管式反应器课程设计报告书

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。 ；；；；；；；；；；；
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。
1.1 反应器设计概述.................................................................................................................2 1.2 设计容.................................................................................................................................2 1.3 生产方法介绍....................................................................................................................3 1.4 反应器类型特点................................................................................................................3 1.5 反应器选择及操作条件说明............................................................................................4 2 工艺计算........................................................................................................................................5 2.1 主要物性数据.....................................................................................................................5 2.2MATLAB 计算，确定管长，主副反应收率 ......................................................................5 2.3 管数计算.............................................................................................................................6 3 压降计算公式................................................................................................................................7 4 催化剂用量计算............................................................................................................................7 5 换热面积计算................................................................................................................................7 6 反应器外径计算............................................................................................................................8 7 壁厚计算........................................................................................................................................8 8 筒体封头计算...............................................................................................................................9 9 管板厚度计算................................................................................................................................9 10 设计结果汇总..............................................................................................................................9 11 设计小结 ...................................................................................................................................10
我国自 20 世纪 80 年代引进这一先进技术后，由化工研究院、南华集团和工 业大学在“七五”期间承担了管式反应器的国家攻关项目，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、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。
1.3 生产方法介绍
邻二甲苯氧化法
610~640K
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。反应产物进入蒸汽 发生器，被冷却的反应气经进一步冷却，回收粗苯酐。尾气经水洗回收顺丁烯二 酸酐后放空，或用催化燃烧法净化后再放空。粗苯酐经减压精馏由塔顶分离出低 沸点的顺丁烯二酸酐、甲基顺丁烯二酸酐及苯甲酸等，塔底物料经真空精馏，得 到苯酐产品。
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（10 分）
反应器动力学及其来源（3 分）
反应器选型合理性（5 分）
1.2 设计容
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
(-△Hr)B= 1285 kJ/kmol; (-△Hr)C=4561 kJ/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(5850 kg/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=29.48 kg/kmol，入口处邻二甲苯的摩尔分数 y ，入 A0(0.00874) 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 660 K。 产能： 1 万吨邻苯二甲酸酐/年 每年生产周期按 300 天计