【《醋酸乙烯合成的反应器设计说明计算》3800字】

第第页醋酸乙烯合成的反应器设计说明计算目录TOC\o"1-3"\h\u29050醋酸乙烯合成的反应器设计说明计算 1326391.1催化剂选择 1323241.2乙烯气相法合成醋酸乙烯动力学说明 229861.3反应条件选择 2311741.4反应器选型 346661.5反应物流参数 3285371.6反应器结构设计 4141061.7换热任务核算 621861.2.8反应器构件计算 820331.9反应器压降校核 13103791.10反应器设计小结 13154881.11R0101工艺条件图 151.1催化剂选择文献报道的有关乙烯气相Bayer法催化剂为Pd-Au催化剂（Bayer-Ⅲ），催化剂粒径为5mm。表5-9催化剂参数表催化剂类型Bayer3代Ⅲ型号主剂组成Pd-Au负载量/%0.75负载量/kg190.42助剂醋酸钾载体硅胶装填密度（堆积密度）ρB

kg/L0.5孔隙体积L/kg0.8孔隙率εb0.4颗粒密度ρp

kg/L0.833空时速率SV/（h-1）1723催化剂床层体积Vb/m350.8催化剂装填量/kg25389.65催化剂直径dp/mm5转化率/%（以乙烯为标准）11.06目标产物选择性/%971.2乙烯气相法合成醋酸乙烯动力学说明主反应方程式C2H4+1/2O2+CH3COOH=CH3COOCHCH2+H2O+35kcal/molVAC1.3反应条件选择1.3.1反应温度的选择反应操作温度为160℃，设计温度应高于反应过程中最高温度，取设计温度为180℃。1.3.2反应压力的选择反应压力Pw为0.98MPa，安全阀整定压力Pz=（1.05~1.1）Pw，取1.075陪，则安全阀整定压力Pz：Pz=1.075×0.98=1.0535MPa设计压力P等于或稍大于安全阀整定压力，故设计压力取为1.2MPa。计算压力Pc：Pc=1.2+0.08=1.28MPa。公称压力PN为1.6MPa。1.3.4反应空速的选择查阅动力学文献知气相法生产醋酸乙烯反应空速约为1800~2000m/s。经资料查询，我选择的催化剂空速为1723h-1。1.4反应器选型经资料查询选择列管式反应器。1.5反应物流参数表5-10反应流股物流参数Material进料出料StreamNameUnits01090110PhaseVaporVaporTemperatureC160160Pressurebar9.89.8MassFlowskg/hr150018.00150018.00O2kg/hr9882.775048.74C2H4kg/hr75503.6067150.10CO2kg/hr1127.741219.40C4H6O2kg/hr179.8925047.30C2H4O2kg/hr44778.0027371.70WATERkg/hr1879.967121.35C3H6O2kg/hr0.0913.77C4H8O2kg/hr0.0324.93C2H4Okg/hr151.75502.24N2kg/hr16421.3016421.30C3H4Okg/hr0.010.38COkg/hr0.070.07C2H6kg/hr36.2436.24CH4kg/hr12.0812.08CH2O2kg/hr44.2144.21VolumeFlowcum/hr15572.5015257.001.6反应器结构设计1.6.1催化剂装填的确定催化剂总体积VR（m3）计算公式如下所示：式中：V0——原料气流量在标准状况（20℃，101.325kPa）下的体积流量，为87548m3/h；GHSV——催化剂标准状况下气空速，h-1经过优化以及查阅文献，取催化剂体积时空速度为1723h-1。QUOTEQUOTE催化剂用量：取该种催化剂的装填密度为ρB=0.5kg/L，空隙率ε=0.4，颗粒密度ρp=0.833kg/L。因此催化剂装填量为：QUOTE由于催化剂的装填密度通常会有上下波动，实际催化剂的装填量可能会有上下15kg左右的波动，根据装填方式不同而改变。1.6.2催化剂床层直径的确定：该压缩气体的空床流速取0.6m/s左右较为适宜，进料的体积流量V0=15572.7m3/h，则床层直径计算如下：圆整后取3.2m。1.6.3反应器列管尺寸以及根数选用的规格为ɸ38×2.5mm的无缝钢管，管数为n：选取标准无缝钢管尺寸ɸ38×2.5mm，管数n=9330。1.6.4催化剂填充高度以及列管长度催化剂尺寸为5mm，列管内径为di=33mm，催化剂填充高度：1.6.5反应器壳体直径与反应器长度设计反应列管数9330根，装填高度为6.4m，反应器列管采用正三角形排列，焊接法，管心距按固定管板式换热器标准为48mm，管子排列内径为5356mm。管数排列情况如下：图5-17管子排列方式考虑其中中央不布管区域直径为960mm，不布管圈数为10圈，减少管数330根，最终管数为9330-330=8911（根）。根据催化剂装填体积VR不变，此时催化剂装填高度：列管式反应器催化剂的装填高度约为反应管长度的80~90%，此处取85%，反应列管长度L：L=6.67÷0.85=7.8m。圆整后为8m，即反应段管长L=8m。管束中心线最外层管的中心至壳体内壁的距离b=(1~1.5)d0（管子外径d0=33+2.5×2=38mm）,此处取b=1.25×d0，则管子内径为：5356+1.25×38=5404mm。圆整后壳体内径Di=5500mm。材质为Q345R。1.6.6挡流板设计经资料查询，我采用盘-环型折流板。环板内径，应保证流通面积大于壳体进口接管介质的流通面积，得到环内径D1=960mm，环盘外径为5482mm。盘板折流板与壳体间的环形截面积Sk1=环形折流板以内的截面积Sk2，计算出直径后，盘板直径应小于该值，圆整得到盘板直径为4000mm。盘和环之间的间距，通常取为壳内径的20%~45%，不允许＜15%，此处取为壳体内径20%，盘和环之间的间距为：折流板数量NB：1.7换热任务核算1.7.1概述使用Aspen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=13550.2kW，换热面积为：1.7.2换热系数估算载热体与壁面传热系数由Kern计算壳程对流传热系数通过Aspen模拟和查阅相关物性参数表得到物料物性参数如下：表5-11换热流体（高压水）传热系数计算条件参数表Ρ0（kg/m3）de（m）μ0（cp）λ（W/m·K）Cp（J/kg·K）Prμw（cp）868.9070.0290.1860940.6855013.971.220.1736其中QUOTE为壳程的当量直径，我选择的是正三角形的排列形式，因此壳程的当量直径为：计算结果如下：床-壁热传热系数计算：表5-12床壁传热系数计算条件参数表dt（mm）dp（mm）μ（cp）λf（W/m·K）Gkg/(m2·s)3350.01600520.03354561.4704计算结果如下：污垢热阻：污垢热阻无法精确计算，它涉及换热介质与清理周期,故只能按经验值近似取值。换热介质高压水在操作条件下污垢热阻Rso=0.00052(m2·K)/W。床层内污垢热阻按照有机介质经验值取为Rsi=0.00086(m2·K)/W。总传热系数的计算：列管选用钢材S31703，不锈钢导热系数为：λ=17W/(m·K)。以内管表示的总传热系数K为：经计算得K=197.51W/(m2·K)。1.7.3换热面积核算由进出口物料的温度计算对数平均传热温差：其中换热介质进口温度为135℃，出口温度为155℃。管内流体需保持160℃恒温。所需要的换热面积A为：面积裕量H为：QUOTE符合换热要求。1.2.8反应器构件计算1.8.1反应器进料接管计算乙烯气相法生产醋酸乙烯为气固相催化反应，气体的体积流量为15572.7m3/h，反应器的气体流速取15m/s接管内径为：选取Φ630×12mm的无缝钢管，接管在前端管箱筒体。1.8.2反应器出料接管计算气体的出口体积流量为15257.2m3/h，反应器出口的流速取20m/s。接管内径为：选取Φ560×20mm的无缝钢管，接管在后管箱筒体处。1.8.3高压水进出口接管的计算根据：则所需高压水的质量流率Wc：进出口平均温差下水的密度ρ=868.907kg/m3。高压水体积流量为：流速取0.5m/s接管内径为：根选取Φ660×15mm的无缝钢管，进出口接管规格相同。以上接管均在筒体处。1.8.4管板设计管板是列管与壳程筒体的连接部件，反应器的管板与管壳程筒节连接时，在压力1MPa<P<4MPa，选择e型结构，这种结构的优点是能够在不增加法兰使用的前提下仍然能满足相应的密封要求和强度要求，提升设备整体强度。采用延长部分部分兼做管板法兰，管板厚度取65mm。图5-18管板连接结构图1.8.5壳体与管板的连接结构壳体与管板的连接形式，分为两类：一是不可拆式、一是可拆式。本工艺根据反应器的结构需要选择可拆式的连接方式。1.8.6管箱与管板连接结构本工艺所用的固定式管板与管箱的连接结构较简单，采用螺栓法兰结构连接，考虑的管程介质的密封要求以及加工制造方便性，法兰之间采用平面密封形式。1.8.7反应管与管板的连接结构本工艺对反应器的密封性能要求较高，因此采用强度焊接的连接结构。从而保证列管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度。1.8.8管板法兰及管板的结构设计根据反应器的初步结构确定，本工艺采用固定式管板延长部分兼做法兰。管箱法兰与管板法兰通过螺栓连接，反应器直径较大，故螺栓数目为72个，公称直径为50mm。1.8.9反应器壳体参数计算由Aspen流股模拟信息可以得到，管程的操作压力为0.98MPa，最高温度为160℃。由于本次冷却介质采用高压水，为减少压差对管子产生的应力作用，壳程的操作压力也取为0.98MPa，在满足换热要求的情况下，冷却介质进出口温度分别为135℃、155℃。在有安全阀泄放装置的情况下，内压容器的设计压力取P=(1.05～1.1)PW，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0.98MPa，设计温度为180℃，材料为S31703，壳程设计压力为0.98MPa，设计温度为180℃，管箱壁厚按照SW6校核给出为28mm。反应器为内压容器，其壳体的壁厚由GB150压力容器中计算公式计算如下：式中，δ—壳体计算厚度，mm；P—容器计算压力，MPa；[σ]t—材料Q345R在操作温度范围内的许用应力，为MPa；φ—焊接系数，20%无损检测下，单面焊取0.65，双面焊取0.85；Di—为壳体内径，mm。在本工艺中，进行双面焊取，20%无损检测，焊接系数取0.85。查阅GB713可知180℃下，Q345R许用应力为170Mpa由此可以算出计算厚度为：δ=24.47mm在GB150中规定，不包括腐蚀裕量，碳素钢和低合金钢名义厚度≧3mm，取腐蚀余量C2=2mm。钢板厚度在15~25mm时，负偏差C1=0.75mm。则该壳体厚度δc：圆整后名义厚度δn=28mm，大于GB151中规定的最小允许厚度9mm。该计算出来的壁厚需要经过强度校核，一般进行液压试验进行校核，但在进行液压试验前必须经过应力校核，应力强度校核合格以后才可采用液压试验，之后再采用SW6-2011软件进行强度校核。试验压力计算如下：[σ]为实验温度下材料许用应力，MPa；其中实验温度取为设计温度180℃;P为设计压力，MPa。应力校核公式为：其中σs为液压试验温度下材料的屈服极限，MPa。Q345R在试验温度下屈服极限为345MPa。有效厚度δe：QUOTE因此可以得到：压力校验通过需满足下式：显然压力校核通过，因此耐压试验强度通过。1.8.10封头的计算本反应器的封头选择标准椭圆形封头。查阅GB/T25198-2010后得到内径5500，厚度28mm的封头总深度H=1415mm，直边高度h为：曲边深度hi：1.9反应器压降校核采用欧根公式计算流体流过：经计算，反应器床层的压降结果如表：表5-13填料段压降结果表压降计算数值反应器长度L（m）6.67床层空隙率εB0.4混合气粘度µ（Pa·s）1.600518772×10-3雷诺数Rem2.53混合气密度（kg/m3)9.733065催化剂粒径（mm）5空床流速u0（m/s）0.5床层压降（Pa）53.76386操作压力MPa0.98最终反应器的压降为53.76836KPa。小于操作压力0.98Mpa的15%，符合压降的要求。1.10反应器设计小结表5-14反应器设计表反应器R0101壳程管程设计压力P/MPa1.2设计压力P/MPa1.2设计温度Ts/℃180设计温度Ts/℃180壳程圆筒内径/外径/mm5500/5556管箱筒体材质Q345R壳体材质Q345R反应管材质S31703反应器列管详情反应管管径/mmΦ38×2.5管心距48管长/m