管式反应器课程设计

化学化工学院化工专业课程设计设计题目：管式反应器设计化工系化工专业课程设计——设计文档质量评分表（100分）指标点2.2问题分析能力（25分）指标点3.1设计解决方案（75分）反应规模及方案（3分）反应器设计符合标准、规范（10分）反应器动力学及其来源（3分）反应器选型合理性（5分）反应器物理、数学模型合理性（5分）反应器机械结构设计、图纸及其合理性（20分）反应器物料衡算（7分）反应器换热设计校核及合理性（10分）反应器热量衡算（7分）反应器控制方案、危险及其相应安全措施（10分）反应器设计文档质量（20分）小计小计总计评委签名:日期：目录绪论..................................................................................................................................................11设计内容与方法介绍....................................................................................................................21.1反应器设计概述.................................................................................................................21.2设计内容.............................................................................................................................21.3生产方法介绍....................................................................................................................31.4反应器类型特点................................................................................................................41.5反应器选择及操作条件说明............................................................................................42工艺计算........................................................................................................................................52.1主要物性数据.....................................................................................................................52.2MATLAB计算，确定管长，主副反应收率......................................................................52.3管数计算.............................................................................................................................63压降计算公式................................................................................................................................74催化剂用量计算............................................................................................................................75换热面积计算................................................................................................................................76反应器外径计算............................................................................................................................87壁厚计算........................................................................................................................................88筒体封头计算...............................................................................................................................99管板厚度计算................................................................................................................................910设计结果汇总..............................................................................................................................911设计小结...................................................................................................................................10课程设计1绪论管式反应器一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联，可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50，填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），物料的流动可近似地视为平推流。管式反应器返混小，因而容积效率（单位容积生产能力）高，对要求转化率较高或有串联副反应的场合尤为适用。此外，管式反应器可实现分段温度控制。管式反应器在近40年里，由于其体积小，效率高的特点，在化工中的应用与发展十分迅速。因此，对管式反应器的研究具有深远的意义。；；；；；；；；；；；我国自20世纪80年代引进这一先进技术后，由上海化工研究院、南华集团设计院和郑州工业大学在“七五”期间承担了管式反应器的国家攻关项目，四川大学在“八五”、“九五”、“十五”期间也承担了管式反应器的国家攻关项目和有关基础研究工作。一些研究、设计院和高校大力协同，积极开展基础研究工作和承担工程项目，至今取得了很大的成绩，填补了这一领域的空白。随着现代高科技的发展，我国研制的新型管式反应器也必将赶上世界先进水平，在化工界占有一席之地。20世纪60年代美国TVA公司将管式反应器用于磷酸铵的气液固三项系统，省掉了传统的预中和工艺；70年代以来，许多国家在磷复合肥工业中相继开发了各种管式反应器以及相应的新流程，如德国UHDE公司、西班牙CROS公司。目前世界上生产磷酸铵最简捷、能耗最低的流程是西班牙Aspindesa公司开发的生产粉状MAP的管式反应器喷雾流程。如今的管式反应器的开发已扩展到磷酸铵以外的许多化肥生产领域，如硫基复合肥的中和段采用了短管型管式反应器，并且在扩大段形成了一个内循环反应过程以延长停留时间。然而，随着科技的不断发展，新型的管式反应器将被不断地被研究出，为化工行业带来方便。课程设计21设计内容与方法介绍1.1反应器设计概述化学反应器是将反应物通过化学反应转化为产物的装置，是化工生产及相关工业生产的关键设备。由于化学反应种类繁多，机理各异，因此，为了适应不同反应的需要，化学反应器的类型和结构也必然差异很大。反应器的性能优良与否，不仅直接影响化学反应本身，而且影响原料的预处理和产物的分离，因而，反应器设计过程中需要考虑的工艺和工程因素应该是多方面的。反应器的设计主要包括：1)反应器选型；2)确定合适的工艺条件；3)确定实现这些工艺条件所需的技术措施；4)确定反应器的结构尺寸；5)确定必要的控制手段。在反应器设计时，除了通常说的要符合“合理、先进、安全、经济”的原则，在落实到具体问题时，要考虑到下列的设计要点：1)保证物料转化率和反应时间；2)满足物料和反应的热传递要求；3)设计适当的搅拌器和类似作用的机构；4)注意材质选用和机械加工要求。1.2设计内容在列管反应器中进行邻二甲苯（A）氧化制邻苯二甲酸酐（B），反应为连串—平行反应。三个反应的速率方程为𝑟1=𝑘1𝑃𝐴𝑃𝑂2𝑘1=0.04017exp⁡(−13500/𝑇)𝑟2=𝑘2𝑃𝐵𝑃𝑂2𝑘2=0.1175exp⁡(−15500/𝑇)课程设计3𝑟3=𝑘3𝑃𝐴𝑃𝑂2𝑘3=0.01688exp⁡(−14300/𝑇)(-△Hr)B=1285kJ/kmol;(-△Hr)C=4561kJ/kmol其中C是归并在一起的最终产物CO和CO2。已知气体混合物的表观质量流速为G(5850kg/m2·h)，催化剂堆积密度为1300kg/m3，反应压力1.25×105Pa,气体平均摩尔质量Mm=29.48kg/kmol，入口处邻二甲苯的摩尔分数yA0(0.00874)，入口处氧的摩尔分数yO2(0.2064)，原料温度T0(628K),比热容Cp=1.047(kJ/kmol·K)。反应热量通过管外冷流体强制循环移除，传热系数U=508kJ/(m2·h·K)，且认为冷流体温度恒定，温度为Tc(613K)。试对反应器进行设计，并进行床层压降校核。催化剂粒径，床层空隙率参数自己选择。催化剂耐受的最高温度为660K。产能：1万吨邻苯二甲酸酐/年每年生产周期按300天计1.3生产方法介绍邻二甲苯氧化法主反应如上图，此外，由副反应还生成苯甲酸、顺丁烯二酸酐等。该反应为强放热反应，因此选择适宜的催化剂（高活性和高选择性）和移出反应热以抑制深度氧化反应，是工业过程的关键。工业生产方法一般是采用以五氧化二钒为主的钒系催化剂（见金属氧化物催化剂）进行邻二甲苯的气相氧化。1974年，开发了高负荷表面涂层的钒系催化剂，催化剂载体是惰性的无孔瓷球、刚玉球和碳化硅球等。选用环状载体制备催化剂。这种新型催化剂可以减少因内扩散引起的深度氧化反应，从而提高了苯酐的收率、选择性和催化剂的负荷。反应器多采用列管式固定床。典型工艺过程是将过滤后的无尘空气经压缩、预热，与气化的邻二甲苯蒸气混合后进入反应器，反应热由管外循环的熔盐带出。反应产物