【正文】 ＝ ③ 反應(yīng)器體積及直徑和高度的計算以及固定床床層壓降的計算 注：為了簡化處理二段反應(yīng)器與一段反應(yīng)器采用相同的直徑，并假設(shè)其壓降也相同 簡化起見，二段反應(yīng)器的直徑也取為D=，可算出二段反應(yīng)器催化劑床層高度H2二段= 。 固定床三段反應(yīng)器的設(shè)計⑴ 設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)　　已知：103kg/h；103kg/h；103kg/h；103kg/h。，反應(yīng)物料進(jìn)口溫度為620℃。⑵ 三段反應(yīng)器的具體設(shè)計過程 ① 催化劑用量的計算 以1mol乙苯為基準(zhǔn)，當(dāng)轉(zhuǎn)率為xE時，各組分的摩爾數(shù)為水蒸氣： ；乙苯：1xE；苯乙烯：xE氫氣：xE。+xE 反應(yīng)速率方程可寫為：取反應(yīng)器催化劑質(zhì)量為dw的微元，其物料衡算方程為：對上式進(jìn)行數(shù)值積分，將反應(yīng)器的計算結(jié)果列于下表xETkKPEPS(PH)rErE（平均）Δww893 883 16246 16246 873 23334 39580 863 37077 76657 ，三段反應(yīng)器總共需要裝填76657kg的固體催化劑。② 反應(yīng)器有效體積的計算 解得：V有效體積＝③ 反應(yīng)器體積及直徑和高度的計算以及固定床床層壓降的計算 注：為了簡化處理二段反應(yīng)器與一段反應(yīng)器采用相同的直徑，并假設(shè)其壓降也相同 簡化起見，三段反應(yīng)器的直徑也取為D=，可算出三段反應(yīng)器催化劑床層高度H三段= 。 固定床氣體分布器的選用 支承結(jié)構(gòu) 填料支承裝置的作用是支承塔內(nèi)填料床層。對填料支承裝置的要求是：①應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度；②應(yīng)具有大于填料層空隙率的開孔率，防止在此發(fā)生液泛；③結(jié)構(gòu)要合理，利于氣、液兩相均勻分布，阻力小，便于拆裝。 大型塔支承梁的設(shè)計好壞對填料及塔板效率影響很大。本設(shè)計采用天津大學(xué)精餾技術(shù)國家工程研究中心和北洋精餾公司開發(fā)的的填料塔支承結(jié)構(gòu)——桁架支承梁，它具有強(qiáng)度高、撓度小、透氣性好等優(yōu)點(diǎn)。桁架支承梁中間可以穿行，可利用空間高度大大降低，從而降低了全塔高度；同時桁架支承梁改善了大支承梁造成的氣流旋流、沖擊而影響塔板及填料性能發(fā)揮的缺點(diǎn)。架梁與普通工字鋼梁相比，可使氣體實(shí)現(xiàn)橫向混合，減少氣相流動阻力，同時可減少金屬質(zhì)量。 固定床上下封頭的選型⑴ 當(dāng)筒體由鋼板卷制時，筒體及其所對應(yīng)的封頭公稱直徑等于內(nèi)徑。 當(dāng)筒體由無縫鋼管作筒體時，則以外徑作為筒體及其所對應(yīng)的封頭的公稱直徑，其型式和尺寸如圖51。 圖52封頭的標(biāo)注 本設(shè)計的筒體由鋼板卷制而成，故筒體及其所對應(yīng)的封頭公稱直徑等于內(nèi)徑。查中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：橢圓形封頭 JB/T 4737－1995選用公稱為3400mm的封頭，公稱直徑DN/mm曲面高度h1/mm直邊高度h2/mm厚度δ/mm內(nèi)表面積A/m2容積V/m2質(zhì)量m/kg碳素鋼、低合金鋼、復(fù)合鋼板高合金鋼34008005020 2428⑵ 設(shè)備及封頭材質(zhì)的選擇： 催化脫氫反應(yīng)器有固定床反應(yīng)器，如列管式、圓柱型絕熱床單段或多段反應(yīng)器和徑向反應(yīng)器，以及流化床反應(yīng)器。反應(yīng)器的材質(zhì)要有耐高溫和抗氫蝕的能力。反應(yīng)器筒體與封頭選用同樣的厚度20mm。選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼，0Cr18Ni9304不銹鋼[24]。 固定床群座的設(shè)計 群座可分為耳式、支承式、鞍式三種類型，本設(shè)計采用支承式中的圓筒形的裙式支座。不對其進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，只列出其中的幾個主要參數(shù)。,壁厚與反應(yīng)器厚度相同21mm,高度2m。 固定床人孔的設(shè)計 一般情況下：容器直徑大于3m時，選用DN600人孔。，故選用DN600人孔。人孔數(shù)為兩個，一二段催化劑床層之間設(shè)置一個人孔，二三段催化劑床層之間設(shè)置一個人孔。上封頭為可拆卸的，故反應(yīng)器內(nèi)各個部位都可以方便的到達(dá)，進(jìn)行裝填或檢修。 固定床接管的設(shè)計 本設(shè)計中的固定床反應(yīng)器需要設(shè)計四個接管：①乙苯蒸氣和水蒸氣混合后進(jìn)入一段反應(yīng)器的進(jìn)料管；②二段反應(yīng)器過熱水蒸氣的進(jìn)料管；③三段反應(yīng)器過熱水蒸氣的進(jìn)料管；④固定床反應(yīng)器總的出料管[25,26]。 查化工原理課本可知，過熱水蒸氣在管道中的常用流速范圍為3050ms1。⑴ 乙苯蒸氣和水蒸氣混合后進(jìn)入一段反應(yīng)器的進(jìn)料管 （） 式中：D—接管的內(nèi)徑，單位為m； —?dú)怏w的體積流量，單位為m3/h； u—?dú)怏w的流速，單位m/s，這里都取為40m/s。 （） () m水=103kg/h，m乙苯=103kg/h，可以算得：= 式（）中：P=；T=620℃=893K 把已知數(shù)據(jù)帶入（）可得：= 把已知數(shù)據(jù)帶入（）可得：qv=104m3/h 把已知數(shù)據(jù)帶入（）可得：D=，圓整為D=⑵ 二段反應(yīng)器過熱水蒸氣的進(jìn)料管 m水=103kg/h；P=；T=800℃=1073K；M=18g/mol 把已知數(shù)據(jù)帶入（）可得：= 把已知數(shù)據(jù)帶入（）可得：qv=104m3/h 把已知數(shù)據(jù)帶入（）可得：D=，圓整為D= ⑶ 三段反應(yīng)器過熱水蒸氣的進(jìn)料管 m水=103kg/h；P=；T=800℃=1073K；M=18g/mol 把已知數(shù)據(jù)帶入（）可得：= 把已知數(shù)據(jù)帶入（）可得：qv=104m3/h 把已知數(shù)據(jù)帶入（）可得：D=，圓整為D= ⑷ 固定床反應(yīng)器總的出料管 m水=103kg/h，m乙苯=103kg/h，m苯乙烯=103kg/h， m氫氣 =103kg/h可以算得：= 式（）中：P=；T=590℃=863K 把已知數(shù)據(jù)帶入（）可得：= 把已知數(shù)據(jù)帶入（）可得：qv=105m3/h 把已知數(shù)據(jù)帶入（）可得：D=，圓整為D= 精餾塔的設(shè)計 本設(shè)計分離工段包括乙苯蒸出塔、苯和甲苯回收塔、苯和甲苯分離塔和苯乙烯精制塔。苯乙烯精制塔實(shí)質(zhì)為一個再沸器，由于主要是處理苯乙烯和焦油，焦油的成分很復(fù)雜，數(shù)據(jù)比較缺乏，故本設(shè)計中不設(shè)計此再沸器。三個精餾塔只設(shè)計出塔徑和塔高兩個最主要的參數(shù)，三個塔均采用篩板精餾塔。 乙苯蒸出塔的設(shè)計 ⑴ 塔徑估算 （） （） （） （） 取HT=450mm= (HT為板間距)，由（）式計算出FLV。然后由由篩板塔的泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖，讀得Cf20。然后將Cf20和其它數(shù)據(jù)代入（）式，即可解出umax然后將umax代入（）式，即可解出u。將u和其它數(shù)據(jù)代入（）式，即可解出精餾塔的直徑。式（）中的qv，式（）中的σ、ρL、ρV，式（）中的LS,VS，這些數(shù)據(jù)均需要查有關(guān)數(shù)據(jù)手冊，然后用特定的公式計算出混合物的這些特性。① σ混合物的計算 乙苯蒸出塔的進(jìn)料組成(mol分?jǐn)?shù))為：；；；。塔頂和塔釜的平均溫度為100℃，在100℃時，苯乙烯的表面張力為22mN/m(20℃為32mN/m，隨著溫度的升高，液體的表面張力降低，仿照乙苯表面張力同溫度變化的情況給苯乙烯在100℃下，估了一個表面張力)；乙苯的表面張力為19mN/m；；。計算可得σ混合物=② ρV、VS、ρL 、LS的計算因?yàn)闉榕蔹c(diǎn)進(jìn)料，所以q=1(q表示進(jìn)料的熱狀態(tài)情況)。乙苯蒸出塔的塔頂和塔釜的平均壓力為30Kpa，平均溫度為100℃。100℃下，ρ苯=, ρ甲苯=, ρ苯乙烯=840kg/m3, ρ乙苯=，可以計算的混合物的平均密度為③ 各公式的計算 將已知數(shù)據(jù)代入（）式，解得FLV=。然后由篩板塔的泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖，讀得Cf20=。將Cf20=（），得uf=。取u== uf= m/s,將u= m/s代入式（）得，D=。⑵ 塔板數(shù)的計算乙苯蒸出塔中主要含四種組份：苯乙烯、乙苯、甲苯和苯，屬于多組分精餾。理論板數(shù)的捷算法為，先按設(shè)計條件求出最小回流比Rmin及全回流條件下的最少理論板數(shù)Nmin。然后利用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)圖吉利蘭圖求得實(shí)際回流比下的最少理論板數(shù)。 ① 采用捷算法計算全塔理論板數(shù)： （）式中：Nmin—全回流條件下的最少理論板數(shù)Nmin； xDL—塔頂輕關(guān)鍵組分的mol含量； xDh—塔頂重關(guān)鍵組分的mol含量； xwL—塔釜輕關(guān)鍵組分的mol含量； xwL—塔釜輕關(guān)鍵組分的mol含量； αLh—輕關(guān)鍵組分對中關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度。表：（忽略焦油）xFixDixwiаij苯0甲苯0乙苯苯乙烯1將已知數(shù)據(jù)代入式（）可得：Nmin=② Rmin的計算 （）有試差法解得 = （） 帶入已知數(shù)據(jù)得Rmin=，注Rmin的計算值與查到的文獻(xiàn)值有出入，實(shí)際 中操作后回流比約8。 由經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)圖吉利蘭圖可得：代入有關(guān)已知數(shù)據(jù)可得：N=，則：，所以，乙苯蒸出塔的高度約為44m。 苯和甲苯回收塔的設(shè)計 ⑴ 塔徑估算 ① σ混合物的計算 苯和甲回收塔的進(jìn)料組成(mol分?jǐn)?shù))為：；；?！?，℃時，乙苯的表面張力為19mN/m；；。 計算可得σ混合物= ② ρV、VS、ρL 、LS的計算因?yàn)闉榕蔹c(diǎn)進(jìn)料，所以q=1(q表示進(jìn)料的熱狀態(tài)情況)。苯和甲苯回收塔為常壓操作，℃?！嫦?， ③ 各公式的計算 將已知數(shù)據(jù)代入（）式，解得FLV=。然后由篩板塔的泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖，讀得Cf20=。將Cf20=（），得uf=。取u== uf= m/s,將u= m/s代入式（）得，D=，圓整至D=1m。⑵ 塔板數(shù)的計算 苯和甲回收塔塔中主要含三種組份：乙苯、甲苯和苯，簡化為二組分精餾。理論板數(shù)的捷算法為，先按設(shè)計條件求出最小回流比Rmin及全回流條件下的最少理論板數(shù)Nmin。然后利用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)圖吉利蘭圖求得實(shí)際回流比下的最少理論板數(shù)。① Rmin的計算 （） 代入已知數(shù)據(jù)解得：Rmin=，R==16② 采用捷算法計算全塔理論板數(shù)： （）式中：Nmin—回流條件下的最少理論板數(shù)Nmin； xD—塔頂輕組分的mol含量； xw—塔釜重組分的mol含量； αLh—輕組分對重組分的相對揮發(fā)度。將已知數(shù)據(jù)代入式（）可得：Nmin= ③ 實(shí)際板數(shù)的計算 由經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)圖吉利蘭圖可得： 代入有關(guān)已知數(shù)據(jù)可得：N=，則：，所以，乙苯蒸出塔的高度約為16m。 苯和甲苯分離塔的設(shè)計 ⑵ 塔徑估算 ① σ混合物的計算苯和甲苯分離塔的進(jìn)料組成(mol分?jǐn)?shù))為：甲苯：；苯：。塔頂和塔釜的平均溫度為96℃，在96℃時，甲苯的表面張力為20mN/m；。 計算可得σ混合物= ② ρV、VS、ρL 、LS的計算因?yàn)闉榕蔹c(diǎn)進(jìn)料，所以q=1(q表示進(jìn)料的熱狀態(tài)情況)。苯和甲苯分離塔為常壓操作，平均溫度為96℃。96℃下， ③ 各公式的計算 將已知數(shù)據(jù)代入（）式，解得FLV=。然后由篩板塔的泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖，讀得Cf20=。將Cf20=（），得uf=。取u=== m/s,將u= m/s代入式（）得，D=，圓整至D=。⑵ 塔板數(shù)的計算 苯和甲回分離塔中主要含兩種組份：甲苯和苯，簡化為二組分精餾。理論板數(shù)的捷算法為，先按設(shè)計條件求出最小回流比Rmin及全回流條件下的最少理論板數(shù)Nmin。然后利用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)圖吉利蘭圖求得實(shí)際回流比下的最少理論板數(shù)。① Rmin的計算 將已知數(shù)據(jù)代入式（）解得：Rmin=，R==4② 采用捷算法計算全塔理論板數(shù)： 將已知數(shù)據(jù)代入式（）可得：Nmin= ③ 實(shí)際板數(shù)的計算 由經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)圖吉利蘭圖可得：代入有關(guān)已知數(shù)據(jù)可得：N=，則： ，所以，乙苯蒸出塔的高 度約為10m。 換熱器的計算及選型 設(shè)計中包含許多換熱器，這里只設(shè)計精餾工段所需的四個再沸器合三個冷凝器。換熱器設(shè)計的基本過程：①首先由傳熱任務(wù)計算換熱器的熱流量（通常稱之為熱負(fù)荷）；②作出適當(dāng)?shù)倪x擇并計算平均推動Δtm；③計算冷熱流體與管壁的對流給熱系數(shù)及總傳熱系數(shù)；④由傳熱基本方程：計算傳熱面積。 乙苯蒸出塔塔頂冷凝器和塔底再沸器的計算及選型 ⑴ 塔頂冷凝器的計算及選型 ① 傳熱負(fù)荷Q =107kJ/h ② 熱流體為苯、甲苯、乙苯和苯乙烯蒸氣，℃，發(fā)生相變。冷流體為工業(yè)用冷卻水，入口溫度20℃，出口溫度80℃。冷卻水用量為。 （）