【正文】 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。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)計計算，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?；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)型式對工藝過程又有一個促進(jìn)和完善的作用，同時反應(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。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、停留時間及溫度分布、停留時間分布的控制水平和控制能力。因此，化學(xué)反應(yīng)器的選型、設(shè)計計算和選擇最優(yōu)化的操作條件是化工生產(chǎn)中極為重要的課題。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。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。 Tube fixedbed reactor 。全設(shè)計書共分為四章：第一章為前言部分對反應(yīng)器作了簡單的介紹。第三章為反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要對反應(yīng)器內(nèi)各受壓元件進(jìn)行了詳細(xì)的強(qiáng)度設(shè)計及校核。本設(shè)計中各部分嚴(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。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)計計算和選擇最優(yōu)化的操作條件是化工生產(chǎn)中極為重要的課題。反應(yīng)器的簡圖如圖11。 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。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。 對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，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，則為移動床反應(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。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。（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。 （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。 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。 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。 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)。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)計定義反應(yīng)器的設(shè)計包括:(工藝設(shè)計)。 相關(guān)工藝參數(shù)設(shè)計參數(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)計溫度是反應(yīng)器的設(shè)計的最高溫度，工作溫度一定小于設(shè)計溫度。 反應(yīng)器型式的選擇本次設(shè)計的反應(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。因此需本設(shè)計采用列管式固定床反應(yīng)器。我國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)，從國外制造后整體運(yùn)進(jìn)現(xiàn)場，無法了解反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法。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。以苯醉生產(chǎn)過程為例，反應(yīng)溫度過低，反應(yīng)不完全。兩者均使產(chǎn)品收率降低。反應(yīng)器按殼程流體流動方式可分為平行流和錯流兩種式型。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流型，但熔鹽泵的能耗相應(yīng)也增大。平行流反應(yīng)器管間流動設(shè)計，提出平行流固定床反應(yīng)器管間載熱體流動的數(shù)學(xué)模型，據(jù)此來設(shè)計工業(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。 操作考慮工藝設(shè)計師和機(jī)械設(shè)計師都必須牢記反應(yīng)器的操作方法。如果必須按反應(yīng)器內(nèi)再生來設(shè)計固定床反應(yīng)器，一個芳烴預(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，可在加200250℃和4060bar ( 40006000k Pa)壓力下操作。本章在確定了反應(yīng)器型式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了必要的工藝計算，最終確定了反應(yīng)器的總體結(jié)構(gòu)。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。該廠運(yùn)用的也是我國目前主要的PMDA生產(chǎn)方法。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，精制及干燥四個工段，氧化反應(yīng)器即是氧化工段的核心設(shè)備。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，每小時需生產(chǎn)的均酐量為：=14 kg/h （21）理論上每小時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。參考文獻(xiàn)，取30，材料為20號鋼 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》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，除去測溫管孔6個及拉桿管孔3個，實(shí)際裝填催化劑的管數(shù)為706根，能滿足生產(chǎn)要求。h催化劑的床層空隙率 = ，床層壓力降計算公式為： = = KPa （216） KPa 15%設(shè)計壓力= 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【20】查得250℃～400℃時，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℃故 G = = = kg/h (220) 反應(yīng)器殼層流體對壁給熱系數(shù)的計算設(shè)計采用的熔鹽組成為： ∶ = 3 ∶2 （質(zhì)量比），經(jīng)計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℃； 粘度 = kg/mhh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/( m℃) (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)。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 2