【正文】 摘 要化學(xué)反應(yīng)器是化工生產(chǎn)過程中一系列設(shè)備中的核心設(shè)備?；ぜ夹g(shù)過程開發(fā)的成功與否很大程度上取決于反應(yīng)器內(nèi)流體的溫度、濃度、停留時(shí)間及溫度分布、停留時(shí)間分布的控制水平和控制能力?；どa(chǎn)的工藝過程決定了反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式對(duì)工藝過程又有一個(gè)促進(jìn)和完善的作用，同時(shí)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式在某種程度上也決定著產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。因此，化學(xué)反應(yīng)器的選型、設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇最優(yōu)化的操作條件是化工生產(chǎn)中極為重要的課題。本課題根據(jù)已知的均四甲苯催化氧化法制取均酐的最佳工藝參數(shù)，對(duì)其核心設(shè)備氧化反應(yīng)器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)選型和較為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)反應(yīng)器的制造工藝進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對(duì)反應(yīng)器的制造、組裝、檢驗(yàn)及使用進(jìn)行了說明。最終確定的反應(yīng)器設(shè)備在滿足結(jié)構(gòu)合理性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了溫度分布、濃度分布及反應(yīng)時(shí)間等化工工藝參數(shù)的控制要求，使得產(chǎn)品質(zhì)量和性能得以保證。關(guān)鍵詞：反應(yīng)器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；列管式固定床反應(yīng)器；均酐裝置AbstractChemical Reactors is the core equipment of a series of equipment in the course of chemical production. Chemical technology process development depends largely on the success of the fluid reactor temperature, concentration, residence time and temperature distribution, residence time distribution of the control level and control The chemical production process determines the structure of the reactor, the structure of the reactor also have a role of promoting and improving the process,at the same time the structure of the reactor to some extent also determines the quality and performance of products. Therefore, the selection of chemical reactors, design calculations and choosing the most optimal operating conditions are extremely important subject in chemical production. This topic made a selection and a more detailed design calculation for the Oxide reactor according to the known technical parameters, which is the core equipment for symTetramethyl benzene catalyzed oxidated to Pyromellitic Dianhydride, and made a detailed description about the manufacturing process of the reactor，Of the reactor for the manufacture, assembly, testing and use are described。On the basis of the rational structure, the reactor meets the control requirements of chemical processing parameters including the distribution of temperature, the distribution of concentration and the reaction time, that makes the quality and performance of products be ensured.Key words: Reactor。 Structural design。 Tube fixedbed reactor 。 Equipments for Pyromellitic Dianhy65目 錄摘 要 IAbstract II第一章 緒 論 ………………………………..……………………..……………………….1 前言 2 2 2 4 ……………………………...………………………………….…...4………………………………………...……………………........5……………………………………...………………………....5…………………………………………………….………………………..7第二章反應(yīng)器的工藝計(jì)算………………………………………………..…………………...8 8 9 9 床層體積的確定 10 反應(yīng)列管管長(zhǎng)、管徑、管數(shù)的確定 10 反應(yīng)管排列方式及管間距的確定 11 床層壓降的計(jì)算 12 12 13 14 15第三章 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算 17 概述 17 殼體、管箱、封頭厚度的確定及強(qiáng)度校核 17 17 18 19 20 21 21 管板與殼體、管箱、反應(yīng)管的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 殼體與管板的連接結(jié)構(gòu) 22 管箱與管板的連接結(jié)構(gòu) 22 反應(yīng)管與管板的連接結(jié)構(gòu) 22 23 23 等頭雙頭螺栓的選型 ………………………………………………………25 25 30 42 42 膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算及強(qiáng)度校核 44 48 催化劑支撐件的設(shè)計(jì) 48 48 復(fù)合彈簧的強(qiáng)度校核 49 ………………………………………….49 支座的選用及其載荷計(jì)算 49 支座強(qiáng)度校核……………………………………………………..……….50 其他零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 51 51 上、下分布板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 52第四章 反應(yīng)器的制造、組裝、檢驗(yàn)及使用 53 材料選擇說明 53 主要受壓元件 53 焊接材料 53 主要制造工藝 53 主要零部件的制造 53 55 焊接工藝說明 55………………………………...……………….………..56……………………………………...……….……………..57設(shè)計(jì)小結(jié) 58致謝 62參考文獻(xiàn)……………………………………………………………….……………………..63附錄……………………………………………………………………….………………… .65第一章 緒 論本設(shè)計(jì)書是在均四甲苯空氣氣相氧化法制取PMDA的工藝基礎(chǔ)上，根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)課題“氧化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”的整體設(shè)計(jì)過程編寫而來的。全設(shè)計(jì)書共分為四章：第一章為前言部分對(duì)反應(yīng)器作了簡(jiǎn)單的介紹。第二章為反應(yīng)器的工藝計(jì)算。第三章為反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要對(duì)反應(yīng)器內(nèi)各受壓元件進(jìn)行了詳細(xì)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及校核。第四章為反應(yīng)器各部件的制造工藝及組裝程序介紹。本設(shè)計(jì)中各部分嚴(yán)格按照各種規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，在保證反應(yīng)器結(jié)構(gòu)合理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確保產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。 反應(yīng)器簡(jiǎn)介反應(yīng)器是一個(gè)在其中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的容器或罐。它是化工生產(chǎn)過程中一系列設(shè)備中的核心設(shè)備，反應(yīng)器的型式、尺寸大小等，在很大程度上決定著產(chǎn)量和質(zhì)量，因此化學(xué)反應(yīng)器的選型，設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇最優(yōu)化的操作條件是化工生產(chǎn)中極為重要的課題。反應(yīng)器可由各種材料制成，這取決于所用反應(yīng)所需催化劑的種類以及反應(yīng)物和產(chǎn)物的物理特性。反應(yīng)器的簡(jiǎn)圖如圖11。圖11反應(yīng)器簡(jiǎn)圖 反應(yīng)器的分類[19]反應(yīng)器的化學(xué)反應(yīng)多數(shù)都是伴隨有催化劑的，按照催化作用則反應(yīng)器可分為均相反應(yīng)器和非均相反應(yīng)器。 均相催化反應(yīng)器可以與非催化作用的反應(yīng)器相似地進(jìn)行分類。一種標(biāo)準(zhǔn)是存在的相數(shù)，另一種標(biāo)準(zhǔn)是返混程度。因此，可有均相氣相反應(yīng)器、均相液相反應(yīng)器和均相氣一掖相反應(yīng)器。也可以有均相塞流管式反應(yīng)器和均相連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器。 對(duì)裝有非均相固體催化劑的反應(yīng)器，一種分類標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)在反應(yīng)器中的催化劑顆粒是否移動(dòng)，以此為根據(jù)，可以規(guī)定有下列類型: ，則為固定床反應(yīng)器.，排出某些結(jié)垢的顆粒并加入某些新鮮的顆粒，則為移動(dòng)床反應(yīng)器。本書不討論這種類型的反應(yīng)器，因?yàn)樗鼈冊(cè)谠S多方面與固定床反應(yīng)器類似。但是，移動(dòng)床反應(yīng)器在催化劑結(jié)垢和再生方式方面與固定床反應(yīng)器有根本的區(qū)別。，則為流化床反應(yīng)器。如前言中舉出的理由，這類反應(yīng)器在本書中不加討論.，則為懸浮床反應(yīng)器。 懸浮床反應(yīng)器可再細(xì)分為下列幾類: （1）..如果催化劑懸浮在機(jī)械攪拌的液體中，則為連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器。（2）.如果催化劑是用上升的氣泡維持懸浮在液體中，則為鼓泡反應(yīng)器或淤漿反應(yīng)器。 （3）.如果催化劑是懸浮在向上流動(dòng)的液體中，則為沸騰床反應(yīng)器。 （4）.如果催化劑懸浮在液流或氣流中，而液流和氣流強(qiáng)大到足以在反應(yīng)系統(tǒng)中攜帶這些催化劑，則為三相傳遞式反應(yīng)器，劃分均相和非均相反應(yīng)器的另外一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是它們的操作方式，即是間斷、半連續(xù)或連續(xù)式操作。但是，大多數(shù)重要的工業(yè)操作都為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而僅僅在間斷式操作有特別充足的理由時(shí)才設(shè)計(jì)間斷操作的反應(yīng)器。 另外一種普遍適用的反應(yīng)器分類標(biāo)準(zhǔn)是反應(yīng)器內(nèi)部的溫度分布。假如反應(yīng)器內(nèi)部各點(diǎn)溫度都是不變的，而且不隨時(shí)間而變化，則反應(yīng)器稱為非恒溫的。 還有另外一種反應(yīng)器分類標(biāo)準(zhǔn)是反應(yīng)器和器外部之間的換熱程度。如果不換熱，反應(yīng)器稱為絕熱反應(yīng)器，而如果有某種程度的換熱，則稱為非絕熱反應(yīng)器。 還有另一種反應(yīng)器分類標(biāo)準(zhǔn)是反應(yīng)中包括的相數(shù)。當(dāng)然，相計(jì)算相數(shù)時(shí)，固體催化劑不應(yīng)算為一相。只處理氣體的反應(yīng)器叫做氣相反應(yīng)器，而那些處理兩相反應(yīng)的叫做氣一液相反應(yīng)器， 我們可用上述幾種分類標(biāo)準(zhǔn)把非均相反應(yīng)器劃分為下列幾類:固定床反應(yīng)器固定床氣相反應(yīng)器恒溫反應(yīng)器絕熱反應(yīng)器非恒溫非絕熱固定床反應(yīng)器 固定床氣液相反應(yīng)器 滴流床反應(yīng)器 固定床鼓泡反應(yīng)器懸浮床反應(yīng)器. 連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器 淤漿反應(yīng)器沸騰床反應(yīng)器 三相傳遞式反應(yīng)器 設(shè)計(jì)定義反應(yīng)器的設(shè)計(jì)包括:(工藝設(shè)計(jì))。，并且不會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)失去控制(穩(wěn)定性研究).、壁厚和內(nèi)件，以便反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能經(jīng)得住反應(yīng)條件以及反應(yīng)混合物的腐蝕作用(機(jī)械設(shè)計(jì))。 相關(guān)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)：名 稱管程操作壓力MPa管程操作溫度℃殼程操作壓力MPa殼程操作溫度 ℃換熱面積 m氧化反應(yīng)器250375380385165～；設(shè)計(jì)溫度是反應(yīng)器的設(shè)計(jì)的最高溫度，工作溫度一定小于設(shè)計(jì)溫度。所以取管程的設(shè)計(jì)壓力為MPa，設(shè)計(jì)溫度400℃；殼程的設(shè)計(jì)壓力為 MPa，設(shè)計(jì)溫度400℃。 反應(yīng)器型式的選擇本次設(shè)計(jì)的反應(yīng)器主要用于均四甲苯催化氧化制取均苯四甲酸二酐，生產(chǎn)能力為100T/a。由于該反應(yīng)在反應(yīng)過程中大量放熱，反應(yīng)的熱點(diǎn)溫度為435～445℃，為了保證反應(yīng)在最適宜的溫度下進(jìn)行，在保證床層溫度的同時(shí)還需要將氧化反應(yīng)產(chǎn)生的多余的熱量及時(shí)地移走，因此需要帶有傳熱的反應(yīng)器，應(yīng)為這個(gè)反應(yīng)大量放熱，為了避開完全氧化作用成為占統(tǒng)治的溫度范圍，所以必須仔細(xì)加以控制。因此需本設(shè)計(jì)采用列管式固定床反應(yīng)器。[26]對(duì)于反應(yīng)熱效率大、收率對(duì)溫度敏感、又要求高轉(zhuǎn)化率和高選擇性的反應(yīng)過程，列管式固定床反應(yīng)器是可供選用的比較理想的反應(yīng)設(shè)備，目前在苯醉、順瞥、乙二醇、醋酸乙烯、異丁醛氧化等生產(chǎn)過程中都有應(yīng)用。我國(guó)已有的和在建的大型列管式固定床反應(yīng)器基本上都是引進(jìn)的，它們都采用全焊結(jié)構(gòu)，從國(guó)外制造后整體運(yùn)進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，無法了解反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。與國(guó)外相比，我國(guó)自行設(shè)計(jì)的列管式固定床反應(yīng)器在工藝水平和規(guī)模上都有較大的差距，其問題之一是:規(guī)模較小且存在著徑向溫差。國(guó)外的同類反應(yīng)器直徑可達(dá)6m以上，但徑向溫差小于3 0C。徑向溫差過大，會(huì)使反應(yīng)選擇性下降，增加單耗和能耗，催化劑局部結(jié)焦嚴(yán)重，影響產(chǎn)品質(zhì)量。以苯醉生產(chǎn)過程為例，反應(yīng)溫度過低，反應(yīng)不完全。反應(yīng)溫度過高，發(fā)生過氧化反應(yīng)。兩者均使產(chǎn)品收率降低。 列管式固定床反應(yīng)器管外流體流動(dòng)的主要要求是:反應(yīng)器的綜合性能要保持單管的水平，并且能迅速導(dǎo)出反應(yīng)管內(nèi)產(chǎn)生的反應(yīng)熱，以保證管間載熱體沿徑向的溫差盡可能小，使各反應(yīng)管處在相同的介質(zhì)溫度下運(yùn)行。反應(yīng)器按殼程流體流動(dòng)方式可分為平行流和錯(cuò)流兩種式型。見圖12。圖12列管式固定床反應(yīng)器的流動(dòng)型式示意圖對(duì)15000根反應(yīng)管以下的反應(yīng)器一般采用平行流型，而對(duì)于1500020000根以上的反應(yīng)器采用傳熱效果較好的錯(cuò)流型，但熔鹽泵的能耗相應(yīng)也增大。如何保證管間充分均勻的熱傳遞是列管式固定床反應(yīng)器均布設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，這也是一個(gè)與載熱體流體力學(xué)密切相關(guān)的技術(shù)問題，為此，根據(jù)反應(yīng)器管外流動(dòng)特點(diǎn)和管內(nèi)反應(yīng)的要求，對(duì)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)采取以下幾個(gè)方法:環(huán)形通道的開孔設(shè)計(jì)，給出環(huán)形通道等量分流或等量合流時(shí)側(cè)壁開孔的規(guī)律和設(shè)計(jì)計(jì)算方法。平行流反應(yīng)器管間流動(dòng)設(shè)計(jì)，提出平行流固定床反應(yīng)器管間載熱體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，據(jù)此來設(shè)計(jì)工業(yè)反應(yīng)器的分布板，在板上合理開設(shè)環(huán)隙孔或附加開孔，實(shí)現(xiàn)管間的均勻傳熱。錯(cuò)流型反應(yīng)器管間流動(dòng)分布設(shè)計(jì)，提出解決錯(cuò)流列管式固定床反應(yīng)器傳熱不均的途徑，并在此基礎(chǔ)上給出圓盤一圓環(huán)形折流擋板環(huán)隙開孔設(shè)計(jì)計(jì)算方法。 操作考慮工藝設(shè)計(jì)師和機(jī)械設(shè)計(jì)師都必須牢記反應(yīng)器的操作方法。雖然設(shè)計(jì)總是以最佳穩(wěn)態(tài)操作條件為目的，但也必須能夠滿足開工和停工條件，特別是意外情況下的開、停工。如果必須按反應(yīng)器內(nèi)再生來設(shè)計(jì)固定床反應(yīng)器，一個(gè)芳烴