6-反應(yīng)器設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

東華科技陜鼓杯 第十二屆全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽 寧波大榭石化異丁烯法年產(chǎn)10萬(wàn)噸MMA項(xiàng)目反應(yīng)器設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 河西學(xué)院藍(lán)烯團(tuán)隊(duì)隊(duì)員：王永寶 楊星 包海兵 石翎 王正鐸指導(dǎo)老師：佟永純 宋如 邱東目錄第一章 概述11.1 反應(yīng)器概述11.2 反應(yīng)器選型11.2.1 固定床反應(yīng)器21.2.2 流化床反應(yīng)器21.2.3 移動(dòng)床反應(yīng)器4第二章 反應(yīng)器設(shè)計(jì)概述52.1 概述52.1.1 反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性和參數(shù)敏感性研究62.1.2 影響參數(shù)敏感性的因素62.1.3 熔鹽性質(zhì)分析82.2 反應(yīng)原理92.2.1 反應(yīng)機(jī)理92.2.2 動(dòng)力學(xué)參數(shù)102.2.3 催化劑選擇102.2.4 工藝條件的選擇112.3 反應(yīng)器尺寸設(shè)計(jì)132.3.1 反應(yīng)器列管長(zhǎng)度和數(shù)目計(jì)算142.3.2 催化劑床層壓力核算142.3.3 反應(yīng)器殼體內(nèi)徑設(shè)計(jì)152.3.4 反應(yīng)器長(zhǎng)度設(shè)計(jì)162.3.5 折流板的設(shè)計(jì)162.3.6 反應(yīng)器筒體壁厚設(shè)計(jì)172.4 反應(yīng)器熱量衡算182.4.1 取熱介質(zhì)選擇及用量192.4.2 換熱面積校核20第三章 反應(yīng)器機(jī)械設(shè)計(jì)223.1 反應(yīng)器封頭設(shè)計(jì)223.2 反應(yīng)器支座設(shè)計(jì)223.3 反應(yīng)器接管設(shè)計(jì)223.4 法蘭選擇233.5 催化劑支托結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)243.6 反應(yīng)器連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)243.7 反應(yīng)器機(jī)械強(qiáng)度校核26寧波大榭石化年產(chǎn)10萬(wàn)噸MMA項(xiàng)目 反應(yīng)器設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第一章 概述1.1 反應(yīng)器概述化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和反應(yīng)器是化工生產(chǎn)流程的中心環(huán)節(jié)，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)往往占有重要的地位。一個(gè)適合反應(yīng)體系的反應(yīng)器可大大提高目標(biāo)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率且能保證穩(wěn)定的操作環(huán)境。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)主要包括：（1）反應(yīng)器選型（2）確定合適的工藝條件（3）確定實(shí)現(xiàn)這些工藝條件所需的技術(shù)措施（4）確定反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸（5）確定必要的控制手段本反應(yīng)器主要針對(duì)的是異丁烯氧化制備甲基丙烯醛的反應(yīng)，該反應(yīng)的高效反應(yīng)溫度在360左右，反應(yīng)壓力為0.4MPa。而該反應(yīng)器設(shè)計(jì)兩個(gè)最主要的難點(diǎn)也是這個(gè)反應(yīng)兩個(gè)最大的特點(diǎn)是：（1）反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，且允許反應(yīng)溫度范圍較窄，溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)速率過(guò)低，溫度過(guò)高則導(dǎo)MAL深度氧化及聚合副反應(yīng)加劇。（2）由于異丁烯制備MAL為強(qiáng)放熱反應(yīng)，容易在催化劑床層產(chǎn)生局部過(guò)熱導(dǎo)致起主要氧化作用的活性組分Mo在反應(yīng)過(guò)程中流失，進(jìn)而縮短催化劑的使用壽命。而連續(xù)工業(yè)化不允許頻繁停車(chē)來(lái)更換催化劑，否則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定以及額外的能量與原料消耗。1.2 反應(yīng)器選型反應(yīng)器的形式是由反應(yīng)過(guò)程的基本特征決定的，本反應(yīng)的原料以氣液相進(jìn)入反應(yīng)器，在高溫下進(jìn)行反應(yīng)，故屬于氣液固相反應(yīng)過(guò)程。氣固相反應(yīng)過(guò)程使用的反應(yīng)器，根據(jù)催化劑床層的形式可分為固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器和移動(dòng)床反應(yīng)器。1.2.1 固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器又稱(chēng)填充床反應(yīng)器，催化劑顆粒裝填在反應(yīng)器中，呈靜止?fàn)顟B(tài)，是化工生產(chǎn)中最重要的氣固反應(yīng)器之一，廣泛應(yīng)用于合成氨、甲醇合成、甲苯合成和催化重整等化工流程。固定床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)：（1）返混小固定床反應(yīng)器的催化劑床層內(nèi)反應(yīng)流股的流動(dòng)接近于平推流，與其他反應(yīng)器相比幾乎不存在返混，故可以有效地避免過(guò)度反應(yīng)和反應(yīng)不足，保證了反應(yīng)產(chǎn)品收率，提高反應(yīng)速率，完成同樣的生產(chǎn)能力時(shí)所需的催化劑用量和反應(yīng)器容積都較小。（2）催化劑機(jī)械損耗小固定床反應(yīng)器中催化劑排列致密，形成固定床層，催化劑顆粒之間不存在相對(duì)移動(dòng)，使催化劑顆粒間的機(jī)械能損失達(dá)到最小化。（3）便于控制固定床反應(yīng)器中的催化劑以固定床層的形式固定在反應(yīng)器中，因此可以嚴(yán)格控制反應(yīng)原料的停留時(shí)間，特別有利于提高反應(yīng)的選擇性與轉(zhuǎn)化率。固定床反應(yīng)器的缺點(diǎn)：（1）傳熱差，容易飛溫固定床反應(yīng)器中，催化劑顆粒緊密堆砌，以固定床層的形式裝填在反應(yīng)器中，傳熱形式以熱傳導(dǎo)為主，導(dǎo)致反應(yīng)器床層傳熱效果較差，對(duì)于強(qiáng)放熱反應(yīng)，如果不能及時(shí)移走反應(yīng)產(chǎn)生的大量反應(yīng)熱，就會(huì)很難控制反應(yīng)的熱點(diǎn)，從而導(dǎo)致飛溫，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。（2）催化劑更換困難固定床反應(yīng)器的催化劑床層由固定圈固定，兩端使用瓷球填充，更換催化劑的時(shí)候必須停產(chǎn)，將反應(yīng)器卸下，更換麻煩，并影響生產(chǎn)，不適用于容易失活的催化劑。1.2.2 流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器，又稱(chēng)沸騰床反應(yīng)器。反應(yīng)器中氣相原料以一定速度通過(guò)催化劑顆粒層，使顆粒處于懸浮狀態(tài)，并進(jìn)行氣固相反應(yīng)。流態(tài)化技術(shù)在工業(yè)上最早應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。到20世紀(jì)40年代，催化裂化(FCC)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化后，流化床反應(yīng)器在工業(yè)上的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用在催化裂化、費(fèi)托合成等工業(yè)流程中，成為煉油、能源、醫(yī)藥、生物工程和環(huán)境保護(hù)等眾多工業(yè)過(guò)程系統(tǒng)中的重要反應(yīng)裝置。流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)：（1）傳熱效果好流化床反應(yīng)器中，流化的催化劑顆粒在床層內(nèi)做著強(qiáng)烈的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，保證了氣-固、固-固和料-壁之間的有效接觸和混合，使它們之間有著較高的傳熱速率。同時(shí)反應(yīng)器中這種混合效應(yīng)可以使反應(yīng)器內(nèi)溫度均勻，避免發(fā)生“熱點(diǎn)”和“飛溫”現(xiàn)象，所以流化床反應(yīng)器十分適合強(qiáng)放熱和熱敏感的流程。（2）可實(shí)現(xiàn)同體物料連續(xù)進(jìn)出流化床呈現(xiàn)擬流體流動(dòng)特性，使固體顆粒能夠方便地加入和移出反應(yīng)器。在催化劑失活的時(shí)候，可以順利的移出失活催化劑、加入再生催化劑，可使催化劑在反應(yīng)器與再生器之間實(shí)現(xiàn)循環(huán)，在生產(chǎn)的同時(shí)執(zhí)行反應(yīng)和再生操作。此外，這種流動(dòng)特性也可以通過(guò)固體顆粒攜走大量的反應(yīng)熱。（3）與同定床相比，同樣顆粒的粒度和表觀流化氣速相同時(shí)，催化劑顆粒在懸浮狀態(tài)下的壓降要低很多。流化床反應(yīng)器的缺點(diǎn)：（1）返混嚴(yán)重流化床反應(yīng)器中顆粒的流動(dòng)更接近全混流，氣體又容易發(fā)生“旁路”現(xiàn)象，所以與固定床反應(yīng)器相比，其中反映物的轉(zhuǎn)化率比較低，對(duì)催化劑的選擇性也有影響，容易有反應(yīng)物由于停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短而導(dǎo)致過(guò)度反應(yīng)和反應(yīng)不充分的現(xiàn)象。（2）對(duì)催化劑顆粒要求嚴(yán)格為了達(dá)到催化劑顆粒的懸浮狀態(tài)，對(duì)制作流化床反應(yīng)器的催化劑顆粒的粒度和粒度分布都有一定的耍求。一般來(lái)說(shuō)，粒徑如果小于310-4m或大于310-3m的顆粒都由于無(wú)法流化而無(wú)法采用。（3）易造成催化劑損失流化床反應(yīng)器中，催化劑顆粒之間互相接觸碰撞，會(huì)對(duì)催化劑造成機(jī)械損失，加速催化劑老化失活。在生產(chǎn)中，還會(huì)有部分催化劑隨著氣相反應(yīng)產(chǎn)物流出反應(yīng)器，造成催化劑損失，同時(shí)還會(huì)對(duì)下游的分離工藝造成影響，增加分離設(shè)備投資。1.2.3 移動(dòng)床反應(yīng)器移動(dòng)床反應(yīng)器是一種新型固定床反應(yīng)器，其中催化劑從反應(yīng)器頂部連續(xù)加入，并在反應(yīng)過(guò)程中緩慢下移，最后從反應(yīng)器底部卸出。反應(yīng)原料氣則從反應(yīng)器底部進(jìn)入，反應(yīng)產(chǎn)物由反應(yīng)器頂部輸出。在移動(dòng)床反應(yīng)器中，催化劑顆粒之間沒(méi)有相對(duì)移動(dòng)，但是整體緩慢下降，是一種移動(dòng)著的固定床。時(shí)至今日，移動(dòng)床反應(yīng)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤氣化工藝。移動(dòng)床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)：（1）反應(yīng)器中固體和流體的停留時(shí)間改變范圍比較大。（2）由于反應(yīng)器中物料流動(dòng)接近活塞流，故可以避免返混現(xiàn)象。移動(dòng)床反應(yīng)器的缺點(diǎn)：（1） 為了控制催化劑的均勻下降，需要比較復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)。（2） 傳熱效率差。綜上所述，在連續(xù)反應(yīng)器中主要有流化床、鼓泡流化床、固定床。流化床雖然可以增加兩相間的接觸面積，傳熱面積以及具有傳質(zhì)速率快等特點(diǎn)，但是由于催化劑顆粒的劇烈運(yùn)動(dòng)，造成固體顆粒與流體的嚴(yán)重返混，導(dǎo)致反應(yīng)物濃度下降，轉(zhuǎn)化率下降，催化劑顆粒的劇烈運(yùn)動(dòng)也造成了催化劑破碎率增大，增加了催化劑的損耗。同時(shí)催化劑還會(huì)與器壁發(fā)生劇烈碰撞，易造成設(shè)備與管道的腐蝕，增大設(shè)備損耗。固定床中催化劑顆粒固定不動(dòng)，返混少，反應(yīng)物的平均濃度高，反應(yīng)速率較快，可以克服上述流化床的缺點(diǎn)。除此之外，固定床層內(nèi)的流體流動(dòng)接近平推流，有利于實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化率與選擇性；可用較少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積獲得較大的生產(chǎn)能力；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、催化劑機(jī)械磨損小，適合于貴金屬催化劑；反應(yīng)器的操作方便、操作彈性較大。由于固定床中固體催化劑顆粒固定不動(dòng)，受壓降限制流體流速不能太高，顆粒粒徑不能太小，故固定床床內(nèi)傳熱和床層與器壁之間的傳熱性能較差，溫度控制比較難。綜合以上的因素，本項(xiàng)目的反應(yīng)屬于較強(qiáng)放熱反應(yīng)，而且催化劑壽命長(zhǎng)，所以為了最大限度的發(fā)揮催化劑高選擇性和高轉(zhuǎn)化率的優(yōu)勢(shì)、減小催化劑損失，本流程的反應(yīng)器采用技術(shù)最成熟的列管式固定床反應(yīng)器。第二章 反應(yīng)器設(shè)計(jì)概述2.1 概述異丁烯法是目前生產(chǎn)高附加值MMA比較優(yōu)異的工藝，原料廉價(jià)、無(wú)污染，是一條清潔路線。但就其工業(yè)換熱式反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，由于異丁烯氧化反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，若反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不能被及時(shí)移走，在參數(shù)敏感性區(qū)域，將導(dǎo)致反應(yīng)系統(tǒng)熱點(diǎn)溫度發(fā)生巨大變化一即飛溫現(xiàn)象，從而使反應(yīng)器失控。對(duì)強(qiáng)放熱反應(yīng)熱穩(wěn)定性及反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的研究，實(shí)質(zhì)上就是從理論上揭示出反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定操作上限，使之由于溫度引起的不良后果能在反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中避免。換熱式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)類(lèi)似于管殼式換熱器，反應(yīng)氣體走管程，熔鹽走殼程，但它與普通換熱器結(jié)構(gòu)有很大不同。為保證熔鹽均布和足夠循環(huán)量，達(dá)到要求的傳熱系數(shù)，其流道設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，這就需要對(duì)不同催化劑上的反應(yīng)進(jìn)行反復(fù)的工況實(shí)驗(yàn)和論證。為避免反應(yīng)器熱點(diǎn)溫度過(guò)高，使反應(yīng)器在近似等溫的工況下操作，工業(yè)上通常采用兩種措施：（1）用惰性物質(zhì)稀釋反應(yīng)管頭部的催化劑，以降低熱點(diǎn)溫度。（2）對(duì)反應(yīng)器采用兩段不同操作溫度下的熔鹽系統(tǒng)，入口段低溫以避免熱點(diǎn)溫度過(guò)高，出口段高溫以提高轉(zhuǎn)化率及選擇性，進(jìn)而提高整臺(tái)反應(yīng)器產(chǎn)量。同時(shí)，對(duì)催化氧化反應(yīng)器，最大的難點(diǎn)就是流道設(shè)計(jì)。固定床反應(yīng)器表面上是一臺(tái)管殼式換熱器，但與一般換熱器有很大不同，主要是：（1）管束：管束中央熔鹽循環(huán)受阻，傳熱惡化，溫度分布不均，故此區(qū)域不布管。（2）折流板：結(jié)構(gòu)較特殊。熔鹽錯(cuò)流流動(dòng)時(shí)，折流板面積筒體總截面積遠(yuǎn)比通常的0.25小，熔鹽并流流動(dòng)時(shí)，折流板管孔與管子的間隙并非固定不變，而是隨所在徑向位置而不同.（3）殼層熔鹽通道：反應(yīng)器殼體上下各一熔鹽通道，熔鹽通過(guò)殼體上的排孔出入。對(duì)小直徑反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，熔鹽流道設(shè)計(jì)并不難，可在殼體上均勻開(kāi)孔。若開(kāi)孔面積足夠大，床層軸徑向溫差都不會(huì)很大。但對(duì)于大規(guī)模的反應(yīng)器，就不能如法炮制。此時(shí)，由于接近及遠(yuǎn)離熔鹽入(出)口的靜壓變化較大，通過(guò)殼體上的每一個(gè)等面積開(kāi)孔的熔鹽流量將相差較大，因而反應(yīng)器床層的軸向溫差、徑向溫差也較大。2.1.1 反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性和參數(shù)敏感性研究固定床反應(yīng)器的參數(shù)敏感性是指某些參數(shù)(如進(jìn)料溫度或濃度、反應(yīng)管壁溫 度、冷卻介質(zhì)溫度等)的少許變化對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的溫度和濃度狀態(tài)及反應(yīng)結(jié)果的影 響程度。在進(jìn)行強(qiáng)放熱反應(yīng)的列管式反應(yīng)器中，反應(yīng)管熱點(diǎn)溫度往往會(huì)隨操作條 件的微小變化而發(fā)生顯著變化，甚至影響反應(yīng)器安全操作。一般說(shuō)，反應(yīng)器不應(yīng) 在敏感區(qū)及其附近操作。因此，詳細(xì)設(shè)計(jì)前，選擇合適的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸和操作 條件，以限制熱點(diǎn)溫度和避免其對(duì)參數(shù)變化的過(guò)度敏感是很有意義的。研究參數(shù)敏感性判據(jù)常用方法是將二維模型簡(jiǎn)化成能反映其概貌的當(dāng)量一維模型，并采用一維模型的處理方法研究二維模型徑向平均參數(shù)敏感性問(wèn)題。Barkelew等由反應(yīng)熱效應(yīng)因子p和反應(yīng)器冷卻參數(shù)Da的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式給出反應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)敏感區(qū)域：即一切使S增大的措施都有利于降低反應(yīng)器的參數(shù)敏感性。當(dāng)由于結(jié)構(gòu)原因不能進(jìn)一步減小管徑時(shí)，用惰性物質(zhì)稀釋催化劑以減小體積反應(yīng)速率常數(shù)K不利于提高產(chǎn)量，由于工藝及產(chǎn)量的要求進(jìn)料濃度不能減小，熔鹽溫度To為保持一定的傳熱溫度梯度不能太高，只有提高總傳熱系數(shù)U可行度大些，傳統(tǒng)的熔鹽循環(huán)方式，由于對(duì)流道設(shè)計(jì)和熔鹽泵要求較高，提高總傳熱系數(shù)成本較大。2.1.2 影響參數(shù)敏感性的因素（1）催化劑顆粒的影響：催化劑顆粒大小直接影響著床層的壓降，顆粒內(nèi)溫度、濃度的分布，床層的傳熱等因素最終都會(huì)影響反應(yīng)速率和反應(yīng)器的參數(shù)敏感性。粒徑過(guò)大，床層壓降減小不利于內(nèi)部傳質(zhì)，粒徑過(guò)小，壓降變大不利于反應(yīng)，所以存在一最佳粒徑。實(shí)驗(yàn)表明，隨粒徑的減小，軸向溫度升高很快，當(dāng)粒徑為lmm時(shí)常發(fā)生飛溫。用非均相模型還可以得出，相同粒徑下，內(nèi)表面積大，顆粒內(nèi)部實(shí)際的化學(xué)反應(yīng)速率增大。（2）入口濃度的影響：進(jìn)料濃度是影響化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)器生產(chǎn)能力的重要因素，在一定條件下表現(xiàn)出參數(shù)的敏感性。對(duì)許多反應(yīng)，當(dāng)空速和進(jìn)料溫度達(dá)到一定條件時(shí)，熱點(diǎn)溫度隨進(jìn)料濃度的增大而迅速增高，且熱點(diǎn)稍微后移，進(jìn)入進(jìn)料濃度參數(shù)敏感區(qū)域后，進(jìn)料濃度再增大很小就發(fā)生飛溫現(xiàn)象。若想不改變裝置大小的情況下擴(kuò)大生產(chǎn)能力，就應(yīng)考慮如何降低熱點(diǎn)溫度以避免飛溫的問(wèn)題。（3）原料氣入口溫度的影響：據(jù)陳裕中等研究表明，床層入口溫度只影響熱點(diǎn)的位置，對(duì)熱點(diǎn)的溫度影響較小。（4）空速的影響：空速是較敏感的參數(shù)，空速的提高使熱點(diǎn)位置顯著后移并可明顯地降低熱點(diǎn)溫度。因其增大了床層內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)降低了床層內(nèi)部的熱阻，所以對(duì)非外擴(kuò)散控制的強(qiáng)放熱反應(yīng)，在保證一定轉(zhuǎn)化率的條件下選用較大的空速是防止飛溫的有效措施。但是，若空速過(guò)大，熱點(diǎn)溫度下降幅度很大，反應(yīng)不夠完全，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率下降。（5）冷卻介質(zhì)的影響：冷卻介質(zhì)是影響固定床催化反應(yīng)器參數(shù)敏感性的一個(gè)重要因素，冷卻介質(zhì)的熱容量、操作方式等與固定床催化反應(yīng)器的參數(shù)敏感性密切相關(guān)。冷卻介質(zhì)的熱容量有一最佳操作范圍，低于該范圍下限反應(yīng)達(dá)不到反應(yīng)所需的操作溫度，高于該范圍上限反應(yīng)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生飛溫。在列管式固定床反應(yīng)器中反應(yīng)器主要通過(guò)殼層中的熔鹽循環(huán)冷卻移去，而化學(xué)反應(yīng)速率通常對(duì)溫度非常敏感，因此熔鹽溫度是一個(gè)很重要的敏感參數(shù)。在設(shè)計(jì)與操作中，應(yīng)確保足夠大的熔鹽循環(huán)量，以盡量減少殼層內(nèi)軸向和徑向的熔鹽溫差，特別要防止流動(dòng)死區(qū)，否則有可能發(fā)生飛溫和失控現(xiàn)象，從而影響反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和操作安全性。管殼式反應(yīng)器的冷卻介質(zhì)溫度越低，則傳熱推動(dòng)力越大，有利于移去反應(yīng)熱；實(shí)際上冷卻介質(zhì)溫度與床層溫度相差不大，這是由于冷卻介質(zhì)溫度過(guò)低則催化床層沿管壁處就過(guò)冷，催化劑活性低下，也會(huì)失去操作狀態(tài)的熱穩(wěn)定性。因此，管殼式反應(yīng)器有其最大傳熱溫差的限制。綜上所述，反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)傳熱現(xiàn)象是問(wèn)題的關(guān)鍵。對(duì)存在參數(shù)敏感性的情況，反應(yīng)器操作的穩(wěn)定性主要是避免發(fā)生飛溫。設(shè)計(jì)型措施為：根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征得到最佳的反應(yīng)器溫度序列，設(shè)計(jì)合理的反應(yīng)器長(zhǎng)度和管徑，選擇合適的催化劑活性、粒徑和形狀，使床層的溫度分布盡可能接近最佳溫度序列，而冷卻介質(zhì)溫度在上述過(guò)程中，由計(jì)算過(guò)程確定，而操作型措施是在反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式已確定，催化劑的活性，形狀和直徑亦已確定的前提下，選擇合適的操作條件，如空速、冷卻介質(zhì)溫度等變量以獲得較高的收率和保證反應(yīng)器操作不發(fā)生飛溫。2.1.3 熔鹽性質(zhì)分析熔鹽作為一種低共熔物，具有不燃燒、無(wú)爆炸危險(xiǎn)、泄漏蒸汽無(wú)毒等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)裝置中被當(dāng)作載熱劑有著廣泛的應(yīng)用。熔鹽一般由兩至三種硝酸鹽或亞硝酸鹽按一定比例組成，其熔點(diǎn)要比其中的任何一組分單獨(dú)存在時(shí)低，如KN03的熔點(diǎn)為344，NaN02的熔點(diǎn)為291，如果將這兩種物質(zhì)以11：9的比例混合，其熔點(diǎn)為140。熔點(diǎn)的降低，較大地增加了熔鹽使用范圍，使其在工業(yè)裝置中有更寬的工藝控制參數(shù)及操作彈性。由于熔鹽組成中的NaN02是一種還原劑，高溫下性質(zhì)不穩(wěn)定，易與空氣中的氧氣反應(yīng)，被氧化生成NaN03，從而改變?nèi)埯}的組分，其物化性質(zhì)也相應(yīng)發(fā)生一些變化。國(guó)內(nèi)大多數(shù)熔鹽生產(chǎn)裝置采用兩種方法保護(hù)熔鹽，目的是將熔鹽與空氣隔絕，避免NaN02被氧化。是N2保護(hù)，是水蒸汽保護(hù)，但都不十分理想。決定熔鹽能否在換熱系統(tǒng)中順利運(yùn)行的兩個(gè)重要參數(shù)是熔點(diǎn)及其粘度。對(duì)不進(jìn)行任何保護(hù)的熔鹽(KN03 55；NaN02 45)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，如表2-1及表2-2所示。表 2-1 熔鹽使用過(guò)程中熔點(diǎn)及NaN02含量變化熔點(diǎn)()140160179199218222222NaN02含量()4533.422.311.71.600表 2-2 熔鹽使用過(guò)程中運(yùn)動(dòng)粘度變化(250)使用日期（月）01224253036運(yùn)動(dòng)粘度（mm2/s)2.412.432.462.472.472.47從上面兩表可以看出，未加保護(hù)的熔鹽由于組分的變化，兩三年后，熔點(diǎn)由初期配制的140上升到222，即其使用溫度控制范圍減少了82，但222比工業(yè)生產(chǎn)裝置上的熔鹽循環(huán)系統(tǒng)中的最低控制溫度仍要低，因此該熔點(diǎn)值仍然是允許的。粘度值與最初配制時(shí)相比變化也很小，熔鹽在系統(tǒng)中的流動(dòng)狀況(流速)基本不發(fā)生變化。為進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)果，我們按照熔鹽中NaN02全部被氧化成NaN03的情況配制試樣與實(shí)際生產(chǎn)裝置中的熔鹽進(jìn)行對(duì)比，即由起初KN03與NaN02按55：45比例變化為由KN03與NaN03按498：502比例配制，得到與上述一致的測(cè)定值。由此可以得知，工業(yè)裝置中大量使用的熔鹽完全可以和空氣接觸，而不必進(jìn)行保護(hù)及頻繁更換熔鹽，該舉措可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。2.2 反應(yīng)原理反應(yīng)區(qū)為異丁烯（IB）與氧氣、固體催化劑，在一定溫度和壓力下，反應(yīng)生成甲基丙烯醛（MAL），反應(yīng)主方程式可以表示為：副反應(yīng)： 2.2.1 反應(yīng)機(jī)理異丁烯氧化為甲基丙烯醛的催化反應(yīng)機(jī)理為：異丁烯在金屬離子上吸附活化為烯丙基正碳離子的一步為反應(yīng)的速控步驟。一般認(rèn)為，此催化氧化反應(yīng)利用的是晶格氧而不是氣態(tài)氧分子，即反應(yīng)產(chǎn)物的氧并非直接來(lái)自于氧氣、空氣等中的活性氧物種，而是來(lái)自金屬氧化物催化劑。催化劑被還原的同時(shí)氣相中的氧補(bǔ)充催化劑在反應(yīng)中消耗的氧，使催化劑實(shí)現(xiàn)再氧化。因此催化劑應(yīng)為同時(shí)具有酸性和氧化性的選擇性氧化催化劑，且具有一定的抗還原能力以維持穩(wěn)定性。1961年提出了Mo-Bi體系催化劑，后來(lái)添加Fe、Ni、Co等金屬加強(qiáng)催化劑的氧化能力，加入堿金屬、堿土金屬等助劑來(lái)抑制深度氧化，提高M(jìn)AL的選擇性?，F(xiàn)在工業(yè)上采用Bi2O3-MoO3等復(fù)合氧化物催化劑，因?yàn)橐话阏J(rèn)為復(fù)合金屬體系中各金屬氧化物之間存在著協(xié)同作用。2.2.2 動(dòng)力學(xué)參數(shù)本設(shè)計(jì)采用的動(dòng)力學(xué)方程為中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所張香平等在固定床反應(yīng)器中，對(duì)該反應(yīng)的催化劑進(jìn)行了制備和系統(tǒng)的分析評(píng)價(jià)，優(yōu)化出最佳制備方法及制備條件，對(duì)催化劑進(jìn)行了表征、分析和評(píng)價(jià)并對(duì)該反應(yīng)的反應(yīng)條件及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。研究表明由異丁烯為原料生成MAL的反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到反應(yīng)的活化能E和指前因子A，最終得到的動(dòng)力學(xué)方程式：r=7.341014e-169744RTCIB2.2.3 催化劑選擇目前，異丁烯氧化制MAL的催化劑主要以Mo-Bi體系為主，它們是該催化劑必不可少的組分，而CoNiTeTlMg或W是該催化劑非常重要的組分，這些元素的存在會(huì)使選擇率和轉(zhuǎn)化率大幅度提升。堿金屬的加入主要是為了調(diào)節(jié)催化劑的酸度，提高選擇性。由于異丁烯氧化制備MAL是強(qiáng)放熱反應(yīng)，容易在催化劑床層產(chǎn)生局部過(guò)熱，導(dǎo)致起主要作用的氧化活性組分Mo在反應(yīng)過(guò)程中流失，進(jìn)而縮短催化劑的使用壽命。為此我們選用了鉬鉍復(fù)合催化劑，此催化劑一方面通過(guò)加入具有抗熱性和抗還原性的組分Yb來(lái)抑制Mo的流失，以及加入載體導(dǎo)熱稀釋劑來(lái)提高催化劑的導(dǎo)熱性能和機(jī)械強(qiáng)度，有效降低催化劑床層熱點(diǎn)溫度，延長(zhǎng)催化劑使用壽命；另一方面，通過(guò)加入Sb和Pb來(lái)進(jìn)一步提高催化劑的活性和選擇性。其具體規(guī)格如圖所示。表 2-3 催化劑參數(shù)名稱(chēng)參數(shù)形狀球形（3-4mm）比表面積18m2/g比孔容0.245cm/g堆積密度0.85g/cm空隙率58%2.2.4 工藝條件的選擇（1）溫度由于異丁烯氧化制備甲基丙烯醛（MAL）的反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，單位時(shí)間內(nèi)的絕熱溫升很高，如采用絕熱式反應(yīng)器，反應(yīng)器出口位置溫度可達(dá)360，會(huì)對(duì)催化劑、反應(yīng)器和反應(yīng)體系造成破壞性影響，因此本設(shè)計(jì)中采用恒溫列管式固定床反應(yīng)器。由文獻(xiàn)可知，反應(yīng)器的溫度一般控制在320360左右。我們通過(guò)Aspen軟件對(duì)反應(yīng)溫度進(jìn)行靈敏度分析，結(jié)果如圖2-1所示。圖 2-1 異丁烯轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度變化關(guān)系由上圖可看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，異丁烯的轉(zhuǎn)化率持續(xù)增加，到370附近達(dá)到最高。因此，我們選定360為反應(yīng)溫度。（2）壓力通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)異丁烯和氧氣的反應(yīng)主要在常壓和低壓下進(jìn)行，在動(dòng)力學(xué)研究中給出的壓力范圍是0.10.4MPa。據(jù)此，我們對(duì)反應(yīng)壓力與異丁烯轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物分布進(jìn)行靈敏度分析，結(jié)果如圖2-2所示。圖 2-2 異丁烯轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)壓力變化關(guān)系通過(guò)上圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著反應(yīng)壓力的升高，異丁烯的轉(zhuǎn)化率先降低后升高，在1.5bar之后達(dá)到穩(wěn)定。綜合考慮，我們選用0.4MPa為反應(yīng)壓力。（3）進(jìn)料比通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)，異丁烯與氧氣的進(jìn)料比的不同對(duì)反應(yīng)的選擇性影響非常大。異丁烯轉(zhuǎn)化率隨其含量的增大而降低，選擇性隨著異丁烯含量的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)。綜合考慮，我們選擇異丁烯進(jìn)料體積比為4%。（4）停留時(shí)間通過(guò)查閱文獻(xiàn)，可以得出隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)，異丁烯轉(zhuǎn)化率及收率均上升，而選擇性下降。為保證較好收率和選擇性，我們選取停留時(shí)間為0.3S。表 2-4 物流信息Stream IDUnitFEEDproductTemperature CC52360Pressure barbar44Vapor Frac0.871.00Mole Flowkmol/hr1953.001953.00Mass Flowkg/hr57264.6357264.63Volume Flowcum/hr11478.1434260.84EnthalpyGcal/hr-20.18-24.049Densitygm/cc0.00510.002Mole Flowkmol/hrC4H8153.004.04O2315.00166.04N21185.001185.00H2O300.00448.95C4H6O148.962.3 反應(yīng)器尺寸設(shè)計(jì)根據(jù)催化劑體積計(jì)算公式計(jì)算可得本反應(yīng)器催化劑床層體積為：催化劑質(zhì)量：2.3.1 反應(yīng)器列管長(zhǎng)度和數(shù)目計(jì)算該反應(yīng)器所選用催化劑粒徑3-4 mm，為降低反應(yīng)物在管內(nèi)的溝流、壁流效應(yīng)，反應(yīng)管內(nèi)徑應(yīng)大于催化劑粒徑的8倍。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T17395-2008，列管選用30mm2.5mm的管子。另外，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，一般催化劑填充高度占整個(gè)反應(yīng)管長(zhǎng)度的8090%左右。在本反應(yīng)器中，催化劑粒徑為3-4 mm，因此本設(shè)計(jì)選擇催化劑的填充高度為L(zhǎng)=6.5m，列管管長(zhǎng)l=7m。催化劑床層的橫截面：催化劑床層的直徑約為：反應(yīng)器單管橫截面積為：反應(yīng)器列管數(shù)目：2.3.2 催化劑床層壓力核算反應(yīng)器空管截面積為：反應(yīng)進(jìn)料空床線速度為：固定床壓力降計(jì)算公式為：，其中：流體密度，kg/m3dp顆粒直徑，mf摩擦系數(shù)L床層高度，mum空管流速，m/s床層空隙率流體的黏度，Pa/s從Aspen plus反應(yīng)模擬中獲得反應(yīng)混合物有關(guān)物性參數(shù)：將數(shù)據(jù)代入上述計(jì)算公式求解：反應(yīng)壓力為300Kpa，因此，反應(yīng)器固定床層壓降符合設(shè)計(jì)要求。2.3.3 反應(yīng)器殼體內(nèi)徑設(shè)計(jì)反應(yīng)器列管根數(shù)為5015根。列管排列方式選擇錯(cuò)列正三角形排列，固定方法為焊接法。則管心距為：管子排列方式為：圖 2-3 正三角形列管排列橫過(guò)管束中心線的管數(shù)為：管束中心線最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離為：殼體內(nèi)徑為：根據(jù)壓力容器公稱(chēng)直徑國(guó)標(biāo)GB/T9019-2015圓整，取反應(yīng)器殼體內(nèi)徑為：3000mm。2.3.4 反應(yīng)器長(zhǎng)度設(shè)計(jì)列管長(zhǎng)度：由前面工藝計(jì)算可知，列管長(zhǎng)度為7000mm。筒體頂部空間（上管箱）高度：根據(jù)壓力容器手冊(cè)，Ha=1000mm；筒體底部空間（下管箱）高度：根據(jù)壓力容器手冊(cè)，Hb=1000mm；由上述長(zhǎng)度可知，反應(yīng)器筒體長(zhǎng)度為：H=9000mm。2.3.5 折流板的設(shè)計(jì)在錯(cuò)流列管反應(yīng)器中用折流板引導(dǎo)流體垂直于管束流動(dòng)，以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。在計(jì)算流體穿孔壓降過(guò)程中涉及折流板厚度。折流板的最小厚度可以從反應(yīng)器公稱(chēng)直徑以及反應(yīng)管管無(wú)支撐跨距表差獲得。表2-5是相關(guān)折流板最小厚度數(shù)據(jù)。當(dāng)反應(yīng)器公稱(chēng)直徑為3.6m，反應(yīng)管無(wú)支撐跨距為0.72m時(shí)表中沒(méi)有相關(guān)數(shù)據(jù)。但從表中無(wú)支撐跨距為600到900mm。反應(yīng)器工稱(chēng)直徑每放大500mm，折流板最小厚度增加2mm，因而可以估算在反應(yīng)器工程直徑為3m時(shí)則流板的厚度約為18mm。表 2-5 折流板最小厚度公稱(chēng)直徑DN反應(yīng)管無(wú)支撐跨距（mm)1500折流板最小厚度（mm)4003458101040070045610101270090056810121690015006810121616150020001012162020本工藝采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為：，所以取h=900mm。取折流板間的距離：折流板的數(shù)目為：折流板厚度為：18mm。2.3.6 反應(yīng)器筒體壁厚設(shè)計(jì)（1）材料選擇該反應(yīng)器的反應(yīng)溫度控制在360左右，反應(yīng)壓力為4bar，需進(jìn)行換熱。反應(yīng)器殼程走取熱介質(zhì)，我們選用熔鹽取熱，壓力大約在2bar，入口溫度為320。為減小熔鹽對(duì)設(shè)備的腐蝕，制造選材應(yīng)為特種不銹鋼。因此，筒體選用材料為Q345不銹鋼。根據(jù)GB/T6713-2014鍋爐和壓力容器用鋼板及GB/T150.2-2011規(guī)定對(duì)鋼板厚度進(jìn)行選擇。計(jì)算時(shí)，腐蝕裕量選C2=2mm；焊接方式選用雙面焊對(duì)接接頭，100%無(wú)損探測(cè)，焊接系數(shù)為=1。（2）筒體壁厚計(jì)算由于反應(yīng)器為內(nèi)壓容器，其壁厚計(jì)算公式為：式中：殼體厚度，mmP操作時(shí)可能的最大壓力，內(nèi)壓容器取P=(11.1)PWt材料在操作溫度范圍內(nèi)的許用應(yīng)力，Pa焊接系數(shù)C1厚度負(fù)偏差，mm，取0.3mmC2腐蝕裕量，mmD殼體內(nèi)徑，mm操作時(shí)可能的最大壓力為P=1.1PW=1.10.3=0.33MPa。假設(shè)操作溫度下所需Q345鋼板的厚度為1740mm，許用壓力t=157MPa。將數(shù)據(jù)代入計(jì)算公式，得：=5.45mm。查閱筒體標(biāo)準(zhǔn)后最后將壁厚圓整為0=18mm。滿(mǎn)足1636mm的范圍要求。（3）水壓試驗(yàn)校核Q345常溫下進(jìn)行液壓試驗(yàn)時(shí)，許用壓力為=185MPa，屈服強(qiáng)度為ReL=325MPa。反應(yīng)器的水壓c試驗(yàn)壓力為：將數(shù)據(jù)代入校核公式得試驗(yàn)條件下的計(jì)算壓力為:故有T0.9ReL，所以所選材料水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。2.4 反應(yīng)器熱量衡算在本反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，異丁烯氧化制備MAL為強(qiáng)放熱反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)器選用絕熱式固定床反應(yīng)器時(shí)，由Aspen Plus模擬結(jié)果可知，反應(yīng)體系終止溫度能夠達(dá)到360。因此以上反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，需要及時(shí)取走反應(yīng)熱以保證副反應(yīng)盡可能少地發(fā)生，保證反應(yīng)體系平穩(wěn)運(yùn)行。2.4.1 取熱介質(zhì)選擇及用量如果想達(dá)到等溫催化反應(yīng)的條件，傳熱介質(zhì)既要求有良好的傳熱性能，又要求傳熱介質(zhì)本身的溫度和反應(yīng)管內(nèi)的催化劑的溫度差很小。本設(shè)計(jì)所用取熱介質(zhì)為320、2bar的熔鹽，利用320熔鹽加熱到360熔鹽帶走熱量。熔鹽一般是指無(wú)機(jī)鹽或其混合物的熔融態(tài)液體。常見(jiàn)的熔鹽有硝酸鹽、氯化鹽、氟化鹽、碳酸鹽和硫酸鹽等。熔鹽具有使用溫度范圍廣、蒸汽壓低、熱容量大、高溫粘度小、熱穩(wěn)定性高，以及價(jià)廉易得等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)良的傳熱蓄熱介質(zhì)。采用熔鹽作工質(zhì)形成近常壓高溫熔鹽換熱系統(tǒng)，在能源領(lǐng)域(包括可再生能源)和高溫加熱領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛力。硝酸鹽具有熔點(diǎn)低、熱容量大、熱穩(wěn)定性高、腐蝕性相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于300600溫區(qū)的各種換熱過(guò)程。表 2-6 各項(xiàng)物流物性參數(shù)表物流名稱(chēng)溫度 t壓力P密度定壓比熱Cp導(dǎo)熱系數(shù)粘度barkg/m3kJ/(kgK)W/(mK)Pas反應(yīng)進(jìn)料360410001.210.05196.8510-5反應(yīng)出料360410001.400.05196.8510-5進(jìn)口熔鹽290217911. 8190.5811.91510-3定性熔鹽315218051.7980.5791.8910-3出口熔鹽360218201.7760.5771.8710-3根據(jù)反應(yīng)器Aspen Plus模擬結(jié)果，反應(yīng)器中需要移出的熱量為：反應(yīng)器需要冷卻介質(zhì)的量為：2.4.2 換熱面積校核（1）床層對(duì)列管壁面的給熱系數(shù)對(duì)于本工藝反應(yīng)器，反應(yīng)放熱，需要移走熱量，床層被冷卻。床層對(duì)壁面總給熱系數(shù)可以按下式計(jì)算： 式中：f流體導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(mhK)G流體的表觀質(zhì)量流速，kg/(m2K)流體粘度，Pasdp催化劑粒徑dt列管內(nèi)徑將數(shù)據(jù)代入，計(jì)算得：W/(m2K)（2）冷卻介質(zhì)對(duì)列管壁面的給熱系數(shù)對(duì)于管外裝有割去25%直徑的圓缺型折流擋板的管殼式壓力容器，可使用Kern計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù)：列管在反應(yīng)器內(nèi)呈正三角形排列，所以殼程的當(dāng)量直徑為：殼程流通截面積為：將以上數(shù)據(jù)代入Kern公式計(jì)算得：=249.01 W/(m2K)。本工藝列管選用2205雙相不銹鋼，其導(dǎo)熱系數(shù)為：=19 W/(mK)。以?xún)?nèi)管表示的總傳熱系數(shù)K為：代入數(shù)據(jù)計(jì)算，得：K=159.49 W/(m2K)。換熱面積計(jì)算平均傳熱溫差為：則所需換熱面積為：反應(yīng)器提供的實(shí)際換熱面積：反應(yīng)器提供的實(shí)際換熱面積實(shí)際設(shè)計(jì)傳熱面積A0大于按傳熱計(jì)算所需的傳熱面積A，所以符合要求。第三章 反應(yīng)器機(jī)械設(shè)計(jì)3.1 反應(yīng)器封頭設(shè)計(jì)對(duì)于本工藝反應(yīng)器外殼，所受壓力為內(nèi)壓。封頭選擇橢圓形標(biāo)準(zhǔn)封頭，形狀系數(shù)為K=1，則。所以，其圓邊高度為：Hf=615mm。根據(jù)壓力容器封頭標(biāo)準(zhǔn)GB/T25198-2010，20mm以下的封頭直邊高度是15mm，2002000mm是50mm，2000mm以上是50mm。所以對(duì)于本反應(yīng)器所用封頭，直邊高度為50mm。最終確定的封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，公稱(chēng)直徑3000mm，總深665mm，壁厚18mm，圓邊高度615mm，直邊高度為50mm。3.2 反應(yīng)器支座設(shè)計(jì)反應(yīng)器支座選用裙式支座，材質(zhì)為Q235-A.F.碳素鋼，裙座與塔體的連接采用對(duì)接式焊接，裙座筒體公稱(chēng)直徑為3000mm，筒體厚度為18mm，地腳螺栓座的結(jié)構(gòu)選擇外螺栓座結(jié)構(gòu)型式，螺栓規(guī)格為M806mm，個(gè)數(shù)為20，基礎(chǔ)環(huán)板厚度為25mm。因?yàn)橥搀w大，高，需在裙座內(nèi)部設(shè)置梯子，裙座上開(kāi)設(shè)2個(gè)人孔方便檢查，人孔公稱(chēng)直徑選擇400mm。設(shè)置保溫圈以免引起不均勻熱膨脹。反應(yīng)器保溫延伸到裙座與封頭的連接焊縫以下4倍保溫層厚度的距離為止?？紤]裙座的防火問(wèn)題，在裙座的內(nèi)外側(cè)均敷設(shè)防火層。3.3 反應(yīng)器接管設(shè)計(jì)（1）反應(yīng)物進(jìn)料管反應(yīng)器進(jìn)料和出料的體積和溫度一致，均為11478.14m3/h。選擇進(jìn)入反應(yīng)器之前和反應(yīng)器出料的管口速度為50m/s。則反應(yīng)物進(jìn)出料的接管管徑為：圓整后，選用DN=80mm的雙向相不銹鋼。（2）反應(yīng)物出料管反應(yīng)器出料體積為34260.84m3/h，選擇反應(yīng)器出料的管口速度為50m/s。圓整后，選用DN=250mm的雙向相不銹鋼。（3）熔鹽殼層接管取熱介質(zhì)定性密度為1805kg/m3，其質(zhì)量流率為36.24t/h。選擇進(jìn)出口接管的熔鹽為1m/s。則進(jìn)出口接管的管徑為：所以，取熱介質(zhì)進(jìn)出接管可選擇DN=150mm的鋼管。3.4 法蘭選擇反應(yīng)器常采用法蘭結(jié)構(gòu)形式有整體法蘭、螺紋法蘭、承插焊法蘭、平焊法蘭、對(duì)焊法蘭和松套法蘭等，法蘭的密封面型式有平面、凸面、環(huán)連接面、凹凸面和榫槽面5種形式。法蘭的結(jié)構(gòu)型式和密封面形式可根據(jù)使用介質(zhì)、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和公稱(chēng)直徑等因素確定。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47023-2012，本設(shè)計(jì)中法蘭可選用長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，采用凹凸面密封連接，具體尺寸可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選用。圖 1-4 凹凸面法蘭3.5 催化劑支托結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)列管式反應(yīng)器催化劑裝填之后，為了使反應(yīng)氣體正常流通和防止催化劑自管下端漏出，每一根反應(yīng)管下端都需設(shè)置催化劑支托部件，它是該類(lèi)反應(yīng)器的重要組件之一。反應(yīng)器支托的結(jié)構(gòu)型式經(jīng)歷了由繁到簡(jiǎn)、由難到易的演變。國(guó)內(nèi)外的早期設(shè)計(jì)都采用管帽結(jié)構(gòu)。管帽內(nèi)設(shè)金屬濾網(wǎng)，管帽與管子的連接方式由螺紋連接和卡扣連接，但是存在很多問(wèn)題。本設(shè)計(jì)中，我們采用復(fù)合式彈簧支托結(jié)構(gòu)，可以有效解決上述支托存在的問(wèn)題。圖 1-5 催化劑支托結(jié)構(gòu)復(fù)合式彈簧支托結(jié)構(gòu)常用拉桿有兩種形式，一種是拉桿定距管結(jié)構(gòu)，一種是拉桿與折流板點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)。在本設(shè)計(jì)中，由于反應(yīng)器列管選擇的是302.5mm，所以選用拉桿定距管結(jié)構(gòu)。查表確定拉桿的直徑為10mm，拉桿數(shù)為16根。3.6 反應(yīng)器氣體分布器設(shè)計(jì)對(duì)于大直徑列管式固定床反應(yīng)器，管箱是必不可少的結(jié)構(gòu)，其作用是聚散流體，是影響流場(chǎng)的一個(gè)關(guān)鍵因素。反應(yīng)物從進(jìn)口進(jìn)入反應(yīng)器后在管箱區(qū)域混合，然后分散到各個(gè)反應(yīng)管中。各個(gè)反應(yīng)管中分得流體的比例和管箱中的氣體分布及導(dǎo)流設(shè)備有很大關(guān)系。由于在設(shè)計(jì)、安裝時(shí)流體流動(dòng)的不穩(wěn)定性和壓降等原因造成流體在其設(shè)備內(nèi)部分布不均勻，而物流分配的不均勻性主要發(fā)生在管箱部分，主要是由管箱的來(lái)流不均勻所引起的。列管式固定床反應(yīng)器管箱內(nèi)常用的氣體分布器按結(jié)構(gòu)分為管式和環(huán)流式。相比管式氣體分布器，環(huán)流式氣體分布器有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）氣體均布點(diǎn)較多，更接近于理想模型，更有利于氣體的均布；（2）環(huán)流式氣體分布器是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，比管式氣體分布器更接近塔體結(jié)構(gòu)，更有利 于氣體的均布；（3）環(huán)流式氣體分布器每個(gè)分布點(diǎn)出來(lái)的氣體擴(kuò)散路徑都相同，更有利于氣體的均布。由于本反應(yīng)器內(nèi)徑較大，一般的管式分布器和環(huán)流式分布器的效果不佳。通過(guò)查閱文獻(xiàn)并結(jié)合實(shí)際，我們采用一種新型的氣體分布器。本設(shè)計(jì)所采用的氣體分布器為一種雙通道環(huán)形氣體分布裝置，專(zhuān)利號(hào)為 CN104399275A。裝置包括頂板、引氣管、外筒、導(dǎo)流板、內(nèi)筒、氣體分配板。外筒與頂板、內(nèi)筒和氣體分配板通過(guò)焊接組成獨(dú)立的環(huán)形一次氣體分布空間，外筒與反應(yīng)器筒體內(nèi)壁間形成有一個(gè)環(huán)形氣體分布通道；引氣管與氣體進(jìn)口管同軸布置；頂板上設(shè)置供小部分氣體向上運(yùn)動(dòng)的、沿圓周均勻分布的升氣通道；氣體分配板位于環(huán)形一次氣體分布空間的下方， 其具體的結(jié)構(gòu)型式為導(dǎo)流板形式或者開(kāi)設(shè)均勻氣體分配孔的環(huán)板型式，主要提供主體氣體向下運(yùn)動(dòng)的功能。其具體結(jié)構(gòu)如圖 2-18 所示。該氣體分布裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)合理、安全穩(wěn)定、性能優(yōu)良、氣體分布效果好等優(yōu)點(diǎn)。圖 1-6 雙通道環(huán)形氣體分布裝置結(jié)構(gòu)示意圖1-頂板2-引氣管3-外筒4-導(dǎo)流板5-氣體分配板6-升氣通道7-分配板3.6 反應(yīng)器連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）殼體與管板的連接結(jié)構(gòu)殼體與管板的連接形式，分為兩類(lèi)：一是不可拆式，如固定式管板換熱器管板與殼體是用焊接連接；一是可拆式，管板本身與殼體不直接焊接，而通過(guò)殼體上法蘭和管箱法蘭夾持固定。本工藝根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)需要選擇可拆式的連接方式。（2）管箱與管板的連接結(jié)構(gòu)管箱與管板的連接結(jié)構(gòu)形式較多，隨著壓力的大小、溫度的高低以及物料性質(zhì)、耐腐蝕情況不同，連接處的密封要求，法蘭形式也不同。本工藝所用的固定式管板與管箱的連接結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，采用螺栓法蘭結(jié)構(gòu)連接，考慮的管程介質(zhì)的密封求以及加工制造方便性，法蘭之間采用平面密封形式。（3）反應(yīng)管與管板的連接結(jié)構(gòu)本工藝考慮到反應(yīng)器的密封性能要求較高且管板要承受管束振動(dòng)及疲勞載荷的作用，因此采用脹焊結(jié)合的連接結(jié)構(gòu)，先進(jìn)行強(qiáng)度焊后加貼脹。強(qiáng)度焊是保證列管與管板連接的密封性能及抗拉脫強(qiáng)度，貼脹是消除列管與管孔之間縫隙的輕度脹接。表 3-1 反應(yīng)器參數(shù)匯總反應(yīng)器類(lèi)型恒溫列管式固定床反應(yīng)器反應(yīng)器位號(hào)R0201反應(yīng)溫度360反應(yīng)壓力MPa0.4管程設(shè)計(jì)溫度360殼程設(shè)計(jì)溫度360管程工作壓力MPa0.4殼程設(shè)計(jì)壓力MPa0.2反應(yīng)器內(nèi)徑mm3000反應(yīng)器筒體長(zhǎng)度mm7000反應(yīng)器總高mm9230催化劑IKT-31催化劑填充量t10.12反應(yīng)管內(nèi)徑mm25厚度mm2.5長(zhǎng)度mm3000列管數(shù)5015排列方式正三角形封頭高度mm665支座高度mm20003.7 反應(yīng)器機(jī)械強(qiáng)度校核初步設(shè)計(jì)完成后，使用SW6-2011對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行強(qiáng)度校核，形成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。表 3-2 前端管箱筒體校核前端管箱筒體計(jì)算計(jì)算單位中航一集團(tuán)航空動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所計(jì)算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB150.3-2011計(jì)算條件筒體簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力pc0.40MPa設(shè)計(jì)溫度t360.00內(nèi)徑Di3000.00mm材料Q345R(板材)試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力s185.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力st131.40MPa試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn)ss325.00MPa鋼板負(fù)偏差C10.30mm腐蝕裕量C22.00mm焊接接頭系數(shù)f1.00厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度d=4.57mm有效厚度de=dn-C1-C2=15.70mm名義厚度dn=18.00mm重量9377.69Kg壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類(lèi)型液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值pT=1.25p=0.5000(或由用戶(hù)輸入)MPa壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平sTsT0.90ss=292.50MPa試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力sT=48.02MPa校核條件sTsT校核結(jié)果合格壓力及應(yīng)力計(jì)算最大允許工作壓力pw=1.36816MPa設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力st=38.42MPastf131.40MPa校核條件stfst結(jié)論筒體名義厚度大于或等于GB151中規(guī)定的最小厚度15.00mm，合格表 3-3 前端管箱封頭校核前端管箱封頭計(jì)算計(jì)算單位中航一集團(tuán)航空動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所計(jì)算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB150.3-2011計(jì)算條件橢圓封頭簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力pc0.46MPa設(shè)計(jì)溫度t360.00內(nèi)徑Di3000.00mm曲面深度hi615.00mm材料Q345R(板材)設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力st131.40MPa試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力s185.00MPa鋼板負(fù)偏差C10.30mm腐蝕裕量C22.00mm焊接接頭系數(shù)f1.00壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類(lèi)型液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值pT=1.25p=0.5000(或由用戶(hù)輸入)MPa壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力stsT0.9=0ss 292.50MPa試驗(yàn)壓力下封頭的應(yīng)力sT=63.41MPa校核條件sTsT校核結(jié)果合格厚度及重量計(jì)算形狀系數(shù)K=1.3248計(jì)算厚度dh=6.96mm有效厚度deh=dnh-C1-C2=15.70mm最小厚度dmin=9.00mm名義厚度dnh=18.00mm結(jié)論滿(mǎn)足最小厚度要求重量1298.17Kg壓力計(jì)算最大允許工作壓力pw=1.03608MPa結(jié)論合格表 3-4 后端管箱筒體校核后端管箱筒體計(jì)算計(jì)算單位中航一集團(tuán)航空動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所計(jì)算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB150.3-2011計(jì)算條件筒體簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力pc0.40MPa設(shè)計(jì)溫度t360.00內(nèi)徑Di3000.00mm材料Q345R(板材)試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力s185.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力st131.40M