【正文】 預(yù)處理反應(yīng)器，裝滿擔(dān)體為氧化鋁的鉆鋁催化劑，當(dāng)物流處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，可在加200250℃和4060bar ( 40006000k Pa)壓力下操作。但是，如果反應(yīng)的催化劑必須在反應(yīng)器內(nèi)再生時(shí)，再生氣體(含氧0., 5呱的氮?dú)?在嚴(yán)密控制下燒焦后溫度可上升到高達(dá)550℃,如果氮?dú)庵械难踉试S超過5%，預(yù)處理器要設(shè)計(jì)得能抗住兩組操作條件:1. 操作時(shí)，300 0C，70bar(7000kPa)2. 再生時(shí)，5000 C 5bar(500kPa)第二章 反應(yīng)器的工藝計(jì)算工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)給定的生產(chǎn)能力以及工藝參數(shù)，確定反應(yīng)器的型式和適宜的尺寸及其相應(yīng)的操作條件，使反應(yīng)過程有最大收益。本章在確定了反應(yīng)器型式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了必要的工藝計(jì)算，最終確定了反應(yīng)器的總體結(jié)構(gòu)。 工藝流程概述 均苯四甲酸二酐的化學(xué)名稱為 1 ,2 ,4 ,5 —苯甲酸二酐 ，簡稱 PMDA，是一種重要的化工原料，用途極其廣泛。均苯四甲酸二酐的生產(chǎn)方法較多，由于采用原料不同，選擇的工藝路線也不一樣，即使同一中原料其生產(chǎn)工藝也有多種。本設(shè)計(jì)是根據(jù)南京紫金化工廠的生產(chǎn)工藝來設(shè)計(jì)的氧化反應(yīng)器。該廠運(yùn)用的也是我國目前主要的PMDA生產(chǎn)方法。即以均四甲苯為原料采用空氣催化氧化法制得PMDA。其主要反應(yīng)為：均四甲苯催化氧化法制取PMDA的工藝過程包括氧化，水解，精制及干燥四個(gè)工段，氧化反應(yīng)器即是氧化工段的核心設(shè)備。在氧化工段固體原料均四甲苯經(jīng)加熱熔化、汽化后，與空氣混合預(yù)熱到一定溫度后加入到氧化反應(yīng)器中，催化氧化生成均酐及少量副產(chǎn)物，經(jīng)換熱冷卻在捕集器中凝華捕集得到均酐的粗產(chǎn)品。已確定本反應(yīng)器的生產(chǎn)能力為100T/a，假設(shè)年工作7200h,根據(jù)文獻(xiàn)[23]中關(guān)于均四甲苯催化氧化制取均酐的中試實(shí)驗(yàn)結(jié)果有如下數(shù)據(jù)：；；；反應(yīng)最適宜空速為3700～4200 h；熔鹽溫度為：3803900C；催化劑復(fù)合：5060g/()；一捕入口溫度：2102200C.由生產(chǎn)要求，每小時(shí)需生產(chǎn)的均酐量為：=14 kg/h （21）理論上每小時(shí)需加入均四甲苯的量為：= kg/h （22）考慮到反應(yīng)的選擇性以及原料的純度，實(shí)際需加入均四甲苯的量為： kg/h （23） 則均四的摩爾流量為：n= Kmol/h （24）由理想氣體狀態(tài)方程：PV=nRT可求得均四體積流量為：V = （25） = m/h 根據(jù)中試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取空氣的體積流量 m/h 則由理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT可求得空氣的摩爾流量為： N = = = Kmol/h （26） 床層體積的確定根據(jù)文獻(xiàn)[1]表一取反應(yīng)空速 =4000 h，已確定原料混合氣總體積流量為Q = 3000m/h = m/s 反應(yīng)進(jìn)行的時(shí)間 = = = h (27）反應(yīng)器所需的床層體積： = = = m (28) 反應(yīng)列管管長、管徑、管數(shù)的確定參考有關(guān)文獻(xiàn)【26】，取反應(yīng)氣體在床層中的流動(dòng)速度為= m/s ,則所需反應(yīng)管長度 L= = 3600 = m,取標(biāo)準(zhǔn)管長為L= m ,則反應(yīng)氣體在床層中實(shí)際流動(dòng)速度為：= = = m/s （29）根據(jù)設(shè)計(jì)要求反應(yīng)器需要的傳熱面積為：F = ndL = 165 m [1] （210）反應(yīng)器內(nèi)氣體實(shí)際的體積流量為 ：Q= n = m （211）將已知數(shù)據(jù)L = m ，= m/s 分別代入 以上兩式中，聯(lián)立可求得：d = m,圓整后取管徑= m。為滿足要求實(shí)際取列管數(shù)為n =701根。參考文獻(xiàn)，取30，材料為20號(hào)鋼 反應(yīng)管排列方式及管間距的確定[21]考慮到反應(yīng)器殼程介質(zhì)干凈，管外無需清洗，按照《化工容器手冊(cè)》取管間距 a = 40 mm .列管采用正三角形的排列方式，根據(jù)作圖實(shí)際排得管數(shù)為715根，除去測(cè)溫管孔6個(gè)及拉桿管孔3個(gè)，實(shí)際裝填催化劑的管數(shù)為706根，能滿足生產(chǎn)要求。 床層對(duì)壁給熱系數(shù)的計(jì)算已知反應(yīng)混合氣的體積流量為 V = 3000 m/h，管數(shù)為n = 706 根，則每根管內(nèi)氣體流量為： V= == m/h （212）則實(shí)際的空床氣體流速為： = = = m/s （213）則雷諾數(shù) Re = = = （214）反應(yīng)過程中強(qiáng)放熱，床層被殼層流體冷卻，則根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)床層對(duì)壁給熱系數(shù)由以下公式求得： a= （215） = kJ/( mh℃) 床層壓降的計(jì)算根據(jù)中試實(shí)驗(yàn)，本反應(yīng)器采用的催化劑為，載體為粗孔不規(guī)則硅膠 ,活性組分為活性炭，采用噴涂法制備。催化劑的床層空隙率 = ，床層壓力降計(jì)算公式為： = = KPa （216） KPa 15%設(shè)計(jì)壓力= KPa 合適其中為修正摩擦系數(shù)【20】，考慮到壁效應(yīng)的影響，摩擦系數(shù) = 由本章第一節(jié)中的物料衡算，已求得反應(yīng)器進(jìn)出口的物料配比情況，熱量衡算的基準(zhǔn)溫度取反應(yīng)氣體進(jìn)口溫度250℃，由手冊(cè)【20】查得250℃～400℃時(shí)，各物料氣體的比熱容數(shù)據(jù)如下表：組份ON平均熱容原料氣帶入熱量Q = 0；反應(yīng)后氣體帶走熱量 Q= = kJ/h （217） 反應(yīng)后放出熱量Q = + = kJ/h (218)根據(jù)熱量守衡定律，傳給殼程熔鹽的熱量為：Q= Q Q + Q = kJ/h (219)假設(shè)殼程熔鹽質(zhì)量流量為G kg/h , 已知熔鹽進(jìn)出口溫度分別為380℃和385℃，熔鹽比熱為c= kcal/(kg℃) = kJ/kg℃故 G = = = kg/h (220) 反應(yīng)器殼層流體對(duì)壁給熱系數(shù)的計(jì)算設(shè)計(jì)采用的熔鹽組成為： ∶ = 3 ∶2 （質(zhì)量比），經(jīng)計(jì)算熔鹽混合物的平均物性數(shù)據(jù)【23】如下：密度= g/ml = 1850 kg/ m ； 比熱c = kcal/kg℃= KJ/kg℃； 粘度 = kg/mh； 熱導(dǎo)率 = kcal/ mh℃ = kJ/ mh℃ 。則橫過管束的最大流通截面積【15】為 ：A= = = m (221)則殼程流體的給熱系數(shù)為： a = = kJ/( mh℃) (222)殼程壓降可由寇恩公式【21】得出：P= P其中P，分別表示管束、導(dǎo)流筒、殼程進(jìn)出口管嘴處的壓降，為殼程壓降結(jié)垢校正系數(shù)。殼程流體的質(zhì)量流速 ： = = 1850 = kg/msa）殼程導(dǎo)流筒入口處質(zhì)量流速殼程導(dǎo)流筒入口處質(zhì)量流速取 2230 kg/ms【25】來估算殼程進(jìn)出口處的流速，將 = 1850 kg/ m代入上式得到 m/s,故取 = m/s，于是 = 1850 = 2035 kg/msb）殼程流體的圓管摩擦系數(shù) 已知?dú)こ坍?dāng)量直徑 De = ，則殼程進(jìn)出口處的雷諾數(shù) Re = = 3600 = (223)根據(jù)Re查手冊(cè)【21】可得= ，近似取 8 ，則將所有已知數(shù)據(jù)代入壓降計(jì)算公式【20】中有： P= = Pa； = (224) = 8954 Pa = = (225)= Pa =P+ + = Pa [] 合適 反應(yīng)器管程進(jìn)出口接管公稱直徑的確定根據(jù)化工手冊(cè)中相關(guān)規(guī)定，取常壓一般氣體進(jìn)口流速為20 m/s[20], 則進(jìn)口接管直徑可由下式求得： d = = = 238 mm (226)，取管程氣體出口流速為15 m/s，則出口接管直徑為：d = = = 275 mm (227) 取出口接管的公稱直徑為300mm。 前面計(jì)算已確定殼程熔鹽的質(zhì)量流速為 = kg/s， m/s ,則殼程進(jìn)出口接管直徑可由下式求得： = = 134 mm (228)故取殼程進(jìn)出口接管公稱直徑為DN 125 mm . 第三章 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算 概 述本章詳細(xì)介紹了反應(yīng)器管殼程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，以及各主要受力元件的強(qiáng)度校核情況，在滿足強(qiáng)度要求的條件下，力爭做到結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。 殼體、管箱、封頭厚度的確定及強(qiáng)度校核，屬中壓容器，筒體材料為20R，采用鋼板卷制而成，20R鋼板標(biāo)準(zhǔn)為GB6654在設(shè)計(jì)溫度t=400℃時(shí)，查取20R的許用應(yīng)力為： = 86 MPa 筒體厚度計(jì)算式為： （31） 查表41[1]設(shè)(3,16),取=86MPa , =1=86mm（厚度3~16mm）；=92mm（厚度16~40mm） ==86則計(jì)算厚度:= 則反應(yīng)器的設(shè)計(jì)厚度為：= =+= mm；取筒體名義厚度為12 mm。檢查, 沒有變化, 故名義厚度12mm合適取C1=0筒體有效厚度： = C1 == mm設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力 = (32)= MPa []t=861=86 MPa MPa86 MPa 故滿足要求 管箱壁厚的計(jì)算管箱材料選擇選用任用20R（物質(zhì)特殊要求，尿素腐蝕性）[1]筒體厚度計(jì)算式為： 根據(jù)鋼管標(biāo)準(zhǔn)GB13296，GB/T14976：[5] 厚度≤18mm 取許用應(yīng)力 =1 (33)= 管箱筒體的設(shè)計(jì)厚度為 = = += mm 取筒體名義厚度為10 mm.檢查沒有變化，故名義厚度10mm合適筒體有效厚度： = = 10–0–= mm 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力： == MPa=861=86 MPa MPa86 MPa 故滿足要求 管箱封頭的厚度計(jì)算封頭是壓力容器中主要承壓零部件，其質(zhì)量對(duì)壓力容器的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。為了便于加工制造及節(jié)省材料消耗，本設(shè)計(jì)在滿足工藝條件要求的條件下選用平蓋封頭，其材料仍選用20R，封頭與筒體之間通過角焊連接，封頭的形狀見圖31圖31平蓋封頭的厚度計(jì)算公式[1]為： (34)雙面焊對(duì)接頭和相當(dāng)于雙面焊的接頭透對(duì)接接頭 100% 無損檢測(cè) 取= 為平蓋計(jì)算直徑，取1196 mm. 為 20R 在設(shè)計(jì)溫度4000C下的許用應(yīng)力值由表31【3】， 取 = 86 Mpa，k 為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取k = ，為計(jì)算壓力，根據(jù)GB150—1999，取= Mpa表31 許用壓力表鋼號(hào)鋼板標(biāo)準(zhǔn)使用狀態(tài)厚度下列溫度下的許用應(yīng)力（MPa）15020025030035040045050020RGB6654正火61613212311010192868361平蓋封頭的厚度為==名義厚度為： mm；圓整后取14 mm 。 管程水壓試驗(yàn)強(qiáng)度校取試驗(yàn)溫度為常溫20 ℃，由于管程屬真空容器，以內(nèi)壓代替外壓進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力取 Mpa 。則在試驗(yàn)壓力下，管程筒體的最大薄膜應(yīng)力： Mpa （35）管箱材料20R 在常溫時(shí)的屈服極限 245 Mpa， Mpa 水壓試驗(yàn)安全 殼程水壓試驗(yàn)強(qiáng)度校核