1、精選優質文檔-傾情為你奉上化學化工學院化工專業課程設計 設計題目： 管式反應器設計 化 工 系 專心-專注-專業化工專業課程設計設計文檔質量評分表（100分）指標點2.2問題分析能力（25分）指標點3.1設計解決方案（75分）反應規模及方案（3分）反應器設計符合標準、規范（10分）反應器動力學及其來源（3分）反應器選型合理性（5分）反應器物理、數學模型合理性（5分）反應器機械結構設計、圖紙及其合理性（20分）反應器物料衡算（7分）反應器換熱設計校核及合理性（10分）反應器熱量衡算（7分）反應器控制方案、危險及其相應安全措施（10分）反應器設計文檔質量（20分）小計小計總計評委簽名: 日期：目錄

2、緒論管式反應器一種呈管狀、長徑比很大的連續操作。這種反應器可以很長，如二聚的反應器管長以公里計。反應器的結構可以是單管，也可以是多管并聯，可以是空管，如管式裂解爐，也可以是在管內填充顆粒狀催化劑的，以進行多相，如列管式。通常，反應物流處于湍流狀態時，空管的長徑比大于50，填充段長與粒徑之比大于100(氣體)或200（液體），物料的流動可近似地視為平推流。管式小，因而（單位容積生產能力）高，對要求較高或有串聯副反應的場合尤為適用。此外，管式反應器可實現分段。管式反應器在近40年里，由于其體積小，效率高的特點，在化工中的應用與發展十分迅速。因此，對管式反應器的研究具有深遠的意義。 ；我國自20世紀

3、80年代引進這一先進技術后，由上海化工研究院、南華集團設計院和鄭州工業大學在“七五”期間承擔了管式反應器的國家攻關項目，四川大學在“八五”、“九五”、“十五”期間也承擔了管式反應器的國家攻關項目和有關基礎研究工作。一些研究、設計院和高校大力協同，積極開展基礎研究工作和承擔工程項目，至今取得了很大的成績，填補了這一領域的空白。隨著現代高科技的發展，我國研制的新型管式反應器也必將趕上世界先進水平，在化工界占有一席之地。20世紀60年代美國TVA公司將管式反應器用于磷酸銨的氣液固三項系統，省掉了傳統的預中和工藝；70年代以來，許多國家在磷復合肥工業中相繼開發了各種管式反應器以及相應的新流程，如德國U

4、HDE公司、西班牙CROS公司。目前世界上生產磷酸銨最簡捷、能耗最低的流程是西班牙Aspindesa公司開發的生產粉狀MAP的管式反應器噴霧流程。如今的管式反應器的開發已擴展到磷酸銨以外的許多化肥生產領域，如硫基復合肥的中和段采用了短管型管式反應器，并且在擴大段形成了一個內循環反應過程以延長停留時間。然而，隨著科技的不斷發展，新型的管式反應器將被不斷地被研究出，為化工行業帶來方便。1設計內容與方法介紹1.1反應器設計概述化學反應器是將反應物通過化學反應轉化為產物的裝置，是化工生產及相關工業生產的關鍵設備。由于化學反應種類繁多，機理各異，因此，為了適應不同反應的需要，化學反應器的類型和結構也必然

5、差異很大。反應器的性能優良與否，不僅直接影響化學反應本身，而且影響原料的預處理和產物的分離，因而，反應器設計過程中需要考慮的工藝和工程因素應該是多方面的。l 反應器的設計主要包括：1)反應器選型；2)確定合適的工藝條件；3)確定實現這些工藝條件所需的技術措施；4)確定反應器的結構尺寸；5)確定必要的控制手段。l 在反應器設計時，除了通常說的要符合“合理、先進、安全、經濟”的原則，在落實到具體問題時，要考慮到下列的設計要點：1)保證物料轉化率和反應時間；2)滿足物料和反應的熱傳遞要求；3)設計適當的攪拌器和類似作用的機構；4)注意材質選用和機械加工要求。1.2設計內容在列管反應器中進行鄰二甲苯（

6、A）氧化制鄰苯二甲酸酐（B），反應為連串平行反應。三個反應的速率方程為r1=k1PAPO2 k1=0.04017exp(-13500/T)r2=k2PBPO2 k2=0.1175exp(-15500/T)r3=k3PAPO2 k3=0.01688exp(-14300/T)(-Hr)B= 1285 kJ/kmol; (-Hr)C=4561 kJ/kmol其中C是歸并在一起的最終產物CO和CO2。已知氣體混合物的表觀質量流速為G(5850 kg/m2·h)，催化劑堆積密度為1300kg/m3，反應壓力1.25×105Pa,氣體平均摩爾質量Mm=29.48 kg/kmol，入口處

7、鄰二甲苯的摩爾分數yA0(0.00874)，入口處氧的摩爾分數yO2(0.2064)，原料溫度T0(628K),比熱容Cp=1.047(kJ/kmol·K)。反應熱量通過管外冷流體強制循環移除，傳熱系數U=508kJ/(m2·h·K)，且認為冷流體溫度恒定，溫度為Tc(613K)。試對反應器進行設計，并進行床層壓降校核。催化劑粒徑，床層空隙率參數自己選擇。催化劑耐受的最高溫度為660 K。產能：1萬噸鄰苯二甲酸酐/年每年生產周期按300天計1.3生產方法介紹鄰二甲苯氧化法610640K主反應如上圖，此外，由副反應還生成、等。該反應為強放熱反應，因此選擇適宜的催化劑

8、（高活性和高選擇性）和移出反應熱以抑制深度氧化反應，是工業過程的關鍵。工業生產方法一般是采用以五氧化二釩為主的釩系催化劑（見）進行鄰二甲苯的氣相氧化。1974年，開發了高負荷表面涂層的釩系催化劑，是惰性的無孔瓷球、剛玉球和碳化硅球等。選用環狀載體制備催化劑。這種新型催化劑可以減少因內擴散引起的深度氧化反應，從而提高了苯酐的收率、選擇性和催化劑的負荷。反應器多采用列管式固定床。典型工藝過程是將過濾后的無塵空氣經壓縮、預熱，與氣化的鄰二甲苯蒸氣混合后進入反應器，反應熱由管外循環的熔鹽帶出。反應產物進入蒸汽發生器，被冷卻的反應氣經進一步冷卻，回收粗苯酐。尾氣經水洗回收順丁烯二酸酐后放空，或用催化燃燒

9、法凈化后再放空。粗苯酐經減壓精餾由塔頂分離出低沸點的順丁烯二酸酐、甲基順丁烯二酸酐及苯甲酸等，塔底物料經真空精餾，得到苯酐產品。1.4反應器類型特點反應器大致可以分為釜式反應器、管式反應器、固定床反應器、流化床反應器。其中，固定床反應器又分為絕熱式、多段絕熱式、列管式、自熱式反應器。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。物料質點在反應器內停留時間又長又短，存在不同停留時間物料的混合，即返混程度最大。適應范圍廣泛，投資少，投產容易。但換熱面積小，反應溫度不易控制，停留時間不一致。多大多數用于有液相參與的反應。管式反應器：反應物的分子在反應器內停留時間相等

10、，所以在反應器內任何一點上的反應物濃度和化學反應速度都不隨時間變化，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。適用于大型化和連續化的化工生產。管式反應器既適用于液相反應，又適用于氣相反應。用于加壓反應尤為適用。固定床反應器：返混小，流體同催化劑可進行有效解除，當反應伴有串聯副反應時可得較高選擇性。催化劑機械損耗小。結構簡單。主要用于氣固相催化反應。流化床反應器：流固相界面積大，有利于非均相反應的進行，提高了催化劑的利用率。顆粒在床內混合激烈床層與內浸換熱表面見的傳熱系數很高，全床熱容量大，熱穩定高。但是催化劑顆粒間相互碰撞劇烈，造成催化劑的

11、損失和除塵的困難。絕熱式固定床反應器：結構簡單，床層橫截面溫度均勻。單位體積內催化劑量大，即生產能力大。但只適用于熱效應不大的反應。多段絕熱式固定床反應器：熱效應大，常把催化劑床層分成幾段，段間采用間接冷卻或原料氣冷激。列管固定床反應器：反應器由多根反應管并聯構成，管數可達萬根以上，具有良好的傳熱性能，單位床層體積具有較大的傳熱面積，可用于熱效應中等或稍大的反應過程。自熱式反應器：結構較復雜，操作彈性小。啟動反應時常用電加熱。1.5反應器選擇及操作條件說明A反應器選擇：本工藝反應為氣固相反應，返混程度不高，為了很好的控制溫度，使傳熱的面積更大，我們選擇了列管式固定床形式。它的優點有：返混小，流

12、體同催化劑可進行有效接觸，當反應伴有串聯副反應時可得較高選擇性；催化劑機械損耗小；結構簡單。它的投資和操作費用介于絕熱固定床和流化床之間，是氣相氧化法生產鄰苯二甲酸酐比較理想的反應設備。B 操作條件說明：1. 反應方程式：C6H4CH3CH3 +3O2C6H4C2O3 +3H2O該步驟中會有副反應發生，副反應產物為、等。進料狀態: 鄰二甲苯是液態進料，經過鄰二甲苯蒸發器后變為氣體進入預混合器，空氣經過空氣壓縮機進入預混合器。 2. 工藝條件確定：使用V2O5為催化劑。反應溫度控制在 625K左右，該反應是放熱反應，反應產生的熱量要及時通過熔鹽經熔鹽換熱器帶走。2工藝計算2.1主要物性數據物質鄰

13、二甲苯鄰苯二甲酸酐分子式C8H10C8H4O3相對分子質量106148密度8801530熔點-25.5130.8沸點144.4284 30152 4635702.2 MATLAB 計算，確定管長，主副反應收率本次反應器設計利用計算軟件MATLAB進行優化和模擬。首先利用軟件語言寫出反應程序；然后運行得到反應器物料收率和溫度隨反應器長度的變化情況及各個點的反應狀態。最后通過改變工藝參數，如冷流體熔鹽的溫度、管徑，對反應器結果進行優化，由MATLAB計算得到數據，做出主副反應收率隨管長變化圖以及管內溫度隨管長變化圖，最終確定最適收率和管長。主副反應收率隨管長變化圖 管內溫度隨管長變化圖由主副反應收

14、率隨管長變化圖可以看出，當管長在4m以下時，隨著管長增加，主反應收率增長速度高于副反應收率增長速度；當管長在4m以上時，隨著管長增加，主反應收率增長速度低于副反應收率增長速度，所以選擇管長為4m。當選擇管長為4m時，主反應的收率為63%，副反應的收率為14.5%。同時，由管內溫度隨管長變化圖可以看出，管長在4m內的最高溫度為631K，而催化劑耐受的最高溫度為660 K，所以管長選擇合理。2.3管數計算此次生產任務為1萬噸鄰苯二甲酸酐/年，每年生產周期按300天計，氣體混合物的表觀質量流速為G(5850 kg/m2·h)，入口處鄰二甲苯的摩爾分數yA0(0.00874),選用的管子內徑

15、為0.026m,主反應的收率為63%，根據工藝參數計算出所需管數。長徑比=125>50,符合要求n= ××24×148×0.63×0.00874×5850××0.026×0.0264 =58165根由于反應器管子數太多，加工制造不方便，綜合考慮，選擇12臺列管式反應器并聯，管子采用正三角形排布方式，以下數據為一臺列管式反應器的工藝參數。列管參數表列管規格管數管長（mm）管材500040000Cr18Ni93壓降計算公式PH = Gg.g.dp .1-3 .(1501-dp+1.75G)G-流體質量流

16、率，kg/m2/s -流體黏度，kg/m/s-流體密度，kg/m3 -孔隙率H-列管長度 g-重力加速度，m/ s2其中H=4.0m,G=1.625 kg/m2·s，g=1.169 kg/m3 ,g=9.81m/ s2, =0.58，dp=0.005m, =1.81·10-6kg/m·s計算得到：P=1.6251.169×9.81×0.005 .1-0.580.583 .1501-0.58×1.81×10-60.005+1.75×1.625×4=700Pa<10%P所以壓降計算符合要求。4催化劑用量

17、計算反應器體積：催化劑量： 5換熱面積計算傳熱系數U=508kJ/(m2·h·K)=141.11W/( m2·K)對數平均溫差公式tm = t1-t2lnt1t2計算得tm=9.82K由Aspen模擬可知，反應放出熱量為Q=4039KW根據公式A需=QK·tm ,計算得到A需=2915 m2A實 =58165×4××0.026=19004 m2 因為 A實>A需，所以換熱面積設計合理6反應器外徑計算根據公式 D = t·(nc-1)+2 b'反應管按正三角形排列，故 nc=1.1n=1.=265.32

18、66»» t=1.368d0=0.036mb'=1.3d0=1.3×0.026=0.0338計算得 D=9.608m圓整后取D=9.7m7壁厚計算該反應器操作溫度為 625K，取設計溫度 625K，操作壓力 1.25×105Pa,取設計壓力為 1.25×105Pa,考慮到反應溫度較高， 且反應為放熱反應， 采用鋼號為 Q345R 的鋼板，取焊接接頭系數 =0.85，則查化工設備設計手冊可知該材料在設計溫度625K時的許用應力t=137MP；腐蝕裕量 C2=2mm。計算厚度= PcDi2t -Pc =78.5mm設計厚度d =+C2=80

19、.5mm已知鋼板腐蝕裕量 C2=2mm；負偏差 C1=0.3mm，則：名義厚度n = d +C1（圓整）=81mm 8 筒體封頭計算反應器封頭選用標準橢圓形封頭（JB1154-73），內徑與筒體相同，封頭采用 Q345R 材料制成，相關結構參數如下：公稱直徑 DN=7400mm；曲面高度 h1=1750mm；直邊高度 h2=25mm；內表面積 F= 53.2 m2 ；容積 V=7.82 m3。對于標準橢圓封頭，其計算厚度按下式計算：PcDi2t -Pc =85.38mm9管板厚度計算根據管板厚度計算公式，算出管板厚度為 6.0mm。=2.389×ni d-i Et Ep·L1-t4Di213=6.0mm10設計結果匯總設計結果匯總表列管式反應器參數單位計算值設計溫度K625操作溫度K625設計壓力Pa1.25×105操作壓力Pa1.25×105管長mm4000管子內徑m0.026管子根數根58165反應器數臺15管子排列方式正三角形排列管子壓降Pa700催化劑用量t160.5換熱面積m219004反應器外徑m9.7反應器壁厚mm81筒體封頭厚度mm85.38長徑比125管板厚度mm6.0管子材質及規格0Cr18Ni9 11設計小結首先感謝張建樹老師的耐心指導，張老師指導我們如何使