反應(yīng)器選型與設(shè)計(jì)

1、反應(yīng)器選型與設(shè)計(jì)一、反應(yīng)器類型反應(yīng)器設(shè)備種類很多，按結(jié)構(gòu)型式分，大致可分為釜式反應(yīng)器、管式反應(yīng)器、 塔式反應(yīng)器、固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器等。1.1釜式反應(yīng)器：反應(yīng)器中物料濃度和溫度處處相等，并且等于反應(yīng)器出口物料的濃度和溫 度。物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間有長(zhǎng)有短， 存在不同停留時(shí)間物料的混合，即 返混程度最大。應(yīng)器內(nèi)物料所有參數(shù)，如濃度、溫度等都不隨時(shí)間變化，從而不 存在時(shí)間這個(gè)自變量。優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣泛，投資少，投產(chǎn)容易，可以方便地改變反應(yīng)內(nèi)容。缺點(diǎn)：換熱面積小，反應(yīng)溫度不易控制，停留時(shí)間不一致。絕大多數(shù)用于有液相 參與的反應(yīng)，如：液液、液固、氣液、氣液固反應(yīng)等。1.2管式反應(yīng)器 由于反應(yīng)

2、物的分子在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間相等， 所以在反應(yīng)器內(nèi)任何一點(diǎn)上的反 應(yīng)物濃度和化學(xué)反應(yīng)速度都不隨時(shí)間而變化，只隨管長(zhǎng)變化。 管式反應(yīng)器具有容積小、比表面大、單位容積的傳熱面積大，特別適用于熱效 應(yīng)較大的反應(yīng)。 由于反應(yīng)物在管式反應(yīng)器中反應(yīng)速度快、流速快，所以它的生產(chǎn)能力高。 管式反應(yīng)器適用于大型化和連續(xù)化的化工生產(chǎn)。 和釜式反應(yīng)器相比較，其返混較小，在流速較低的情況下，其管內(nèi)流體流型接 近與理想流體。 管式反應(yīng)器既適用于液相反應(yīng)，又適用于氣相反應(yīng)。用于加壓反應(yīng)尤為合適。1.3固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是：返混小，流體同催化劑可進(jìn)行有效接觸，當(dāng)反應(yīng) 伴有串聯(lián)副反應(yīng)時(shí)可得較高選擇性。催化劑機(jī)械損耗

3、小。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。固定床反應(yīng)器的缺點(diǎn)是：傳熱差，反應(yīng)放熱量很大時(shí)，即使是列管式反應(yīng)器也 可能出現(xiàn)飛溫（反應(yīng)溫度失去控制，急劇上升，超過(guò)允許范圍）。操作過(guò)程中 催化劑不能更換，催化劑需要頻繁再生的反應(yīng)一般不宜使用，常代之以流化床反 應(yīng)器或移動(dòng)床反應(yīng)器。固定床反應(yīng)器中的催化劑不限于顆粒狀，網(wǎng)狀催化劑早已應(yīng)用于工業(yè)上。目前，蜂窩狀、纖維狀催化劑也已被廣泛使用。1.4流化床反應(yīng)器（1）流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn) 由于可采用細(xì)粉顆粒，并在懸浮狀態(tài)下與流體接觸，流固相界面積大（可 高達(dá)328016400/口3），有利于非均相反應(yīng)的進(jìn)行，提高了催化劑的利用率。 由于顆粒在床內(nèi)混合激烈，使顆粒在全床內(nèi)的溫度和濃度均勻一致

4、， 床層 與內(nèi)浸換熱表面間的傳熱系數(shù)很高200400?/（ ?，全床熱容量大，熱穩(wěn)定 性高，這些都有利于強(qiáng)放熱反應(yīng)的等溫操作。這是許多工藝過(guò)程的反應(yīng)裝置選擇 流化床的重要原因之一。流化床內(nèi)的顆粒群有類似流體的性質(zhì)， 可以大量地從裝置中移出、引入，并可以 在兩個(gè)流化床之間大量循環(huán)。這使得一些反應(yīng)一再生、吸熱一放熱、正反應(yīng)一逆 反應(yīng)等反應(yīng)耦合過(guò)程和反應(yīng)一分離耦合過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)。使得易失活催化劑能在工 程中使用。(2)流化床反應(yīng)器的缺點(diǎn) 氣體流動(dòng)狀態(tài)與活塞流偏離較大， 氣流與床層顆粒發(fā)生返混，以致在床層 軸向沒(méi)有溫度差及濃度差。加之氣體可能成大氣泡狀態(tài)通過(guò)床層， 使氣固接觸不 良，使反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率降低。

5、因此流化床一般達(dá)不到固定床的轉(zhuǎn)化率。 催化劑顆粒間相互劇烈碰撞，造成催化劑的損失和除塵的困難。 由于固體顆粒的磨蝕作用，管子和容器的磨損嚴(yán)重。雖然流化床反應(yīng)器存 在著上述缺點(diǎn)，但優(yōu)點(diǎn)是主要的。流態(tài)化操作總的經(jīng)濟(jì)效果是有利的， 特別是傳 熱和傳質(zhì)速率快、床層溫度均勻、操作穩(wěn)定的突出優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于熱效應(yīng)很大的大規(guī) 模生產(chǎn)過(guò)程特別有利。二、反應(yīng)器設(shè)計(jì)原則反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循“合理、先進(jìn)、安全、經(jīng)濟(jì)”的原則，具體設(shè)計(jì)時(shí)還 需滿足以下要求：1. 滿足物料轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)時(shí)間的要求2. 滿足反應(yīng)的熱傳遞要求3. 滿足物料流動(dòng)和混合的要求，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臄嚢杵骰蝾愃谱饔玫难b置4. 滿足防腐和機(jī)械加工要求，合理選擇材質(zhì)三

6、、反應(yīng)器選型1. 參考相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)于氣-固相反應(yīng)，反應(yīng)器類型主要有固定床反應(yīng)器、流化床 反應(yīng)器和移動(dòng)床反應(yīng)器，本反應(yīng)的反應(yīng)器類型主要為固定床反應(yīng)器。對(duì)于固定床 反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是： 返混小，流體同催化劑可進(jìn)行有效接觸，當(dāng)反應(yīng)伴有串聯(lián)副反應(yīng)時(shí)可得較高 選擇性。 催化劑機(jī)械損耗小。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。正因?yàn)樗羞@么多優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)工藝需求，考慮到氣 -固相反應(yīng)形式，因此最后選 擇氣-固相絕熱固定床反應(yīng)器。2. 工藝確定(國(guó)外傳統(tǒng)的甲苯歧化與烷基轉(zhuǎn)移技術(shù))目前,世界上傳統(tǒng)的甲苯歧化與烷基轉(zhuǎn)移技術(shù)共有 6種，即XylenePlus法、 Tatoray法、LTD法、MTD法、T?Bx法及MsTD法。我們采用的是與Tat

7、oray法類似的生產(chǎn)工藝。2.2反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)序號(hào)反應(yīng)方程式12 TOL - BZN + PX22 TOL - BZN + OX32 TOL - BZN + MX4TOL + 1,2,3TMB - 2 PX5TOL + 1,2,3TMB - 2 OX6TOL + 1,2,3TMB - 2 PX7TOL + 1,2,4TMB - 2 PX8TOL + 1,2,4TMB - 2 OX9TOL + 1,2,4TMB - 2 MX10TOL + 1,3,5TMB - 2 PX11TOL + 1,3,5TMB - 2 OX12TOL + 1,3,5TMB - 2 MX131,2,3TMB + H2 - B

8、ZN + C3H8141,2,4TMB + H2 - BZN + C3H8151,3,5TMB + H2 - BZN + C3H816C3H8 - H2 + C3H617TOL + P-MEB - EB + PX18TOL + P-MEB - EB + OX19TOL + P-MEB - EB + MX20TOL + O-MEB - EB + PX21TOL + O-MEB - EB + OX22TOL + O-MEB - EB + MX23TOL + M-MEB - EB + PX24TOL + M-MEB - EB + OX25TOL + M-MEB - EB + MX26P-MEB +

9、H2 - TOL + C2H627O-MEB + H2 - TOL + C2H628M-MEB + H2 - TOL + C2H629C2H6 - C2H4 + H2302 P-MEB - EB + C10A312 O-MEB - EB + C10A32P-MEB + H2 - EB + CH433O-MEB + H2 - EB + CH434M-MEB + H2 - EB + CH43.物料表反應(yīng)器進(jìn)料物料反應(yīng)器出料物料Temperature C450450Pressure bar3131Vapor Frac11Mole Flow kmol/hr2376.3572376.357Mass Fl

10、ow kg/hr72796.06372796.063Volume Flow cum/hr4608.9894608.989En thalpy Gcal/hr21.1221.058Mass Flow kg/hrH23499.9923482.8TOL25036.045885.141BZN260.4442545.285OX238.7488132.963MX37.97413734.275PX46.2988159.671EB1.77236.032P-MEB2388.639386.959O-MEB2023.336327.78M-MEB7393.7442676.5351,3,5TMB9358.8576186.

11、2051,2,3TMB4937.4413856.1411,2,4TMB16041.9868357.875C10A1530.8661530.866CH4029.939C2H6056.116C2H400C3H80211.478C3H600CO200CH4O00H2O00C4H8-0100C5H10-0100C6H12-01001,4-DTB00Mole Flow kmol/hrH21736.211727.682TOL271.71663.871BZN3.33432.584OX2.24976.605MX0.358129.364PX0.43676.857EB0.01668.157P-MEB19.8733

12、.219O-MEB16.8342.727M-MEB61.51522.2681,3,5TMB77.86451.4681,2,3TMB41.07932.0831,2,4TMB133.46769.536C10A11.40611.406CH401.866C2H601.866C2H400C3H804.796C3H600CO200CH4O00H2O00C4H8-0100C5H10-0100C6H12-01001,4-DTB00* VAPOR PHASE *En thalpy kcal/kg290.132289.268Heat Cap cal/gm-K0.7340.734Con ductivity kcal

13、-m/hr-sqm0.1390.14Den sitykg/cum15.79415.794Viscosity cP0.0180.018四. 固定床反應(yīng)器的計(jì)算方法（甲苯歧化與CS芳烴烷基轉(zhuǎn)移翻譯器計(jì)算示例）?固定床反應(yīng)器工藝計(jì)算的內(nèi)容有三個(gè)方面： 一是反應(yīng)器的有效體積即催化 劑裝填量的計(jì)算，二是床高和床徑的計(jì)算，三是傳熱面積和床層壓力降的 計(jì)算。? v R的計(jì)算有經(jīng)驗(yàn)法和數(shù)學(xué)模型法兩種。?經(jīng)驗(yàn)法是根據(jù)空速、空時(shí)收率、催化劑負(fù)荷等數(shù)據(jù)，反推完成一定任務(wù)所 需的催化劑裝填量，比較簡(jiǎn)單。?數(shù)學(xué)模型法按座標(biāo)數(shù)目分有一維模型和二維模型；按相態(tài)分有擬均相模型和非均相模型。4.1經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法（經(jīng)驗(yàn)法主要用于計(jì)算

14、催化劑床層體積、傳熱面積及床層壓力降。） 催化劑的選擇本工藝采用絕熱固定床反應(yīng)器，與Tatoray技術(shù)類似，選用沸石催化劑，臨氫操作，反應(yīng)原料為甲苯和C9芳烴。該工藝工業(yè)化后催化劑不斷更新?lián)Q代，轉(zhuǎn)化率由原來(lái)的35.5%提升至47.0%;操作周期由最初的3個(gè)月延長(zhǎng)至36個(gè)月。該工藝 具有反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及反應(yīng)流程簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)化率高、選擇性高等特點(diǎn)，而且該工藝不僅 可以處理甲苯，還可以充分利用C9芳烴，最大限度地滿足生產(chǎn)PX的要求，因此在 與其他工藝的競(jìng)爭(zhēng)中始終處于優(yōu)勢(shì)地位。由于我們采用的是與Tatoray技術(shù)類似的生產(chǎn)技術(shù)，因此我們采用上海石油化工研究院開發(fā)的以絲光沸石為主體的 HAT-096型甲苯歧化與

15、烷基轉(zhuǎn)移催化劑。催化劑用量的計(jì)算 根據(jù)重時(shí)空速與催化劑的關(guān)系空翌回 48530.71m3G1.5m -WHSV取催化劑堆積密度b 690 kg / m3,則催化劑床層體積：48530.7169070.34m3催化劑一般裝填整個(gè)反應(yīng)器的40%60%此處我們選取60%裝填量: 反應(yīng)器體積：70.340.603117.24m使用經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算催化劑的用量，必須注意適用條件：反應(yīng)器的型式及結(jié)構(gòu)參 數(shù)，催化劑的型號(hào)及粒度，操作壓力，反應(yīng)物系初始組成、最終轉(zhuǎn)化率、氣體凈 化程度及催化劑的使用時(shí)間。4.2反應(yīng)器的直徑和高度根據(jù)有關(guān)規(guī)定，為了保證反應(yīng)氣流穩(wěn)定，固定床反應(yīng)器的長(zhǎng)徑比一般在420 之間。此處我們選取反

16、應(yīng)器反應(yīng)器長(zhǎng)徑比二 4床徑計(jì)算(無(wú)內(nèi)件時(shí))H 4D 8R23V R H 8 RR=1.68mD =1.6 X 2=3.36m此處選取反應(yīng)器直徑D=3400m，固定床反應(yīng)器長(zhǎng)度H=13600mm 4.3反應(yīng)器筒體壁厚的設(shè)計(jì)參數(shù)的確定(1) 設(shè)計(jì)壓力的相關(guān)確定 計(jì)算壓力=設(shè)計(jì)壓力+液柱靜壓力 設(shè)計(jì)壓力：PP= (1.05-1.1 ) &此處我們?nèi)。篜=1.1 pr=1.1 X 3.1 = 3.41MPa 液體靜壓：PlPl = gH (對(duì)=15.7943666)Pl=對(duì)X 26=4028.52Pa=4.029kPa計(jì)算壓力：P計(jì)P計(jì)=P PL 3.41 103 4.029 3414.029 kPa

17、(2) 設(shè)計(jì)溫度的相關(guān)確定該反應(yīng)器操作溫度為450C，取設(shè)計(jì)溫度500r，反應(yīng)壓力為3.1MPa,則選用中 304-0Cr18Ni9 不銹鋼。4.4反應(yīng)器壁厚操作壓力為P=3.1 MPa設(shè)計(jì)計(jì)算壓力取1.1倍的工作壓力，即Pc=3.1 X 1. 1=3.41MPa,，焊縫系數(shù)取 =1，內(nèi)徑 Di =3400mm查化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)P213附表1得304-0Cr18Ni9不銹鋼，在450C下的許用應(yīng)力t=103 MPa腐蝕裕量按每年0.1mm的腐蝕量,計(jì)15年腐蝕裕量取C2=1.5mm3.41 340057.3mmt2FC2 1031 3.41設(shè)計(jì)厚度dC2 C腐蝕量57.31.5 0.1 156

18、0.3mm4.5筒體封頭設(shè)計(jì)封頭選用標(biāo)準(zhǔn)型橢圓封頭，曲面高度 hi =850mm直邊高度h 2=50mm壁厚20mm,內(nèi)表面積 A =13.00m，容積 V=5.60m，質(zhì)量 m=2080kg。4.6裙座高度因卸料需要，需要安裝裙座，裙座高度H 2旦2 15 344.55m2 24.7附件設(shè)計(jì)(1)筒體法蘭的設(shè)計(jì)根據(jù)筒體內(nèi)操作壓力、溫度和筒體直徑，查壓力容器法蘭分類和規(guī)格表 和壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件(JB/T4700-2000)，選帶襯環(huán)的甲型平焊 法蘭(如圖2-4所示)，法蘭材料為16MnR查標(biāo)準(zhǔn)非金屬軟墊片(JB/T4704-2000)、纏繞墊片(JB/T4705-2000)、金屬包墊

19、片 (JB/T4706-2000) 及壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件(JB/T4700-2000)， 查標(biāo)準(zhǔn)JB/T4701-2000甲型平焊法蘭，公稱壓力 PN=3.1MPa公稱直徑甲型平焊法蘭結(jié)構(gòu)示意圖查標(biāo)準(zhǔn)壓力容器用非金屬軟墊片(JB/T4704-2000)，選用墊片為平形 的奶油橡膠石棉板，標(biāo)記為：墊片 3400-3.1JB/T4704-2000。(2) 螺栓根徑和螺栓個(gè)數(shù)的設(shè)計(jì)根據(jù)鋼制壓力容器設(shè)計(jì)，螺栓法蘭的材料選擇20R,其標(biāo)準(zhǔn)為GB 6654,螺栓24個(gè)，直徑16mm(3) 人孔的設(shè)計(jì)人孔該固定床反應(yīng)器內(nèi)裝催化劑，為了裝卸催化劑并檢查設(shè)備的內(nèi)部空間以及安 裝和拆卸設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)件等，設(shè)

20、置人孔。本反應(yīng)器為固定床反應(yīng)器，由于反應(yīng)器 壓力為3.1MPa,所以本設(shè)計(jì)決定采用回轉(zhuǎn)蓋板式平焊法蘭人孔。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) HG/T21514-2005鋼制人孔和手孔的類型與技術(shù)條件，選用回轉(zhuǎn)蓋板式平焊法 蘭人孔，其安裝位置靈活。固定床反應(yīng)器為立式反應(yīng)器，反應(yīng)器高度為13.6m,催化劑裝填分為3段，故設(shè)4個(gè)人孔。HG/T21516-2005回轉(zhuǎn)蓋板式平焊法蘭人孔，其公稱直徑為500mm公稱壓力 3.1MPa；密封面型式為平面；筒節(jié)、凸緣材料為 304-0Cr18Ni9鋼：；墊片材料 為耐油石棉橡膠板；筒節(jié)高度為130mm人孔補(bǔ)強(qiáng)確定根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T4736-2002補(bǔ)強(qiáng)圈，該人孔可用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)。采用內(nèi)

21、坡口 型式、全焊透焊接，補(bǔ)強(qiáng)圈放在釜壁外單面補(bǔ)強(qiáng)。D型補(bǔ)強(qiáng)圈型式尺寸示意圖(適用于殼體為內(nèi)坡口的全焊透結(jié)構(gòu)) 所選人孔筒節(jié)內(nèi)徑為500mm外徑為516mm壁厚為8mm補(bǔ)強(qiáng)圈材料采用304L不 銹鋼設(shè)備，尺寸算確定如下：補(bǔ)強(qiáng)圈外徑D 2 =760mm內(nèi)徑Di=cb+9=516+9=525m。根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)的金 屬面積 應(yīng)大于或等于開孔減少的截面積，補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度按下式估算：補(bǔ)=(621)2(50028)(80.8)!5.8mmD2 D1760 525其中：濟(jì)卜補(bǔ)強(qiáng)圈厚度，mm；S 1孔筒節(jié)厚度，mm；S 2壁厚度(岔=15mm )與腐蝕裕量(C2=0.8mm)之差，mm； di人孔筒節(jié)內(nèi)徑，mm；圓整至

22、標(biāo)準(zhǔn)值，取16m m厚。(4) 反應(yīng)器支座的設(shè)計(jì)本反應(yīng)器選擇圓筒裙式支座選擇依據(jù)：裙式支座適用于高大型或重型立式容器的支承。裙座有圓筒形 和圓錐形兩種形式，通常采用圓筒型裙座。圓錐形裙座一般用于以下情況：1塔徑D100Q且H/D30或D1500m時(shí)，兩側(cè)均敷設(shè)50mr石棉水泥層。當(dāng)塔內(nèi)操作溫度很高，塔體與裙座的溫度差引起不均勻熱膨脹， 會(huì)使裙座與 塔底封頭連接焊縫受力情況惡化，此時(shí)須對(duì)裙座加以保溫。選用圓錐形裙座，裙座內(nèi)徑3400mm裙座壁厚20mm裙座高度4.55m。兩側(cè) 均敷設(shè)50mr石棉水泥層。4.8管口設(shè)計(jì)反應(yīng)器進(jìn)口反應(yīng)器進(jìn)口總流量為V=4608.98857m/h=1.29m3/s，選

23、進(jìn)入反應(yīng)器之前總管道運(yùn)輸速度為20m/s，管的直徑為：do4 1.29-3.14 200.287m 采用 DN=300 的管道（根據(jù) GB/T1057-1995）4 1.293.14 0.3316.99m / s，在校核：根據(jù)選取的公稱直徑為300mm則速度為：u 允許范圍內(nèi)（流速一般在1030m/s），可以選取。出口管設(shè)計(jì)反應(yīng)器出口流量V 4608.98857m3/h =1.29m3 /s，取出口管速為20m/s：出口管直徑:d4 1.29L 3.14 200.287m圓整后選取DN=300m的壓力管（根據(jù)GB/T1057-1995）4 1.2933.14 0.3316.99m/s，在校核：

24、根據(jù)選取的公稱直徑為300mm則速度為：u 允許范圍內(nèi)，可以選取。表反應(yīng)器詳細(xì)裝備列表反應(yīng)器類型固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)壓力（Mpa） 設(shè)計(jì)溫度（C）3.1450催化劑催化劑床層體積（m ） 內(nèi)徑（mm）床層高度（m）筒體材質(zhì)筒體壁厚（mm）HAT-09670.34340013.60Cr18Ni960.3入口擴(kuò)散器錐形擴(kuò)散器類型盤式孔流型分布器升氣管高度（mm）150反應(yīng)器內(nèi)件升氣管直徑（mm）100噴淋孔直徑（mm）5噴淋孔數(shù)250催化劑層咼度（m）0.5封頭類型標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭材質(zhì)0Cr18Ni9封頭壁厚20曲面咼度（mm）850直邊高度（mm）50裙座類型圓柱形裙座裙座裙座內(nèi)徑（mm）3400裙座壁厚（mm）20裙座咼度（m）4.45人孔直徑（mm）500個(gè)數(shù)4內(nèi)壓圓筒校核計(jì)算單位計(jì)算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)重慶文理學(xué)院一一光芒團(tuán)隊(duì)GB 150.3-2011筒體簡(jiǎn)圖反應(yīng)器校核：計(jì)算條件計(jì)算壓力Pc3.20MPa設(shè)計(jì)溫度t480.00C內(nèi)徑D3400.00mm材料3