课程设计说明书催化反应器设计

1、课 程 设 计 说 明 书 武 汉 工 程 大 学 化工与制药学院课程设计说明书课题名称 催化反应器设计 专业班级 学生学号 学生姓名 学生成绩 指导教师 课题工作时间 武汉工程大学化工与制药学院课程设计任务书专业 班级 学生姓名 发题时间： 年 月 日一 课题名称1万吨/年产邻二甲苯催化氧化制邻苯二甲酸酐反应器的设计二 课题条件（文献资料、仪器设备、指导力量）在过量空气存在情况下，以五氧化二钒为催化剂对邻二甲苯氧化制备邻苯二甲酸酐产品，反应气中的苯酐产品通过两级冷却得以回收，第一级得到液体产品，第二级得到固体产品，最后，对粗品采用精馏的方法进行精制。反应器为列管式固定床反应器，管内装球型催化

2、剂，管外采用熔盐循环以移走放应热，并副产高压水蒸气。反应产物以气体的形式从反应器移出，进入气体冷却器，用高压水冷却，并副产中压蒸汽。粗品采用精馏的方法进行精制得到产品邻苯二甲酸酐。邻二甲苯的转化率为100，转化为苯酐的选择性为79.生产时间按每年8000h计算。三 设计任务（含实验、分析、计算、绘图、论述等内容）使用迭代方法来确定满足所有关于邻二甲苯转化率和温度分布要求的最优设计。由计算机模拟得到的设计参数包括：完全反应所需的管长，为有效控制温度所需的管径，能将温差减小到可接受程度的冷却剂流量以及为有效散热和防止反应器内出现热点所需的总传热系数。（设计参数包括：反应管直径长度、催化剂装填高度、

3、壳程换热面积、压力降、冷却剂流量、沿管程温度分布、沿管程组成分布、传热速率、反应物及产物和冷却剂的流速。要求：编写邻苯二甲酸酐催化反应器模拟计算的FORTRAN程序，并在计算机上计算出上述各项设计参数；用CAD画出邻二甲苯氧化制邻苯二甲酸酐的工艺流程图及催化反应器的外型图；设计说明书逻辑清楚，层次分明，书写工整，独立完成；附简短的中、英文摘要。四 设计所需技术参数序号 名称 反应器进料组成（） 反应器出口气体组成（）1 邻二甲苯 9.5 2 氧气 19.0 5.33 氮气 71.5 71.54 苯酐 10.55 马来酸酐 0.66 CO2 6.67 水 5.58 杂质 0.19 反应原料进口温

4、度20510 反应温度30711 反应器出口温度30712 熔盐组成40NaNO2,7%NaNO3 ,53%KNO3(Wt%)13 熔盐入口温度37114 熔盐出口温度38515 反应压力175kPa五 设计说明书内容1 设计任务书2 题目名称，目录及页码3 前言包括设计依据、主要内容、特点等4 按设计任务顺序说明5 结语包括设计体会、收获、评述、建议、致谢等6 参考文献7 主要技术符号说明六 进度计划1 设计动员，下达任务 0.5天2 收集资料，阅读教材，理顺设计思路 0.51.5天3 编程，调试，设计计算 35天4 整理设计资料，撰写设计说明书 2天5 指导教师审查，答辩 2天指导教师签名

5、： 教研室主任签名： 年 月 日 年 月 日化工与制药学院课程设计综合成绩评定表学生姓名学生班级设计题目 邻二甲苯催化氧化制邻苯二甲酸酐反应器的设计指导教师评语指导教师签字：年 月 日答辩记录答辩组成员签字： 记录人：年 月 日成绩综合评定栏设计情况答辩情况项 目权重分值项 目权重分值1、计算和绘图能力351、回答问题能力202、综合运用专业知识能力102、表述能力（逻辑性、条理性）103、运用计算机能力和外语能力104、查阅资料、运用工具书的能力55、独立完成设计能力56、书写情况（文字能力、整洁度）5综合成绩指导教师签名： 学科部主任签名： 年 月 日 年 月 日4摘 要化学反应器是整个化

6、工工艺流程的核心设备，是化工生产中实现化学物质转化的必要工序，被誉为化工厂的“心脏”。本次课程设计是综合运用已学课程知识，完成以一个单元设备反应器设计为主的一次实践性教学，是连接理论和实际的重要桥梁，在整个教学过程中起到培养学生实际能力的重要作用。使用迭代方法来确定满足所有关于邻二甲苯转化率和温度分布要求的最优设计。运用计算机模拟并计算得到管长、管径、压力降、冷却剂流量等设计参数。反应器设计要求学生更加熟悉化工工程设计的基本内容。宗旨是使学生能够熟练掌握化工生产工艺设计理念、设计程序和设计方法，锻炼学生分析问题、解决问题的能力。培养学生综合理论知识解决实际问题的能力，训练学生的计算能力和思考问

7、题的能力，训练学生查阅技术资料、选用公式、搜集数据和制图的能力。关键词：催化反应器；设计；邻二甲苯AbstractChemical reactor is the core of the entire chemical process equipment, chemical production processes is necessary to achieve the transformation of chemical substances, chemical plant known as the "heart." The course has been designed

8、 to be integrated use of knowledge courses, complete with a unit device once the reactor design based practical teaching, is to connect theory and practice important bridge, play an important practical ability of students in the teaching process effect. Using an iterative method to determine satisfy

9、 all about the o-xylene conversion rate and temperature distribution optimum design requirements. The use of computer simulation and calculate the tube length, diameter, pressure drop, coolant flow and other design parameters. Reactor design requires students to become more familiar with the basic c

10、ontent of chemical engineering. Aim is to enable students to master the chemical production process design, design process and design methods, training students to analyze problems, problem-solving abilities. Students 'comprehensive theoretical knowledge and ability to solve practical problems,

11、training of students of computing power and the ability to think, and training students' ability to access technical data, the choice of formulas, data collection and mapping.Keywords：catalytic reactor；design；o-xylene 目 录摘 要IAbstractII前 言1第1章 文献综述21.1设计内容21.2催化反应器的分类21.3设计原理2第2章反应器设计参数的计算42.1物质的

12、理基础数据42.2物料衡算42.3计算机模拟52.4管数62.5壳程换热面积62.6压力降62.7.1管程压力降62.7.2壳程压力降72.7冷却剂流量72.8沿管程温度分布82.9沿管程组成分布92.10传热速率9第3章 设计结果汇总11第4章 结论与建议13致 谢14参考文献15附 录1621武汉工程大学本科课程设计设计前 言化学反应器是整个化工工艺流程的核心设备，是化工生产中实现化学物质转化的必要工序，被誉为化工厂的“心脏”。本次课程设计是综合运用化学反应工程 化工过程模拟 化工工艺学 化工设计及开发和化工制图等课程知识，完成以一个单元设备反应器设计为主的一次性实践教学，是连接理论和实际

13、的重要桥梁，在整个教学过程中起到培养学生实际能力的重要作用。本次设计使用迭代方法来确定满足所有关于邻二甲苯转化率和温度分布要求的最优设计。由计算机模拟得到的设计参数包括：完全反应所需的管长，为有效控制温度所需的管径，能将温差减小到可接受程度的冷却剂流量以及为有效散热和防止反应器内出现热点所需的总传热系数。（设计参数包括：反应管直径长度、催化剂装填高度、壳程换热面积、压力降、冷却剂流量、沿管程温度分布、沿管程组成分布、传热速率、反应物及产物和冷却剂的流速。）反应器课程设计要求学生更加熟悉化工工程设计的基本内容。宗旨是使学生能够熟练掌握化工生产工艺设计理念、设计程序和设计方法，锻炼学生分析问题、解

14、决问题的能力。培养学生综合理论知识解决实际问题的能力，训练学生的计算能力和思考问题的能力，训练学生查阅技术资料、选用公式、搜集数据和制图的能力。因自己学识有限，设计中一定有很多疏漏和错误之处，恳请老师同学批评指正。在此，感谢老师的耐心指导使得我的设计工作得以圆满完成！第1章 文献综述1.1 设计内容化学反应器是整个化工工艺流程的核心，是实现化学物质转化的必要工序。反应器的设计一般包括下列内容：1 根据反应过程的化学基础和生产工艺的基本要求，进行反应器的选型设计；2 根据化学反应与有关流体力学、热量、质量传递过程综合宏观反应动力学，计算反应器的结构尺寸；3 反应器的机械设计、稳定性分析。1.2

15、催化反应器的分类催化反应器是一个在其中发生催化反应的容器或罐，可由各种材料制成，材料的选择取决于反应发生时的温度和压力以及所要求的抗腐蚀性，催化反应器也可能有多种类型，这取决于所用催化剂的种类以及反应物和产物的物理特性。催化反应器可按各种方法分类， 根据催化作用的性质分类，可分为均相催化反应器和非均相催化反应器。如果催化剂并不形成与反应物或产物分离的单独相，则催化作用称为均相的。如果催化剂形成与反应物分离的单独相，则催化作用称为非均相的。根据在反应器中的催化剂颗粒是否移动，非均相反应器可分为：1 固定床反应器，颗粒固定在位置上称为密相固定床；2 移动床反应器，颗粒堆积在缓慢移动的密相床中，排出

16、某些结垢的颗粒并加入某些新鲜的颗粒；3 流化床反应器，催化剂颗粒被向上流动的气体托住如流化床一样；悬浮床反应器，催化剂颗粒悬浮在液体中。 1.3 设计原理在过量空气存在情况下，以五氧化二钒为催化剂对邻二甲苯氧化制备邻苯二甲酸酐产品，反应气中的苯酐产品通过两级冷却得以回收，第一级得到液体产品，第二级得到固体产品，最后，对粗品采用精馏的方法进行精制。反应器为列管式固定床反应器，管内装球型催化剂，管外采用熔盐循环以移走放应热，并副产高压水蒸气。反应产物以气体的形式从反应器移出，进入气体冷却器，用高压水冷却，并副产中压蒸汽。粗品采用精馏的方法进行精制得到产品邻苯二甲酸酐。邻二甲苯的转化率为100，转化

17、为苯酐的选择性为79.生产时间按每年8000h计算。反应的方程式为：主反应：副反应： 使用迭代方法来确定满足所有关于邻二甲苯转化率和温度分布要求的最优设计。由计算机模拟得到的设计参数包括：完全反应所需的管长，为有效控制温度所需的管径，能将温差减小到可接受程度的冷却剂流量以及为有效散热和防止反应器内出现热点所需的总传热系数。第2章反应器设计参数的计算22.1 物质的理基础数据由chemBlink化学品数据库查得反应物与生成物的基本信息与理化性质如表2.1所示。表2.1物质的理化性质名称邻二甲苯苯酐马来酸酐英文名o-XylenePhthalic anhydrideMaleic Anhydride分

18、子结构分子式C8H10C8H4O3C4H2O3分子量106.16148.1298.06密度0.8791.5±0.1g/cm3熔点-26-23 ºC129-132 ºC54°C沸点143-145 ºC284 ºC202.2222°C闪点31 ºC152 ºC103.3333°C溶解性6 g/L (20 ºC)2.2 物料衡算根据设计任务所给定生产要求，已知邻二甲苯的转化率为100，转化为苯酐的选择性为79，生产时间按每年8000h计算。进行物料衡算，计算出反应器出口气体的总流量，以及进出

19、口各组分的质量流量，为计算反应器的设计参数提供依据。如表2.2所示。出口气体的总流量为：1×1078000×0.105=11904.76kg/h表2.2反应器进出口物料组成及流量名称反应器进口组成/%进口质量流率kg/h反应器出口组成/%出口质量流率kg/h邻二甲苯9.501130.9524O219.002261.90485.30630.9524N271.508511.904871.508511.9048苯酐10.501250.0000马来酸酐0.6071.4286CO26.60785.7143水5.50654.7619杂质0.1011.90482.3 计算机模拟计算机模拟

20、，使用迭代方法来确定满足所有关于邻二甲苯转化率和温度分布要求的最优设计。图2.1温度、转化率与l的关系图关系由计算机模拟结果，为有效控制温度所需的管径取为21×4mm.2.4 管数反应器所需要的列管数（正方形排列，管心距PT=32mm）为：N=1×10780000.34=3677根所以最终排管密度为一根管0.032m2=977根管/m2最小管束面积为3677977×99%=3.81m2由公式D24=(NPT)2得最小管束直径为D=4×3677×0.03223.14×99%=2.75m3m2.5 壳程换热面积使用Kern(1950)的方

21、法，用雷诺数和普朗特数来确定壳程换热面积：A=DiC'BPT其中A：壳程错流面积，m2；Di：壳内径，m，Di =3m；C'：列管间距，m， C'=30-21=9mm=0.009mB：折流板间距，m，一般取壳径的（0.21）倍，取B=3×0.2=0.6mPT：管心距，m，取32mm，即PT=0.032m因此，壳程换热面积为A=DiC'BPT=3×(30-21)×10-3×0.60.032=0.51m22.6 压力降2.6.1管程压力降通过催化剂的压降，由填充床的方程计算：PL=150×1-DP+1.75G

22、5;1- ×GDPg其中为填充床层空隙率，=0.405；为气相粘度，=3.34×10-5Pa.S；DP为颗粒直径，DP=6.0mm；G为质量流量，G=2.60kg/(m2.s)； 为气相平均密度，=0.77 kg/m3 L为床层高度，L=4m所以P4=150×1-0.405×3.34×10-56×10-3+1.75×2.60×1-0.405 0.405×2.606×10-3×0.77×9.81P=1.505KPa管程压降有三部分：催化剂床层、丝网和支撑以及出入口损失。催化剂层

23、压降：P0=1.0757KPa丝网和支撑：P1=0.3 KPa出入口损失：P2=0.1 KPa管程总压降P=1.505+0.3+0.1=1.905KPa2.6.2壳程压力降Kern给出了计算管式换热器壳程压降的关联式：P=fGs2×Ds(N+1)2gDe其中f 为摩擦因数；Gs为熔盐质量流量；Ds为壳层内径，Ds=3m； N折流板数，N=6； 为熔盐密度，=1851kg/m3； Ds为有效管径，Ds=0.02079 ；为管程数，=1当Re0>500时适用f0=5Re0-0.228则摩擦因数f=5×12687.67-0.228=0.5799所以P=0.5799×

24、;1020.142×3×(5+1)2×1851×9.8×0.02079×1=16802.54Pa=16.802kPa2.7 冷却剂流量由公式UA0T=msCpsTs1-Ts2设U初值为70W/(m2.), T=T1-T2=307-205=102tm=t1-t2lnt1t2=371-205-385-307ln371-205385-307=116.51A0=HrUtm=13995×10370×116.51=1715.51m2m=UA0TcpsTs1-Ts2=70×1715.51×1021.61

25、15;103×(385-371)=520.27kg/sG=mA=520.270.51=1020.14kg/(m2.s)u=G=1020.141851=0.55m/sPr(377)=6.29Re=du=Gd=1020.14×0.024751.99×10-3=12687.67查Re与jH的关系线图，得到 jH=42因此Nu=jH×Pr0.33=42×6.290.33=77.06 De=0.99d0=0.99×0.021=0.02079mmh0=NukDe=77.06×0.5150.03168=1252.64w/(m2.)hk=2

26、kdln(d0di)=2×250.032+0.0252ln（3225）=7106.80w/(m2.)1U=1hi+1h0+1hk=174.85+11252.64+17106.80则总传热系数为U =69.93 w/(m2)本次迭代以初值U的值相差为70-69.9370×100%=0.1%所以相差小，迭代结束。因此熔盐流量为520.27kg/s2.8 沿管程温度分布Calderbank推导了一段反应管区间内的能量平衡： T-Tw=-e-l-e-l其中=B×S×M-G； =Hry0cp；=2URGcp；T：反应气体温度，；Tw：管壁温度，；y0：二甲苯摩尔分

27、率；Hr：邻二甲苯的摩尔放热量，Hr=13395KJ/mol；Cp：反应物的热容，cp=1.19KJ/(kg.)R：列管半径U-总传热系数，U70W/(m2.)。考虑了循环导热盐后，在一段反应管区间内的热平衡如下T1TrmcpdT+my0Hrx2-x1=T1T2mcpdT+UATmy0Hrx2-x1=mcpT2-Tr+UAT其中m为质量流量；T为列管平均温度 T=0.8Tgas+0.2Twall； A为换热面积T=T-Tsalt需要迭代确定。用同一区间的能量平衡可以计算出盐的温度变化UAT=mscpsTs1-Ts2其中ms为熔盐质量流量，kg/s; cps为导热盐热容cps=1.61KJ/(k

28、g.) =B×S×M-G=1500×0.8×36.329359.24.65 =Hry0cp=13395×0.028×4.651.19=1465.57 =2URGcp=2×700.0105×9359.2×1.191.20 R=0.0212=0.01052.9 沿管程组成分布假定反应具有一级反应动力学特征，速率常数与温度无关dxdl=-k1-x x=1-exp(-L)=B×S×M-G其中B：催化剂床层的装填密度， B=1500kg/m3S：指前因子，由Calderbank(1974)实验测

29、定，值为0.8M-：进料的平均分子质量；G：表观气体流量kg(m2.h)M-=0.905MWair+0.095MWox=0.905×29+ 0.095×106=36.32G=3.24kg/h4×0.0252m=9359.2kg(m2.h)=2.6kg(m2.s)=B×S×M-G=1500×0.8×36.329359.24.652.10 传热速率管程换热系数Kreith和Bohn(1986)给出了基于努塞尔特数（Nusselt）的管程换热系数关联式：Nu=0.203(RePr)0.33+(0.220Re)0.8Pr0.4其中

30、Re=GD(1-) ； Pr=cpk ； hi=NukD ；则Re=GD(1-) =2.60×0.0213.34×10-7×（1-0.405）=2.75×105Pr=cpk=1.19×3.34×10-70.0499=7.97×10-6Nu=0.203(RePr)0.33+(0.220Re)0.8Pr0.4=0.203（2.75×105×7.97×10-6）0.33+0.220（2.75×105）0.8×（7.97×10-6）0.4=0.203×1.2956

31、+0.220×205.139645.39hi=NukD=45.39×0.04990.021=107.86W/(m2.)第3章 设计结果汇总设计数据汇总表如下所示。表3.1设计结果汇总表项目内容反应器反应器类型管式固定床催化反应器方向垂直操作方式连续进料反应物100%邻二甲苯，空气空气与烃的比率9.5:1烃负荷340g/(h.管)总流量39523.80（kg/h）温度205压力175kpa催化剂类型五氧化二钒V2O5邻二甲苯转化率100%苯酐的选择性79%苯酐产率1.10kg/kg（邻二甲苯）载体6mm瓷球支撑方式金属丝网和夹环列管数目3677长度4.0m催化剂填充高度3.9

32、m内径21mm外径25mm规格BWG12(高规格)传热面积0.51m2程数单程，向上列管排列方式正方形直排列管间距7mm压降2.221kpa入口温度205出口温度370壳程流体导热盐流体组成（质量百分数）40%NaNO2,7%NaNO3,53%KNO2流量215057.23(kg/h)入口温度371出口温度385每管移出的热量2783.3w传热系数82.8697w/(内径5000mm程数单程折流板3压降2.221kpa第4章 结论与建议致 谢最后，感谢学校开设了课程设计这门课程，让我有了一次能够学以致用的机会，此次设计不仅巩固了所学的化学反应工程知识更极大拓宽了我的知识面，让我认识了实际化工生

33、产过程和理论的联系和差别，这对将来的毕业设计无疑将起到重要的作用。但因自己学识有限，设计中一定有很多疏漏和错误之处，恳请老师同学批评指正。最难忘的是得到了老师的热心指导使得我的设计工作得以圆满完成，#老师耐心的辅导和帮助使我这次的课程设计事半功倍！在此，向他们表示衷心的感谢！参考文献1 吴元欣，丁一刚，刘生鹏. 化学反应工程M. 北京：化学工业出版社，2010.62 吴元欣，张珩. 反应工程简明教程M. 北京：高等教育出版社，2013.3 田文德，汪梅，王英龙. 化工过程计算机辅助设计基础M. 北京：化学工业出版社，2012.84 孙兰义. 化工流程模拟实训：Aspen Plus教程M. 北京

34、：化学工业出版社，2012.5 熊杰明, 杨索和. Aspen Plus实例教程M. 北京：化学工业出版社，2013.6 尹先清. 化工设计M. 北京：石油工业出版社，2006.117 邹兰，阎传智. 化工工艺工程设计M. 成都：成都科技大学出版社，1998.88 米镇涛. 化学工艺学M. 北京：化学工业出版社，2006.39 谭荣伟. 化工设计CAD绘图快速入门M. 北京：化学工业出版社:，2014.7附 录附录1计算机程序模拟： FORTRAN清单Program to model temperature and composition profilesIn catalytic tubula

35、r fixed bed reactor for the partialOxidation of ortho-xylene to phthalic anbydride····································&#

36、183;·················································&#

37、183;···Variable names refer to equations derived in Appendix B.DOUBLE PRECISION X(0:90),T(0:90),TS(0:90),TW(0:90),ENGTH(0:90),FLOW,S_FLOW,AREA,CP,S_CP,DEL_T(2),TR1,R2,DENS,MW,G,Y0,RADIUS,TOTLEN,EFFLEN,ALPHA,TA,GAMMA,FACTOR,S,HC,U,HEAT_R.WTEGER I,KDefine output file for results.PEN(FIL

38、E=“REACTOR.DAT”,UNIT=3.5,STATUS=“OLD”)···········································

39、3;················································Physical p

40、roperties commom to both catalysts.DNS=1500DIUS=0.0125EA=0.003927AT_R=12868HC=210/1000CP=1.19S_CP=1.61Physical properties specific to the LAR catalysts.FLOW=0.00100G=9813.862Y0=0.0952MW=30.9Physical properties specific to trational catalystsFLOW=0.00139G=10170Y0=0.0356MW=29.8Define constantsALPHA=DE

41、NS*S*MW/GBETA=HEAT_R*Y0*ALPHA/CPGAMMA=2*3600*HC/(RADTUS*G*CP)PRINT*,LAR CATALYSTPRINT*,COUNTER-CURRENT SALT FLOWPRINT*,GRADUATED CATALYST ACTIVITYPRINT*Parameters to be inputted by the user.PRINT*,LENGTH OF TUBULAR REACTOR(m):READ*,TOTLENPRINT*,TOTAL SALT FLOW(T/HR):READ*,S_FLOWPRINT*,HEAT TRANSFER

42、COEFFICIENT(W/M2/C):READ*,UPRINT*,CORRECTION FACTOR FORFLOW ARRANGEMENTREAD*,FACTORCorrections for unitsS_FLOW=S_FLOW/(13500*3600/1000)U=U/1000Set conditions at entrance to reactor.LENGTH(0)=0EFFLEN=0X(0)=0T(0)=300TS(0)=385TW(0)=T(0)Initialize variables.DO 30 J=1,60X(J)=0.5T(J)=0.5TS(J)=400TW(J)=400CONTINUK=INT(TOTLEN/0.05)+1······································&