二甲苯生產(chǎn)工藝中反應器選型計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u29220二甲苯生產(chǎn)工藝中反應器選型計算案例 1315211.1反應器類型 180511.2反應器的種類 212971.3反應條件的選擇 2274341.4反應器體積設計 220341.5傳熱校核 3185771.6熱負荷 3187431.7反應器設計條件 536331.8反應器結(jié)構(gòu)參數(shù)設計 5204491.9反應器設計小結(jié) 780381.11反應器裝配圖 81.1反應器類型本設計中加氫、氧化均是放熱反應。該設計中的主要反應是由固體催化劑催化的氣相反應。典型的氣固相反應器主要包含三種類型：固定床，流化床和移動床。1.1.1固定床反應器固定床反應器也稱為填充床反應器，它是填充有固體催化劑以實現(xiàn)多相反應的反應器。固體催化劑通常為粒徑為2-15mm的顆粒形式，并堆疊成一定高度（或厚度）的層。床是固定的，流體會通過它起反應[11]AdiabaticFixed-BedReactors[A].ElsevierInc.201511][11]AdiabaticFixed-BedReactors[A].ElsevierInc.20151.1.2流化床反應器流化床反應器是使用氣體或液體通過粒狀固體床以使固體顆粒懸浮并進行氣固反應過程或液固反應過程的反應器。當用于氣固系統(tǒng)時，它們也稱為流化床反應器。1.1.3移動床反應器移動床類似于固定床，除了固體顆粒在頂部連續(xù)添加并在底部排出之外。移動床離子交換樹脂位于交換器，再生器和洗滌塔之間，周期性流動離子交換裝置。1.1.4各類反應器區(qū)別固定床可以處理灰分高，灰分高的煤。投資少，環(huán)保差，夾帶床產(chǎn)量最高，但對煤種有特殊要求。流化床目前無法增加壓力，并且提升受到限制。它們之間的主要區(qū)別（無論是物理的還是化學的）取決于材料的應用和特性。固定床和移動床更適合于氣-氣，氣-液和液-液反應。1.2反應器的種類主反應為放熱反應，因此不宜在過高的溫度下進行。所以采用固定床殼管式反應器，使催化劑損耗低，返混少，流體和催化劑完全接觸。1.2.1換熱方法必須使工段等溫，所以采用導熱系數(shù)較高的熱管、均勻夾套式1.2.2加氫反應器的結(jié)構(gòu)加氫反應器類型為絕熱緣固定床催化反應器選擇的換熱介質(zhì)為30℃、1.2MPa導熱油。1.3反應條件的選擇反應溫度在80至100℃之間,氫氣和碳5的摩爾比在1.5至3.5之間空速在40h-1左右,用以排除外擴散和內(nèi)擴散的影響。1.4反應器體積設計1.4.1反應器進出口物料組成表41進出口物料組成物流進料原料出料反應物溫度/℃38.6495壓力/MPa2.602.55氣相分率0.620.76摩爾流量kmol/h934.09877.05質(zhì)量流量kg/h27938.7427938.74體積流量cum/h627.22820.41各組分質(zhì)量流量kg/hN-C5H1210652.2413732.23甲醇001.4.2催化劑裝填的確定空速取為40h-1，由此便可以算出反應器的體積以及反應物在反應器中的停留時間。根據(jù)Aspen的說法，氫化反應器入口處的總體積流量v0為627.22m3/h，因此可以計算出反應的有效總體積：V=Aspen的模擬中，設定用到了1560根管，管徑為0.05m，管長7m，則反應器的總體積為：V根據(jù)文獻的，催化劑的裝填密度為320kg/m3左右，則催化劑質(zhì)量為：（結(jié)合文獻，得知該反應器的床層縫隙率約為0.433。將這些參數(shù)一并輸入到Aspen的反應器中進行模擬。1.5傳熱校核1.1.1污垢熱阻對于本反應器的管程來說，由于內(nèi)部通入氫氣和C5，C5屬于有機物氣體，則管壁內(nèi)側(cè)的污垢熱阻為Rs1=0.000158(m2·K)/W，反應器殼程通入中壓飽和水，則管壁外側(cè)的污垢熱阻為Rs2=0.00034(m2·K)/W。1.1.2換熱面積換熱總面積（基于反應管外表面）：A式中：A0為換熱總面積，md0為反應管外徑，m；L為反應管管長，m；n為反應管總數(shù)。1.6熱負荷由Aspen數(shù)據(jù)得，反應器的熱負荷為5446.7KW1.6.1總傳熱系數(shù)（含污垢熱阻）1=11000式中：K2:總傳熱系數(shù)；W/(m2?1:管內(nèi)側(cè)給熱系數(shù)；此處取1000W/(m2?2:管外側(cè)給熱系數(shù)；此處取3500W/(m2d1d2dmb：間壁厚度；m；此處為0.003mk：給熱系數(shù)；W/(m·K)；41.0W/(m·K)Rs1：管內(nèi)污垢熱阻；2m2·K/W；0.000158mRs2：管外污垢熱阻；m2·K/W；0.00034m因此：K再由Δ式中：T1管程進口溫度，T1t1殼程進口溫度，tT2管程出口溫度，T2t2殼程出口溫度，t那么，平均傳熱系數(shù)：A=式中：?tK為總傳熱系數(shù)；Q為傳熱速率，W。面積裕量為：H=因此設計的換熱面積滿足換熱要求。1.6.2導熱油用量反應器殼程利用導熱油進行換熱，對管程強制冷卻，因此導熱油用量為：q1.6.3選用材質(zhì)選用0Cr18Ni10Ti作為該反應器的主體材料。支座選用Q235A。管程是80-100℃的混合氣。1.7反應器設計條件1.7.1設計壓力反應器管側(cè)的工作壓力為2.06MPa，反應器中的設計壓力應為工作壓力的1.1倍。因此，反應器管側(cè)的設計壓力為2.27MPa。。1.7.2設計溫度反應堆觀測的設計溫度為100℃，殼側(cè)的設計溫度為140℃。。1.8反應器結(jié)構(gòu)參數(shù)設計1.8.1反應器高度固定床催化反應器反應管內(nèi)徑為d0=50mm,管外徑為d=56mm，管長為L=7m。根據(jù)反應器有效反應體積計算管根數(shù)筒體頂部空間：根據(jù)《壓力容器手冊》，H1=1m;筒體底部空間，根據(jù)《壓力容器手冊》，H2=1m;封頭高度，H3=725mm，其中直邊段H4=20mm；總高度H=7+1+1+2×0.725=10.45m1.8.2反應器筒體直徑固定床催化反應器反應管在管板上按正三角形排列，按計算列管式換熱器直徑同樣的方法計算反應器直徑：D=[式中：D為反應器直徑，m；n0t為管心距，m；e為最外管心距殼體的距離，m。管心距t一般取管外徑的1.25倍，故t=1.25d=1.25×56=70mm式中：d為反應管外徑，m；反應器直徑：D==（1560×0.07圓整化后取D=3000mm。1.8.3管板本換熱器采用帶環(huán)形槽的強度脹接，以提高抗拉脫力及增強密封性[12]張唯瑋,[12]張唯瑋,陸亞東.脫高塔再冷器的雙管板設計[J].化工設備與管道.2012,49(01)該熱交換器采用單個弓形擋板，圓度為40％，擋板的間距為500毫米，板數(shù)為10，厚度為10毫米。1.8.4接管（1）進料管尺寸管徑d和管內(nèi)流速u的關(guān)系為：d=其中qv：反應器的體積流量，627.22m3/h；u：流速，20m/s；d=根據(jù)《GB/T8163-2008無縫鋼管規(guī)格表》[13]《GB/T8163-2008無縫鋼管規(guī)格表》13]將上述數(shù)據(jù)圓整到110mm，壁厚8mm，則取φ120×10mm的無縫鋼管。[13]《GB/T8163-2008無縫鋼管規(guī)格表》（2）換熱介質(zhì)接管尺寸反應器冷卻介質(zhì)的體積流量，q依據(jù)上圖，流速取3m/s；d=圓整為95mm，取φ108×6mm的管。表42接管尺寸接管類型物質(zhì)流向內(nèi)徑壁厚外徑物料接管上進下出1108120換熱介質(zhì)接管下進上出956108（3）出料管尺寸由Aspen數(shù)據(jù)可知，氣體進出料流率一致，因此，氣體出料口也選擇外徑為120mm的管子。1.8.5氣體分布器進料采用錐形分配器，保證反應物有效供給1.8.6人孔選擇500mm直徑，反應堆中總共有3個人孔。1.9反應器設計小結(jié)表43反應器設計小結(jié)表反應器R-101殼程管程設計壓力Ps1.32MPa設計壓力Ps2.27MPa設計溫度Ts140℃設計溫度Ts100℃殼程圓筒內(nèi)/外徑3000/3060mm反應管材質(zhì)S22053殼體材質(zhì)0Cr18Ni10Ti管箱筒體材質(zhì)S22053反應器尺寸直徑3.0m長度10.45m反應器列管詳情反應管管徑Φ120×10mm管心距70mm管長7000mm管排列方式正三角形管數(shù)目1560折流板（單弓形，圓缺率為40%）間距500mm計算結(jié)果前端管箱筒體名義厚度δn=22mm后端管箱筒體名義厚度δn=22mm內(nèi)壓圓筒名義厚度δn=30m