3-设备选型与典型设备设计

山东裕华化工有限公司年产6万吨甲基丙烯酸甲酯（MMA）项目设备设计与选型59目录第一章设备设计总述61.1过程设备类别61.2过程设备设计与选型原则61.3过程设备设计与选型的主要内容7第二章反应器设计92.1反应器概述92.1.1流化床反应器102.1.2移动床反应器112.1.3固定床反应器112.2反应器设计142.2.1反应器选型142.2.2催化剂的选择142.2.3反应原理152.2.4工艺条件的选择162.2.5反应器结构设计182.2.6热量衡算212.2.7附件设计232.2.8机械强度计算和校核27第三章塔设备设计573.1概述573.1.1设计规范573.1.2塔设备设计要求573.1.3塔设备选型依据583.1.4塔主要结构尺寸的确定633.2T0301反应精馏塔设计653.2.1催化剂的装填653.2.2T0301水力学核算663.2.3T0301塔高设计793.2.4T0301接管设计813.2.5风载荷及地震载荷833.2.6机械强度校核84第四章换热器设计1104.1换热器选型设计依据1104.2换热器类型简介1104.3换热器选型原则1164.3.1换热器型号表示方法1164.3.2工艺条件选择1174.4换热器型式选择1194.4.1换热器类型：1194.4.2壳型及封头选择1194.4.3换热管规格选择1204.4.4壳程1224.4.5管板与壳体、管箱、换热管的连接方式1224.4.6相关参数求取1234.5换热器选型软件1244.6选型范例（一）1264.6.1设计条件的确定1264.6.2换热面积计算1274.6.3Aspen Exchange Design & Rating辅助设计1354.6.4类型选择1354.6.5管壳程选择1354.6.6温度1364.6.7压力1364.6.8传热系数1364.6.9尺寸选择1364.6.10EDR选型结果1374.6.11换热器设备图1384.6.12换热器强度校核1394.7选型范例（二）1664.7.1设计条件的确定1664.7.2换热面积计算1664.7.3Aspen Exchange Design & Rating辅助设计1734.7.4类型选择1744.7.5管壳程选择1744.7.6温度1744.7.7压力1754.7.8传热系数1754.7.9尺寸选择1754.7.10EDR选型结果1764.7.11换热器详细尺寸1774.7.12换热器强度校核1784.8换热器选型一览表205第五章泵的选型2075.1泵选型依据2075.2泵选型原则2095.3泵选型结果212第六章风机的选型2146.1选型依据2146.2选型原则2146.3选型结果215第七章储罐选型2177.1选型依据2177.2储罐类型2177.3储罐系列2187.4储罐选型2197.4.1原料储罐2197.4.2产品储罐2217.4.3中间储罐2227.4.4回流罐（以T0201为例）2237.4.5储罐选型一览表223第一章 设备设计总述化工设备的工艺设计与选型是在物料衡算和热量衡算的基础上进行的，其目的是决定工艺设备的类型、规格、主要尺寸和数量，为车间布置设计、施工图设计及非工艺设计项目提供足够的设计数据。过程设备最基本的要求是满足安全性与经济性，安全是核心，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。过程设备的基本要求是能满足工艺要求。对于工艺上所要求的温度、压力、液位、流量等都需要过程设备来实现。在满足工艺要求的同时，过程设备也必保证有足够的强度，不会在操作过程中遭到破坏。1.1 过程设备类别化工设备从总体上分为两类，一类称定型设备或标准设备，这是由一些加工厂成批成系列生产的设备，通俗地说，就是可以买到的现成的设备，如泵、反应釜、换热器、大型储罐等；另一类称非定型设备或非标准设备，是指规格和材料都是不定型的、需要专门设计的特殊设备，如小的储罐、塔器、反应器等。1.2 过程设备设计与选型原则在满足工艺要求的前提下，为了确保安全与经济，过程设备应满足以下基本要求，其中包括合理性、可靠性和先进性、安全性、经济性。合理性即设备必须满足工艺需求，与工艺流程、生产规模、工艺条件及工艺控制水平相适应，在设备的许可范围内，能够最大限度地保证工艺的合理和优化并运转可靠。可靠性和先进性即工艺设备的型式、牌号多种多样，实现某一化工单元过程，可能有多种设备，要求设备运行可靠。在可靠的基础上考虑先进性，便于连续化和自动化生产，转化率、收率、效率要尽可能达到高的先进水平，在运转的过程中，波动范围小，保证运行质量可靠，操作上方便易行，有一定的弹性，维修容易，备件易于加工等。安全性即设备的选型和工艺设计要求安全可靠、操作稳定、无事故隐患，对工艺和建筑、地基、厂房等无苛刻要求，工人在操作时劳动强度小，尽量避免高温高压高空作业，尽量不用有毒有害的设备附件、附材，创造良好的工作环境和无污染。经济性即设备的选择力求做到技术上先进，经济上合理。1.3 过程设备设计与选型的主要内容（1）确定单元操作所用设备的类型。这项工作应与工艺流程设计结合起来进行。（2） 确定设备的材质。根据工艺操作条件（温度、压力、介质的性质）和对设备的工艺要求确定符合要求的设备材质。这项工作应与设备设计专业人员共同完成。（3） 确定设备的设计参数。设备的设计参数是由工艺流程设计、物料衡算、热量衡算、设备的工艺计算多项工作得到的。对不同的设备，它们有不同的设计参数。对塔设备，需要确定进出口物料的流量、组成、温度、压力、塔径与塔的材质、填料类型与填料高度或塔板类型与塔板数等，对于精馏塔还要确定塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷、换热流体的种类等；对换热器，则需要知道热负荷、换热面积、冷热流体的种类及流量。（4）确定定型设备（即标准设备）的型号或牌号以及数量。定型设备是一些加工厂成批、成系列生产的设备，即那些可以直接向生产厂家订货或购买的现成设备。对已有标准图纸的设备，确定标准图的图号和型号。随着中国化工设备标准化的推进，有些本来用于非标设备的化工装置，已逐步走向系列化、定型化。这些设备包括换热器系列、容器系列、搪玻璃设备系列以及圆泡罩、F1 型浮阀和浮阀塔塔盘系列等，它们已经有了国家标准。（5）对非标设备，向化工设备专业设计人员提出设计条件和设备草图，明确设备的型式、材质、基本设计参数、管口、维修安装要求、支承要求及其他要求（如防爆口、人孔、手孔、卸料口、液面计接口等）。（6）编制工艺设备一览表。在初步设计阶段，根据设备工艺设计的结果，编制工艺设备一览表，可按非定型工艺设备和定型工艺设备两类编制。初步设计阶段的工艺设备一览表作为设计说明书的组成部分提供给有关部门进行设计审查。第二章 反应器设计化学反应是反应过程的主体，而反应装置是实现这种反应的客观环境。化学反应过程和反应器作为化工生产流程中的中心环节，反应器的设计往往占有重要的地位。而在工业中，运用最广泛的有固定床、流化床和移动床反应器。2.1 反应器概述工业气固催化反应所选用的反应器根据固体颗粒与流体的接触方式的可以分为：固定床反应器、移动床反应器、流化床反应器三种。表 2.11类型适用的反应优缺点固定床气-固（催化或非催化）相返混小，高转化率时催化剂用量少，催化剂不易磨损；传热控温不易，催化剂装卸麻烦流化床气-固（催化或非催化）相；特别是催化剂失活很快的反应传热好，温度均匀，易控制，催化剂有效系数大；粒子输送容易，但磨耗大；床内返混大，对高转化率不利，操作条件限制较大移动床气-固（催化或非催化）相；催化剂需要不断再生的反应传热好，反应连续，返混小，催化剂不断循环再生；控制固体均匀下移比较困难，可能发生“贴壁”和“空腔”现象。2.1.1 流化床反应器流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。按流化床的运用状况主要分为以下两类：（1）一类是有固体物料连续进料和出料的装置，主要用于固相加工过程或催化剂迅速失活的流体相加工过程。例如催化裂化过程，催化剂在几分钟内即显著失活，须用上述装置不断予以分离后进行再生。（2）另一类是无固体物料连续进料和出料装置，主要用于固体颗粒性状在相当长时间（如半年或一年）内，不发生明显变化的反应过程，如石油催化裂化、酶反应过程等催化反应过程，称为流体相加工过程。常见的流化床如图 2.11所示：图 2.11流化床反应器工作示意图与固定床相比，流化床反应器的特点主要有以下几点：a.可以实现固体物料的连续输入和输出；b.流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反应。c.流化床适合使用细粒子催化剂，易消除内扩散阻力，能充分发挥催化剂的效能。 d. 由于返混严重，可对反应器的效率和反应的选择性带来一定影响。再加上气固流化床中气泡的存在使得气固接触变差，导致气体反应得不完全。因此，通常不宜用于要求单程转化率很高的反应。e. 固体颗粒的磨损和气流中的粉尘夹带，也使流化床的应用受到一定限制。为了限制返混，可采用多层流化床或在床内设置内部构件。这样可在床内建立起一定的浓度或温度差。此外，由于气体得到再分布，气固间的接触亦可有所改善。2.1.2 移动床反应器移动床反应器是一种用以实现气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。在反应器顶部连续加入颗粒状或块状固体反应物或催化剂，随着反应的进行，固体物料逐渐下移，最后自底部连续卸出。流体则自下而上（或自上而下）通过固体床层，以进行反应。由于固体颗粒之间基本上没有相对运动，但却有固体颗粒层的下移运动，因此，也可将其看成是一种移动的固定床反应器。2.1.3 固定床反应器固定床反应器又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径215mm左右，堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。固定床反应器可分类为三种基本形式：轴向绝热式固定床反应器（见图 2.12）。流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。径向绝热式固定床反应器（见图 2.13）。流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短，流道截面积较大，流体的压力降较小。但径向反应器的结构较轴向反应器复杂。以上两种形式都属绝热反应器，适用于反应热效应不大，或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。列管式固定床反应器（见图 2.14）。反应器由多根反应管并联构成。管内或管间置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在2550mm之间，管数可多达上万根。列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。此外，尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。例如：当反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热反应器串联成多级绝热式固定床反应器(见图 2.15)，反应器之间设换热器或补充物料以调节温度，以便在接近于最佳温度条件下操作。图 2.12轴向绝热式固定床反应器图 2.13径向绝热式固定床反应图 2.14列管式固定床反应器图 2.15多级绝热式固定床反应器固定床反应器的优点：（1）返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高（2）催化剂机械损耗小；（3）结构简单；（4）固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。固定床反应器缺点：（1）传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）；（2）操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。2.2 反应器设计2.2.1 反应器选型反应器的类型多种多样，按其结构来分大致可以分为管式、釜式、塔式、固定床和流化床等类型。每种反应器均有其自身的特点，选型时需要结合反应器的特性进行综合分析，做出合理选择。对于本项目，催化剂均具有三年以上的使用寿命，并且需用换热式反应器移走反应产生的热量，故选用列管式固定床反应器。固定床反应器的特点是：反混小，高转化率时催化剂用量少，催化剂不易磨损。2.2.2 催化剂的选择催化剂是实现异丁烯氧化工艺最优化的关键。异丁烯选择性氧化制MAL的催化剂同丙烯氧化为丙烯醛的催化剂一样曾经历过Cu2O、BiAsO4、Mo-U-O和Mo-Bi-O等类型的变化。目前在实际应用上,异丁烯选择性氧化制MAL的催化剂己多采用Mo-Bi-Co-Fe-O为基础的复合氧化物体系,并在其基础上进一步添加多种助剂。第一步反应由异丁烯氧化生成甲基丙烯醛，采用钼-铋系催化剂（Mo、Bi、Fe、Co、Ni）；第二步反应由甲基丙烯醛氧化生成甲基丙烯酸采用钼-钒催化剂（Mo、V、W、Cu）。催化剂的形状通常为直径35mm左右的圆球体或圆柱体，其性能比较稳定，催化剂均具有三年以上的使用寿命。2.2.3 反应原理1、反应机理研究异丁烯氧化的研究比丙烯氧化出现的时间晚，而且异丁烯分子具有两个等同的-CH3，相对丙烯分子复杂、反应更不易控制。因此,对异丁烯氧化研究的广度和深度要远远少于对丙烯氧化的研究。但一般认为,异丁烯氧化与丙烯氧化在化学反应途径上是相通的。G.W.Keulks综述了丙烯选择性氧化的机理，吸附丙烯分子的活化包括脱除-H和形成烯丙基中间体。J.D.Burrington等从光谱和化学角度也证明了由钼酸秘催化丙烯及异丁烯除去-氢后的中间体乃是类似于烯丙基自由基的物种。Adams和Jennings将动力学中同位素效应测定方法用于研究丙烯催化氧化过程中C-H键断裂反应,表明速率控制步骤是脱去-H，同时认为，烯丙基中间体在与氧原子结合生成丙烯醛以前还要脱去第二个氢原子。即，烯烃在钼-铋催化剂上生成烯醛经历了第一步脱-H、加氧和第二步脱H。图 2.21烯烃到烯醛反应机理示意图如图 2.21所示,由于在催化反应过程中形成了烯丙基中间体，一般会伴随着少量的芳香化反应。在酸性位上则易于引发深度氧化反应,生成小分子的酸、醛、CO、CO2等。另外，异丁烯易水合生成丙酮、乙醛、乙酸等副产物。由于烯醛以及其它有机副产物都会进一步反应，因此，烯烃氧化包含了复杂的平行和串联副反应，形成了复杂的反应网络。反应不受热力学限制，完全由动力学因素控制，也增加了机理研究的难度。2、化学反应动力学由动力学方程（2.2-1）两边取对数可得方程（2.2-2）。以lnCIB为横坐标,lnr为纵坐标作图得一直线,根据方程（2.2-2），则直线在纵坐标的截距为lnk，斜率为异丁烯的反应级数。r=-dCIBdt=kCIBn （ 2.2-1）lnr=lnk+nlnCIB （2.2-2）速率常数与反应活化能的关系为方程式（2.2-3）所示,两边取对数即得方程式（2.2-4）。以1/T为横坐标，lnk为纵坐标作图,则直线的截距为lnA，斜率为-E/R，计算即可得反应指前因子A和反应活化能E。k=Ae-ERT （2.2-3）lnk=lnA-ERT （2.2-4）根据以上方法得到异丁烯在钼-铋系催化剂上的选择性氧化反应,对异丁烯的反应级数近似为1，反应指前因子和反应活化能分别为7.371014和169.7kJ/mol。最终得到的动力学方程即为方程（2.2-5）。r=7.371014e-169744RTCIB （ 2.2-5）2.2.4 工艺条件的选择1、反应器入口气体组成反应器入口气体组成为原料异丁烯、空气中的氧气以及水蒸气，O2/异丁烯摩尔比为2，过高和过低的氧烯比会影响异丁烯的转化率和选择性。本项目选择水烯比为2，水蒸气的存在一是为了提高催化剂的选择性，使反应产物容易从催化剂表面解析出来；二是水蒸气的存在可以降低反应气中氧浓度，以便减缓异丁烯的深度氧化。另外水蒸气具有较大的热容，有利于床层的稳定。2、反应空速绝对空速（SV0）:反应器入口每小时加入的异丁烯气体VIB与纯催化剂体积的比值，即SV0=VIBV催，它反应了催化剂的实际反应负荷，在120 h-1左右。相对空速（SV）：混合气体的小时体积通量V气与催化剂床层体积V床之比，即SV=V气V床，一般在8002000 h-1之间。异丁烯氧化反应工业上选择停留时间为15 s。3、反应温度反应温度一般在300400，考虑到催化剂的操作稳定性、操作寿命等因素，选择反应温度350。最终我们的工艺条件如下表 2.21所示：表 2.21第一反应器设计参数项目数值项目数值甲基丙烯酸甲酯年产量6 万吨原料配比IB:H2O:O2=1:2:2年工作时间7200 h绝对空速120 h-1120 h反应温度350 oC反应压力101 KPa催化剂平均直径3.519 mm空隙率0.4根据Aspen软件模拟异丁烯氧化反应器，得到反应器的物料平衡表（见表 2.22）。表 2.22第一反应器物料平衡表物料名称单位第一反应器入口第一反应器出口异丁烯kmol/h1001.7水kmol/h200313.3氧气kmol/h20081.55甲基丙烯醛kmol/h090.2丙醛kmol/h00.9乙酸kmol/h01.2对苯二甲酸kmol/h01.2二氧化碳kmol/h08一氧化碳kmol/h08.9甲基丙酸kmol/h00.2在350、101.325kPa下计算计算反应器入口和出口的物性参数，得到表 2.23。表 2.23反应器入口出口物系参数平均摩尔质量（g/mol）平均密度（kg/m3）平均粘度（10-5Pas）平均导热系数（Wm-1K-1）体积（m3/h）入口29.080.60272.56160.05566125905.4出口28.950.59422.24200.05463626275.82.2.5 反应器结构设计1、催化剂的床层体积V催=VIBSV0=10022.4120=18.67 m3VR=V催1-b=18.671-0.4=31.11 m3式中：V催 催化剂体积，m3；VR 催化剂体积，m3；VIB 原料混合物中异丁烯在标准状态下体积流量，m3/h；SV0 每小时通过反应器的异丁烯气体在标准状况下的体积，h-1；b 床层孔隙率2、床层截面积和床层高度350下入口气体体积V=25905.37 m3/h，质量流量m=15613.57kg/h，选择空床气速u0=0.9 m/s，则床层截面积为AR=Vu0=25905.3736000.9=7.995 m2床层高度为HR=VRAR=31.117.995=3.89 m圆整选择不锈钢钢管长度4.5 m。3、反应管尺寸和排列设计选择382.5的不锈钢管，dt=0.033m，则反应器的所需的布管数量n=VR4dt2HR=32.7540.03324.1=9348式中，dt为反应管的内径尺寸。在确定反应器布管数量时，考虑到催化剂的衰老、中毒等因素的影响，实际布管数量为9774。反应管采用错列正三角形排列（见图 2.22），采用焊接法，管心距t=48mm。根据实际布管情况，选择反应器公称直径DN=5400mm。由于反应器中间不布管，选择盘环式折流板。图 2.22反应管排列示意图4、床层压降核算实际空床气速u0=V4dt2n=25905.3740.033297743600=0.86 m/s以实际空床面积计算的流体质量流速G=m4dt2n=15613.5740.033297743600=0.5188 kgm-2s-1式中，m混合气体质量流量，kg/h。取混合气体平均粘度=2.561610-5 Pas，平均密度=0.6027 kg/m3，则修正Reynold准数为Rem=dsG(1-b)=0.0035190.51882.561610-5(1-0.4)=125.04用Eurgun公式计算压力降p=150Rem+1.751-bb3u02dsL=150125.04+1.751-0.40.430.60270.8620.0035193.89=10.44 kPa式中：L层床高度，m；流体密度，kg/m3；dp,s催化剂颗粒的当量直径，m；b层床空隙率。通常要求床层压力降不能太大，宜控制在床内压力的15%，即101.32515%=15.2 kPa，压力降符合要求。2.2.6 热量衡算由aspen模拟可得反应器放出的热量Q= 11543.79 kJ/s，取安全系数为1.1，则Q= 12698.17 kJ/s。换热介质选熔盐（由40%的亚硝酸钠、7%的硝酸钠和53%的硝酸钾组成的三元混合盐），进口温度为t1=285 ，取熔盐流量450 kg/s，则熔盐出口温度为：t2=t1+Q2wCp=285+12698.1710004501423.512=304.82即tm=54.49。在定性温度295下查得熔盐的物性参数为：密度=1860 kg/m3导热系数=0.3966 W/(mK)粘度=0.003201 Pas比热容Cp=1423.512 J/(kgK)另外350时的熔盐粘度w=0.002309 Pas。1、器壁内的给热系数w计算对于床层高度大于1m的固定床反应器，球形催化剂颗粒直径和床层直径之比ds/D在0.050.3，雷诺系数在207600时，其壁膜给热系数可按下式计算：W=0.17fdsGdS0.79 =0.170.055660.00425(0.51880.004252.561610-5)0.79 =75.20 J/(m2sK)2、壳程传热系数计算对于盘环形折流板支撑换热器壳程的传热计算在公开文献中资料很少，在此我们采用石油化工设备设计选用手册分册换热器中介绍的Slipcevie计算法。Slipcevie法主要是将整个传热系数（0）看作是壳程几个部分的传热系数的之和:0=1A1+2A2+3A3A其中：A总的传热面积，m2；A1圆盘折流板与筒体环隙通道纵向流的传热面积，m2；A2圆环折流板中间开孔处纵向流的传热面积，m2；A3折流板间横流截面处的传热面积，m2；1流体流过A1面积上的传热系数，W/（m2K）；2流体流过A2面积上的传热系数，W/（m2K）；3流体流过A3面积上的传热系数，W/（m2K）；结合实际布管情况，计算得到0=244.12 W/（m2K）。3、总传热系数计算反应管外径d0=0.038m，内径di=0.033m，则dm=0.03544m。取管壁内表面污垢热阻Rsi=0.00029 m2K/W，管壁外表面污垢热阻Rso=0.00008598 m2K/W。不锈钢导热系数19 W/(mK)，计算总传热系数KO如下：1K0=1i+Rsid0di+bd0dm+1o+Rso即Ko= 50.076 W/(m2)。反应器所需的传热面积为S=QKOtm=12698.17100050.07654.49=4654 m2实际换热面积为S0=d0LN=0.0384.59774=5157 m2S0S即换热满足要求。2.2.7 附件设计1、接管设计（1）反应器进料口、出料口反应器进口流量Vin=7.20 m3/s，选择气体进料流速为30 m/s，则进料口直径d=4Vinu=47.2030=0.553 m由以上计算，选取公称直径DN=600mm，63010的进料管。（2）熔盐进口、出口熔盐总流量Vr=0.2444 m3/s，取熔盐流速u=1.4 m/s，设置两个熔盐进口和两个熔盐出口，则熔盐进出口直径d=4(Vr/2)u=4(0.24442)1.4=0.333 m由以上计算，选取公称直径350，377mm10mm的接管。（3）安全检查口、安全阀接口和防爆口为设备检修方便，设置两个安全检查口，接管尺寸如图 2.23、图 2.24所示。为了设备安全运行，设置安全阀，其接管尺寸如图 2.25所示，另外反应器通过防爆口连通氮气保安罐，防爆口接管尺寸如图 2.26所示。图 2.23安全检查口1图 2.24安全检查口2图 2.25安全阀接口图 2.26防爆口2、环形通道设计反应器壳程的循环熔盐，其动力来自于与反应器左右对称配置的两台熔盐轴流泵，泵进出口的方位位于0与180（如图 2.27所示），反应器沿壳体周向上下各配置一个环形通道（简称环道）。环道进入反应器壳体时，采用下环道熔盐进，上环道熔盐出。在环道内部的筒体上，沿周向各开有一圈圆孔，用来使熔盐均匀地流入和流出筒体壳程。另外筒体开孔分布在下环道中靠下、上环道中靠上的位置。本反应器设置环道为内径5400 mm、外径5900 mm 的圆环，高度为 550 mm，沿环道内壁圆周等面积均匀分布 10 个圆孔，孔径为200 mm。图 2.27环形流道示意图3、气体分布器设计对于大型列管式固定床反应器，要使在反应器的催化剂床层内气体的流动尽可能地接近理想平推流、减少返混的发生，在反应器进气管口的结构形式设计方面做一些考虑，以确保反应器进料气体到达各个反应管的速度、压力分布尽可能地均匀，一般情况下，反应器管程进气口应设置气体分布器。参考南京工业大学的专利（申请号201220738274.7）设计一种气体分布器。如图 2.28所示，该分布器由分流盘1及导流叶片2构成，分流盘位于中心，导流叶片围绕分流盘排列，并固定在分流盘上，导流叶片以45倾斜向下呈顺时针排列。分流盘为椭球体，横截面a为圆形（直径D1=700mm），纵截面b为椭圆形（高度D2=350mm）。所述的导流叶片水平宽度夹角为8，叶片的长度L是反应器半径的80%，即2.16m，导流叶片的固定端与自由端高度H=200mm。气体分布器俯视图分流盘结构（a-俯视图，b-侧视图）气体分布器侧视图图 2.28气体分布器示意图2.2.8 机械强度计算和校核根据流体进去口温度，选择流体设计温度370，设计压力0.12MPa，在设计中选取：壳体、列管、管板、封头、折流板、接管、法兰为S31608，裙座为Q345R。使用SW6-2011软件进行轻度校核。1、筒体数据输入图 2.29筒体数据设置2、封头数据输入图 2.210封头数据设置3、设备法兰数据输入图 2.211法兰数据设置具体数据见SW 6-2011源文件，其校核结果如下所示：前端管箱筒体计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.12MPa设计温度 t 370.00 C内径 Di 5400.00mm材料 S31608 ( 板材 )试验温度许用应力 s 137.00MPa设计温度许用应力 st 112.20MPa试验温度下屈服点 ss 205.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.00mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 3.40mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 18.70mm名义厚度 dn = 20.00mm重量 2673.22Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 0.1878 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 184.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 32.01 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 0.65825MPa设计温度下计算应力 st = = 17.39MPastf 95.37MPa校核条件stf st结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度13.00mm,合格前端管箱封头计算计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 0.12MPa设计温度 t 370.00 C内径 Di 5400.00mm曲面深度 hi 1350.00mm材料 S31608 (板材)设计温度许用应力 st 112.20MPa试验温度许用应力 s 137.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.00mm焊接接头系数 f 0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 PT = 1.25Pc= 0.1878 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 184.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 31.96MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 3.40mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 18.70mm最小厚度 dmin = 8.10mm名义厚度 dnh = 20.00mm结论 满足最小厚度要求重量 4972.23 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 0.65938MPa结论 合格后端管箱筒体计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.12MPa设计温度 t 370.00 C内径 Di 5400.00mm材料 S31608 ( 板材 )试验温度许用应力 s 137.00MPa设计温度许用应力 st 112.20MPa试验温度下屈服点 ss 205.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.00mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 3.40mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 18.70mm名义厚度 dn = 20.00mm重量 2673.22Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 0.1878 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 184.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 32.01 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 0.65825MPa设计温度下计算应力 st = = 17.39MPastf 95.37MPa校核条件stf st结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度13.00mm,合格后端管箱封头计算计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 0.12MPa设计温度 t 370.00 C内径 Di 5400.00mm曲面深度 hi 1350.00mm材料 S31608 (板材)设计温度许用应力 st 112.20MPa试验温度许用应力 s 137.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.00mm焊接接头系数 f 0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 PT = 1.25Pc= 0.1878 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 184.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 31.96MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 3.40mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 18.70mm最小厚度 dmin = 8.10mm名义厚度 dnh = 20.00mm结论 满足最小厚度要求重量 4972.23 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 0.65938MPa结论 合格壳程圆筒计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.12MPa设计温度 t 370.00 C内径 Di 5400.00mm材料 S31608 ( 板材 )试验温度许用应力 s 137.00MPa设计温度许用应力 st 112.20MPa试验温度下屈服点 ss 205.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.00mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 3.40mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 18.70mm名义厚度 dn = 20.00mm重量 12029.54Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 0.1878 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 184.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 32.01 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 0.65825MPa设计温度下计算应力 st = = 17.39MPastf 95.37MPa校核条件stf st结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度13.00mm,合格开孔补强计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所接 管: 进料口, 63010计算方法: GB150.3-2011等面积补强法，单孔设 计 条 件简 图计算压力 pc0.12MPa设计温度370壳体型式椭圆形封头壳体材料名称及类型S31608板材壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di5400mm壳体开孔处名义厚度n20mm壳体厚度负偏差 C10.3mm壳体腐蚀裕量 C21mm壳体材料许用应力t112.2MPa椭圆形封头长短轴之比 2凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角() -0 接管实际外伸长度 200mm接管连接型式 插入式接管接管实际内伸长度 15mm接管材料 S31608接管焊接接头系数 1名称及类型 管材接管腐蚀裕量 1mm补强圈材料名称 凸形封头开孔中心至 封头轴线的距离 mm补强圈外径 mm补强圈厚度 mm接管厚度负偏差 C1t 1mm补强圈厚度负偏差 C1r mm接管材料许用应力t 95.2MPa补强圈许用应力t MPa开 孔 补 强 计 算非圆形开孔长直径 614mm开孔长径与短径之比 1 壳体计算厚度 3.0585mm接管计算厚度t 0.3847 mm补强圈强度削弱系数 frr 0接管材料强度削弱系数 fr 0.8485开孔补强计算直径 d 614mm补强区有效宽度 B 1228 mm接管有效外伸长度 h1 78.358mm接管有效内伸长度 h2 14 mm开孔削弱所需的补强面积A 1885mm2壳体多余金属面积 A1 9566 mm2接管多余金属面积 A2 1179mm2补强区内的焊缝面积 A3 93 mm2A1+A2+A3= 10838mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 合格开孔补强计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所接 管: 出料口, 63010计算方法: GB150.3-2011等面积补强法，单孔设 计 条 件简 图计算压力 pc0.12MPa设计温度370壳体型式椭圆形封头壳体材料名称及类型S31608板材壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di5400mm壳体开孔处名义厚度n20mm壳体厚度负偏差 C10.3mm壳体腐蚀裕量 C21mm壳体材料许用应力t112.2MPa椭圆形封头长短轴之比 2凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角() -0 接管实际外伸长度 200mm接管连接型式 插入式接管接管实际内伸长度 15mm接管材料 S31608接管焊接接头系数 1名称及类型 管材接管腐蚀裕量 1mm补强