反应器设计毕业设计

2.3反应器的设计计算反应器的机械设计遵照AS1210(无明火压力容器)标准。反应器将由低合金铭钢制成，用矿渣棉保温，由圆柱裙座和水泥地基支撑。2.3.1列管数的计算本设计采用的列管规格为6323.5mm,长度为3米，催化剂堆积高度为2.8米，催化剂的类型为:五氧化二钒和二氧化钛，载体为6mm瓷球，支撑方式为金属丝网和夹环［18］。根据《化工设计项目设计手册》可知，类列管的烃负荷为340g/(管*h)。根据物料衡算可知烃进料为6622Kg/h则所需的列管数为：6622/0.34=19476.5根即需要列管19480列管以正三角形排列，管心距为40mm根据公式： NT=3a(a+1)+1Nt----排列在六边形内的列管数a------六边形的层数设a=78NT=3X78X(78+1)+1=18487设每个弓形排列列管数为172根，则弓形部分列管排列数为：172X6=1032根；总计：18487+1032=19519根，但因为反应器中间部位的三圈管子作为支撑，并不进行反应，所以在进行排列时要减去这三圈管数，因为NT=3a(a+1)+1，所以三圈管子的数量为37根。则实际的排列的管数为17941-37=17904根。2.3.2.塔径的计算：六边形对角线：L=78X2X40=6.24m则反应器的直径DL=L+d0=6.24+0.032=6.272m (d0为列管外管径)根据公式Di=DL+2b3计算反应器内径因为b3N0.25d0 0.25d0=0.25X32=8mm所以b3=10mm则反应器内径Di=DL+2b3=6.272+20=6292mm=6.292m所以Di取6.5m2.3.3管程压力降的计算:

反应器的质量流量[13,16]: G=一6.9522X104一=7273.43kg/m2.h兀19482x0.0252x-4流体的热导率:人f流体的热导率:人f=0.0447kal/m.h.l黏度:H=0.033cp Icp=10-3pa)密度:质量流量:P密度:质量流量:P=077kg/m3fG=7273.43kg/m2h=2.02Kg/m2-s床层的空隙率:0.405床层的空隙率:0.405管程压力降为:AP~LAP\"dAP~LAP\"dp+'•叫/150(—0.405)x3.34x10-5…」 +1.75x2.02J1—8G83dpgp1—0.405 2.02 x 0.4053 6x0.53x9.81AP=6.15KPa2.3.4反应器壁厚的计算:苯酐和顺酐蒸汽对于大多数钢而言腐蚀性不强，平均腐蚀速度通常小于0.05mm/s，而冷却盐在高温下具有强氧化性，因此需要相当含量的铭组分以提高抗腐蚀性，格组分的添加同时改善了高温下的机械性能，所以需用不锈钢316型，年腐蚀速度低，在430°C时许用应力为109MPa网由《化工机械基础》）查得壁厚的公式:PDO= c~i—+c2laJ甲一p式中:Pc_计算压力，Pc=2.2MPa（根据《化工设计项目设计手册》）Di一塔内径，Di=6500mm3—许用应力，k】=109MPa中—焊接接头系数，中=1.0C一腐蚀量，C=22.2x6500 |1QI1.<32x109x1.0—2.28=67.57mm圆整后，5=68mm2.3.5封头的计算:标准椭圆封头的最小壁厚5=PD—2卜1平一0.5Pc5=68mm封头的曲面深度h=D=郭=1625mm4 4直边高度h0=50mm裙座上开人孔直径为500mm，人孔2个裙座高2.3m校核：当m^V卜］中时，符合强度要求mPD452x2.2x6500「= =105.15MPa4x68所以譬V卜］中 符合强度要求2.3.6反应器的高度的计算筒体高度为3m，封头的曲面深度为1.625m，直边高度为50mm，裙座高2.3m,反应物料的进出口开在器壁，故器壁部分列管上下各留出1.5米。贝。 Hi=3+1.5x2+1.625=7.625m所以反应器总高度H总=7.625+2.3=9.925取H总=10m筒体高度H0.=3+1.5x2=6.0m2.3.7开孔补强的计算：由《化工项目设计训练》得:讷.45%=&41丽①反应器进口质量流量69522kg/h，密度为1.04kg/m3Dopt=8.41X695220.45：1.040.3i=1254.5mm其中D为管径；w为质量流量，kg/h；p为液体密度，kg/m3选择了高于最佳值得最接近标准尺寸。因此，对于反应器气体进料，指定了1500mm的管口尺寸[18]反应器出口质量流量69038.044kg/h，密度为0.85kg/m3Dopt=8.41X69038.0440.45：0.850.31=1331.27mm由于管子得结构材料比普通碳钢贵得多，所以选择了低于最佳值得最接近标准尺寸。因此，对于反应器气体进料，指定了1000mm的管口尺寸。熔盐进口质量流量3.82X106密度为1856kg/m3Dopt=8.41X38200000.45：18560.31=747.25mm由于管子得结构材料比普通碳钢贵得多，所以选择了低于最佳值得最接近标准尺寸。因此，对于反应器气体进料，指定了1400mm的管口尺寸。熔盐出口质量流量16.02X106密度为1846kg/m3Dopt=8.41X160200000.45：18460.31=746.37mm由于管子得结构材料比普通碳钢贵得多，所以选择了低于最佳值得最接近标准尺寸。因此，对于反应器气体进料，指定了1400mm的管口尺寸。.由《化工项目设计训练》得补强由经验公式：A=Dt式中：Ar—在某投影面的补强面积，mm2D一孔径加上两倍的腐蚀余度，mmt_外壳厚度，mms反应器气体进料口和产物出口的补强面积为：Ar=(1500+4)X61=91744mm2熔盐管口补强： Ar=(1000+4)X61=61244mm2人口补强：A=(500+4)x61=30744mm22.3.8各个重量的计算:1).塔体重量：由《化工容器及设备简明手册》可以查得筒体每米的质量G=7850x兀(DN+8)x5x10-6x1kg=9865.05椭圆型封头的每米重量为4641.95kg塔体的重量G1=6.775X105.内件质量：管子重量：共有管子19482根，2个管板，由《化工容器及设备简明手册》查得，管子每米质量2.46kg管子重量：3X2.46X19482X9.81=1.41X106N管板重量：由《化工容器及设备简明手册》查得，每平方米管板质量是785.0kg兀管板的重量：785.0x2x9.81x5.82x_=4.07x105N4角钢量：用100x100的不锈钢热轧等边角钢，每米质量为15.1kg，所以角钢量为：6.5X15.1X3X9.81=2.889X103N・.・内件总重量：G2=1.41X106+4.07X105+2.889X103=1.8199X106.保温层重量：保温层最佳厚度为150mm，即5p=0.15m保温材料比重为y=2943N/m3・.・保温的重量G3=^4(D.+25+25)-(D+25)Hy=0.785X[(6.5+2X0.061+2X0.15)2—(6.5+2X0.061)2]X6X2943=56322.17N.平台及扶梯重量：其中需要两个扶台，每个平台宽度B=0.9m，高度1m，平台质量q=150kg/m2，开式的扶梯高度H=9m，单位质量q^=20kg/m，由《化工容器及设备简明手册》得，G=—P(D+28+28+2B»-\D+28+28)2]1nq+qxHg=0.785X4 4l_ins ins」2fff[(6.5+2X0.061+2X0.051+2X0.9)2—(6.5+2X0.061+2X0.15)2]X0.5X2X150X9.81+20X9X9.81=3.43X104.物料重量：封头容积：12.78m3筒体容积：0.785d2X6=0.785X6.52X6=198.99m3催化剂重量：每个管子的催化剂的量0'34kg，共有19482根，催化剂的总重量为：19482X0.34X9.81=6.50X104N气体重量：密度为p=1.04kg/m3气体重量：Pvg=1.04X(12.78X2+198.99)X9.81=2290.95N熔盐重量：熔盐的体积：0.785Xd2X3=0.785X6.52X3=99.50熔盐的密度：p=1856kg/m3熔盐的重量：Pvg=1856X9.81X99.50=1.812X106・.・操作时物料重量：G5=6.50X104+2290.95+1.812X106=1.879X106N.附件重量由《化工容器及设备简明手册》查得：G6=0.25G1=0.25X6.775X105=1.694X105.充水重量：由《化工容器及设备简明手册》查得：G=—D2Hpg+2Vpg7 4i0w fw=0.785x5.82x6x1000x9.81+2x12.78x1000x9.81=2.203・.•根据以上的计算结果可以求出操作重量： g=G+G+G+G+G+G=4.64x1060 1 2 3 4 5 6水压减弱重量：Gmax=G1+G2+G3+G4+G5+G6+G7=6.843X106

安全重量：Gmin=G1+0.2G2+G3+G4+G6=1.302X1062.3.92.6.4换热面的校核：反应温度为：370°C-430°C，熔盐温度为370°C-385°C床层温度为：385C传热系数为550kJ/(m2•h•K)32.5CA (430-370)—^385-370)32.5CAt= m 1430-370ln 385-370需要传热面积为：A=1―需K需要传热面积为：A=1―需K-Atm实际传热7.494x107550x32.5=4194.448m2面积为A实=m"l=18482x3.14x0.032x2.8=5199.80m2因为A实〉A需，所以能够满足换热要求。2.3.10,压力的校核：1）管程压力校核：管程的压力分三个部分：催化剂床层，丝网和支撑，出入口的损失①通过催化剂床层的压降：AP,150(1-8川 1-8GT=(Dp +侦沁)M示其中：8=0.405r=3.34x10-5MPa-sDp=6.0mm G=6.5X104kg/m2・sp=0.77kg/m3L=床层高度=3mAP=4.21KPa②丝网和支撑及出入口的损失的压降:APAP2=0.3KPaAP=0.1KPa③管程总压降AP=A。+AP2+AP=4.61KPa③管程总压降反应器的出入口的压力分别为：200和220Kpa实际压降为：AP=220-200=20KPa

因为ap实〉ap，所以管程压力降符合要求。2.3.11.反应器床层温度分布的计算：采用一维模型法，认为反应器近似于平推流反应器。①立关键组分摩尔分率，温度，压力随管长的变化的微分方程式。O—X(A)TK1T苯酐+1108.7kj/molO—X(A)TK2TCO+4620.3kj/mol尸］=K1PPqL2P尸］=K1PPqL2PaPo2K=exp(-14300/1+18.970)其中，P为atm计算。（2）.催化剂为匕O5-TiO2催化剂，活性组分极薄，可以忽略内扩散的影响。其堆密度为pb=1730kg/m3，催化剂床层内气体的表观质量流速为G=3544.58kg/m2-h=0.984kg/m2-s。气相主体和颗粒表面间的传递力也可以忽略不计。操作压力（入口）P=2.12atm，反应管内径d广25mm，熔盐平均温度650.5K作为定性温度Ta,K=1250.45kcal/(m2-h-K)..反应气体的Cp=0.25kcal/kg•K=1.046kj/kg•K，平均分子量为30.295，p=0.8498kg/m3i70 yA0=0.01656 *2=0.20209（3）.设PA收率为y，CO,CO2的总收率为y，床层温度为T，床层压力B 匕 c b降P作为状态变量。取床层高度Z作为自变量，则一维平推流数学模型如下:G=29.83mol/m2-sGy•dy/dz=prA0 B bBGy•dy/dz=prA0 c bC__一.一 一 .nde2GC•dT/dz=pr(-AH)+pr(—AH)-(ndK)(T-T)/——P,m b bB 1bc 2 eba4苯酐生成速率：二=r=KPPo氧气进口摩尔分率为：y可视为常量。p=Py(1-y-y)AA0BC所以，r=KP2yy(1-y-y)B1 A0OBCr=r=K2PP=K2P2yy(1—y—y)

c2AO2 A0OBC带入已知数据得：m=exp(19.873-13500/1)(1-yB-yC)n=exp(18.970-14300/1)(1-yB-yC)TOC\o"1-5"\h\zdyB/dz=0.8851m ④dyc/dz=0.8851n ⑤dTJdz=357.581m+1230.13n-6.31x(T-644.15) ⑥考虑床层压降的影响：由Ergun方程式计算(不考虑压头效应)整理得：-dp/d=G2RT/dPM(1-e片3•[150(1-e)/(dG/p)+1.75]即dp/d=-0.0000728T/P ⑦对由④、⑤、⑥、⑦组成的微分方程进行计算。已知初始数据为：z=0 yB=0yC=0计算结果见表：表11床层温度分布床层高度Z(m)床层温度Tb(K)床层压力P(kPa)0.1633.9182000.2639.750219.4290.3644.274218.8570.4647.793218.2850.5650.436217.7140.6652.244217.143

0.7653.227216.5710.8653.410216.1080.9652.869215.4291.0651.739214.8571.1650.198214.2861.2648.439213.7141.3646.629213.1431.4644.893212.5711.5643.306212.1081.6641.902211.4291.7640.686210.8571.8639.644210.2861.9638.754209.7142.0637.993209.1422.1637.337208.5712.2636.768207.9922.3636.267207.4282.4635.822206.8572.5635.422206.2852.6635.059205.7142.7634.727205.1432.8634.420204.5712.9634.135203.9933.0633.868203.4280.1633.9182000.2639.750219.4290.3644.274218.8570.4647.793218.2850.5650.436217.7140.6652.244217.1430.7653.227216.5710.8653.410216.1080.9652.869215.4291.0651.739214.8571.1650.198214.2861.2648.439213.7141.3646.629213.1431.4644.893212.5711.5643.306212.1081.6641.902211.4291.7640.686210.8571.8639.644210.2861.9638.754209.7142.0637.993209.1422.1637.337208.5712.2636.768207.9922.3636.267207.4282.4635.822206.8572.5635.422206.2852.6635.059205.7142.7634.727205.1432.8634.420204.5712.9634.135203.9933.0633.868203.4282.4辅助设备的计算及选型:2.4.1空气预热器Q=252.54X36347=9.18X106kJ=9180kw换热系数u=200w/m2/C，根据A^=%：,2得出对数平均温差72.5°Cln—At2换热面积A。=Q/uT=9180/0.2X72.5=663.1根据以上计算结果由《化工容器及设备简明手册》查得，设备规格为直径。19x2,长度L为4500mm，公称直径DN为1200mm，管程为6。2.4.2邻二甲苯预热器Q=〔42.62+72.765〕X36347=4.194X106kJ=4194Kw换热系数u=500w/m2.C，根据At=*1a；‘2得出对数平均温差72.5Cln—At2换热面积： Q/ut=4194/(0.5X72.5)=115.7m2根据以上计算结果由《化工容器及设备简明手册》查得设备规格为直径。25x2.5,长度L为4500mm，公称直径DN为700mm，管程为4。2.4.3.气体冷却器热负荷：Q=1.384X107kJ=13820KW由《化工项目设计训练》得换热系数u=500w/m2.°C,根据At=生」3得出对数平均温差75.51°cln—u

At2换热面积：Q/uT=13820/(0.5X75.51)=366.04m2根据以上计算结果由《化工容器及设备简明手册》第878页查得设备规格为直径。19x2,长度L为4500mm，公称直径DN为1000mm，管程为4。2.4.4.后冷器热负荷：Q=4.86948X106KJ=4869.48KW由《化工项目设计训练》得换热系数u=500w/m2.C，根据At=At1~At2得m「Atln—1At2出对数平均温差95.70C换热面积： Q/uT=4869.48/(0.5X95.70)=101.77m2根据以上计算结果由《化工容器及设备简明手册》查得设备规格为直径。19x2,长度L为3000mm，公称直径DN为700mm，管程为6。切换冷凝器：热负荷：Q=5578712kJ=5578.712kw由《化工项目设计训练》得换热系数u=500w/m2.C，根据A、=At1AAt2In—1At2得出对数平均温差74.74C换热面积： Q/uT=5578.712/(0.5X74.74)=149.28m2根据以上计算结果由《化工容器及设备简明手册》第878页查得设备规格为直径。19X2，长度L为4500mm，公称直径DN为600mm，管程为1。熔盐冷却器：热负荷：Q=4.27X104X36347=1.552X109kJ=1.552X106kw由《化工项目设计训练》得换热系数u=500w/m2.C，根据At=At1~At2得m「Atln—1At2出对数平均温差387.93C换热面积： Q/uT=1.552X106/(0.5X389.93)=7960.4m2

根据以上计算结果由《化工容器及设备简明手册》第878页查得设备规格为直径'25X2.5，长度L为6000mm，公称直径DN为1600mm，管程为6。设备一览表：表12设备一览表序位号设备名称标准及规格材料数号1X0103空气过滤器Q235A量12V0101。—X储罐Q235A13X0105消声器F21102-04R1-AQ235A4P0101。-X屏蔽泵Q235A25X0102出口消声器Q235A16E0102O-X预热器HG21503-92Q235A17E0101空气预热器Q235A18C0101空气鼓风19X0101（机-X过Q235A110X0102原料混合Q235A11E0103蒸^过热Q235A1器12E0104电加热器Q235A113P0102轴流泵20114R0101反应器44000x1220R115X0106盐浴控制16E0105熔盐换热JB/T4715-9210117V0102熔盐储槽10118V0103汽包Q235A119E0106气段冷却JB/T4715-92Q235A120E0106水段冷却JB/T4715-92Q235A121E0201热熔箱10622P0201热油泵250YS-150*2Q235A223P0202冷油泵150YS-67*9Q235A2

2425V0203E0202粗苯酐罐冷油换热HG215021-92-202HG21503-92Q235AQ235A1126E0203热油换热HG21503-92Q235A127P0402真空泵2BE1203-0Q235A128P0103水泵IH80-50-315Q235A229P0204耐酸泵HTB80-50-2000Gr18Ni9Ti230P0205耐酸泵HTB80-50-2000Gr18Ni9Ti231E0401粗苯酐加HG21503-92Q235A232V0401热器理槽JB1422-74Q235A133V0106软水罐HG215021-92-205Q235A134V0105除氧水罐Q235A1表12（续）设备一览表序号位号设备名称标准及规格材料数35 V0107闪蒸罐Q235A136 E0107水预热器Q235A137 T0201吸收塔42200x15000Q235A138 V0404缓冲罐HG215021-92Q235A139 V0405缓冲罐HG215021-92Q235A240 P0303蒸汽喷射泵2BE1203-0Q235A141 T0301轻塔4800x20000Q235A142 E0304轻塔再沸器HG21503-92Q235A143 X0303离心机Q235A144 E0402成品塔冷HG21503-92Q235A145 V0301苯酐储罐JB/T4715-92Q235A246 X0403切片机Q235A347 X0401捕集器JB/T4715-92Q235A148 P0403引风机49 X0404旋风分离CLK-25050 V0404分相器Q235A151 V0408碱洗罐Q235A152E0405热熔捕集JB/T4715-92Q235A253T0301第一处理HG21503-92Q235A154T0302第二处理HG21503-92Q235A155E0401成品塔釜Q235A156P0301酸泵HTB80-50-2000Gr18Ni9Ti57V0308中和罐Q235A158V0309放空罐Q235A159P0302粗苯酐泵DHY25-2000Gr18Ni9Ti160V0302轻组分储Q235A161T0402成品塔①1400x16000Q235A162P0401成品泵DHY25-2000Gr18Ni9Ti12.5非工艺设计条件2.5.1土建设计条件1） 室内地坪标高比室外地坪标高高出0.5米，如有特殊要求，另彳丁提出。2） 室外主要操作去及通道设混凝土地坪，并考虑排水。3） 受腐蚀性介质作用的生产厂房，设备基础及场地应采取必要的防腐措施。4） 工段主要有毒有害气体为苯酐，但车间内有毒有害气体浓度较低。5） 室内楼板上的安装孔有盖板，如安装安全杆，则栏杆应为可拆卸的。内楼板上的管孔有高度小于10米的堰。7）土建设计条件由工艺流程图、平立面布置图、人员情况表、设备一览表、劳动保护条件和安装、运输要求所决定[19]2.5.2车间人员一览表表13车间人员一览表工种一班二班三班备员管理人员合计预热岗位222219反应岗位3333113冷凝岗位3333113仪表岗位222219化验员 1111 1 5合计 11 11 11 11 5 492.5.3供电照明设计条件.供电生产特点、用电要求：苯酐工业与其它化学工业一样，具有生产连续性强的特点，生产愈连续，愈稳定，各项经济指标愈好。为满足用电负荷对供电质量和供电可靠性要求，保证正常生产及安全停车的要求，按上述苯酐生产特点，苯酐氧化工艺生产及对其服务的公用工程用电负荷属于重要负荷等级，故应设双回路电源线路供电，而检修与生活行政设施属一般负荷等级，可单回路电源线路供电。连续进行的重要电机，在仪表室内安装电流表，并有运行指示和事故信号。.照明照明方式可分为：一般照明、分区照明、局部照明和混合照明。照明种类可分为：正常照明、应急照明、值班照明、警卫照明和故障照明。照明位置，地段：⑴在原料，产物及中间产物储罐处，除正常的室外工作照明外，在管道的视镜或设备视镜及液面指示剂处设局部照明。⑵为确保生产的连续性，在生产车间装设备用照明。避雷要求：要求避雷，设置避雷针。采用集中整体避雷。2.5.4仪表控制设计条件.控制方式采用指示仪表集中显示，集中自动化控制。.车间平立面布置见图纸.控制条件根据物料衡算和热量衡算的结果，可以知道车间的工艺控制指标为：表14工艺控制指标序号控制点名称单位 控制范围 测定方式1 邻二甲苯流量 kg/h5354-5356 孔板流量计2邻二甲苯/空气1：18.4流量计3空气预热温度C300热电偶4邻二甲苯预热温度C300热电偶5反应器预热温度C420-460热电偶6反应器熔盐温度C370-385热电偶7反应器入口温度C370热电偶8