反应器、储罐、泵设计

1、7.6 反应器的设计7.6.1设计依据SH 3066-2005 石油化工企业反应器再生器框架设计规范B/T4746-2002 钢制压力容器用封头HG/T206432011 化工设备设计基础规定7.6.2反应器的概述化学反应过程和反应器是化工生产流程中的中心环节，反应器的设往往占有重要的地位，反应器设计是否成功直接决定了整个项目的成败本部分主要包括: 反应器选型；反应器主体尺寸的设计；寻找合适的工艺条件；确定实现这些工艺条件所需的技术措施；确定必须的控制手段。本设计是气体混合物在固体催化剂表面的反应。7.6.3反应器的类型 本工艺是连续性操作，则选择连续反应器。 连续反应器中主要有流化床、鼓泡流

2、化床、固定床。流化床反应器 可以增加两相间的接触面积，传热面积以及具有传质速率快等特点，但是由于催化剂颗粒的剧烈运动，造成固体颗粒与流体的严重返混，导致反应物浓度下降，转化率下降，催化剂颗粒的剧烈运动也造成了催化剂破碎率增大，增加了催化剂的损耗。同时催化剂还会与器壁发生剧烈碰撞，易造成设备与管道的腐蚀，增大设备损耗。固定床反应器 中催化剂颗粒固定不动，返混少，反应物的平均浓度高，反应速率较快，可以克服上述流化床的缺点。除此之外，固定床层内的流体流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性；可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力；结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂；

3、反应器的操作方便、操作弹性较大。 根据本工艺特点，选择固定床反应器7.6.4催化剂的选择本工艺选择的催化剂是石油化工科学研究院研制开发的SKI-400-40型C8芳烃异构化催化剂，该剂系采用高纯氧化铝和双沸石为载体的载铂双功能催化剂，该催化剂能长期稳定运转, 活性和选择性指标, 均达到合同要求。( PX+OX) 总收率显著超过外商催化剂, 创造了可观的经济效益, 节省了巨额改造资金。工业催化剂的物化性质：表7-6 SKI-400-40的物性项目设计指标工业产品铂含量/%0.3800.387粒度/mm×mm1.6×251.6×25堆密度/g·mL-10.7

4、00.720.71强度/N·cm-1>6086.4粉化度（wt%）<1.0<0.1表1-2 工业催化剂的杂质含量项目数据Fe/%0.05Pb/ng·g-1<10As/ ng·g-1<10Ca/%<0.01Mg/%<0.01Zn/ug·g-130该催化剂在扬子石油化工股份有限公司异构化装置上替代SKI-300B,在处理量增加50%、氢油比降低50%的苛刻条件下，具有良好的稳定性，对装置进行扩能改造时，主设备不作改动，对二甲苯的年产量可由45万吨提高到60万吨，节省了巨额资金。可见该催化剂的效果显著。7.7歧化及烷基

5、转移反应器设计7.7.1歧化及烷基转移反应特点（1）歧化的主要反应是芳烃分子之间的烷基转移反应，不属于加氢、脱水、分解反应。因此，甲苯歧化理论上是不消耗氢的，也就是说，反应可以不需要氢气。（2）甲苯歧化反应为吸热量极微的反应。虽然伴随发生的加氢脱烷基等副反应造成了氢气的消耗，并放出热量，但因副反应少，故实际上甲苯歧化反应过程综合的氢气消耗量和放热量都是极为有限的。7.7.2反应器设计过程根据甲苯歧化反应特点并且参考多方文献，我们选择轴向绝热固定床反应器进行设计。l 基本假设1.轴向无返混2.径向无温度和浓度梯度l 模拟结果绝热固定床温度：379停留时间：27 s表4.10 甲苯歧化反应器模拟结

6、果inoutTemperature C379.057379.172213Pressure bar3030Vapor Frac11Mass Flow kg/hr36033.904736033.9047Volume Flow cum/hr4155.934834157.38424Enthalpy Gcal/hr8.400458668.40045866Density kg/cum8.670468988.66744616Mass Flow kg/hrBENZENE135.2241283228.79862TOLUENE11817.16945959.23902OX16.92064674126.04663MX

7、14.49205974124.69254PX16.0759784125.57574C8H10-41.395559661.39555966C9H12-13076.723870C9H12-21241.645230C9H12-62817.926641138.78551C9H12-73463.851021310.81782C9H12-84517.161681591.3514H23825.2353752.80798C3H85090.083446674.39386l 参数设计根据公式VR催化剂填充量 m3VON原料气体流量 m3/hrSV体积空速 h-1催化剂质量：21475.5 kg催化剂密度：1133

8、 kg/cum催化剂体积：18.95 cum原料气流量：4156 cum/h体积空速：219.3h-1空隙率：0.4有效反应体积：31.58cum取空床气速0.2m/s，则截面积：直径： 圆整到2800mm高度：高径比：压降：f摩擦系数流体密度ds比表面积当量直径L床层高度床层空隙率u0空床气速而 计算得压降为0.3bar，小于入口压力的10%，符合常理。分布板：l 强度设计（1）计算壁厚Q345R的使用条件为-20475，故可以选用经济耐用的Q345R。流体设计温度：C 设计压力 =3.3MPa焊接方式：选为双面焊对接接头，100%无损探伤，故焊接系数C1取0.3mm，C2取1mm假设壁厚6

9、0100mm，400下许用应力125MPa，圆整后取38mm。（2）水压试验 合格。（3）封头设计选用标准椭圆形封头，深度为2710/4=677.5 mm，壁厚同筒体为38 mm，封头最新执行标准是：GB/T25198-2010 200以下的封头直边是：15mm；200mm到-2000mm直边高度是25mm；2000mm以上的封头直边高度是：40mm；故直边高度为40mm。椭圆形封头内径2710mm，深度677.5mm，壁厚38 mm，直边高度40 mm。（4）支座设计支座采用裙座，材质为Q345，裙座与塔体的链接采用对接式焊接，裙座筒体外径为2802mm，厚度为38mm，高度2000mm，地

10、脚螺栓的结构选择外螺栓作结构形式，螺栓规格为M80×6，个数为24个。 因为反应器筒体大、高，需要在裙座内部设置梯子。 裙座上开设2个人孔方便检查，选择公称直径为500 mm 的人孔（根据HG21515-95）。 考虑到裙座的防火问题，在裙座内外侧均敷设防火层，防火材料为石棉水泥层。7.8 异构化反应器设计7.8.1反应原理7.8.1.1反应方程式（1） 主反应C8芳烃的临氢异构反应 二甲苯之间的异构乙苯加氢异构（2） 副反应在主反应进行的同时，由于催化剂的存在，温度的影响，还会发生一些副反应，本工艺主要考虑的是C8芳烃的加氢开环裂解反应。加氢开环裂解 7.8.1.2反应机理(1)

11、二甲苯异构化反应当二甲苯在酸性催化剂上发生异构化反应时，在苯环上快速添加或减少一个氢原子，使分子内的甲基产生位移，从而是异构体组成达到平衡。在双功能催化剂上发生反应时，除了上述反应过程，还会在双功能金属催化剂的金属组元上发生另一类反应。由于反应物中存在C8环烷烃中间产物，在氢压的作用下，异构化反应可通过C8环烷烃中间物完成。其反应过程如下：(2) 乙苯异构化用酸性催化剂是，乙苯在比较苛刻的条件下，可发生歧化和脱烷基的反应，从而生成苯和重芳烃，同时乙苯和二甲苯间产生烷基转移反应。当异构化采用双功能催化剂时，在反应体系中含有烷烃的情况下乙苯可转化为二甲苯，反应过程如下：7.8.2反应条件反应器的条

12、件:380oC, 0.8Mpa 查阅相关资料，影响异构反应的因素有：7.8.2.1温度的影响温度直接影响着化学平衡和反应速度。一般地讲，提高温度，可以加快所有化学反应的速度。本装置异构反应热效应不大，所以升高温度对反应有利。但是，温度不可以无限提高，因为它受到以下诸因素的限制：1.设备材质的限制。2.催化剂本身性能的限制。3.副反应的限制。在高温下易进行裂解反应。4.在高温下，催化剂积炭加快，活性迅速下降。温度对异构化反应的化学平衡影响不大，但是，对以对二甲苯为产物的反应稍有影响，因为对二甲苯在平衡组成中随温度的增高而稍有减少。表7-7 C8芳烃平衡数据温度组分227427527px%2423

13、.523mx%555251.5Ox%2124.526.5 表7-8 总C8芳烃温度组分227427527EB%4811px%232220.5mx%534845.5ox%202223综合考虑反应器选择380oC7.8.2.2压力的影响压力直接影响气相反应中反应物的浓度，根据化学平衡理论，增加压力有利于反应方向向体积缩小的方向进行。异构化反应中乙苯的异构过程是：压力升高会产生更多的C8环烷。另一方面增加压力也能减少催化剂表面的积炭。压力的提高受1、设备材质2、能量消耗等条件的限制提高压力有两种方法：1、提高系统的总压2、提高氢浓度以增大氢分压，氢气纯度每提高10%相当于压力增加0.35 Mpa。本

14、工艺选择的压力位0.8 MPa。温度和压力是本反应的两个主要因素，二者之间紧密的联系。7.8.2.3氢的作用和氢油比 系统中氢气的作用之一是提供给乙苯加氢异构，同时可以除去一些烷烃杂质，使之加H2裂解为小分子烃，另外，氢气的存在还可以减少由于裂化反应造成催化剂表面积灰结焦，以保持催化剂活性。 总之加大氢油比有利于乙苯加氢异构反应，有利于抑制催化剂积炭，但是，当氢油比过大时，反应的体积空速增加，接触时间缩短，致使氢化率降低。氢油比过高，还会加剧其它加氢副反应，造成产物收率下降。同时，增加了氢压机的操作费用。 操作中将氢油比控制在48（分子比）比较合适，本工艺反应控制氢油3.3左右。7.8.3反应

15、器的进料组成表7-9 反应器的进料组成组分MBEBPXMXOXC9含量（wt%）1ppm0.1880.0050.3780.3280.028组分PDEBP-Np-pC9AH2O含量（wt%）0.0340.0320.00714ppm2ppm氢气的进料量为8000kmol/h7.8.4物料衡算每小时各组分进料量如下表：表7-10 反应器各组分进料量组分MBEBPXMXOXC9摩尔流量（kmol/h）0.004460.13613.213925.643802.40856.807组分PDEBP-Np-pC9AH2O摩尔流量（kmol/h66.19774.09015.7020.0300.0327.8.5反应

16、动力学反应系统中除了存在相当数量的C8环烷烃外，还存在一定数量的C8直链烷烃，因而将C8环烷和C8直链烷烃集总作为一个组分，称为C8非芳混合物(C8N+P)。C8环烷在aspen模拟的时候指的是:P-N(C8H16-6),O-N(C8H16-2),E-N(C8H16-8),M-N(C8H16-4)C8链烷烃在aspen模拟的时候指的是：P-P(C8H18-8),M-P(C8H18-7),O-P(C8H18-10),E-P(C8H18-11)实验测动力学所用SKI-400-40催化剂性质如下表：表7-11 SKI-400-40的物性Platinum mass fraction,%Bluck de

17、nsity/(kg·m-3)Specific area/(m2·g-1)Pore volume/(mL·g-1)Crushing strength/(N·cm-1)Particle size/(mm×mm)0.380.70-0.722400.35>601.6×(25)SKI-400-40催化剂，在反应温度365410oC,氢烃物质的量比为3.8，反应出口表压为1.1MPa,催化剂的质量为2.0g的条件下，改变反应的空速，可以得到不同温度下的反应产物随反应停留时间变化的产物分布数据。表7-12 各反应动力学数据反应指前因子/h-1

18、活化能/(kJ·mol-1)380oC下的速率常数MXàPX1.80E+0560.092.813OXàPX3.68E+08106.521.112EBàPX8.95E+09136.270.113PXàMX3.66E+0563.253.195OXàMX4.23E+0566.931.879EBàMX4.50E+09127.690.276PXàOX7.18E+08110.900.970MXàOX1.03E+0671.132.117EBàOX5.32E+09130.860.182PXàEB6.4

19、6E+09132.570.161MXàEB2.70E+08117.830.102OXàEB7.60E+09138.240.067C8N+PPX1.51E+0789.780.999C8N+PMX3.55E+0796.350.698C8N+POX6.04E+07100.670.536C8N+PEB2.57E+0681.580.540PXC8N+P1.11E+0792.620.434MXC8N+P7.88E+07105.490.288OXC8N+P4.22E+07101.060.348EBC8N+P3.01E+0786.362.563本工艺的条件和上述实验条件相近，则我们的反应的

20、动力学数据参照上表。7.8.6反应器选型参考相关文献，本工艺异构的反应器类型主要为固定床反应器。在化学工业和石油化工中，固定床反应器是一种最广泛应用的核心装置，如基本化学工业中的合成氨、硫酸、甲醇；石油化工中的乙苯脱氢制苯乙烯、乙烯与醋酸反应制醋酸乙酯；炼油工业中的裂解、重整、异构化、加氢精制等的生产。固定床反应器按流体流动方式可分为轴向反应器和径向反应器。轴向反应器中的流体以反应器中心轴所指方向通过催化剂床层，这种反应器结构简单，但流体通道受设备横截面的限制，造成床层压降较大，同时对催化剂的强度要求也较高。径向反应器中的流体以反应器中心轴所指的方向通过催化剂床层，有较大流通面积和较短的流动路

21、程。因此床层压降小，可使用小颗粒催化剂，但必须采用强制手段使气体均匀分布，内部结构复杂。 图7-8 轴向反应器 图7-9 径向反应器根据以上特点结合本工艺，径向流反应器是一种高效节能的反应器，适用于气固两相流催化反应。异构化反应器采用立式径向固定床反应器。异构化装置操作条件操作温度：380oC操作压力：0.8 MPa氢油比：3.37.8.7反应器的计算（1）反应体积VR=30m3(2) 空时 （3）空速 （4） 催化剂的填充量 由空速数据计算催化剂的填充量为： （5） 催化剂质量 m=29.98×710=21285.8kg=21.3t7.8.9径向反应器的结构和类型径向反应器由反应器

22、筒体，两个同轴的多孔分布筒、上封头、下封头和催化剂盖板组成，筒体与外分布筒之间的环隙形成外流道，内分布筒的内部空间形成中心流道，内外分布筒之间装填催化剂，流体以径向流动方式通过催化剂床。考虑到催化剂在使用过程中的沉降，破损或其在还原过程中的体积收缩，在内外分布筒上部要设置一定的不开孔区，称为“催化剂封”，以防止回流和短路。表7-13 异构化反应器参数名称异构化反应器形式固定床反应器结构立式径向Z型总装填量m329.98催化剂装填质量t21.3催化床层总高 mm4200触媒封高 mm300筒体直径mm3000筒体厚度mm60上封头标准椭圆形封头下封头标准椭圆形封头人孔直径 mm600人孔数1筒体

23、材质13CrMo447.9泵选型 7.9.1选型依据 泵属于通用机械，在国民经济各部门中用来输送液体的泵种类繁多，用途很广，如水利工程、农田灌溉、化工、石油、采矿、造船、城市给排水和环境工程等。另外，泵在火箭燃料供给等高科技领域也得到应用。为了满足各种工作的不同需要，就要求有不同形式的泵。应当着重指出，化工生产用泵不仅数量大、种类多，而且因其输送的介质往往具有腐蚀性，或其工作条件要求高压、高温等，对泵有一些特殊的要求，这些泵往往比一般的水泵复杂一些。在各种泵中，尤以离心泵应用最为广泛， 因为它的流量、 扬程及性能范围均较大， 并具有结构简单、体积小、重量轻、操作平稳、维修方便等优点。 7.9.

24、2泵的选型原则 1、使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、吸程等工艺参数的要求。 2、必须满足介质特性的要求。对输送易燃、易爆有毒或贵重介质的泵，要求轴封可靠或采用无泄漏泵，如磁力驱动泵、隔膜泵、屏蔽泵对输送腐蚀性介质的泵，要求对流部件采用耐腐蚀性材料，如 AFB 不锈钢耐腐蚀泵，CQF 工程塑料磁力驱动泵。对输送含固体颗粒介质的泵，要求对流部件采用耐磨材料，必要时轴封用采用清洁液体冲洗。 3、机械方面可靠性高、噪声低、振动小。 4、经济上要综合考虑到设备费、运转费、维修费和管理费的总成本最低。 5、离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动

25、、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。 因此除以下情况外，应尽可能选用离心泵： 1、有计量要求时，选用计量泵 2、扬程要求很高，流量很小且无合适小流量高扬程离心泵可选用时，可选用往复泵，如汽蚀要求不高时也可选用旋涡泵. 3、扬程很低,流量很大时,可选用轴流泵和混流泵。4、介质粘度较大（大于6501000mm2/s）时，可考虑选用转子泵或往复泵（齿轮泵、螺杆泵） 5、介质含气量75%，流量较小且粘度小于37.4mm2/s 时，可选用旋涡泵。 6、对启动频繁或灌泵不便的场合，应选用具有自吸性能的泵，如自吸式离心泵、自吸式旋涡泵、气动（电动）隔膜泵。7.9.3 泵选型依据 泵选型依据，应根据工艺流程

26、，给排水要求，从五个方面加以考虑，即液体输送量、装置扬程、液体性质、管路布置以及操作运转条件等 1、流量是选泵的重要性能数据之一，它直接关系到整个装置的的生产能力和输送能力。 选择泵时， 以最大流量为依据， 兼顾正常流量， 在没有最大流量时，通常可取正常流量的1.11.5倍作为最大流量。 2、装置系统所需的扬程是选泵的又一重要性能数据，一般要用放大5%10%余量后扬程来选型。 3、液体性质，包括液体介质名称，物理性质，化学性质和其它性质，物理性质有温度c密度d，粘度u，介质中固体颗粒直径和气体的含量等，这涉及到系统的扬程，有效气蚀余量计算和合适泵的类型：化学性质，主要指液体介质的化学腐蚀性和毒

27、性，是选用泵材料和选用那一种轴封型式的重要依据。 4、装置系统的管路布置条件指的是送液高度送液距离送液走向，吸入侧最低液面，排出侧最高液面等一些数据和管道规格及其长度、材料、管件规格、数量等，以便进行系统扬程计算和汽蚀余量的校核。 5、 操作条件的内容很多， 如液体的操作T、 饱和蒸汽力P、 吸入侧压力PS （绝对）、排出侧容器压力PZ、海拔高度、环境温度操作是间隙的还是连续的、泵的位置是固定的还是可移的。7.9.4泵的选型根据流股前后的压力变化以及位差和阻力，确定泵的扬程。根据流股的流量和扬程，并保留一定的裕量，用智能软件进行选泵。其中P206的具体选泵结果如下: 所有泵选型结果参见附录设备

28、选型一览表。7.10储罐选型7.10.1储罐设计依据 化工设备设计手册 石油化工企业球罐基础设计规范 SH/T 3062-2007 石油库设计规范 GB 50074-2002 固定式压力容器安全技术监察规程 TSG R0004-2009 道路危险货物运输安全技术要求 DB 11/415-2007 汽车运输危险货物规则 JT 617-2004 工业企业厂内铁路、道路运输安全规程 GB 4387-2008 液化石油气储运 SY/T 6356-2010 危险货物运输包装通用技术条件 GB 12463-20097.10.2贮罐的类型 贮罐根据形状来划分，有方形贮罐、圆筒形罐、球形罐和特殊形贮罐(如椭圆

29、形、半椭圆形)每种型式又按封头形式不同，分为若干种型式。常见的封头有平板、锥形、球形、碟形椭圆形等。有些容器如气柜、浮顶式贮罐、其顶部(封头)是可以升降浮动的。 贮罐按制造的材质有钢、有色金属和非金属材质之分，常见的有普通碳钢、低合金钢、不锈钢、搪瓷、陶瓷、铝合金、聚氯乙烯、聚乙烯和环氧玻璃钢等。 贮罐按用途又可分贮存，计量，回流，中间周转，缓冲，混合等。 气柜一般用于贮存中间气体，一般可以设计的稍大些。 中间贮罐是当原料产品、 中间产品的主要贮罐距工艺设施较远或者作为原料或中间体间歇或中断供应调节之用，有些中间罐是待测试检验，以确定去向的贮罐，有些贮罐是工艺流程中切换使用，或以备翻转挪转用的

30、中间罐等。 计量罐的容积一般考虑少到10分钟，多到2-4小时产量储存，计量罐装载系数一般只考虑60-70 %，因为计量罐的刻度一般在罐的直筒部分，使用度常为满量程的80-85 %。回流罐一般考虑5分钟至10分钟左右的液体保有量，做冷凝液封之用。缓冲罐的目的是使气体有一定数量的积累，使之压力比较稳定，从而保证工艺流程中流量操作的稳定，因此往往考虑较大，常常是下游使用设备5至10分钟的用量，有时可以超过15分钟的用量，以备在紧急时，以充裕时间处理故障，调节流程或关停机器。 包装罐一般可视同于中间贮罐， 原则上是昼夜罐， 对于需要及时包装的贮罐定期清洗的贮罐，容积可考虑偏小。7.10.3罐区基本情况

31、 贮罐的考虑原则包括贮存物料的状态；物料的温度、压力和腐蚀性、现场条件和安全可靠性。 储罐要有一定的耐压强度， 所以大型罐外要有加强圈。 根据现场的地理条件，选择立式或卧式贮槽，开阔地区尽量使用卧式，可使操作平台降低。另外还可选用气柜贮存中间气体。 至于产物应该选择计量罐和球形罐。计量罐的装载时间一般为2-4小时，产品储罐时间为10天。 由于所储存烃类属于甲级危险物质，各个储罐之间的间距设置为1.0 D，其间距要满足0.6 D的要求，符合化工企业设计防火规范。防护墙外与最近的厂内公路留7米的消防用地。7.10.4贮罐设计的一般程序 1. 汇集工艺设计数据 2. 选择容器材料 3. 容器型式的选

32、用 4. 容积计算. 5. 确定贮罐基本尺寸 6. 选择标准型号 7. 开口和支座 8. 绘制设备草图(条件图)标注尺寸，提出设计条件和订货要求 7.10.5设计举例混合芳烃储罐（1）基本性质无色透明液体，窄馏分重整芳烃抽提所得的芳烃混合物。其中含有苯、甲苯、二甲苯。可作为石油树脂、汽油、溶剂的原料。低闪点，易燃易爆，沸点85-175，密度0.80-0.89。（2）工艺要求工业上一般采用常温常压下保存。本厂混合芳烃储存温度为24，储存压力为0.1Mpa，进料量为131.6742m3/hr，混合芳烃从总厂运输，确定储存时间为5天，总体积为（3）选型结果储存量较大，按总体积要求，充装系数为0.9，

33、则储罐体积为由于储存条件符合HG 20502.2-92-127 钢制立式圆筒形内浮顶储罐系列，选择3个公称容积为5000m3，储罐内径为21000mm的储罐，其标准代号为HG 21502.2-92-125，储罐材料选择Q345R。对二甲苯储罐（1）基本性质无色透明液体，具有芳香气味。比重0.861，熔点13.2，沸点138.5，闪点25。可燃，低毒化合物。（2）工艺要求工业上通常储存于阴凉、通风的库房，远离火种、热源，库温不宜超过30。本厂储存温度为20，储存压力为0.1Mpa。进料量为83.3m3/hr，确定储存时间为3天，则储存的总体积为（3）选型结果考虑充装系数为0.9，则需储罐体积。由于储存条件符合HG 20502.2-92-127 钢制立式圆筒形内浮顶储罐系列，选择3个公称容积为5000m3，储罐内径为21000mm的储罐，其标准代号为HG 21502.2-92-125，储罐材料选择Q345R。 精苯储罐（1）基本性质沸点80.1，密度0.8765g/cm3，临界温度288.94，临界压力4898Kpa，可燃，毒性较高，难溶于水，有强烈芳香气味。（2）工艺要求工业上通常储存于阴凉、通风的库房，远离火种、热源，库温不宜超过30。本厂的苯储存温度为 20，压力为0.1MPa，进料量为24.88664m3/hr，确定