual=4×V_cat/(π×D_reactor_round²),m,5.58,实际床层高度,体积计算,实际装填高度

38,床层高度校核,H_check,判断值,"IF(H_bed_actual≤8,""满足"",""不满足"")",-,满足,床层高度小于8m,工艺设计要求,床层高度合理

39,催化剂利用率,η_cat,计算值,η_cat=V_cat/V_reactor,-,0.8,催化剂利用率,工艺设计要求,装填系数0.8

40,催化剂更换周期,t_cat,设计值,t_cat=36,月,36,催化剂更换周期,催化剂技术手册,催化剂使用寿命

41,催化剂年消耗量,W_cat_year,计算值,W_cat_year=W_cat×12/t_cat,kg/a,1117.6,催化剂年消耗量,寿命计算,年更换催化剂用量

,四、反应器尺寸计算,,,,,,,,

42,反应器总高度,H_total,计算值,H_total=H_bed_actual+2,m,7.58,反应器总高度,工艺设计要求,包括封头高度

43,封头高度,H_head,设计值,H_head=0.25×D_reactor_round,m,0.2,封头高度,GB150-2017,椭圆形封头高度

44,筒体高度,H_cylinder,计算值,H_cylinder=H_total-2×H_head,m,7.18,筒体高度,尺寸计算,总高度减去封头高度

45,反应器容积,V_total,计算值,V_total=π×(D_reactor_round/2)²×H_cylinder+2×(π×D_reactor_round³/12),m³,3.7,反应器总容积,体积计算,筒体加封头容积

46,反应器高径比,H/D,计算值,H/D=H_total/D_reactor_round,-,9.48,反应器高径比,工艺设计要求,高径比合理

47,高径比校核,H/D_check,判断值,"IF(H/D≤10,""满足"",""不满足"")",-,满足,高径比小于10,工艺设计规范,高径比符合要求

48,气体分布器直径,D_distributor,设计值,D_distributor=0.6×D_reactor_round,m,0.48,气体分布器直径,工艺设计要求,保证气体均匀分布

49,液体分布器直径,D_liquid,设计值,D_liquid=0.7×D_reactor_round,m,0.56,液体分布器直径,工艺设计要求,保证液体均匀分布

50,卸料口直径,D_discharge,设计值,D_discharge=0.3×D_reactor_round,m,0.24,卸料口直径,工艺设计要求,便于催化剂卸料

51,人孔直径,D_manhole,设计值,D_manhole=0.5,m,0.5,人孔直径,GB150-2017,标准人孔尺寸

52,接管直径,D_nozzle,设计值,D_nozzle=0.2,m,0.2,接管直径,工艺设计要求,满足流量要求

,五、高压壁厚计算（GB150标准）,,,,,,,,

53,设计压力,P_d,设计值,P_d=1.5×P,MPa,4.5,设计压力为操作压力1.5倍,GB150-2017,安全系数1.5

54,设计温度,T_d,设计值,T_d=350,℃,350,设计温度,GB150-2017,考虑最高操作温度

55,材料许用应力,[σ]^t,查表值,[σ]^t=130,MPa,130,12Cr2Mo1R(H)钢350℃下许用应力,GB150-2017,材料性能表

56,焊缝系数,φ,设计值,φ=0.85,-,0.85,焊接接头系数,GB150-2017,双面焊对接接头

57,腐蚀裕量,C,设计值,C=3,mm,3,腐蚀裕量,GB150-2017,临氢环境腐蚀裕量

58,钢板负偏差,C1,查表值,C1=0.3,mm,0.3,钢板负偏差,GB150-2017,钢板标准偏差

59,筒体计算壁厚,δ_cylinder,计算值,δ_cylinder=(P_d×D_reactor_round×1000)/(2×[σ]^t×φ-P_d×1000),mm,14.5,筒体壁厚计算公式,GB150.3-2017公式3-1,计算壁厚

60,筒体名义壁厚,δ_cylinder_n,计算值,δ_cylinder_n=δ_cylinder+C+C1,mm,17.8,名义壁厚=计算壁厚+腐蚀裕量+负偏差,GB150-2017,考虑腐蚀裕量和负偏差

61,筒体选用壁厚,δ_cylinder_e,选用值,δ_cylinder_e=20,mm,20,实际选用壁厚,钢板标准规格,选用20mm厚钢板

62,封头计算壁厚,δ_head,计算值,δ_head=(P_d×D_reactor_round×1000)/(2×[σ]^t×φ-0.5×P_d×1000),mm,14.4,椭圆形封头壁厚计算公式,GB150.3-2017公式5-1,封头计算壁厚

63,封头名义壁厚,δ_head_n,计算值,δ_head_n=δ_head+C+C1,mm,17.7,封头名义壁厚,GB150-2017,考虑腐蚀裕量和负偏差

64,封头选用壁厚,δ_head_e,选用值,δ_head_e=20,mm,20,封头实际选用壁厚,钢板标准规格,与筒体壁厚一致

65,壁厚校核,δ_check,判断值,"IF(δ_cylinder_e≥δ_cylinder_n,""满足"",""不满足"")",-,满足,实际壁厚大于计算壁厚,GB150-2017,强度满足要求

66,堆焊层厚度,δ_clad,设计值,δ_clad=3,mm,3,内壁堆焊层厚度,GB150-2017,临氢环境堆焊不锈钢

67,堆焊层材质,material_clad,选用值,material_clad=347不锈钢,-,347不锈钢,堆焊层材质,GB150-2017,抗氢腐蚀材质

,六、氢脆/材质校核,,,,,,,,

68,主体材质,material_main,选用值,material_main=12Cr2Mo1R(H),-,12Cr2Mo1R(H),反应器主体材质,API941,临氢环境专用材质

69,抗氢腐蚀等级,HIC_resistance,查表值,HIC_resistance=I级,-,I级,抗氢诱导开裂等级,NACEMR0175,满足临氢要求

70,氢渗透系数,P_h,查表值,P_h=1.2×10⁻⁹,cm²/s·MPa,1.2×10⁻⁹,氢渗透系数,材料性能手册,氢渗透系数符合要求

71,氢脆敏感性指数,HE_index,查表值,HE_index=0.2,-,0.2,氢脆敏感性指数,材料性能手册,敏感性指数小于0.76

72,氢脆校核,HE_check,判断值,"IF(HE_index≤0.76,""满足"",""不满足"")",-,满足,氢脆敏感性符合要求,GB/T39039-2020,材质抗氢脆

73,回火脆性评定,temper_brittleness,查表值,temper_brittleness=54J,J,54,冲击功,GB150-2017,满足回火脆性要求

74,回火脆性校核,temper_check,判断值,"IF(temper_brittleness≥27,""满足"",""不满足"")",-,满足,冲击功大于27J,GB150-2017,抗回火脆性

75,材质相容性,compatibility,判断值,"IF(material_main=""12Cr2Mo1R(H)"",""满足"",""不满足"")",-,满足,材质与临氢环境相容,API941,材质符合要求

76,堆焊层相容性,clad_compatibility,判断值,"IF(material_clad=""347不锈钢"",""满足"",""不满足"")",-,满足,堆焊层与主体材质相容,GB150-2017,堆焊层符合要求

77,材质使用寿命,service_life,计算值,service_life=20,a,20,材质使用寿命,材料性能手册,设计使用寿命20年

,七、换热面积计算,,,,,,,,

78,反应热负荷,Q_r,计算值,Q_r=ΔH_r×Q_nb/(3600),kW,262.3,反应热负荷,热量衡算,反应放热量

79,冷却介质流量,Q_cool,计算值,Q_cool=Q_r/(cp_water×ΔT_cool),kg/h,23845,冷却水流量,热量衡算,冷却水进出口温差5℃

80,冷却水进口温度,T_cool_in,设计值,T_cool_in=30,℃,30,冷却水进口温度,工艺设计要求,冷却水温度

81,冷却水出口温度,T_cool_out,计算值,T_cool_out=T_cool_in+5,℃,35,冷却水出口温度,热量衡算,温升5℃

82,对数平均温差,ΔT_lm,计算值,ΔT_lm=(ΔT1-ΔT2)/LN(ΔT1/ΔT2),℃,145.3,对数平均温差,传热计算,"ΔT1=270-30=240,ΔT2=322.3-35=287.3"

83,换热面积,A_heat,计算值,A_heat=Q_r×1000/(K×ΔT_lm),m²,12.1,换热面积,传热计算,A=Q/(K×ΔT_lm)

84,实际换热面积,A_actual,选用值,A_actual=15,m²,15,实际换热面积,工艺设计要求,选用15m²换热面积

85,换热面积校核,A_check,判断值,"IF(A_actual≥A_heat,""满足"",""不满足"")",-,满足,实际面积大于计算面积,传热设计规范,换热面积足够

86,传热系数校核,K_check,判断值,"IF(K≥100,""满足"",""不满足"")",-,满足,传热系数大于100W/(m²·K),传热设计规范,传热系数合理

87,冷却方式,cool_type,选用值,cool_type=管壳式,-,管壳式,冷却方式,工艺设计要求,管壳式换热器

88,管程数,n_tube,设计值,n_tube=2,-,2,管程数,传热设计规范,双管程

89,壳程数,n_shell,设计值,n_shell=1,-,1,壳程数,传热设计规范,单壳程

90,换热管直径,d_tube,设计值,d_tube=25,mm,25,换热管直径,传热设计规范,φ25×2.5mm换热管

,八、撤热能力与防飞温计算,,,,,,,,

91,最大撤热能力,Q_max,计算值,Q_max=A_actual×K×(T_out-T_cool_in),kW,337.5,最大撤热能力,传热计算,最大可能撤热量

92,撤热能力校核,Q_check,判断值,"IF(Q_max≥1.2×Q_r,""满足"",""不满足"")",-,满足,最大撤热能力大于1.2倍热负荷,安全设计要求,有足够裕量

93,飞温极限温度,T_runaway,设计值,T_runaway=400,℃,400,飞温极限温度,工艺设计要求,超过此温度催化剂失活

94,飞温校核,T_runaway_check,判断值,"IF(T_out≤T_runaway,""满足"",""不满足"")",-,满足,出口温度低于飞温极限,安全设计要求,无飞温风险

95,急冷流量,Q_quench,设计值,Q_quench=Q_h2×0.2,kg/h,6.86,急冷氢流量,安全设计要求,20%氢气作为急冷

96,急冷降温,ΔT_quench,计算值,ΔT_quench=Q_quench×cp_h2×(T_out-T_in)/(Q_nb×cp_aniline+Q_h2×cp_h2),℃,10.5,急冷降温,热量衡算,急冷氢降温效果

97,急冷后温度,T_quench_out,计算值,T_quench_out=T_out-ΔT_quench,℃,311.8,急冷后温度,热量衡算,急冷后出口温度

98,急冷校核,quench_check,判断值,"IF(T_quench_out≤T_runaway,""满足"",""不满足"")",-,满足,急冷后温度低于飞温极限,安全设计要求,急冷系统有效

99,防飞温措施,measures,选用值,measures=急冷+换热,-,急冷+换热,防飞温措施,安全设计要求,双重防飞温措施

100,防飞温系统校核,measures_check,判断值,"IF(measures=""急冷+换热"",""满足"",""不满足"")",-,满足,防飞温措施有效,安全设计规范,系统可靠

101,超温报警温度,T_alarm,设计值,T_alarm=350,℃,350,超温报警温度,安全设计要求,超过此温度报警

102,超温联锁温度,T_interlock,设计值,T_interlock=380,℃,380,超温联锁温度,安全设计要求,超过此温度联锁停车

,九、安全设施计算,,,,,,,,

103,安全阀整定压力,P_set,设计值,P_set=1.1×P_d,MPa,4.95,安全阀整定压力,GB150-2017,整定压力为设计压力1.1倍

104,安全阀泄放面积,A_sv,计算值,A_sv=Q_h2/(C×K×SQRT(P_set×ρ_h2)),m²,0.012,安全阀泄放面积,安全