【正文】 （36） 則在試驗(yàn)壓力下殼程圓筒的薄膜應(yīng)力： MPa （37）殼程所用材料20R在常溫時(shí)的屈服極限 245 MPa，故： Mpa （38） 水壓試驗(yàn)安全 管箱法蘭設(shè)計(jì)換熱器常采用的法蘭結(jié)構(gòu)形式有平焊法蘭和對焊法蘭，法蘭的密封面形式分為平面、凹凸面和榫槽面。 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。sa）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/m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℃故 G = = = kg/h (220) 反應(yīng)器殼層流體對壁給熱系數(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/kgh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。該廠運(yùn)用的也是我國目前主要的PMDA生產(chǎn)方法。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)。 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。圖12列管式固定床反應(yīng)器的流動型式示意圖對15000根反應(yīng)管以下的反應(yīng)器一般采用平行流型，而對于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。兩者均使產(chǎn)品收率降低。國外的同類反應(yīng)器直徑可達(dá)6m以上，但徑向溫差小于3 0C。因此需本設(shè)計(jì)采用列管式固定床反應(yīng)器。 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。 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)。 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。（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。但是，移動床反應(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。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。反應(yīng)器的簡圖如圖11。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。全設(shè)計(jì)書共分為四章：第一章為前言部分對反應(yīng)器作了簡單的介紹。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。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。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。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，并對反應(yīng)器的制造工藝進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對反應(yīng)器的制造、組裝、檢驗(yàn)及使用進(jìn)行了說明。 Structural design。第二章為反應(yīng)器的工藝計(jì)算。 反應(yīng)器簡介反應(yīng)器是一個(gè)在其中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的容器或罐。圖11反應(yīng)器簡圖 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。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。，則為流化床反應(yīng)器。 （3）.如果催化劑是懸浮在向上流動的液體中，則為沸騰床反應(yīng)器。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。當(dāng)然，相計(jì)算相數(shù)時(shí)，固體催化劑不應(yīng)算為一相。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℃。[26]對于反應(yīng)熱效率大、收率對溫度敏感、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。徑向溫差過大，會使反應(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。 列管式固定床反應(yīng)器管外流體流動的主要要求是: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。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)器管外流動特點(diǎn)和管內(nèi)反應(yīng)的要求，對反應(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。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。 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。即以均四甲苯為原料采用空氣催化氧化法制得PMDA。為滿足要求實(shí)際取列管數(shù)為n =701根。℃) 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。℃= KJ/kg℃ = kJ/ mhs【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/m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)量對壓力容器的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。法蘭的結(jié)構(gòu)形式和密封面形式可根據(jù)使用介質(zhì)，設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)溫度和公稱直徑等因素來確定?？蛇x取的法蘭標(biāo)準(zhǔn)見表31 由=，可選取的法蘭標(biāo)準(zhǔn)見表31表31 法蘭標(biāo)準(zhǔn)DND12001395134012981278127584hadR185482130152232 管板與殼體、管箱、反應(yīng)管的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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，如固定式管板換熱器，管板與殼體是用焊接連接；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(jì)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(jìn)行強(qiáng)度焊后加貼脹。根據(jù)反應(yīng)器法蘭的結(jié)構(gòu)需要，選取纏繞墊與法蘭、緊固件選配表見表32表32 墊片、法蘭、緊固件選配表墊片型式使用壓力密封面型式密封面表面粗糙度法蘭型式最高使用溫度緊固件型式緊固件材料牌號纏繞墊凹面帶頸平焊法蘭， 650雙頭螺柱25Cr2MoNA墊片采用JB/4702—92 石棉纏繞片。且由JB/T47032000取螺栓規(guī)格為，伸出長度為，其具體尺寸按零件圖中規(guī)定。 綜上所述，法蘭校核滿足要求。記入熱膨脹差.設(shè)定換熱器組裝溫度為20℃換熱管在金屬溫度下的熱脹系數(shù) αt=17106mm/(mm設(shè)定換熱器組裝溫度為20℃換熱管在金屬溫度下的熱脹系數(shù) αt=17106mm/(mm膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)圖如圖361端板 2波紋管 3拉桿或定位螺桿4螺母 5內(nèi)襯套 6端管圖36 膨脹節(jié)各部分名稱根據(jù)GB16749 —1997，本設(shè)計(jì)選用的波形膨脹節(jié)為：ZDL（1200）——161（N）（見圖37），即膨脹節(jié)層數(shù)m=1；波數(shù)n=4。綜上校核此膨脹節(jié)符合要求。采用同樣的計(jì)算方法，根據(jù)計(jì)算結(jié)果且考慮到反應(yīng)器出口處的靜壓較低，取下防爆口的公稱直徑為DN350。彈簧的工作原理是圓柱段彈簧與反應(yīng)管的內(nèi)壁卡緊，圓錐段彈簧保持催化劑不泄露并使反應(yīng)氣體順利通過。使用130N的荷重進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。支座號支座允許載荷[Q]使用容器公稱直徑高度h底板鋼管墊片地腳螺栓bd 2d 3d 4d 5規(guī)格2