固定床反应器计算示例

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目录

附录一 反应器的设计 ............................................................................................. 1 1.1 反应条件 ................................................................................................... 1 1.2 反应器的类型确定.................................................................................... 1 1.3 设计数据和工作参数................................................................................. 1 1.4 物料衡算和热量横算及结果 .................................................................... 2 1.5 反应器结构的计算.................................................................................... 4

1.5.1 催化剂的填充量 ............................................................................ 4 1.5.2 反应管长度的计算 ........................................................................ 4

1.5.3 管束尺寸和反应管的排列............................................................. 4 1.5.4 反应床层压降................................................................................. 5 1.6 机械强度的计算和校核 ............................................................................ 6

1.6.1 设计的选材.................................................................................... 6 1.6.2 板厚的计算.................................................................................... 6 1.6.3 气压试验 ....................................................................................... 7 1.7 气体分布板设计 ........................................................................................ 7

1.7.1 气体分布板的形式 ......................................................................... 7

1.7.2 分布板的压降................................................................................. 7 1.7.3 均匀布气压降................................................................................. 8 1.7.4 稳定性压降..................................................................................... 8 1.7.5 板厚 ............................................................................................... 8 1.7.6 孔数和孔径的确定 ........................................................................ 8

1.8 壳程换热 ................................................................................................... 9

1.8.1 采用结构 ....................................................................................... 9 1.8.2 换热介质 ........................................................................................ 9 1.9 管口设计 ..................................................................................................10

1.9.1 反应器进口...................................................................................10 1.9.2 出口管设计...................................................................................10 1.9.3 折流板 ...........................................................................................11 1.10 封头的设计 ............................................................................................11 1.11 支座的设计 .............................................................................................11 1.12 反应器工艺及强度计算结果 .................................................................12 附录二 精馏塔设计 ................................................................................................14

2.1 塔的设计要求 ..........................................................................................14 2.2 塔设备选型 ...............................................................................................14 2.3 塔板性能比较 ..........................................................................................15 2.4 精馏塔具体设计 ......................................................................................16

2.4.1 基本数据 ......................................................................................16 2.4.2 塔径的初步设计 ...........................................................................17

2.4.3 溢流装置 ......................................................................................18

2.4.4 塔板分布、浮阀数目与排列........................................................19 2.4.5 塔板流体力学计算 .......................................................................21

1

2.4.6 淹塔 ...............................................................................................22 2.4.7 雾沫夹带校核...............................................................................23 2.4.8 塔板负荷性能图 ...........................................................................24

2.5 进出口管设计 ..........................................................................................28

2.5.1 进口管设计...................................................................................28 2.5.2 出口管设计...................................................................................29 2.6 筒体厚度的设计 ......................................................................................30 2.7 封头的设计 ..............................................................................................30 2.8 支座的设计 ..............................................................................................31 2.9 人孔..........................................................................................................31 2.10 塔的塔高 ................................................................................................31 2.11 浮阀塔工艺计算结果 .............................................................................31 2.12 浮阀塔的强度计算结果 .........................................................................33 附录三 气液分离器的设计.....................................................................................35

3.1 气液分离器设计数据...............................................................................35 3.2 工艺尺寸的计算 ......................................................................................35

3.2.1 气液分离器的尺寸计算 ...............................................................36 3.2.2 最低液位与最高液位高度............................................................36 3.2.3 壁厚计算及强度校核 ...................................................................37

3.3 管口设计 ...................................................................................................38

3.3.1 进口管 ..........................................................................................38 3.3.2 气体出口管...................................................................................39 3.3.3 液体出口管径...............................................................................39 3.4 封头的设计 ..............................................................................................40 3.5 分离器的总高度 ......................................................................................40 3.6 气液分离器的计算结果 ...........................................................................40 附录四 换热器的设计 ..........................................................................................42

4.1 设计任务和初始条件...............................................................................42 4.2 换热器的选型 ..........................................................................................42

4.2.1 影响换热器选型的因素 ...............................................................42 4.2.2 换热器应满足的要求 ...................................................................42

4.2.3 换热器的类型...............................................................................42 4.2.4 确定换热器的设计方案 ...............................................................43 4.3 确定物性数据 ..........................................................................................44 4.4 计算总传热系数 ......................................................................................44

4.4.1 热流量及平均温差 .......................................................................44

4.4.2 总传热系数 K 及传热面积............................................................44 4.5 工艺结构尺寸的计算...............................................................................45

4.5.1 管程数和传热管数 ........................................................................45

4.5.2 平均温差校正及壳程数 ...............................................................46 4.5.3 传热管排列...................................................................................46 4.5.4 壳体内径 ......................................................................................46 4.5.5 折流板 ..........................................................................................47

4.5.6 其它附件 ......................................................................................47

2

4.5.7 接管 ..............................................................................................47 4.6 换热器的核算 ..........................................................................................48

4.6.1 热量核算 ......................................................................................48 4.6.2 壁温计算 ......................................................................................50 4.6.3 换热器内流体的压力降 ................................................................50 4.7 换热器结构与强度计算 ...........................................................................52

4.7.1 壳体与管箱温度的确定 ...............................................................52 4.7.2 壳体与管箱材料的选择 ...............................................................52 4.7.3 圆筒体厚度的计算 .......................................................................53 4.7.4 管箱厚度的计算 ...........................................................................53

4.8 开孔补强 ..................................................................................................54

4.8.1 壳体上开孔补强计算 ...................................................................54

4.8.2 前端封箱补强...............................................................................56

附录五 泵的选型 ....................................................................................................59

4.1 泵的特性 ..................................................................................................59 4.2 选型要求 ..................................................................................................60 4.3 风机的计算与选型...................................................................................61 4.4 压缩机的计算与选型...............................................................................62 4.5 泵选型一览表 ..........................................................................................62 4.6 风机选型一览表 ......................................................................................63 4.7 压缩机选型一览表....................................................................................63 附录五 储罐的选型 ..............................................................................................65

5.1 丙烯储罐的选型 ......................................................................................65

5.1.1 储存要求 ......................................................................................65 5.1.2 球罐的特点...................................................................................65 5.1.3 球罐体积确定...............................................................................65 5.2 甲醇储罐选型 ..........................................................................................66

5.2.1 工艺要求 ......................................................................................66 5.2.2 选型 ..............................................................................................66 5.3 汽油储罐的选型 ......................................................................................66

5.3.1 汽油的特点...................................................................................66 5.3.2 工艺要求 ......................................................................................67 5.3.3 选型 ..............................................................................................67 5.4 储罐选型一览表 ......................................................................................67 附录六 物料衡算与热量衡算.................................................................................69

6. 1 原理和基础 ............................................................................................69 6.2 物料横算结果 ..........................................................................................69 6.3 热量衡算表 ..............................................................................................84 附录七 设备一览表 ..............................................................................................90 参考文献 .................................................................................................................97

3

附录一 反应器的设计

1.1 反应条件

使用由南方化学公司提供的改性的 ZSM-5 催化剂其中催化剂的比表面积为 300~600m2/g，孔容体积为 0.3~0.8cm3/g。使用 85%的粗甲醇进行进料的主要工艺 条件指标为：

反应温度： 480℃ 反应压力： 1MPa

空速： 3000 h ?1

原料气体组成比：85%的甲醇，15%的水

1.2 反应器的类型确定

由甲醇制取烯烃的反应器有固定床反应器、流化床反应器。 固定床反应器特点是流程简单，容易放大反应器的生产规模，显著降低投资，

由于停留时间较统一，可以明显提高产物的选择性。缺点是温度不宜控制，催化 剂再生的时候操作复杂。

流化床反应器特点是流程复杂，在床内由于返混反应器内径向比较均一，和 同样内径、长度的固定床相比，空速相同时、流化床反应器内压降更小，向反应 器内补充催化剂无需停产，但工艺流程长，设备多，投资大，对催化剂要求苛刻。 综上所述，在考虑了技术、成本、工艺后，选择固定床反应器。

1.3 设计数据和工作参数

附表 1-1 设计数据和工作参数

1

烯烃年产量 年工作时间 反应温度

88.9 万吨/年 300×24=7200 480℃ 原料配比 空速 反应压力 CH 3OH : H 2 O ? 8.5 : 1 3000 h ?1 1Mpa

1.4 物料衡算和热量横算及结果

热量横算和物料横算由 aspen 模拟得到，结果见附表 1-2，详细数据见 aspen 源文件：

附表 1-2 由 aspen 模拟数据

Temperature C Pressure bar Vapor Frac Mole Flow kmol/hr Mass Flow kg/hr Volume Flow cum/hr Enthalpy MMkcal/hr IN 480 10 1 16385.4756 470120 102604.826 -726.49327 399602 OUT 480 10 1 20072.151 470120 125690.558 -831.00233 Mass Flow kg/hr CH3OH 11.98806 0.3421838 9181.92013 5794.58948 0.20837296 28178.8853 2500.22549 1786.59071 124161.029 C2H6O-01 C4H8--01 C4H10-01 C5H10-01 C6H12-01 C2H4 C2H6 C3H6-2

0 0 0 0 0 0 0 0 2

C3H8 H2O CH4 H2 CO CO2 0 70518 0 0 0 0 0.85 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.15 2723.05683 292519.572 3.00107061 2.03002387 20.7496905 3235.81194 0.0000255 7.2786E-07 0.01953101 0.01232576 4.4323E-07 0.05993977 0.00531827 0.00380028 0.26410497 0.00579225 0.6222232 6.3836E-06 4.3181E-06 0.000044137 0.00688294 Mass Frac CH3OH C2H6O-01 C4H8--01 C4H10-01 C5H10-01 C6H12-01 C2H4 C2H6 C3H6-2 C3H8 H2O CH4 H2 CO CO2

0 0 0 0

其中所生成的 C5 及 C6 产品用 C5H10 和 C6H12 来代替。

3

N ??

?

? ??

??d D?? ?? i ??

??2

??

? 4600 ???10 2

0.02

? 4513

在分布板中心部分按等边三角形排列，这样，每一圈是正六边形，最外 2～ 3 圈为同心圆排列，同心圆与正六边形之间的大空隙处，适当补加一些孔。

设孔间距为 s，则：

4600 s ?? ? 70mm

4513 0.907 ，取椎帽外径为 40mm，实际排孔数 4177 个，此时

?? 10 ? ? ? 4177 ? ???? 0.0185

? 4750 ??

2

2 ? 4.5815 ? 0.542

?pd ??? 3903.5 pa??pd ,min

2 ? 0.01852

，满足要求。

1.8 壳程换热 1.8.1 采用结构

为了降低入口流体的横向流速，消除流体诱发的管子振动，采用外导流筒式 的进出口结构。

1.8.2 换热介质

换热介质选工业用水于固定床反应器进行换热，由 aspen 模拟得管程中反应

12

器中放出的热量为 3.42 ?10w 取安全系数为 1.1，则壳层

Q2 ? 1.1Q1 ? 3.76 ?1012 w ? 409317875kJ/h

冷流体（水）进口温度为进口温度 30℃，则由 aspen 查得物性数据为：

? ? 918.663kg / m3 , C p ? 4485.371J /?kg ? k ?, ? ? 0.00028657 pa ? s ? ? 0.6762083w /?m ? k ??

取流体进口管流速为 u1 ? 1.2m / s ，进出口管为：Φ864×6，则进口管内径 为 852mm，则进口管的体积流量为：

?

9

? 3.14 2 3

V ? d 2 u1 ? ? 0.852?1.2 ? 0.684m/ s

4 4 ，则质量流量为： w1 ? 918.663 ? 0.648 ? 595.294kg / s ? 2143057.046kg / h

则冷流体得出口温度为：

?

t2 ? t1 ??

Q2 409317875

? 30 ??? 72.6?C w1Cp 2143057.046 ? 4.48537

?

冷流体出口就为液态。

1.9 管口设计

1.9.1 反应器进口

3

选进入反应器之前总 反应器进口总流量为Vin ? 102604.8m3 / h ? 28.50m / s ，

管道运输速度为 25m/s 并联总管的直径为：

d o ??4 ? 28.5 ? 1.205m ，采用 DN=1200 的管道(根据 GB/T1057-1995) 3.14 ? 25

?

校核：根据选取的公称直径为 1200，则速度为： u ??4 ? 28.5 ? 25.21m / s

3.14 ?1.22

每个反应器选气体进口速度为 25m/s，则进口管直径为: d ??

4Vin ?4 ? 28.50 ? 0.696m ，圆整后采用 DN=700 的压力管口（根据

?3 ? 3.14 ? 25 3?u

GB/T1057-1995）

4 ? 4.75 ? 24.69m / s ，在 15-30m/s 范围内，可以选取。 校核： u ??Vin ??

?d 2 3.14 ? 0.7 2

1.9.2 出口管设计

反应器出口流量为Vout ? 127676.454m 3 / h ? 35.46m3 / s ，因为三个反应器串 联，所以每个反应器出口管流量为11.82m3 / s ，取出口管速度为 25m/s 则出口管 直径为：

10

4 ?11.82 ? 0.776m d ??

3.14 ? 25

圆整后选取 DN=800 的压力管口 （根据 GB/T1057-1995）

校核：根据选取的钢管内径为 800mm，则：

4 ?11.82 ? 23.53m / s ，在 15-30m/s 范围内，可以选取。 0.785 ? 0.82

取出口管总管运输速度为 25m/s,则总管直径为： u ?? d ??

4 ? 35.46

? 1344mm ，取 DN=1400 的压力钢管（根据 GB/T1057-1995）

3.14 ? 25

?

校核： u ??4 ? 35.46 ? 23.05m / s ，可以选取。

2

3.14 ?1.4

1.9.3 折流板

由于反应器中间不排管，最好选用环盘型折流板，板间距为 1m，板厚 10mm。 折流板材料为 16MnR。

1.10 封头的设计

选用椭圆形封头，取形状系数 K=1，则其深度为 1150mm，壁厚为反应器厚度

50mm，查表得直边高度为 ho ? 50mm 。

所以椭圆形封头外径为 4700mm，厚度为 50mm，直边高度为 1150mm，直边高 度为 50mm，质量为 9130kg

1.11 支座的设计

支座采用裙座，材质为 16MnR，裙座与塔体的链接采用对接式焊接，裙座筒 体外径为 4800mm，厚度为 36mm，地脚螺栓的结构选择外螺栓作结构形式，螺栓 规格为 M80×6，个数为 30 个。

因为反应器筒体大、高，需要在裙座内部设置梯子。

裙座上开设 2 个人孔方便检查，选择公称直径为 450mm 的人孔（根据

HG21515-95）。

11

为减少腐蚀以及在运行中可能有气体溢出，需要在裙座上部设置排气管，根 据反应器直径，设置排气管规格Φ100×4。 考虑到裙座的防火问题，在裙座内

外侧均敷设防火层，防火材料为石棉水泥

层（容积密度约为 ?p i ? ??p L ? p r ?Ft N p N s ? ?p n N s ），厚度为 50mm。

1.12 反应器工艺及强度计算结果

反应器的工艺计算及强度计算结果见表 1-3。

附表 1-3 反应器的工艺计算及强度结果

项目 反应温度（℃） 反应压力（Mpa） 设计温度（℃） 设计压力（Mpa） 反应器类型 催化剂类型 空速(h-1) 催化剂填充量（m3/h） 催化剂填充高度（m） 参数 480 1 575 1.1 固定床反应器 改性 ZSM-5 催化剂 3000 122.38 6.01 7.8 Φ35×2.5 0Cr18Ni10T 9599 等腰三角形 标准椭圆形 0Cr18Ni10T 50 1150 长度（m） 尺寸 反应管长 材料 个数（根） 排列 形状 封头 材料 厚度（mm） 深度（mm）

12

直边高度（mm） 焊接系数 质量（kg） 50 1 9130 0Cr18Ni10T 4600 8 材料 内径（mm） 筒体 高度（m） 壁厚（mm） 焊接系数 质量（kg） 50 1 519300 圆筒形 16MnR 4800 36 4 450mm M80×6 石棉水泥 50mm 4 个 类型 材料 内径（mm） 壁厚（mm） 裙座 高度（m） 人孔 螺栓 防火层材料及厚度 排气管 总高度（m） 全反应器质量（kg） 14.3

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附录二 精馏塔设计

2.1 塔的设计要求

塔的主要目的是将物质进行分离，本设计以丙烯丙烷分离为例来设计塔。设 计要求分离的丙烯纯度≥99.5%以上。

通过对设计要求的分析我们对工业上广泛应用的塔设备进行比较和选型。选 型的依据是：在保证工艺要求的前提上，做到安全生产，稳定操作，较低的设备 费用和操作费用。

2.2 塔设备选型

工业用的精馏塔种类主要有填料塔和板式塔。两种类型的塔各有特点：不同 任务、操作条件、介质性质情况下，选择合适的精馏塔能够充分发挥塔德作用， 既能保证安全稳定生产，又能够降低生产成本，表 2-1 列出了填料塔和板式塔的 使用特点。

附表 2-1 填料塔和板式塔的性能比较

项目 塔型 填料塔 小尺寸填料，压降较大，而大尺 寸填料及规整填料，则压降较小 小尺寸填料气速较小，而大尺 寸填料及规整填料则气速可较大 板式塔 压降 较大 空塔气速 较大 塔效率 传统的填料，效率较低，而新 型乱堆及规整填料则他效率较高 较稳定、效率高 液气比 对液体量有一定的要求 适用范围较大

14

持液量 材质 安装检修 造价 较小 金属及非金属材料均可 较难 新型填料，投资较大 较大 一般用金属材料 较容易 大直径塔时造价低 通过以上比较，我们可以看出，板式塔虽然压降高，但其空塔气速大、塔效 率高 ，且稳定、液气比适用范围较大、安装和检修容易、大直径塔的造价低， 这些特点能够的 满足我们设计中处理量大，塔效率高，液气比范围广等要求。 综合考虑，我们优先选择板式塔。

2.3 塔板性能比较

板式塔种类很多，随着生产技术的不断创新，板式塔的结构也在不断的变 化，不同类型的塔设备使用范围不同，根据操作特点选择合适的塔盘的类型可以 降低生产成本。表 2-2 对工业生产中常用的板式塔进行比较。

附表 2-2 塔盘的性能比较

性能 与泡罩塔相比的相对 气体负荷 效率 操作弹性 85%最大负荷时的 单板压降 与泡罩塔的相对价格 可靠性 塔型 泡罩塔 浮阀塔 筛板塔 蛇形塔 栅板塔 1 良 超 1.3 优 超 1.3 优 良 1.35 良 超 2 良 中 45-80 45-80 30-50 40-70 25-40 0.5 中 1 优 0.7 良 0.7 优 0.7 良 从上表的比较可以看出，筛板塔和浮阀塔的相对气相负荷较大、效率高，同

时具有价格较低等特点但浮阀塔相对效率较高，弹性较好，价格较低，因此选择

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浮阀塔

2.4 精馏塔具体设计

2.4.1 基本数据

精馏塔的设计基本数数据有 aspen 模拟得，具体数据见表 2-3：

附表 2-3 aspen 模拟数据

Vapor Frac Mole Flow kmol/hr Mass Flow kg/hr Volume Flow cum/hr Mass Flow kg/hr C3H6-2 C3H8 C4H8--01 Mass Frac C3H6-2 C3H8 进料 0 3005.52274 126590.381 281.352669 124122.331 2451.68763 15.9049382 0.98050365 1.94E-02 塔顶流出 1 2944.78686 123932.582 3815.02873 123623.15 309.251674 1.56E-19 0.99750323 2.50E-03 塔釜流出 0 60.7358791 2657.79946 6.45038603 499.180565 2142.43596 15.9049382 0.18781724 0.80609391 0.00598425 C4H8--01 Mole Flow kmol/hr C3H6-2 C3H8 C4H8--01 Mole Frac C3H6-2 C3H8 C4H8--01 0.00012564 2949.63031 55.5982112 0.28347249 0.98140342 0.01849868 9.43E-05 16

1.26E-24 2.94E+03 7.01306302 2.77E-21 0.99761645 0.00238151 9.41E-25 11.8624756 48.5851481 0.28347249 0.19531249 0.79994146 0.00466729

Vapor Density kg/cum Density kg/cum Viscosity N-sec/sqm Surface Ten N/m

33.03 449.934886 6.63E-05 0.00574915 32.4853599 466.99 1.01E-05 33.57 412.037272 6.76E-05 0.00521931

2.4.2 塔径的初步设计

由 aspen 软件模拟结果得出摩尔回流比 R=8.2，塔板数为 120 块塔板 进料位置塔内液体密度 ? F ??1 0.98 ?0.02 ?

478 466.9

? 477.77

则精馏段平均密度为：

? D ? ? F 3

? 472.38kg / m ? L1 ??

2

? D ? ? F 3? 32.76kg / m ?V 1 ??2

本设计因为处理量较大，一个精馏塔不能满足要求，所以改用三个精馏塔处 理。

质量流量： L1 ? RD / 3 ? 8.2 ? 41310.86 ? 338759.1kg / h

V1 ? (R ? 1)D / 3 ? 380059.92kg / h

?L3 1 体积流量： L S1 ? ?? 717.11m/ h ?L1 ?

?

?V1 VS1 ? ?? 11601.34m3 / h

?V1

空塔气速 u ? kumax

，安全系数 k ? (0.6 ~ 0.8)

?

? ? L 1

? ?V1

umax ? c ??

V1

计算式中的 c 可由史密斯关联图查出 ，

LS1 ? L1

) 0.5 ? 0.235 横坐标值： ( ? ??V1

VS1

取板间距 HT ? 0.8m ， hL ? 0.18m

17

由史密斯关联图查出： C20 ? 0.11 塔顶液体表面张力 ? D ? 5.14675mN / m 精馏段表面张力：

? D ? ? F

? 5.44795mN / m ? 1 ?

2 ? 1 0.2

()? 0.085 20 则： C ? C 20

umax ? c

? L1 ? ?

? 0.311m / s ?V1 ??

V1

u1 ? 0.8umax ? 0.249m / s

4Vs?D1 ??u1 则塔径为 ：

1

? 4.06m

最终取塔径为 D ? 5m

横截面积： AT ? ? D 2 ? 0.785 ? 52 ? 19.63m 2 4 VS1 / 3600

空塔气速 u ? ? 0.164m / s

AT

' 1

同理可算出提馏段塔径 D2 ? 4.31m 圆整后取塔径为： D ? 5m

横截面积： AT ? ? D 2 ? 0.785 ? 52 ? 19.63m 2

4

V/ 3600 '

空塔气速为： u 2 ? S 2 ? 0.161m / s

AT

2.4.3 溢流装置

2.4.3.1 堰长

取 lw ? 0.7D ? 3.5m

出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液层高度按下式计算：

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