1、反應器選型與設(shè)計一、反應器類型反應器設(shè)備種類很多，按結(jié)構(gòu)型式分，大致可分為釜式反應器、管式反應器、塔式反應器、固定床反應器、流化床反應器等。1.1 釜式反應器：反應器中物料濃度和溫度處處相等，并且等于反應器出口物料的濃度和溫度。物料質(zhì)點在反應器內(nèi)停留時間有長有短，存在不同停留時間物料的混合，即返混程度最大。應器內(nèi)物料所有參數(shù)，如濃度、溫度等都不隨時間變化，從而不存在時間這個自變量。優(yōu)點：適用范圍廣泛，投資少，投產(chǎn)容易，可以方便地改變反應內(nèi)容。缺點：換熱面積小，反應溫度不易控制，停留時間不一致。絕大多數(shù)用于有液相參與的反應，如：液液、液固、氣液、氣液固反應等。1.2 管式反應器由于反應物的分子在

2、反應器內(nèi)停留時間相等，所以在反應器內(nèi)任何一點上的反應物濃度和化學反應速度都不隨時間而變化，只隨管長變化。管式反應器具有容積小、比表面大、單位容積的傳熱面積大，特別適用于熱效應較大的反應。由于反應物在管式反應器中反應速度快、流速快，所以它的生產(chǎn)能力高。管式反應器適用于大型化和連續(xù)化的化工生產(chǎn)。和釜式反應器相比較，其返混較小，在流速較低的情況下，其管內(nèi)流體流型接近與理想流體。管式反應器既適用于液相反應，又適用于氣相反應。用于加壓反應尤為合適。1.3 固定床反應器固定床反應器的優(yōu)點是：返混小，流體同催化劑可進行有效接觸，當反應伴有串聯(lián)副反應時可得較高選擇性。催化劑機械損耗小。結(jié)構(gòu)簡單。固定床反應器的

3、缺點是：傳熱差，反應放熱量很大時，即使是列管式反應器也可能出現(xiàn)飛溫（反應溫度失去控制，急劇上升，超過允許范圍）。操作過程中催化劑不能更換，催化劑需要頻繁再生的反應一般不宜使用，常代之以流化床反應器或移動床反應器。固定床反應器中的催化劑不限于顆粒狀，網(wǎng)狀催化劑早已應用于工業(yè)上。目前，蜂窩狀、纖維狀催化劑也已被廣泛使用。1. 4 流化床反應器（1）流化床反應器的優(yōu)點由于可采用細粉顆粒，并在懸浮狀態(tài)下與流體接觸，流固相界面積大（可高達328016400m2/m3），有利于非均相反應的進行，提高了催化劑的利用率。由于顆粒在床內(nèi)混合激烈，使顆粒在全床內(nèi)的溫度和濃度均勻一致，床層與內(nèi)浸換熱表面間的傳熱系數(shù)

4、很高200400/(2)，全床熱容量大，熱穩(wěn)定性高，這些都有利于強放熱反應的等溫操作。這是許多工藝過程的反應裝置選擇流化床的重要原因之一。流化床內(nèi)的顆粒群有類似流體的性質(zhì)，可以大量地從裝置中移出、引入，并可以在兩個流化床之間大量循環(huán)。這使得一些反應再生、吸熱放熱、正反應逆反應等反應耦合過程和反應分離耦合過程得以實現(xiàn)。使得易失活催化劑能在工程中使用。（2）流化床反應器的缺點氣體流動狀態(tài)與活塞流偏離較大，氣流與床層顆粒發(fā)生返混，以致在床層軸向沒有溫度差及濃度差。加之氣體可能成大氣泡狀態(tài)通過床層，使氣固接觸不良，使反應的轉(zhuǎn)化率降低。因此流化床一般達不到固定床的轉(zhuǎn)化率。催化劑顆粒間相互劇烈碰撞，造成催

5、化劑的損失和除塵的困難。由于固體顆粒的磨蝕作用，管子和容器的磨損嚴重。雖然流化床反應器存在著上述缺點，但優(yōu)點是主要的。流態(tài)化操作總的經(jīng)濟效果是有利的，特別是傳熱和傳質(zhì)速率快、床層溫度均勻、操作穩(wěn)定的突出優(yōu)點，對于熱效應很大的大規(guī)模生產(chǎn)過程特別有利。二、反應器設(shè)計原則反應器設(shè)計時，應遵循“合理、先進、安全、經(jīng)濟”的原則，具體設(shè)計時還需滿足以下要求：1 滿足物料轉(zhuǎn)化率和反應時間的要求2 滿足反應的熱傳遞要求3 滿足物料流動和混合的要求，設(shè)計適當?shù)臄嚢杵骰蝾愃谱饔玫难b置4 滿足防腐和機械加工要求，合理選擇材質(zhì)三、反應器選型1.參考相關(guān)文獻，對于氣-固相反應，反應器類型主要有固定床反應器、流化床反應器

6、和移動床反應器，本反應的反應器類型主要為固定床反應器。對于固定床反應器的優(yōu)點是：小，流體同催化劑可進行有效接觸，當反應伴有串聯(lián)副反應時可得較高選擇性。催化劑機械損耗小。結(jié)構(gòu)簡單。正因為它有這么多優(yōu)點，根據(jù)工藝需求，考慮到氣-固相反應形式，因此最后選擇氣-固相絕熱固定床反應器。2.工藝確定（國外傳統(tǒng)的甲苯歧化與烷基轉(zhuǎn)移技術(shù)）目前,世界上傳統(tǒng)的甲苯歧化與烷基轉(zhuǎn)移技術(shù)共有6種,即xylene一plus法、tatoray法、ltd法、mtdp法、t2bx法及mstdp法。我們采用的是與tatoray法類似的生產(chǎn)工藝。2.2 反應機理反應序號反應方程式12 tol - bzn + px22 tol -

7、bzn + ox32 tol - bzn + mx4tol + 1,2,3tmb - 2 px5tol + 1,2,3tmb - 2 ox6tol + 1,2,3tmb - 2 px7tol + 1,2,4tmb - 2 px8tol + 1,2,4tmb - 2 ox9tol + 1,2,4tmb - 2 mx10tol + 1,3,5tmb - 2 px11tol + 1,3,5tmb - 2 ox12tol + 1,3,5tmb - 2 mx131,2,3tmb + h2 - bzn + c3h8141,2,4tmb + h2 - bzn + c3h8151,3,5tmb + h2 -

8、bzn + c3h816c3h8 - h2 + c3h617tol + p-meb - eb + px18tol + p-meb - eb + ox19tol + p-meb - eb + mx20tol + o-meb - eb + px21tol + o-meb - eb + ox22tol + o-meb - eb + mx23tol + m-meb - eb + px24tol + m-meb - eb + ox25tol + m-meb - eb + mx26p-meb + h2 - tol + c2h627o-meb + h2 - tol + c2h628m-meb + h2 -

9、tol + c2h629c2h6 - c2h4 + h2302 p-meb - eb + c10a312 o-meb - eb + c10a32p-meb + h2 - eb + ch433o-meb + h2 - eb + ch434m-meb + h2 - eb + ch43物料表反應器進料物料反應器出料物料temperature c 450450pressure bar 3131vapor frac 11mole flow kmol/hr 2376.3572376.357mass flow kg/hr 72796.06372796.063volume flow cum/hr 4608.9

10、894608.989enthalpy gcal/hr 21.1221.058mass flow kg/hr h2 3499.9923482.8 tol 25036.045885.141 bzn 260.4442545.285 ox 238.7488132.963 mx 37.97413734.275 px 46.2988159.671 eb 1.77236.032 p-meb 2388.639386.959 o-meb 2023.336327.78 m-meb 7393.7442676.535 1,3,5tmb 9358.8576186.205 1,2,3tmb 4937.4413856.14

11、1 1,2,4tmb 16041.9868357.875 c10a 1530.8661530.866 ch4 029.939 c2h6 056.116 c2h4 00 c3h8 0211.478 c3h6 00 co2 00 ch4o 00 h2o 00 c4h8-01 00 c5h10-01 00 c6h12-01 00 1,4-dtb 00mole flow kmol/hr h2 1736.211727.682 tol 271.71663.871 bzn 3.33432.584 ox 2.24976.605 mx 0.358129.364 px 0.43676.857 eb 0.01668

12、.157 p-meb 19.8733.219 o-meb 16.8342.727 m-meb 61.51522.268 1,3,5tmb 77.86451.468 1,2,3tmb 41.07932.083 1,2,4tmb 133.46769.536 c10a 11.40611.406 ch4 01.866 c2h6 01.866 c2h4 00 c3h8 04.796 c3h6 00 co2 00 ch4o 00 h2o 00 c4h8-01 00 c5h10-01 00 c6h12-01 00 1,4-dtb 00* vapor phase * enthalpy kcal/kg 290.

13、132289.268heat cap cal/gm-k 0.7340.734conductivity kcal-m/hr-sqm0.1390.14density kg/cum 15.79415.794viscosity cp 0.0180.018四.固定床反應器的計算方法(甲苯歧化與c9芳烴烷基轉(zhuǎn)移翻譯器計算示例) 固定床反應器工藝計算的內(nèi)容有三個方面：一是反應器的有效體積即催化劑裝填量的計算，二是床高和床徑的計算，三是傳熱面積和床層壓力降的計算。 的計算有經(jīng)驗法和數(shù)學模型法兩種。 經(jīng)驗法是根據(jù)空速、空時收率、催化劑負荷等數(shù)據(jù)，反推完成一定任務所需的催化劑裝填量，比較簡單。 數(shù)學模型法按座標數(shù)

14、目分有一維模型和二維模型；按相態(tài)分有擬均相模型和非均相模型。4.1經(jīng)驗計算法(經(jīng)驗法主要用于計算催化劑床層體積、傳熱面積及床層壓力降。)4.1.1催化劑的選擇本工藝采用絕熱固定床反應器，與tatoray技術(shù)類似，選用沸石催化劑，臨氫操作，反應原料為甲苯和c9芳烴。該工藝工業(yè)化后催化劑不斷更新?lián)Q代，轉(zhuǎn)化率由原來的35.5%提升至47.0%；操作周期由最初的3個月延長至36個月。該工藝具有反應器結(jié)構(gòu)及反應流程簡單、轉(zhuǎn)化率高、選擇性高等特點，而且該工藝不僅可以處理甲苯，還可以充分利用c9芳烴，最大限度地滿足生產(chǎn)px的要求，因此在與其他工藝的競爭中始終處于優(yōu)勢地位。由于我們采用的是與tatoray技術(shù)

15、類似的生產(chǎn)技術(shù)，因此我們采用上海石油化工研究院開發(fā)的以絲光沸石為主體的hat-096型甲苯歧化與烷基轉(zhuǎn)移催化劑。4.1. 2.催化劑用量的計算根據(jù)重時空速與催化劑的關(guān)系取催化劑堆積密度,則催化劑床層體積:催化劑一般裝填整個反應器的40%60%，此處我們選取60%裝填量：反應器體積：使用經(jīng)驗法計算催化劑的用量，必須注意適用條件：反應器的型式及結(jié)構(gòu)參數(shù)，催化劑的型號及粒度，操作壓力，反應物系初始組成、最終轉(zhuǎn)化率、氣體凈化程度及催化劑的使用時間。4.2反應器的直徑和高度根據(jù)有關(guān)規(guī)定，為了保證反應氣流穩(wěn)定，固定床反應器的長徑比一般在420之間。此處我們選取反應器反應器長徑比4床徑計算（無內(nèi)件時） =1

16、.68m=1.62=3.36m此處選取反應器直徑d=3400mm，固定床反應器長度h=13600mm=4.3反應器筒體壁厚的設(shè)計參數(shù)的確定 （1）設(shè)計壓力的相關(guān)確定 計算壓力=設(shè)計壓力+液柱靜壓力 設(shè)計壓力：()此處我們?nèi)。?p=1.1 p工=1.1 3.1 = 3.41mpa液體靜壓：pl r =pl =gh （對=15.7943666）pl=對gh=15.79436669.8126=4028.52pa=4.029kpa計算壓力： = +（2）設(shè)計溫度的相關(guān)確定 該反應器操作溫度為450，取設(shè)計溫度500，反應壓力為3.1mpa，則選用中304-0cr18ni9不銹鋼。4.4反應器壁厚操作壓

17、力為p=3.1mpa，設(shè)計計算壓力取 1.1 倍的工作壓力，即pc=3.11.1=3.41 mpa,，焊縫系數(shù)取=1，內(nèi)徑 di =3400mm。查化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)p213 附表1得304-0cr18ni9不銹鋼,在450下的許用應力=103 mpa，腐蝕裕量按每年 0.1mm 的腐蝕量,計15年腐蝕裕量取c2=1.5mm設(shè)計厚度 =+= + =4.5筒體封頭設(shè)計封頭選用標準型橢圓封頭，曲面高度h1 =850mm，直邊高度h 2=50mm，壁厚d =20mm,內(nèi)表面積 a =13.00m2 ，容積 v=5.60m3 ，質(zhì)量m=2080kg。4.6 裙座高度因卸料需要，需要安裝裙座，裙座高度4.

18、7 附件設(shè)計（1） 筒體法蘭的設(shè)計 根據(jù)筒體內(nèi)操作壓力、溫度和筒體直徑，查壓力容器法蘭分類和規(guī)格表和壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件（jb/t4700-2000），選帶襯環(huán)的甲型平焊法蘭（ 如圖2-4 所示） ， 法蘭材料為16mnr。查標準非金屬軟墊片（jb/t4704-2000）、纏繞墊片（jb/t4705-2000）、金屬包墊片（jb/t4706-2000） 及壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件（jb/t4700-2000）， 查標準jb/t4701-2000甲型平焊法蘭，公稱壓力pn=3.1mpa，公稱直徑dn=2600mm，則法蘭標記為：法蘭c-rf3400-3.1jb/t4701-2000。甲型

19、平焊法蘭結(jié)構(gòu)示意圖查標準壓力容器用非金屬軟墊片（jb/t4704-2000），選用墊片為平形的奶油橡膠石棉板，標記為：墊片3400-3.1jb/t4704-2000。 （2） 螺栓根徑和螺栓個數(shù)的設(shè)計 根據(jù)鋼制壓力容器設(shè)計，螺栓法蘭的材料選擇20r，其標準為gb 6654，螺栓24個，直徑16mm。（3）人孔的設(shè)計 人孔 該固定床反應器內(nèi)裝催化劑，為了裝卸催化劑并檢查設(shè)備的內(nèi)部空間以及安裝和拆卸設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)件等，設(shè)置人孔。本反應器為固定床反應器，由于反應器壓力為3.1mpa，所以本設(shè)計決定采用回轉(zhuǎn)蓋板式平焊法蘭人孔。根據(jù)標準hg/t21514-2005鋼制人孔和手孔的類型與技術(shù)條件，選用回轉(zhuǎn)蓋

20、板式平焊法蘭人孔，其安裝位置靈活。固定床反應器為立式反應器，反應器高度為13.6m，催化劑裝填分為3段，故設(shè)4個人孔。hg/t21516-2005 回轉(zhuǎn)蓋板式平焊法蘭人孔，其公稱直徑為500mm；公稱壓力3.1mpa；密封面型式為平面；筒節(jié)、凸緣材料為304-0cr18ni9鋼 ：；墊片材料為耐油石棉橡膠板；筒節(jié)高度為130mm。人孔補強確定 根據(jù)標準jb/t4736-2002補強圈，該人孔可用補強圈補強。采用內(nèi)坡口型式、全焊透焊接，補強圈放在釜壁外單面補強。d型補強圈型式尺寸示意圖（適用于殼體為內(nèi)坡口的全焊透結(jié)構(gòu)）所選人孔筒節(jié)內(nèi)徑為500mm，外徑為516mm、壁厚為8mm。補強圈材料采用3

21、04l不銹鋼設(shè)備，尺寸算確定如下： 補強圈外徑d 2 =760mm，內(nèi)徑 d1=d0+9=516+9=525mm。根據(jù)補強的金 屬面積應大于或等于開孔減少的截面積，補強圈的厚度按下式估算：其中： 補補強圈厚度，mm； 1人孔筒節(jié)厚度，mm； 2器壁厚度（n=15mm ）與腐蝕裕量（c2=0.8mm ）之差，mm； di人孔筒節(jié)內(nèi)徑，mm； 圓整至標準值，取16mm厚。（4）反應器支座的設(shè)計 本反應器選擇圓筒裙式支座選擇依據(jù)： 裙式支座適用于高大型或重型立式容器的支承。裙座有圓筒形和圓錐形兩種形式，通常采用圓筒型裙座。圓錐形裙座一般用于以下情況：1塔徑d1000，且h/d30或d1000，且h/

22、d25；2基本風壓q0.5kn/m2或地震烈度8度時。圓錐形裙座的半錐角15。 裙座開孔 ：l排氣孔 裙座頂部須開設(shè)80的排氣孔，以排放可能聚結(jié)在裙座與封頭死區(qū)有害氣體。 l排液孔 裙座底部須開設(shè)100的排液孔，一般孔徑50，中心高50mm的長圓孔。= + = l人孔 裙座上必須開設(shè)人孔，以方便檢修；人孔為圓形， l引出管通道孔 考慮到管子熱膨脹，在支承筋與引出管之間應保留一定間隙。（5）裙座與塔體封頭連接 裙座直接焊接在塔底封頭上，可采用對接焊縫或搭接焊縫。在沒有風載荷或地震載荷時，對接焊縫承受容器重量產(chǎn)生的壓縮載荷，搭接焊縫則承受剪切載荷。相比而言，搭接焊縫受力情況較差，在一些小塔或受力較

23、小的情況下采用。本設(shè)計選用對接焊縫。 裙座殼體過渡段 塔殼設(shè)計溫度低于-20或高于250時，裙座殼頂部分的材料應與塔下封頭材料相同，選擇20r，裙座殼體過渡段長度取4倍保溫層厚度，但不小于500mm； （6）群座保護層 當塔內(nèi)或周圍容器內(nèi)有易燃、易爆介質(zhì)時，一旦發(fā)生火災，裙式支座型式會因溫度升高而喪失強度，故裙座應設(shè)防火層。當裙座d1500mm時，僅外面敷設(shè)防火層；當裙座d1500mm時，兩側(cè)均敷設(shè)50mm石棉水泥層。 當塔內(nèi)操作溫度很高，塔體與裙座的溫度差引起不均勻熱膨脹，會使裙座與塔底封頭連接焊縫受力情況惡化，此時須對裙座加以保溫。 選用圓錐形裙座，裙座內(nèi)徑3400mm，裙座壁厚20mm，

24、裙座高度4.55m。兩側(cè)均敷設(shè)50mm石棉水泥層。4.8 管口設(shè)計4.8.1 反應器進口 反應器進口總流量為m3/h=1.29m3/s，選進入反應器之前總管道運輸速度為20m/s，管的直徑為： 采用dn=300 的管道(根據(jù)gb/t1057-1995)校核：根據(jù)選取的公稱直徑為300mm，則速度為：，在允許范圍內(nèi)(流速一般在1030m/s)，可以選取。4.8.2 出口管設(shè)計反應器出口流量 =1.29m3 /s，取出口管速為20m/s：出口管直徑：圓整后選取dn=300mm的壓力管（根據(jù)gb/t1057-1995）校核：根據(jù)選取的公稱直徑為300mm，則速度為：，在允許范圍內(nèi)，可以選取。 表 反

25、應器詳細裝備列表反應器類型 固定床反應器設(shè)計壓力（mpa） 3.1 設(shè)計溫度（） 450 催化劑 hat-096催化劑床層體積（m3 ） 70.34內(nèi)徑（mm） 3400 床層高度（m） 13.6 筒體材質(zhì) 0cr18ni9 筒體壁厚（mm） 60.3 入口擴散器 錐形擴散器 類型 盤式孔流型分布器 升氣管高度（mm） 150反應器內(nèi)件 升氣管直徑（mm） 100 噴淋孔直徑（mm） 5 噴淋孔數(shù) 250 催化劑層高度（m） 0.5 封頭類型 標準橢圓形封頭 材質(zhì) 0cr18ni9 封頭 壁厚 20 曲面高度（mm） 850 直邊高度（mm） 50 裙座類型 圓柱形裙座裙座 裙座內(nèi)徑（mm） 3400 裙座壁厚（mm） 20 裙座高度（m） 4.45人孔 直徑（mm） 500 個數(shù) 4反應器校核:內(nèi)壓圓筒校核計算單位重慶文理學院光芒團隊計算所依據(jù)的標準gb 150.3-2011 計算條件筒體簡圖計算壓力 pc 3.20mpa設(shè)計溫度t 480.00 c內(nèi)徑 di 3400.00mm材料 304h# ( 板材 )試驗溫度許用應力 s 137.57mpa設(shè)計溫度許用應力 st 100.60mpa試驗溫度下屈服點 ss 206.00mpa鋼板負偏差 c1 0.00mm腐