設(shè)計集42反應(yīng)器說明書

1、 2018“東華科技-陜鼓杯”第十二屆化工設(shè)計大賽淄博齊翔騰達化工分廠 6.4萬噸/年 MMA 項目反應(yīng)器設(shè)計說明書指導(dǎo)老師：張定明團隊成員：陳成、王文、張曉惠、黃家鳳、梁思琪理工學(xué)院-Phoenix目錄1異丁烯氧化制異丁烯醛反應(yīng)器(R0101). - 1 -1.1反應(yīng)器選型目標. - 1 -1.1.1 固定床反應(yīng)器. - 1 -1.1.2 流化床反應(yīng)器. - 2 -催化劑. - 3 -1.21.2.11.2.21.2.31.2.4復(fù)合氧化物催化劑. - 3 -雜多化合物催化劑. - 4 -方法. - 4 -物性參數(shù). - 4 -1.3工藝條件. - 5 -1.3.1 工藝原理. - 5 -1

2、.3.2 工藝設(shè)計條件. - 5 -1.4反應(yīng)器. - 7 -1.4.11.4.21.4.31.4.41.4.5催化劑床層體積. - 7 -反應(yīng)器列管數(shù). - 8 -反應(yīng)管排列. - 8 -反應(yīng)器直徑. - 8 -反應(yīng)器高度. - 8 -1.51.61.7換熱面積. - 9 -床層壓降. - 9 -氣體分布板. - 10 -1.7.11.7.21.7.31.7.41.7.51.7.6分布板的壓降. - 11 -均勻布氣壓降. - 11 -穩(wěn)定性壓降. - 11 -分布板開孔率. - 11 -板厚. - 12 -孔數(shù)與孔徑的確定. - 12 -1.8機械強度的設(shè)計和校核. - 12 -1.8.1

3、1.8.21.8.31.8.41.8.51.8.61.8.71.8.81.8.9設(shè)計的選材. - 12 -封頭和筒體厚度. - 12 -管箱和管箱法蘭. - 13 -折流板. - 13 -裙座. - 13 -管口設(shè)計. - 13 -膨脹節(jié). - 14 -連接方式. - 14 -再分配器. - 15 -1.8.10 環(huán)槽紋管. - 15 -1.8.10 反應(yīng)器強度校核. - 16 -1.9 設(shè)計結(jié)果匯總. - 28 -1.10 反應(yīng)器設(shè)備圖. - 29 -2 MAL 酯化氧化反應(yīng)器. - 30 -2.1 反應(yīng)器選型目標. - 30 -2.1.1 固定床反應(yīng)器. - 31 -2.1.1 懸浮床反應(yīng)

4、器. - 31 -2.2催化劑. - 32 -2.2.12.2.22.2.32.2.4催化劑的. - 32 -催化劑. - 33 -催化劑失活. - 33 -物性參數(shù). - 33 -2.3反應(yīng)條件. - 34 -2.3.12.3.22.3.32.3.42.3.5反應(yīng)方程式. - 34 -溫度與. - 34 -進料比例控制. - 34 -物料衡算. - 34 -能量衡算. - 35 -2.42.5反應(yīng)體積. - 36 -反應(yīng)器幾何. - 36 -2.5.12.5.22.5.3筒體高度和直徑. - 36 -夾套. - 37 -反應(yīng)釜的攪拌裝置. - 38 -2.62.7反應(yīng)器強度校核. - 38

5、-設(shè)計結(jié)果匯總表. - 49 -3 反應(yīng)器設(shè)計一覽表. - 50 -1 異丁烯氧化制異丁烯醛反應(yīng)器(R0101)1.1 反應(yīng)器選型目標反應(yīng)器是工程設(shè)計中典型的非標設(shè)備，是整個項目的內(nèi)容，故準確設(shè)計反應(yīng)器等在工程設(shè)計中起著重要的作用，本次設(shè)計主要參考化工工藝設(shè)計手冊、容器手冊、過程設(shè)備設(shè)計與選型基礎(chǔ)、化工原理等相關(guān)資料，對反應(yīng)器進行了筒體壁厚、封頭壁厚、管板厚度、法蘭復(fù)核、內(nèi)構(gòu)件設(shè)計、管口設(shè)計以及強度校核，并且列出了反應(yīng)器的設(shè)計、設(shè)計溫度、設(shè)備直徑及計算長度。反應(yīng)器為工藝流程中反應(yīng)進行的場所，主要需要滿足：（1）反應(yīng)器有良好的傳熱能力；（2）反應(yīng)器內(nèi)溫度分布均勻；（3）反應(yīng)器有足夠的壁厚，能承受

6、反應(yīng)；（4）反應(yīng)器結(jié)構(gòu)滿足反應(yīng)發(fā)生的要求，保證反應(yīng)充分；（5）反應(yīng)器材料滿足反應(yīng)物腐蝕要求；（6）保證原料有較高的轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)的收率；（7）降低反應(yīng)過程中副反應(yīng)發(fā)生的水平。1.1.1 固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器又稱填充床反應(yīng)器，是一種裝填有固體催化劑用以實現(xiàn)多相反應(yīng)的反應(yīng)器。固體催化劑通常呈顆粒狀，粒徑 215 mm，堆積成一定高度（或厚度）的床層，床層靜止不動，流體通過床層進行反應(yīng)。目前我國的固定床反應(yīng)器技術(shù)比較成熟，主要用于氣固相催化反應(yīng)固定床反應(yīng)器有如下優(yōu)點：可以嚴格控制停留時間，溫度分布可以適當(dāng)調(diào)節(jié)，流體同催化劑可進行有效接觸，當(dāng)反應(yīng)伴有串聯(lián)副反應(yīng)時可得較高選擇性。反應(yīng)速率較快，可用較少

7、量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積來獲得較大的生產(chǎn)能力。催化劑機械損耗小。結(jié)構(gòu)簡單。但另一方面，固定床反應(yīng)器：傳熱差，反應(yīng)放熱量很大時，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，超過允許范圍）。操作過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)器或移動床反應(yīng)器。固定床反應(yīng)器有 3 種基本形式。（1）軸向絕熱式。流體沿軸向自上而經(jīng)床層，床層同外界無熱交換。（2）徑向絕熱式。流體沿徑向流過床層，可采用離心或向心形式，床層與外界不發(fā)生熱交換。與軸向絕熱式反應(yīng)器相比，徑向絕熱式反應(yīng)器中流體的距離較短，流道截面積較大，流體的降較小，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。軸向絕熱式固

8、定床反應(yīng)器和徑向絕熱式固定床反應(yīng)器都屬絕熱反應(yīng)器，適用于反應(yīng)熱效應(yīng)不大，或反應(yīng)系統(tǒng)能夠承受絕熱條件下由反應(yīng)熱效應(yīng)引起的溫度變化的場合。（3）列管式固定床反應(yīng)器。由多根反應(yīng)管并聯(lián)構(gòu)成，適用于熱效應(yīng)較大的反應(yīng)。此外尚有由上述基本形式串聯(lián)組合而成的反應(yīng)器，稱為多級固定床反應(yīng)器。例如： 當(dāng)反應(yīng)熱效應(yīng)大或需分段控制溫度時，可將多個絕熱式固定床反應(yīng)器串聯(lián)成多級絕熱式 固定床反應(yīng)器，在反應(yīng)器之間設(shè)置換熱器或補充物料以調(diào)節(jié)溫度，以便在接近最佳溫度條件下操作。1.1.2 流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器是一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運動狀態(tài)時進行氣固相或液固相反應(yīng)過程的反應(yīng)器。流態(tài)化技術(shù)之所以

9、得到如此廣泛的應(yīng)用，是因為流化床反應(yīng)器有以下突出優(yōu)點 ：（1）可以實現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出，這對于催化劑迅速失活而需隨時再生的過程來說正是能否實現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵。此外，單純作為顆粒的輸送，在各行業(yè)中也得到廣泛應(yīng)用；（2）流體和顆粒的運動使床層具有良好的傳熱性能，床層內(nèi)部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于放熱反應(yīng) ；（3）由于顆粒細，可以消除內(nèi)擴散阻力，能充分發(fā)揮催化劑的效能。但流化床反應(yīng)器也有一些缺點：（1）氣流狀況不均，不少氣體以氣泡狀態(tài)經(jīng)過床層，氣固兩相接觸不夠有效，在要求達到高轉(zhuǎn)化率時這種狀況更為不利。（2）顆粒運動基本上是全混式，因此停留時間不一。在以顆粒為加工對象時，可影響

10、質(zhì)量的均一性，且轉(zhuǎn)化率不高。另外粒子的全混也造成氣體的部分返混，影響反應(yīng)速率和造成副反應(yīng)的增加。（3）顆粒的磨損和帶出造成催化劑的損失，并要有旋風(fēng)分離器等顆?；厥障到y(tǒng)。因此，是否選用流化態(tài)的方式，確定怎樣的操作條件，都應(yīng)當(dāng)是在考慮了上述這些優(yōu)缺點，并結(jié)合反應(yīng)的動力學(xué)特性加以斟酌后才能正確決定的。本項目選擇固定床列管式反應(yīng)器作為第一段反應(yīng)的反應(yīng)器。1.2 催化劑異丁烯選擇性氧化制 MAL 是異丁烯氧化備 MMA 的關(guān)鍵步驟之一。在選擇氧化過程中，由于烴類原料以及更為活潑的反應(yīng)產(chǎn)物在反應(yīng)條件下都易發(fā)生氧化，所以，如何控制深度氧化，提高目的產(chǎn)物選擇性始終是烴類選擇氧化研究中最具有性的技術(shù)難題。目前該

11、反應(yīng)的催化劑主要有兩種類型，一類是復(fù)合氧化物催化劑，這也是現(xiàn)在研究最為廣泛也最成催化劑，另外一類是雜多化合物催化劑，最近的研究表明雜多化合物在異丁烯氧化生成甲基丙烯醛時顯示了較好的活性。1.2.1 復(fù)合氧化物催化劑（1）CuO 系催化劑CuO 系催化劑是異丁烯選擇性氧化生成甲基丙烯醛反應(yīng)研究最早的催化劑。研究結(jié)果認為，反應(yīng)速度的控制步驟是吸附的異丁烯與晶格氧或與弱吸附的 O2 之間的反應(yīng)。單獨的 Cu2O 活性和選擇性均欠佳，但在反應(yīng)過程中添加某些助劑，如：SO2,SeO2,CH3Br,C2H2Cl4,C3H7I 等對原料轉(zhuǎn)化率和選擇性有明顯的提高，特別是鹵代烴最為顯著。（2）Mo-Sb 系復(fù)

12、合氧化物催化劑HaichaoLiu 等了 Re-Sb-O 化合物中活性相 SbOReO4·2H2O，SbRe2O6 和 Sb4Re2O13 等在 673K 下催化異丁烯生成 MAL 具有很高的活性和選擇性。發(fā)現(xiàn)催化活性由強到弱的順序依次為 SbRe2O6，SbOReO4·2H2O 和 Sb4Re2O13。673K 時在 Sb Re2O6 催化劑上異丁烯轉(zhuǎn)化率 15，MAL 選擇性 45。（3）Mo-Bi 系復(fù)合氧化物催化劑Mo-Bi 系復(fù)合氧化物催化劑是目前應(yīng)用最為廣泛的催化劑，構(gòu)成該復(fù)合氧化物催化劑的元素很多但主要由 6-10 種元素的氧化物和一-些復(fù)合氧化物組成。其中主

13、催化劑大都為 Mo-Bi 系和 Mo-Sb 系。而最有代表性的 Mo-Bi 系多元催化劑組成可表示為 Mo-Bi-M"-M""-M'-X-O，其中 M"可以是 Ni+, Co+, Mgt，Mn2+，Cu2+，Pb2*中的 1-3 種; M"代表 Fe3+, Cr3+, A13+; M'為 K* Nat, Cst, T1+等; X 為 P，B 等。Mo為催化劑的主要成分且含量較大，在催化劑中約占 50%，Bi 和其他成分幾乎都和 Mo 以復(fù)合氧化物的形式存在。催化劑中的 Mo，一部分可用 Sb、V、W、Te 等取代，Bi 為不可缺

14、少的組分，添加量較少，一般小于 5%，多了反而有損活性。其他大部分為 M '及 M"，而 M'，P、B 等均為微量成分。M"主要是 Fe3+,可以調(diào)變費米能級，加強催化劑的氧化還原能力，M'，M"中的堿金屬和堿士金屬等可以調(diào)變催化劑的酸堿性從而有效抑制深度氧化，提高甲基丙稀醛的選擇性。復(fù)合氧化物催化劑必需同時具備至少四種功能，1.化學(xué)吸附烯烴;2.除去a 位置上的氫;3.氧原子;4.有和氧離解有關(guān)的氧化-還原循環(huán)。此外，還要盡可能地減少因烯烴水合生成醇式而發(fā)生使碳鍵斷裂的氧化水解反應(yīng)、以及完全氧化和結(jié)碳，以提高目的產(chǎn)物的選擇性。1.2.2

15、雜多化合物催化劑雜多化合物由于其結(jié)構(gòu)特殊，作為催化劑時具有多方面的優(yōu)越性:1.具有確定的空間結(jié)構(gòu)，如典型的Keggin、Waugh 和 Anderson 結(jié)構(gòu)等。在這些結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成雜多陰離子的基本結(jié)構(gòu)為含氧四面體和八面體，有利于在或原子水平上設(shè)計催化劑; 2. 通常溶于極性溶劑，可用于均相和多相反應(yīng)體系;3.同時具有很強的酸性和氧化還原性，可作為酸性催化劑、氧化還原性催化劑或雙功能催化劑，通過對配位原子、中心原子和反荷離子等元素的選擇可以調(diào)變催化劑的催化性能;4.特殊的空間結(jié)構(gòu)形成獨特的反應(yīng)場，在固相催化反應(yīng)中，極性可進入催化劑的體相，具有使整相成為反應(yīng)場的“準液相行為”。本反應(yīng)選擇 Mo-B

16、i 系復(fù)合氧化物催化劑作為第一段氧化反應(yīng)催化劑，并在其基礎(chǔ)上添加多種助劑。該催化劑成型為外徑 5.0mm 球形顆粒，空速為 4500h-1。1.2.3方法工業(yè)應(yīng)用上，烯烴選擇性氧化的催化劑涉及金屬元素達 6 種以上，催化劑多采用共沉淀方法。沉淀法是最為常用的一種催化劑方法，通常為將沉淀劑加入到攪拌的金屬鹽類溶液中，形成固體沉淀后進行洗滌、干燥、成型、焙燒等。在沉淀過程中會包括：沉淀物胚芽的形成，晶核的生成和晶粒（沉淀粒子）的長大。催化劑具體方法為：在 50的水中，溶解一定質(zhì)量的鉬酸銨得到溶液 A；在一定體積 15%硝酸水溶液中，溶解一定質(zhì)量的硝酸鉍、硝酸鈰、硝酸鐵、硝酸銫、硝酸鉀、硝酸鈷、硝酸

17、鎳得到溶液 B；50攪拌條件下將溶液 A 溶液 B 以不同的添加順序混合，采用不同的攪拌速度得到淤漿，將得到的淤漿氨水調(diào)節(jié) pH 為 2-3 后，在將一定質(zhì)量的三氧化銻加入，攪拌 10min 后，在 50及攪拌條件下，再 50下熟化 10h,100下水浴蒸干，110下干燥 2h,將得到固體在馬弗爐中一定溫度下煅燒 3h，即得到活性催化劑。按原子比表示催化劑 組成為：Mo12Bi1.6Fe1Co8Ce0.4Cs0.4K0.2Ox1.2.4 物性參數(shù)1.3 工藝條件1.3.1 工藝原理主反應(yīng)為：異丁烯氧化生成甲基丙烯醛：C4H8+O2C4H6O+H2O副反應(yīng)為：甲基丙烯醛氧化生成甲基丙烯酸：2C4

18、H6O+O22C4H6O2異丁烯氧化生成：3 C4H8+2O24C3H6O異丁烯氧化生成一氧化碳：C4H8+4O24CO+4 H2O異丁烯氧化生成：C4H8+6O24CO2+4H2O1.3.2 工藝設(shè)計條件溫度的控制由于本反應(yīng)為放熱反應(yīng)，為避免積累熱量對反應(yīng)過程產(chǎn)生影響，應(yīng)及時帶走反應(yīng)放出的熱量，本項目加入熔鹽系統(tǒng)控制溫度，保證反應(yīng)溫度維持在 380，設(shè)計溫度為 400。的控制由于反應(yīng)過程為氣體的連續(xù)進料，連續(xù)出料且反應(yīng)需恒壓在 0.3Mpa 故通過檢測來控制進氣的流量。設(shè)計為 0.33Mpa。進料比例控制空氣、水蒸氣、異丁烯均是反應(yīng)中需要控制的物料指標，原材料比例設(shè)計不合理，必然造成一方的顆

19、粒粒度堆積密度視密度比表面積孔體積空隙率DP=5.0mmb=0.60g/mlp=0.95g/mlSp=4.61m2/gVv=0.121ml/g=0.40浪費，還會影響后續(xù)反應(yīng)。異丁烯：水蒸氣：空氣 =6:6:88，催化劑空速為 4500h-1 和 380條件下，異丁烯轉(zhuǎn)化率為 97.31%，甲基丙烯醛選擇性 92.34%。物料衡算InOutStream No810Temperature C380380Pressure bar33Vapor Frac11Mole Flow kmol/hr1566.8661574.091Volume Flow l/min472715474895Mass Flow

20、kg/hr46814.61546814.615C4H8-55248.268165.6C4H8-211.70611.706C4H8-17.3317.331C4H10-112.65212.652C4H10-216.22316.223N230490.37330490.373O29222.9775740.454CO24.409451.823WATER1677.4283527.991MAL0.15921.916CH4O33.79833.798能量衡算在溫度為 380時候異丁烯醛的單程收率為 97%；異丁烯酸的收率為 1%，總收率為 98%，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量要及時通過熔鹽經(jīng)熔鹽換熱器帶走。

21、1.4 反應(yīng)器1.4.1 催化劑床層體積此項目采用固定床列管式反應(yīng)器，催化劑填充于反應(yīng)器的列管當(dāng)中，催化劑為 Mo-Bi 系催化劑，該催化劑成型為外徑 5mm 球狀顆粒，空速為 4500h-1。選擇30×2.5mm，長 6000mm 的不銹作為填充催化劑的列管。由物料衡算可知，原料氣體積流量為 472715l/min=28362.9m3/h𝑉𝑆=𝑉𝑅𝑉式中，VR 為催化劑床層體積，m3VS 為原料氣體積流量，m3/h V 為催化劑空速，h-1則InOutStream No1-81-10Temperatur

22、e C380380Pressure bar33Vapor Frac11Mole Flow kmol/hr1566.8661574.091Mass Flow kg/hr46814.61546814.615Volume Flow l/min472715.205474895.033Enthalpy Gcal/hr-1.143-10.252MAA< 0.00173.472ACETO-0187.313157.152CO2.036204.124𝑉𝑆28362.9= 6.30m3𝑉𝑅𝑉45001.4.2 反應(yīng)器列管數(shù)選定管

23、子30×2.5mm 即內(nèi)徑為 25mm，管長為 6000mm 的不銹,取床層孔隙率為 0.4，則催化劑填充高度為 2.1m。 𝑉𝑅 n =6.30= 3566.8 根𝜋 𝑑2𝐿𝜋 × (0.025)2 × 6 × 0.6𝑡44列管在反應(yīng)器內(nèi)部為正三角形排列，實際管數(shù)為 3600 根。1.4.3 反應(yīng)管排列反應(yīng)管列管的布置與普通換熱器有很大不同。首先，管束水循環(huán)受阻，傳熱，溫度分布不均，故此區(qū)域不布管；其次，反應(yīng)管的排管把整個管板按 30

24、6;劃分為 12 個區(qū)間。取管間距為 1.268d0mm，不布管區(qū)域直徑 1000 mm，實際排管 3600 根，取管板厚度 15mm。1.4.4 反應(yīng)器直徑D = t(𝑏 1) + 2𝑒 + 1式中，t 為列管管間距，對于正三角形排列 t=1.268d0=41.04mm，d0 為列管外徑b 為最外層六邊形對角線上的管數(shù),b=2a+1,a 為六邊形層數(shù)，a = 12𝑛3 = 351,n 為列管數(shù);62e 為最外層列管到殼體距離，e=(11. 5)d0，取 e=1 d0=45mm所以D = 41.04 × (2 × 35) +

25、2 × 45 + 1 = 3962.8mm取反應(yīng)器直徑為 4000mm1.4.5 反應(yīng)器高度列管長度:由工藝計算中可知，列管長度 L=6m;筒體頂部空間：Ha=1m筒體底部空間：Hb=1m封頭高度:采用 EHA 橢圓形封頭，根據(jù) JB/T 4746-2002 可得，曲面高度 950mm,直邊高度 50mm，則封頭高度 Hc=2X1 =2m。反應(yīng)器高度 H=L+ Ha+ Hb+Hc=2+6+2=10m取反應(yīng)器高度為 10m1.5 換熱面積對于該反應(yīng)，反應(yīng)放出的熱量為 3.814×106kJ/h，反應(yīng)的傳熱系數(shù)為 K=170.3。熔鹽進口溫度 360，出口溫度 400，整個床層

26、看成 380，故傳熱推動力為：(380 360) + (400 380)= 20t =2需要的傳熱面積為𝑄3.814 × 106A需 = 𝐾𝑡 = 1119.7𝑚2170.3 × 20實際傳熱面積為：𝐴實 = 𝑑𝑡𝐿𝑛 = 3.24 × 0.025 × 6 × 3600 = 1695.6𝑚2𝐴實 > A需故能滿足傳熱需求。1.6 床層壓降固定床反應(yīng)器壓降一般由以下公

27、式進行計算：𝜌𝑢2 1 𝜀𝑏𝑝𝑏𝐻 0 (𝑑𝑝= 𝑓)𝑚𝜀3𝑏1 𝜀𝑏𝑓 = 𝑎 + 𝑏()𝑚𝑅𝑒𝑚𝑑𝑝𝜌𝑢20𝑅=𝑒𝑚𝜇

28、;式中𝑝 ，Pa；𝑓𝑚修正的摩擦系數(shù)；𝜌 流體密度，kg/m3；𝑢0空床線速，取 1.4m/s；𝑑𝑝催化劑顆粒直徑，m；𝑏床層空隙率；𝐻床層高度，m；𝜇流體的絕對黏度，Pa s；a、b系數(shù)，采用 Ergun 提出的數(shù)值，a1.75，b150，在 Aspen Plus 中查找相關(guān)數(shù)據(jù)，代入式中進行計算得到：𝑑𝑝𝜌𝑢20.005 × 1.42 × 1.650

29、 =𝑅= 52161.3𝑒𝑚𝜇0.031 × 0.0011 𝜀𝑏1 0.4𝑓 = 𝑎 + 𝑏 () = 1.75 + 150 × () = 1.752𝑚𝑅𝑒𝑚52161.31.65 × 1.4 × 1.4𝜌𝑢2 1 𝜀𝑏1 0.4 0 (𝑑𝑝⻖

30、1; = 𝑓) 𝐻 = 1.752 ×× () × 10𝑏𝑚𝜀30.420.005𝑏= 42494.76𝑃𝑎 = 42.5Kpa1.7 氣體分布板氣體分布板的形式主要有直流式、側(cè)流式、填充式及短管式分布板。下面主要介紹使用較多的直流式和側(cè)流式分布板。直流式分布板，直流式分布板結(jié)構(gòu)一般比較簡單，設(shè)計制造容易，但氣流方向正對床層，易使床層形成溝流，小孔也易堵 塞，停車時易漏料。因此，除特殊情況外，一般不推薦使用直流式分布板。為消除溝流，有時可

31、采用凹形分布板，而且凹形分布板能夠承受物料的重荷及熱應(yīng)力。側(cè)流式分布板，側(cè)流式分布板的孔上裝有錐形風(fēng)帽，氣流從錐帽底部或四周側(cè)孔吹出。在化工應(yīng)用上，此形式應(yīng)用最廣，優(yōu)點較多，主要有：物料在錐帽頂部形成死床，流化質(zhì)量得到改善。氣流緊貼分布板表面從側(cè)縫吹出，在板面上形成一層“氣墊”，使顆粒不能在板面上停留，這就消除了死床和燒結(jié)現(xiàn)象，大大減低了分布板的磨蝕。本反應(yīng)器采用的氣體分布板為錐形側(cè)縫分布板。側(cè)縫式錐帽氣體分布板如圖 1-1 所示：圖 1-1 側(cè)縫式錐帽氣體分布板示意圖1.7.1 分布板的壓降𝜌𝑔𝑢2𝑃𝑑 = 2&

32、#120572;2式中 u 為氣體通過孔的氣速 m/s，氣體的密度 kg/m3，為分布板的開孔率，為分布板的阻力系數(shù)，一般為 1.5-2.5，對于側(cè)縫帽分布板為 2，g 為氣體密度，kg/m3理想的氣體分布板壓降必須是同時滿足均勻布氣和具有良好穩(wěn)定性這兩個條件的最小壓降。1.7.2 均勻布氣壓降Richhardson 建議分布板的阻力至少是氣流阻力的 100 倍，即：𝑃𝑑,𝑐 100𝑃𝑐1.7.3 穩(wěn)定性壓降A(chǔ)garwal 等指出，穩(wěn)定性壓降應(yīng)不小于列管式固定床層壓降的 10%，即：𝑃⻔

33、9;,𝑠 = 0.1𝑃𝑏并且在任何情況下。其最小值約為 3500Pa由此，分布板的最小壓降可表示為：𝑃𝑑,𝑚𝑖𝑛 = max(0.10𝑃𝑏, 3500𝑃𝑎, 100𝑃𝑎)這里，均勻布氣壓降就成為次要問題，只要考慮穩(wěn)定性壓降就可以了，所以：𝑃𝑑,𝑚𝑖𝑛 = max(0.10𝑃

34、19887;, 3500𝑃𝑎)因為𝑃𝑏 = 42.4kpa，所以取𝑃𝑑 = 3500pa1.7.4 分布板開孔率 𝑉𝑆28362.9/3600u = 0.63𝑚/𝑠𝜋 𝐷2𝜋 × 4244𝜀𝜌𝑔𝑢22 × 1.65 × 0.632 = = 0.0142𝑃𝑑2 

35、15; 3500所以開孔率為 0.0141.7.5 板厚取分布板板厚為 10mm1.7.6 孔數(shù)與孔徑的確定D=4000mm，取孔徑 d=10mm，則孔數(shù)𝛼0.014N =2 =2 = 224010𝑑(4000)( 𝐷)在分布板中心部分按等邊三角形排列，這樣，每一圈是正六邊形，最外2 3 圈為同心圓排列，同心圓與正六邊形之間的大空隙處，適當(dāng)補充一些空。設(shè)孔間距為 s，則𝐷4000s = = = 80.48 80mm𝑁0.90722400.907取錐帽外徑為 30mm1.8 機械強度的設(shè)計和校核1.8.1 設(shè)計的選材

36、考慮到使用溫度、耐酸、許用、價格、供貨情況及材料的焊接性能等，在設(shè)計中選?。簹んw、列管、管板和封頭、法蘭、折流板材料為 Q345R。1.8.2 封頭和筒體厚度選用橢圓形封頭，以內(nèi)徑為公稱直徑，DN=4000mm，曲面高度 950mm，直邊高度 50mm，厚度 20mm。殼體厚度與封頭一致，20mm，長 6000mm。1.8.3 管箱和管箱法蘭管箱厚度與封頭一致，厚度為 20mm。管箱法蘭根據(jù) HG20583-1998鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定，采用凹凸面連接，對于管箱法蘭，我們選用凹面法蘭。1.8.4 折流板由于反應(yīng)器中間不排管，選用環(huán)盤型折流板。折流板間距為 1m，板厚 10mm。1.8.5

37、裙座選用圓筒形裙式支座，材質(zhì)為 16MnR。裙座與反應(yīng)器的連接采用對接式焊接，裙座筒體外徑為4000mm，筒體厚度 20mm，裙座筒體上端面至反應(yīng)器封頭切線距離 h=160mm，地腳螺栓座的結(jié)構(gòu)選擇外螺栓座結(jié)構(gòu)形式，螺栓規(guī)格為 M80×6,個數(shù) 28 個，基礎(chǔ)環(huán)板厚度為 20mm。因為筒體大、高，需在裙座內(nèi)部設(shè)置梯子。裙座上開設(shè)圓形人孔方便檢查。為減少腐蝕以及反應(yīng)器運行中有可能有氣體逸出，根據(jù)直徑，設(shè)定排規(guī)格108 × 4，數(shù)量 2 個，排需在裙座上部設(shè)置排中心距裙座頂端距離 H1=335mm、H2=500mm。1.8.6 管口設(shè)計（1）進料管由物料衡算可知，進料總體積流量

38、 Vs=28362.9m3/h，根據(jù)常用化工單元設(shè)計，設(shè)流速為 30m/s，則進料管直徑根據(jù) GB/T 17395-20084𝑉𝑆d = = 4 × 28362.9= 0.578𝑚𝜋𝑢3.14 × 3600 × 30選擇610×10mm（2）出料管由物料衡算可知，出料總體積流量 Vs=28493.7m3/h，根據(jù)常用化工單元設(shè)計，設(shè)流速為 30m/s，則出料管直徑4𝑉𝑆d = = 4 × 28493.7= 0.580𝑚

39、𝜋𝑢3600 × 30 × 3.14選擇610×10mm（3）熔鹽由物料衡算可知，進料總流量 Vs=1560.05m3/h，根據(jù)常用化工單元設(shè)計，設(shè)流速為 20m/s，則進料管直徑為4𝑉𝑆d = = 4 × 1560.05= 0.166m𝜋𝑢3600 × 20 × 3.14選擇接管180×4mm，出口接管與進口接管一致，選擇180×4mm。1.8.7 膨脹節(jié)在固定床反應(yīng)器中，因殼程流體與管程床層之間具有溫差，而殼體和反應(yīng)

40、管均與管板固定連接，在使用中會引起殼體和換熱管之間的膨脹差，造成殼體和反應(yīng)管受到軸向載荷，為避免殼體和列管拉伸破壞、列管失穩(wěn)、列管從管板上拉脫等現(xiàn)象，必須在殼體中間設(shè)置一個良好的變形補償元件膨脹節(jié)，以降低軸向載荷的作用。膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)圖如圖 1-21-端板 2-波紋管 3-拉桿或螺桿 4-螺母 5-內(nèi)襯套 6-端管圖 1-2 膨脹節(jié)及各部分名稱根據(jù) GB16749-1997，本設(shè)計選用的波形膨脹節(jié)為：膨脹節(jié)層數(shù) m=2；波數(shù) n=4;膨脹節(jié)厚度 S=16mm；材料為 0Cr18Ni10Ti。1.8.8 連接方式（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：一是不可拆式，管板與殼體是用焊

41、接連接；一是可拆式，管板本身與殼體不直接焊接，而通過殼體上法蘭和管箱法蘭夾持固定。本設(shè)計根據(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。本設(shè)計所用的固定式管板與管箱的連接結(jié)構(gòu)較簡單，采用螺栓法蘭結(jié)構(gòu)連接，考慮的管程介質(zhì)的密封要求以及加工制造方便性，法蘭之間采用凹凸面密封形式。（3）反應(yīng)管與管板的連接結(jié)構(gòu)本設(shè)計考慮到反應(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)，先進行強度焊后加貼脹。強度焊是保證列管與管板連接的密封性能

42、及抗拉脫強度，貼脹是消除列管與管孔之間縫隙的輕度脹接。（4）管板法蘭及管板的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)反應(yīng)器的初步結(jié)構(gòu)確定，本設(shè)計采用固定式管板兼做法蘭。1.8.9 再分配器為了防止氣相反應(yīng)混合物進入列管時氣速過大，造成催化劑擠壓，因此在列管內(nèi)設(shè)置再分配器，使催化劑填充均勻，得到比較好的反應(yīng)效果。1.8.10 環(huán)槽紋管反應(yīng)器采用環(huán)槽紋管，與光滑管相比，其列管內(nèi)的流場和溫度場都發(fā)生了巨大變化，從而改善反應(yīng)熱的徑向分布狀況，降低列管中心部位的溫度，提高傳熱和傳質(zhì)效率，提高轉(zhuǎn)化器的反應(yīng)強度，即提高單臺轉(zhuǎn)化器生產(chǎn)能力。圖 1-3 環(huán)槽紋管芯桿結(jié)構(gòu)1.8.10 反應(yīng)器強度校核固定管板換熱器設(shè)計計算計算中航一航空動力控

43、制系統(tǒng)設(shè) 計 計 算 條 件殼程管程設(shè)計ps0.4MPa設(shè)計pt0.4MPa設(shè)計溫度ts400°C設(shè)計溫度t t400°C殼程圓筒內(nèi)徑Di4000mm管箱圓筒內(nèi)徑 Di4000mm材料名稱15CrMoR材料名稱15CrMoR簡圖計 算 內(nèi) 容殼程圓筒校核計算前端管箱圓筒校核計算前端管箱封頭(平蓋)校核計算后端管箱圓筒校核計算后端管箱封頭(平蓋)校核計算管箱法蘭校核計算管板校核計算筒體法蘭校核計算前端管箱筒體計算計算中航一航空動力控制系統(tǒng)計算所依據(jù)的標準GB 150.3-2011計算條件筒體簡圖計算pc0.40MPa設(shè)計溫度 t400.00° C內(nèi)徑 Di4000.00mm材料15CrMoR( 板材 )試驗溫度許用應(yīng)力 s167.00MPa設(shè)計溫度許用應(yīng)力 st126.00MPa試驗溫度下屈服點 ss295.00MPa鋼板負偏差 C10.30mm腐蝕裕量 C22.00mm焊接接頭系數(shù) f1.00厚度及重量計算計算厚度 pcDid = 2s t f -Pc= 6.36mm有效厚度de =dn - C1- C2= 17.70mm名義厚度dn = 20.00mm重量15861.83Kg試驗時應(yīng)力校核試驗類型氣壓試驗試驗值pT = 1.10p s = 0.6000(或由用戶輸入)