列管式固定床反应器设计.rar

0 列管式固定床反应器列管式固定床反应器 设计说明书设计说明书 1 目录 第一章 设计说明 .2 第二章 工艺计算 .3 2.1 催化剂用量.3 2.2 反应器列管数.3 2.3 换热面积.4 2.3.1 热量衡算 .4 2.3.2 传热系数.4 2.3.3 核算换热面积 .6 第三章 设备尺寸计算 .7 3.1 反应器筒体直径 .7 3.2 反应器高度 .7 3.3 筒体和封头厚度.8 第四章 接管零部件尺寸计算.9 4.1 进料管.9 42 出料管.9 43 熔盐进出口.9 4.4 出气管.10 4.5 安全阀.10 4.6 温度计接管.10 4.7 人孔.10 第五章 设计结果汇总 .12 2 第一章第一章 设计说明设计说明 反应物呈气态,通过由静止的催化剂颗粒构成的床层进行反 应的装置,称为气固相固定床反应器,简称固定床反应器。固定 床反应器之所以成为气固相催化反应器的主要形式，是和它具 有下述优点分不开的。除床层极薄和流速极低外，床层内的流 体轴向流动可看成是理想置换流动，因而化学反应速度较快， 一般来说，为完成同样的生产任务，所需要的催化剂用量和反 应器体积较小，流体停留时间可以严格控制，温度分布可以适 当调节，因而有得于提高化学反应的转化率和选择性。此外， 固定床中催化剂不易磨损，可在高温高压下操作。 甲缩醛氧化是制得高浓度甲醛溶液的至关重要的一步，在 此设计过程中，甲缩醛在、的反应条件下进行MPa1 . 0C 340 反应： OHOCHOOCHOCHCH 222323 3 在此反应条件下，反应物料呈气态，并通过由静止的催化 剂颗粒铁钼催化剂构成的床层进行反应，故该反应采用气固相 固定床催化反应器。 甲缩醛在氧化过程中会放出大量的热，在此反应条件中达 到了257.7，为了维持适宜的温度条件，故采用熔盐移molkJ / 走反应放出的热量，并采用固定床反应器中换热条件较好的列 管式固定床反应器。 3 第二章第二章 工艺计算工艺计算 2.12.1 催化剂用量催化剂用量 此工艺采用列管式固定床反应器，催化剂填充于反应器的列管当中。反应 器列管为25mm2.5mm，管长2.5m, 催化剂填充高度为2m。催化剂为铁钼催化 剂，长圆柱形，粒度为2.3mm3.5mm，催化剂的空速为9400h-1。下面是反应 方程式： OHOCHOOCHOCHCH 222323 3 由物料衡算中可得，原料进料量为： 甲缩醛气:30506.1 L/min 空气：129317 L/min 由公式： v V V f R 上式中: 为催化剂床层体积，单位为m m3 3； R V 为原料气体体积流量，单位为m m3 3/ /h； f V 为催化剂空速，单位为h h- -1 1。 v 故得： )(02 . 1 9400 6010)1293171 .30506( 3 3 mVR 2.22.2 反应器列管数反应器列管数 给定管子为25mm2.5mm，故内径为0.02m，管长L为2.5m，催化剂填 t d 充高度为2m。故列管数 )(1624 2)02.0( 4 02.1 4 22 根 Ld V n t R 列管采用正三角形排列，实际取的管数为1900根。 4 2.32.3 换热面积换热面积 2.3.12.3.1 热量衡算热量衡算 由能量衡算可得，物料的摩尔生成焓依次为： 甲缩醛气：-339522.274J/mol 空气：2.934410-12J/mol 甲醛气：-63837.88J/mol 反应放热为257.7kJ/mol。 由物料衡算可得，物料的流量依次为： 甲缩醛气：70kmol/h 空气：313kmol/h 反应后气体（甲醛气）：515.6176kmol/h 甲醛气中所含甲醛：198.9264kmol/h 由以上条件可得： a. 原料气带入热量Q1=Q甲缩醛气+Q空气 =70339522.274+313（-2.934410-12） =23766559.18kJ/h b. 反应后气体带走热量Q2=515.617663837.88 =32915934.47kJ/h c. 由反应方程式为： OHOCHOOCHOCHCH 222323 3 可得：反应放出热量 hkJH n Q/76.1708777710 7 . 257 3 9264.198 3 3 3 甲醛 d.由a b c 可知： 传给熔盐的热量Q=Q1+Q3-Q2 =23766559.18+17087777.76-32915934.47 =7938402.47kJ/h 2.3.22.3.2 传热系数传热系数 由ASPEN PLUS模拟结果可知： 反应混合物热导率=0.1647 f )/(KhmKJ 5 黏度 =0.0994248 ； )/(hmkg 催化剂粒度为2.3mm5.5mm，故； mmd p 0023 . 0 给定管子为25mm2.5mm，故内径为0.02m，外径为0.025m，算术平 t d p d 均半径为0.0225m，管壁厚为0.0025m； m d 由物料衡算知： 反应物进料量为14181.652kg/h， f V 又因为床截面积S为0.5969m2,故表观质量流速 ； )/(84.23758 5969 . 0 652.14181 2 hmkg S V G f 熔盐对列管外壁的传热系数2=5400kJ/(m2hK)； 熔盐污垢热阻RS=2.444410-5(m2hK)/kJ； 列管的热导率钢=167.44kJ/(mhK)； 床层对壁总传热系数 )/(147.1406 ) 0994248 . 0 84.237580023 . 0 ( 02 . 0 1647 . 0 5 . 3 )/6 . 4exp()(5 . 3 2 02 . 0 0023 . 0 6 . 4 7 . 0 7 . 0 1 KhmkJ e dd Gd d tp p t f 总传热系数 K 计算如下： 6 )/( 9 . 1120 025. 0 02 . 0 104444. 2 0225 . 0 44.167 02. 00025. 0 025 . 0 5400 02 . 0 147.1406 1 1 1 1 2 5 21 KhmkJ d d R d d d d K o t s m t o t 钢 壁 2.3.32.3.3 核算换热面积核算换热面积 熔盐进口温度 295，出口温度为 325，整个床层近似地看成等 C C 温，为 340，故传热推动力为： C Ctm 30 2 )325340()295340( 需要传热面积为： 2 07.236 30 9 . 1120 47.7938402 m tK Q A m 需 实际传热面积为： 2 76.2381900202 . 0 14 . 3 mLndA t 实 A 实A需，能满足传热要求。 7 第三章第三章 设备尺寸计算设备尺寸计算 3.13.1 反反应应器器筒筒体体直直径径 列管式反应器壳体直径用下式计算： D=t(b-1)+2e 上式中 : t列管管间距，对于正三角形排列t=1.368d0，d0为列管外径； b最外层六边形对角线上的管数,b=2a+1,a 为六边形层数 , , n 为列管数； 2 1 ) 312( 6 1 2 1 na e最外层列管到壳体距离，e=(11.5)d0。 列管为25mm2.5mm，共 1900 根。所以 t=1.3680.025=0.0342(m) )(25 2 1 )3190012( 6 1 2 1 层a b=225+1=51(根) e=1.50.025=0.0375(m) D=0.0342(511)+20.0375=1.785(m) 取反应器壳体直径 D=2m 3 3. .2 2 反反应应器器高高度度 列管长度:由工艺计算中可知,列管长度L=2.5m； 筒体顶部空间：根据压力容器手册 ，Ha=1m； 筒体底部空间：根据压力容器手册 ，Hb=2m； 封头高度：采用 EHA 椭圆形封头，根据 JB/T 47462002 可得，曲面高度 H1=500mm,直边高度H2=25mm,则封头高度 Hc=2（0.5+0.025） 8 =1.05m。 由以上可得： 反应器高度H=L+Ha+Hb+Hc =2.5+1+2+1.05 =6.55m 3.33.3 筒体和封头厚度筒体和封头厚度 化工生产中的容器壁厚可根据下式计算： p pD S i 2 式中： S容器计算厚度，mm； P设计压力，MPa； Di筒体内直径，mm； 材料的许用压力，MPa； 焊缝系数。 本反应器材质选择不锈钢 0Cr18Ni9，查 GB150 可知，材料的许用压力为 82.6MPa； 采用双面焊对接焊缝，焊缝系数取 0.85； 由工艺计算中可知，反应器设计压力为 0.2MPa，筒体内直径为 2000mm。所 以 筒体的计算厚度 mmS85 . 2 2 . 085 . 0 6 . 822 20002 . 0 查 GB708 可知，厚度负偏差 C1=0.22mm，腐蚀裕量 C2=2mm，故 筒体的名义厚度 =S+C1+C2 =2.85+0.22+2=5.07mm 取圆整后，则筒体的名义厚度为 5mm。 封头厚度与筒体厚度等同。 9 第四章第四章 接管零部件尺寸计算接管零部件尺寸计算 4.14.1 进料管进料管 由物料衡算中可知，进料流量；由于进料气体 smV f /664. 2 3 密度较小，所以管流速取 60m/s，则进料管直径f u m u V d f f 2378.0 6014.3 664.24 4 由以上计算，选取公称直径 250mm，273mm7mm 的进料管。管法兰选用 PL250(B)-0.25RF，外加补强圈，型号为 DN2508-Q235-B JB/T4736。 4 42 2 出料管出料管 由物料衡算中可知，出料流量，管流速 smVf/182 . 7 3 同样取 60m/s,则出料管直径f u m u V d f f 3904.0 6014.3 1182.74 4 由以上计算，选取公称直径 400mm，426mm9mm 的出料管。管法兰选 用 PL400（B）-0.25RF，外加补强圈，型号为 DN2006-B-Q235-B JB/T4736。 4 43 3 熔盐进出口熔盐进出口 同 4.1、4.2，熔盐流量，管流速 smVf/03 . 0 3 ，熔盐进出口直径 smu f /75 . 0 m u V d f f 2185.0 8.014.3 03.04 4 由以上计算,选取公称直径 200mm,219mm6mm 的接管。管法兰选用 10 PL200(B)-0.25RF，外加补强圈，型号为 DN2006-B-Q235-B JB/T4736。 4.44.4 出气管出气管 结合本设计，根据金属设计，选取公称直径为 25mm，32mm2.5mm 的出 气管，出气管距轴 400mm。 出气管长度可根据下式求出： CxRDxDl iii 2 2 22 1 2 )(5 . 06545. 0)1009045 . 0 ( 上式中： L管长； Di筒体内径； 壁厚； x2管距轴的距离（x1=x2-0.5D） ； C、D法兰数据。 查法兰标准：D=100mm，C=14mm。故 mm l 27.125 14400)41000(5 . 020006545. 0350)410020009045 . 0 ( 2222 取管长 L 为 130mm。 4.54.5 安全阀安全阀 由本设计设计压力为 2.04/,额定排放压力为 2.04/，参考化工 设计手册，选公称直径为 100mm，108mm4mm 的接管，接管距轴 500mm。管 法兰选用 PL100（B）-0.25RF。 查法兰标准：D=210mm，C=18mm。故 mm l 46.145 18500)41000(5 . 020006545 . 0 395)410020009045 . 0 ( 2222 取管长 L 为 150mm。 4.64.6 温度计接管温度计接管 采用外用接管，内用无缝钢管，参照化工设计手册，外接管为 45mm3.5mm