反应器选型与设计(完结版)

一、反应器类型

反应器设备种类很多，按结构型式分，大致可分为釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等。

1.1 釜式反应器：

反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。

优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。

缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。

1.2 管式反应器

①由于反应物的分子在反应器内停留时间相等，所以在反应器内任何一点上的反应物浓度和化学反应速度都不随时间而变化，只随管长变化。

②管式反应器具有容积小、比表面大、单位容积的传热面积大，特别适用于热效应较大的反应。

③由于反应物在管式反应器中反应速度快、流速快，所以它的生产能力高。

④管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产。

⑤和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流型接近与理想流体。

⑥管式反应器既适用于液相反应，又适用于气相反应。用于加压反应尤为合适。

1.3 固定床反应器

固定床反应器的优点是：①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。②催化剂机械损耗小。③结构简单。

固定床反应器的缺点是：①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。②操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。

1. 4 流化床反应器

（1）流化床反应器的优点

①由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大（可高达3280~100m2/m3），有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。

②由于颗粒在床内混合激烈，使颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致，床层

与内浸换热表面间的传热系数很高[200~400𝑊/(𝑚2∙𝑘)]，全床热容量大，热稳定性高，这些都有利于强放热反应的等温操作。这是许多工艺过程的反应装置选择流化床的重要原因之一。

流化床内的颗粒群有类似流体的性质，可以大量地从装置中移出、引入，并可以在两个流化床之间大量循环。这使得一些反应—再生、吸热—放热、正反应—逆反应等反应耦合过程和反应—分离耦合过程得以实现。使得易失活催化剂能在工程中使用。

（2）流化床反应器的缺点

①气体流动状态与活塞流偏离较大，气流与床层颗粒发生返混，以致在床层轴向没有温度差及浓度差。加之气体可能成大气泡状态通过床层，使气固接触不良，使反应的转化率降低。因此流化床一般达不到固定床的转化率。

②催化剂颗粒间相互剧烈碰撞，造成催化剂的损失和除尘的困难。

③由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的磨损严重。虽然流化床反应器存在着上述缺点，但优点是主要的。流态化操作总的经济效果是有利的，特别是传热和传质速率快、床层温度均匀、操作稳定的突出优点，对于热效应很大的大规模生产过程特别有利。

二、反应器设计原则

反应器设计时，应遵循“合理、先进、安全、经济”的原则，具体设计时还需满足以下要求：

1．满足物料转化率和反应时间的要求

2．满足反应的热传递要求

3．满足物料流动和混合的要求，设计适当的搅拌器或类似作用的装置

4．满足防腐和机械加工要求，合理选择材质

三、反应器选型

1.参考相关文献，对于气-固相反应，反应器类型主要有固定床反应器、流化床反应器和移动床反应器，本反应的反应器类型主要为固定床反应器。对于固定床反应器的优点是：

①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。

②催化剂机械损耗小。

③结构简单。

正因为它有这么多优点，根据工艺需求，考虑到气-固相反应形式，因此最后选择气-固相绝热固定床反应器。

2.工艺确定（国外传统的甲苯歧化与烷基转移技术）

目前,世界上传统的甲苯歧化与烷基转移技术共有6种,即Xylene一Plus法、Tatoray法、LTD法、MTDP法、T2Bx法及MsTDP法。我们采用的是与Tatoray法类似的生产工艺。

2.2 反应机理

•固定床反应器工艺计算的内容有三个方面：一是反应器的有效体积即催化剂装填量的计算，二是床高和床径的计算，三是传热面积和床层压力降的计算。 

•ＶＲ的计算有经验法和数学模型法两种。

•经验法是根据空速、空时收率、催化剂负荷等数据，反推完成一定任务所需的催化剂装填量，比较简单。

•数学模型法按座标数目分有一维模型和二维模型；按相态分有拟均相模型和非均相模型。

4.1经验计算法(经验法主要用于计算催化剂床层体积、传热面积及床层压力降。)

4.1.1催化剂的选择

本工艺采用绝热固定床反应器，与Tatoray技术类似，选用沸石催化剂，临氢操作，反应原料为甲苯和C9芳烃。该工艺工业化后催化剂不断更新换代，转化率由原来的35.5%提升至47.0%；操作周期由最初的3个月延长至36个月。该工艺具有反应器结构及反应流程简单、转化率高、选择性高等特点，而且该工艺不仅可以处理甲苯，还可以充分利用C9芳烃，最大限度地满足生产PX的要求，因此在与其他工艺的竞争中始终处于优势地位。由于我们采用的是与Tatoray技术类似的生产技术，因此我们采用上海石油化工研究院开发的以丝光沸石为主体的HAT-096型甲苯歧化与烷基转移催化剂。

4.1. 2.催化剂用量的计算

根据重时空速与催化剂的关系

取催化剂堆积密度,

则催化剂床层体积:

催化剂一般装填整个反应器的40%~60%，此处我们选取60%装填量：

反应器体积：

使用经验法计算催化剂的用量，必须注意适用条件：反应器的型式及结构参数，催化剂的型号及粒度，操作压力，反应物系初始组成、最终转化率、气体净化程度及催化剂的使用时间。

4.2反应器的直径和高度

根据有关规定，为了保证反应气流稳定，固定床反应器的长径比一般在4~20之间。此处我们选取反应器反应器长径比＝4

床径计算（无内件时）

=1.68m

=1.6×2=3.36m

此处选取反应器直径D=3400mm，固定床反应器长度H=13600mm 

4.3反应器筒体壁厚的设计参数的确定 

（1）设计压力的相关确定 

计算压力=设计压力+液柱静压力 

设计压力：

此处我们取： 

P=1.1 p工=1.1 ×3.1 = 3.41MPa

液体静压：PL 

   PL =gH  （对=15.7943666）

PL=对gH=15.7943666×9.81×26=4028.52Pa=4.029kPa

计算压力： 

（2）设计温度的相关确定 

该反应器操作温度为450℃，取设计温度500℃，反应压力为3.1MPa，则选用中304-0Cr18Ni9不锈钢。

4.4反应器壁厚

操作压力为P=3.1MPa，设计计算压力取 1.1 倍的工作压力，即PC=3.1×1.1=3.41 MPa,，焊缝系数取=1，内径  Di =3400mm。查《化工设备设计基础》P213 附表1得304-0Cr18Ni9不锈钢,在450℃下的许用应力=103 MPa，腐蚀裕量按每年 0.1mm 的腐蚀量,计15年腐蚀裕量取C2=1.5mm

设计厚度        

4.5筒体封头设计

封头选用标准型椭圆封头，曲面高度h1 =850mm，直边高度h 2=50mm，壁厚δ=20mm,内表面积 A =13.00m2 ，容积 V=5.60m3 ，质量m=2080kg。

4.6 裙座高度

因卸料需要，需要安装裙座，

裙座高度

4.7 附件设计

（1） 筒体法兰的设计 

根据筒体内操作压力、温度和筒体直径，查《压力容器法兰分类和规格表》和《压力容器法兰分类与技术条件》（JB/T4700-2000），选带衬环的甲型平焊法兰（ 如图2-4 所示） ， 法兰材料为16MnR。查标准《非金属软垫片》（JB/T4704-2000）、《缠绕垫片》（JB/T4705-2000）、《金属包垫片》（JB/T4706-2000） 及《压力容器法兰分类与技术条件》（JB/T4700-2000）， 

查标准JB/T4701-2000《甲型平焊法兰》，公称压力PN=3.1MPa，公称直径DN=2600mm，则法兰标记为：法兰C-RF3400-3.1JB/T4701-2000。

甲型平焊法兰结构示意图

查标准《压力容器用非金属软垫片》（JB/T4704-2000），选用垫片为平形的奶油橡胶石棉板，标记为：垫片3400-3.1JB/T4704-2000。 

（2） 螺栓根径和螺栓个数的设计 

根据《钢制压力容器》设计，螺栓法兰的材料选择20R，其标准为GB 6654，螺栓24个，直径16mm。

（3）人孔的设计 

人孔 

该固定床反应器内装催化剂，为了装卸催化剂并检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件等，设置人孔。本反应器为固定床反应器，由于反应器压力为3.1MPa，所以本设计决定采用回转盖板式平焊法兰人孔。根据标准HG/T21514-2005《钢制人孔和手孔的类型与技术条件》，选用回转盖板式平焊法兰人孔，其安装位置灵活。固定床反应器为立式反应器，反应器高度为13.6m，催化剂装填分为3段，故设4个人孔。

HG/T21516-2005 回转盖板式平焊法兰人孔，其公称直径为500mm；公称压力3.1MPa；密封面型式为平面；筒节、凸缘材料为304-0Cr18Ni9钢 ：；垫片材料为耐油石棉橡胶板；筒节高度为130mm。

人孔补强确定 

根据标准JB/T4736-2002《补强圈》，该人孔可用补强圈补强。采用内坡口型式、全焊透焊接，补强圈放在釜壁外单面补强。

D型补强圈型式尺寸示意图（适用于壳体为内坡口的全焊透结构）

所选人孔筒节内径为500mm，外径为516mm、壁厚为8mm。补强圈材料采用304L不锈钢设备，尺寸算确定如下： 

补强圈外径D 2 =760mm，内径 D1=d0+9=516+9=525mm。根据补强的金 属面积应大于或等于开孔减少的截面积，补强圈的厚度按下式估算：

其中： 

δ补——补强圈厚度，mm； 

δ1——人孔筒节厚度，mm； 

δ2——器壁厚度（δn=15mm ）与腐蚀裕量（C2=0.8mm ）之差，mm； 

di——人孔筒节内径，mm； 

圆整至标准值，取16mm厚。

（4）反应器支座的设计 

本反应器选择圆筒裙式支座

选择依据： 裙式支座适用于高大型或重型立式容器的支承。裙座有圆筒形和圆锥形两种形式，通常采用圆筒型裙座。圆锥形裙座一般用于以下情况：1塔径D>1000，且H/D≥30或D≤1000，且H/D≥25；2基本风压q≥0.5KN/m2或地震烈度≥8度时。圆锥形裙座的半锥角≤15°。 

裙座开孔 ：

●排气孔 

裙座顶部须开设Φ80的排气孔，以排放可能聚结在裙座与封头死区有害气体。 

●排液孔 

裙座底部须开设100的排液孔，一般孔径Φ50，中心高50mm的长圆孔。      

●人孔 

裙座上必须开设人孔，以方便检修；人孔为圆形， 

●引出管通道孔 

考虑到管子热膨胀，在支承筋与引出管之间应保留一定间隙。

（5）裙座与塔体封头连接 

裙座直接焊接在塔底封头上，可采用对接焊缝或搭接焊缝。在没有风载荷或地震载荷时，对接焊缝承受容器重量产生的压缩载荷，搭接焊缝则承受剪切载荷。相比而言，搭接焊缝受力情况较差，在一些小塔或受力较小的情况下采用。本设计选用对接焊缝。 

裙座壳体过渡段 塔壳设计温度低于-20℃或高于250℃时，裙座壳顶部分的材料应与塔下封头材料相同，选择20R，裙座壳体过渡段长度取4倍保温层厚度，但不小于500mm； 

（6）群座保护层 

当塔内或周围容器内有易燃、易爆介质时，一旦发生火灾，裙式支座型式会因温度升高而丧失强度，故裙座应设防火层。当裙座D≤1500mm时，仅外面敷设防火层；当裙座D>1500mm时，两侧均敷设50mm石棉水泥层。 

当塔内操作温度很高，塔体与裙座的温度差引起不均匀热膨胀，会使裙座与塔底封头连接焊缝受力情况恶化，此时须对裙座加以保温。 

选用圆锥形裙座，裙座内径3400mm，裙座壁厚20mm，裙座高度4.55m。两侧均敷设50mm石棉水泥层。

4.8 管口设计

4.8.1 反应器进口 

反应器进口总流量为m3/h=1.29m3/s，选进入反应器之前总管道运输速度为20m/s，管的直径为： 

 采用DN=300 的管道(根据GB/T1057-1995)

校核：根据选取的公称直径为300mm，则速度为：，在允许范围内(流速一般在10～30m/s)，可以选取。

4.8.2 出口管设计

反应器出口流量 =1.29m3 /s，取出口管速为20m/s：

出口管直径：

圆整后选取DN=300mm的压力管（根据GB/T1057-1995）

校核：根据选取的公称直径为300mm，则速度为：，在允许范围内，可以选取。

表  反应器详细装备列表

              类型                              盘式孔流型分布器

              升气管高度（mm）                 150

反应器内件  升气管直径（mm）              100

              喷淋孔直径（mm）              5

              喷淋孔数                       250

             催化剂层高度（m）              0.5

封头          壁厚                              20

              曲面高度（mm）                 850

              直边高度（mm）                   50

             裙座类型                       圆柱形裙座

              裙座高度（m）                    4.45

人孔         直径（mm）                       500