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)

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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：3000h 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

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

2

其中所生成的C5 及C6 产品用C5H10和C6H12来代替。

3

R

V R R 1.5 反应器结构的计算

1.5.1 催化剂的填充量

根据空速算得催化剂的填充量为：V = V ON R S V

V - -催化剂的填充量，m 3 V oN - -原料气体体积(标)流量

S - -体积空速，h

-1 273

1000 3 V ON = 102604.8 ? 273 + 480 ? 101.325 = 367129m / h ∴ V = 367129 = 122.38m 3 3000

1.5.2 反应管长度的计算

取空床速度为 1.4m/s ，则床层截面积为：

V o A R = u o = 102604.8 1.4 ? 3600

= 20.36m 2 则催化剂床层高度为：

H = V R A R = 122.38 = 6.01m 20.36

根据化工原理取床层空隙率为 0.3，则反映管长为:

H = 6.01 + 6.01? 0.3 = 7.8m

1.5.3 管束尺寸和反应管的排列

选取工业上所用的 Φ35 ? 2.5 的列管，则单管催化剂体积为：

V = 1 d 1 4 2 l = 0.785 ? 0.032 ? 6.01 = 4.25 ?10-3 m 3 则管数为： n =

V R V o

= 122.38 4.25 ?10-3 ≈ 28796根

4

? m ?

? 3 采用 3 个反应器并联，则每个反应器管数为 9599 根，每个反应器采用正三 角形排列采用正三角形排列[8]，反应器列管的布置与普通换热器有很大不同[7]。 首先，管束中央水循环受阻，传热恶化，温度分布不均，故此区域不布管；其次 反应管的排管把整个管板按 30℃划分为 12 个区间，整个管板由一个 30°区间阵 列而成。取中央不布管区域直径为 200mm 。

按正三角形排列，取管心距为 t = 1.25d o = 0.04375m ，采用三角形排列，则单管 s = 所占的面积为 3 t 2 = 2 3 ? 0.043752 = 1.66 ?10-3 m 2

2 。

则每个反应器的直径为 D i = 9959 ?1.66 ?10-3 + 0.00785 0.785

= 4590mm

1.5.4 反应床层压降

2 ? ? ?p b = f ρu o 1 - ε b ? H d p ? ε b ? ? 1 - f = a + b ε b ? m R εm = ? d p ρu o μ R εm ?

式中 p ——压力，Pa;

f m ——修正的摩擦系数；

ρ ——流体密度，kg/m 3； u 0

——空塔线速，m/s ； d p ——

催化剂颗粒直径，m ；

ε b ——床层空隙率；

H ——床层高度，m ；

μ ——流体的绝对黏度， pa ? s ；

a 、

b ——系数，采用 Ergun 提出的数值，a ＝1.75，b ＝150。

而取

u o = 1.4m / s ,ε b = 0.5, ρ = 4.58151kg / m , μ = 2.5338 ?10-5 pa ? s , d p = 1.5mm 5

150

R em =

0.0015 ? 4.58151?1.4 = 379.7 2.5338 ?10-5 f = 1.75 + ? 1 -

0.5 ? ? = 2.34 m ? 0.5 ?

4.58151?1.42 ? 1 - 0.5 ? ?p b = 6 ? 2.34 ? = 84050.5 pa

= 84.05kpa 0.0015 ? ? ? 0.5 ?

1.6 机械强度的计算和校核

1.6.1 设计的选材

考虑到使用温度、需用应力、价格、供货情况及材料的焊接性能等[9]，在设 计中选取：壳体、列管、管板、封头、法兰、支座、折流板材料为 0Cr18Ni10T 。

1.6.2 板厚的计算

根据流体进出口温度，选择流体的设计温度为 575，设计压力为1?1.1 = 1.1Mpa 由于本操作是在高温下进行，所选材料为耐高温材料 0Cr18Ni10Ti 。（化工设备 设计基础）

焊接方式：选为双面焊对接接头，100%无损探伤，故焊接系数 Φ = 1 ；

根据 GB6654《压力容器用钢板》和 GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定

可知对 OCr18Ni9 钢板 C 1 = 1, C 2 = 2 ，

材料的许用应力 [σ ]t = 58Mpa （2-60mm ）

则厚度按下式计算：

δ d = pD i 2[σ ]t ? - p + C = 1.1? 4590 2 ? 58 ?1 - 1.1 + 3.4 = 43.94mm ，圆整后取厚度为 50mm 。

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g 3 1.6.3 气压试验

0Cr18Ni10Ti 的屈服极限为 [σ ]t = 58Mpa , [σ ]s = 205Mpa ，

p T 气压试验： p T = p + 0.1 = 1 + 0.1 = 1.1Mpa = 1.15 p = 1.15 ?1.1 = 1.265Mpa

，两者之间取较大值，所以

p T = 1.265Mpa

P (D + δ ) 气压试验强度校核满足公式： σ T = T i e ， 2δ e ?

则 σ T = 1.265 ? (4600 + 43.94) = 10.25Mpa ?0.8 ? 205 = 164Mpa ， 2 ? 58

所以气压试验满足强度要求。取反应器筒体直径为 4700mm,厚度为 50mm 。内 径为 4600mm 。

1.7 气体分布板设计

1.7.1 气体分布板的形式

工业应用的气体分布板形式很多，主要有直流式、侧流式、填充式、短管以 及无分布板的漩流式等。

此反应器选用侧缝式锥帽分布板。

1.7.2 分布板的压降

?p d = ε ρ u 2 2α 2

式中 u ——操作孔速， m / s ；

α——分布板的开孔率；

ε——分布板的阻力系数，一般为 1.5～2.5，对于侧缝帽分布板为 2。

ρ g ——气体密度， kg / m 。

理想的气体分布板压降必然是同时满足均匀布气和具有良好稳定性这两个条件

7

2 的最小压降。

1.7.3 均匀布气压降

Richardson 建议分布板的阻力至少应是气流阻力的 100 倍，即：

?p d ,c ≥ 100?p e

1.7.4 稳定性压降

Agarwal 等指出，稳定性压降应不小于列管式固定床层压降的 10％，即

?p d ,s = 0.1p b

并且在任何情况下，其最小值约为 3500Pa 。

由此，分布板的最小压降可表示为：

?p d ,m i n = max (0.10?p b ,3500 pa ,100?pa )

这里，均匀布气压降就成为次要问题，只考虑稳定性压降就可以了。所以：

?p d ,min = max (0.1?p b ,3500 pa )

因为 p b = 84.05kpa ，所以取 ?p d = 3500 pa

所以 u == 0.54m / s ? 4.752 4

α = ερ g u =

2 ? 4.58151? 0.542 = 0.020 2?p d 2 ? 3500

1.7.5 板厚

取板厚 10mm 。

1.7.6 孔数和孔径的确定

D i = 4600mm ，取孔径 d=10mm ，则孔数为：

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d ( = ) ? p N =

α ? 0.02 ? 2 10 2 ? 4600 = 4513

? D i ? 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：

s = 4600 ≈ 70mm 4513 0.907

，取椎帽外径为 40mm ，实际排孔数 4177 个，此时 ? 10 α = 4177 ? 2

? = 0.0185

? 4750 ?

，满足要求。

?p d 2 ? 4.5815 ? 0.542 = 2 ? 0.01852 = 3903.5 pa ??p d ,min

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

器中放出的热量为 3.42 ?1012 w 取安全系数为 1.1，则壳层

Q 2 = 1.1Q 1 = 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：

ρ = 918.663kg / m 3 , C = 4485.371J /(kg ? k ), μ = 0.00028657 pa ? s

λ = 0.6762083w /(m ? k )

取流体进口管流速为 u 1 = 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 3 V = π d 2 u = 3.1

4 ? 0.8522 ?1.2 = 0.684m 3 / s 4 1 4 ，则质量流量为：

w 1 = 918.663 ? 0.648 = 595.294kg / s = 2143057.046kg / h 则冷流体得出口温度为： t 2 = t 1

+

Q 2 w 1C p = 30 + 409317875 2143057.046 ? 4.48537 = 72.6?C 冷流体出口就为液态。

1.9 管口设计

1.9.1 反应器进口

反应器进口总流量为V in = 102604.8m / h = 28.50m 3 / s ，选进入反应器之前总

管道运输速度为 25m/s 并联总管的直径为：

d o = 4 ? 28.5 3.14 ? 25

= 1.205m ，采用 DN=1200 的管道(根据 GB/T1057-1995)

校核：根据选取的公称直径为 1200，则速度为： u = 4 ? 28.5 3.14 ?1.22

= 25.21m / s 每个反应器选气体进口速度为 25m/s ，则进口管直径为:

d = 4V in = 3πu 4 ? 28.50 3 ? 3.14 ? 25 = 0.696m ，圆整后采用 D N=700 的压力管口（根据 GB/T1057-1995）

校核： u = V in πd 2 = 4 ? 4.75 3.14 ? 0.7 2 = 24.69m / s ，在 15-30m/s 范围内，可以选取。

1.9.2 出口管设计

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

10

d = 4 ?11.82

3.14 ? 25

= 0.776m

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：

u =

4 ?11.82

0.785 ? 0.82

= 23.53m / s ，在15-30m/s 范围内，可以选取。

取出口管总管运输速度为25m/s,则总管直径为：

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

3.14 ?1.42

= 23.05m / s，可以选取。

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h

o

=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 )F t 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

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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

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/z5zq.html