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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除化学化工学院化工专业课程设计设计题目： 管式反应器设计 化 工 系 【精品文档】第 9 页化工专业课程设计设计文档质量评分表（100分）指标点2.2问题分析能力（25分）指标点3.1设计解决方案（75分）反应规模及方案（3分）反应器设计符合标准、规范（10分）反应器动力学及其来源（3分）反应器选型合理性（5分）反应器物理、数学模型合理性（5分）反应器机械结构设计、图纸及其合理性（20分）反应器物料衡算（7分）反应器换热设计校核及合理性（10分）反应器热量衡算（7分）反应器控制方案、危险及其相应安全措施（10分）反应器设计文档质量（20分）小计小计
2、总计评委签名: 日期：目录绪论11设计内容与方法介绍21.1反应器设计概述21.2设计内容21.3生产方法介绍31.4反应器类型特点41.5反应器选择及操作条件说明42工艺计算52.1主要物性数据52.2MATLAB 计算，确定管长，主副反应收率52.3管数计算63压降计算公式74催化剂用量计算75换热面积计算76反应器外径计算87壁厚计算88 筒体封头计算99管板厚度计算910设计结果汇总911设计小结10绪论管式反应器一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联，可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内
3、填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50，填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），物料的流动可近似地视为平推流。管式反应器返混小，因而容积效率（单位容积生产能力）高，对要求转化率较高或有串联副反应的场合尤为适用。此外，管式反应器可实现分段温度控制。管式反应器在近40年里，由于其体积小，效率高的特点，在化工中的应用与发展十分迅速。因此，对管式反应器的研究具有深远的意义。 ；我国自20世纪80年代引进这一先进技术后，由上海化工研究院、南华集团设计院和郑州工业大学在“七五”期间承担了管式反应器的国家攻关项目，
4、四川大学在“八五”、“九五”、“十五”期间也承担了管式反应器的国家攻关项目和有关基础研究工作。一些研究、设计院和高校大力协同，积极开展基础研究工作和承担工程项目，至今取得了很大的成绩，填补了这一领域的空白。随着现代高科技的发展，我国研制的新型管式反应器也必将赶上世界先进水平，在化工界占有一席之地。20世纪60年代美国TVA公司将管式反应器用于磷酸铵的气液固三项系统，省掉了传统的预中和工艺；70年代以来，许多国家在磷复合肥工业中相继开发了各种管式反应器以及相应的新流程，如德国UHDE公司、西班牙CROS公司。目前世界上生产磷酸铵最简捷、能耗最低的流程是西班牙Aspindesa公司开发的生产粉状M
5、AP的管式反应器喷雾流程。如今的管式反应器的开发已扩展到磷酸铵以外的许多化肥生产领域，如硫基复合肥的中和段采用了短管型管式反应器，并且在扩大段形成了一个内循环反应过程以延长停留时间。然而，随着科技的不断发展，新型的管式反应器将被不断地被研究出，为化工行业带来方便。1设计内容与方法介绍1.1反应器设计概述化学反应器是将反应物通过化学反应转化为产物的装置，是化工生产及相关工业生产的关键设备。由于化学反应种类繁多，机理各异，因此，为了适应不同反应的需要，化学反应器的类型和结构也必然差异很大。反应器的性能优良与否，不仅直接影响化学反应本身，而且影响原料的预处理和产物的分离，因而，反应器设计过程中需要考
6、虑的工艺和工程因素应该是多方面的。l 反应器的设计主要包括：1)反应器选型；2)确定合适的工艺条件；3)确定实现这些工艺条件所需的技术措施；4)确定反应器的结构尺寸；5)确定必要的控制手段。l 在反应器设计时，除了通常说的要符合“合理、先进、安全、经济”的原则，在落实到具体问题时，要考虑到下列的设计要点：1)保证物料转化率和反应时间；2)满足物料和反应的热传递要求；3)设计适当的搅拌器和类似作用的机构；4)注意材质选用和机械加工要求。1.2设计内容在列管反应器中进行邻二甲苯（A）氧化制邻苯二甲酸酐（B），反应为连串平行反应。三个反应的速率方程为r1=k1PAPO2 k1=0.04017exp(
7、-13500/T)r2=k2PBPO2 k2=0.1175exp(-15500/T)r3=k3PAPO2 k3=0.01688exp(-14300/T)(-Hr)B= 1285 kJ/kmol; (-Hr)C=4561 kJ/kmol其中C是归并在一起的最终产物CO和CO2。已知气体混合物的表观质量流速为G(5850 kg/m2h)，催化剂堆积密度为1300kg/m3，反应压力1.25105Pa,气体平均摩尔质量Mm=29.48 kg/kmol，入口处邻二甲苯的摩尔分数yA0(0.00874)，入口处氧的摩尔分数yO2(0.2064)，原料温度T0(628K),比热容Cp=1.047(kJ/k
8、molK)。反应热量通过管外冷流体强制循环移除，传热系数U=508kJ/(m2hK)，且认为冷流体温度恒定，温度为Tc(613K)。试对反应器进行设计，并进行床层压降校核。催化剂粒径，床层空隙率参数自己选择。催化剂耐受的最高温度为660 K。产能：1万吨邻苯二甲酸酐/年每年生产周期按300天计1.3生产方法介绍邻二甲苯氧化法610640K主反应如上图，此外，由副反应还生成苯甲酸、顺丁烯二酸酐等。该反应为强放热反应，因此选择适宜的催化剂（高活性和高选择性）和移出反应热以抑制深度氧化反应，是工业过程的关键。工业生产方法一般是采用以五氧化二钒为主的钒系催化剂（见金属氧化物催化剂）进行邻二甲苯的气相氧
9、化。1974年，开发了高负荷表面涂层的钒系催化剂，催化剂载体是惰性的无孔瓷球、刚玉球和碳化硅球等。选用环状载体制备催化剂。这种新型催化剂可以减少因内扩散引起的深度氧化反应，从而提高了苯酐的收率、选择性和催化剂的负荷。反应器多采用列管式固定床。典型工艺过程是将过滤后的无尘空气经压缩、预热，与气化的邻二甲苯蒸气混合后进入反应器，反应热由管外循环的熔盐带出。反应产物进入蒸汽发生器，被冷却的反应气经进一步冷却，回收粗苯酐。尾气经水洗回收顺丁烯二酸酐后放空，或用催化燃烧法净化后再放空。粗苯酐经减压精馏由塔顶分离出低沸点的顺丁烯二酸酐、甲基顺丁烯二酸酐及苯甲酸等，塔底物料经真空精馏，得到苯酐产品。1.4反
10、应器类型特点反应器大致可以分为釜式反应器、管式反应器、固定床反应器、流化床反应器。其中，固定床反应器又分为绝热式、多段绝热式、列管式、自热式反应器。釜式反应器：反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。物料质点在反应器内停留时间又长又短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。适应范围广泛，投资少，投产容易。但换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。多大多数用于有液相参与的反应。管式反应器：反应物的分子在反应器内停留时间相等，所以在反应器内任何一点上的反应物浓度和化学反应速度都不随时间变化，只随管长变化。管式反应器具有容积小、比表面大、单位容积的传热面积大，
11、特别适用于热效应较大的反应。适用于大型化和连续化的化工生产。管式反应器既适用于液相反应，又适用于气相反应。用于加压反应尤为适用。固定床反应器：返混小，流体同催化剂可进行有效解除，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。催化剂机械损耗小。结构简单。主要用于气固相催化反应。流化床反应器：流固相界面积大，有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。颗粒在床内混合激烈床层与内浸换热表面见的传热系数很高，全床热容量大，热稳定高。但是催化剂颗粒间相互碰撞剧烈，造成催化剂的损失和除尘的困难。绝热式固定床反应器：结构简单，床层横截面温度均匀。单位体积内催化剂量大，即生产能力大。但只适用于热效应不大的反应。多段
12、绝热式固定床反应器：热效应大，常把催化剂床层分成几段，段间采用间接冷却或原料气冷激。列管固定床反应器：反应器由多根反应管并联构成，管数可达万根以上，具有良好的传热性能，单位床层体积具有较大的传热面积，可用于热效应中等或稍大的反应过程。自热式反应器：结构较复杂，操作弹性小。启动反应时常用电加热。1.5反应器选择及操作条件说明A反应器选择：本工艺反应为气固相反应，返混程度不高，为了很好的控制温度，使传热的面积更大，我们选择了列管式固定床形式。它的优点有：返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性；催化剂机械损耗小；结构简单。它的投资和操作费用介于绝热固定床和流化床之间
13、，是气相氧化法生产邻苯二甲酸酐比较理想的反应设备。B 操作条件说明：1. 反应方程式：C6H4CH3CH3 +3O2C6H4C2O3 +3H2O该步骤中会有副反应发生，副反应产物为苯甲酸、顺丁烯二酸酐等。进料状态: 邻二甲苯是液态进料，经过邻二甲苯蒸发器后变为气体进入预混合器，空气经过空气压缩机进入预混合器。 2. 工艺条件确定：使用V2O5为催化剂。反应温度控制在 625K左右，该反应是放热反应，反应产生的热量要及时通过熔盐经熔盐换热器带走。2工艺计算2.1主要物性数据物质邻二甲苯邻苯二甲酸酐分子式C8H10C8H4O3相对分子质量106148密度8801530熔点-25.5130.8沸点1
14、44.4284 闪点30152 自燃点4635702.2 MATLAB 计算，确定管长，主副反应收率本次反应器设计利用计算软件MATLAB进行优化和模拟。首先利用软件语言写出反应程序；然后运行得到反应器物料收率和温度随反应器长度的变化情况及各个点的反应状态。最后通过改变工艺参数，如冷流体熔盐的温度、管径，对反应器结果进行优化，由MATLAB计算得到数据，做出主副反应收率随管长变化图以及管内温度随管长变化图，最终确定最适收率和管长。主副反应收率随管长变化图 管内温度随管长变化图由主副反应收率随管长变化图可以看出，当管长在4m以下时，随着管长增加，主反应收率增长速度高于副反应收率增长速度；当管长在
15、4m以上时，随着管长增加，主反应收率增长速度低于副反应收率增长速度，所以选择管长为4m。当选择管长为4m时，主反应的收率为63%，副反应的收率为14.5%。同时，由管内温度随管长变化图可以看出，管长在4m内的最高温度为631K，而催化剂耐受的最高温度为660 K，所以管长选择合理。2.3管数计算此次生产任务为1万吨邻苯二甲酸酐/年，每年生产周期按300天计，气体混合物的表观质量流速为G(5850 kg/m2h)，入口处邻二甲苯的摩尔分数yA0(0.00874),选用的管子内径为0.026m,主反应的收率为63%，根据工艺参数计算出所需管数。长径比=400032=12550,符合要求n= 100
16、00000106300241480.630.0087458500.0260.0264 =58165根由于反应器管子数太多，加工制造不方便，综合考虑，选择12台列管式反应器并联，管子采用正三角形排布方式，以下数据为一台列管式反应器的工艺参数。列管参数表列管规格管数管长（mm）管材500040000Cr18Ni93压降计算公式PH = Gg.g.dp .1-3 .(1501-dp+1.75G)G-流体质量流率，kg/m2/s -流体黏度，kg/m/s-流体密度，kg/m3 -孔隙率H-列管长度 g-重力加速度，m/ s2其中H=4.0m,G=1.625 kg/m2s，g=1.169 kg/m3 ,
17、g=9.81m/ s2, =0.58，dp=0.005m, =1.8110-6kg/ms计算得到：P=1.6251.1699.810.005 .1-0.580.583 .1501-0.581.8110-60.005+1.751.6254=700PaA需，所以换热面积设计合理6反应器外径计算根据公式 D = t(nc-1)+2 b反应管按正三角形排列，故 nc=1.1n=1.158165=265.3266 t=1.368d0=0.036mb=1.3d0=1.30.026=0.0338计算得 D=9.608m圆整后取D=9.7m7壁厚计算该反应器操作温度为 625K，取设计温度 625K，操作压力
18、 1.25105Pa,取设计压力为 1.25105Pa,考虑到反应温度较高， 且反应为放热反应， 采用钢号为 Q345R 的钢板，取焊接接头系数 =0.85，则查化工设备设计手册可知该材料在设计温度625K时的许用应力t=137MP；腐蚀裕量 C2=2mm。计算厚度= PcDi2t -Pc =78.5mm设计厚度d =+C2=80.5mm已知钢板腐蚀裕量 C2=2mm；负偏差 C1=0.3mm，则：名义厚度n = d +C1（圆整）=81mm 8 筒体封头计算反应器封头选用标准椭圆形封头（JB1154-73），内径与筒体相同，封头采用 Q345R 材料制成，相关结构参数如下：公称直径 DN=7
19、400mm；曲面高度 h1=1750mm；直边高度 h2=25mm；内表面积 F= 53.2 m2 ；容积 V=7.82 m3。对于标准椭圆封头，其计算厚度按下式计算：PcDi2t -Pc =85.38mm9管板厚度计算根据管板厚度计算公式，算出管板厚度为 6.0mm。=2.389ni d-i Et EpL1-t4Di213=6.0mm10设计结果汇总设计结果汇总表列管式反应器参数单位计算值设计温度K625操作温度K625设计压力Pa1.25105操作压力Pa1.25105管长mm4000管子内径m0.026管子根数根58165反应器数台15管子排列方式正三角形排列管子压降Pa700催化剂用量
20、t160.5换热面积m219004反应器外径m9.7反应器壁厚mm81筒体封头厚度mm85.38长径比125管板厚度mm6.0管子材质及规格0Cr18Ni9 11设计小结首先感谢张建树老师的耐心指导，张老师指导我们如何使用计算软件MATLAB进行优化和模拟，本次设计之所以顺利完成离不开张老师的帮助。本次课程设计通过给定邻苯二甲酸酐年产量，通过计算设计列管式反应器。通过三天的努力，反复经过复杂的计算和优化，最终设计出一套较为完善的列管式反应器生产设备，而且各项操作性能指标均能符合工艺生产技术要求，操作弹性大，生产能力强，能够达到预期的目的。通过这次课程设计，我经历并学到了很多知识，熟悉了大量课程
21、内容，懂得了许多工业实际生产的处理方法，将曾经学过的知识真正运用到实际中来，我从中受益匪浅，我想这也是这门课程的最初本意。这次历经三天的课程设计使我们把平时所学的理论知识运用到实践中，使我们对书本上所学的理论知识又有了进一步的理解，同时也使我们自主学习了新的知识并在设计中加以应用。此次课程设计也给我们提供了很大的发挥空间，我们积极发挥主观能动性独立地通过查阅书籍、网络等各种资料，查找数据和标准，并最终确定设计方案。这次课程设计提高了我们认识问题、分析问题、解决问题的能力。本设计不管是从方法上还是从专业知识上，我都有很大的收获，这对于下次的课程设计是一个很好的锻炼的机会，也是对专业知识的再一次学习和巩固基础知识。在这次课程设计中充分运用了个人努力与团队协作，通过我和同学两人的分工合作，让我们有了更多从事设计工作的经验，也增进了朋友之间的友谊。通过这次设计使我们对所学知识的综合应用能力、分析和解决工程实际问题能力都得到了提高，为今后的工作做了必要的准备，对我们有很大帮助。由于设计经验不足，加上时间仓促，难免有错误之处，恳请老师批评指正。