管式反应器

管式反应器1.管式反应器的设计1.1概述在整个工艺流程中反应器是最重要的一个设备，它的设计是否成功代表着整个工艺的是否成功，所以反应器的设计至关重要。整个工艺中有两个反应器，都是管式反应器，这是我们在众多的反应器类型中挑选的最符合我们要求的反应器，我们现在拿第一个管式反应器作为例子进行设计，另一个反应器的设计数据见附表。1.2反应器的设计1.2.1工艺计算a.选择反应器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度200℃，出口温度160℃。冷流体（循环水）进口温度30℃，出口温度50℃。该反应器用循环水冷却热的流体，因此初步确定选用管式反应器。我们选择反应物走管程，这样有利于反应。对于换热管，我们选择不锈钢管，尺寸为Φ16mm×3mm，若其流速太低，将会加快油层增长速度，使反应器的热流量下降，故管内流速取1.3m/s。b.物性数据的确定(1)壳程（水）的定性的温度为：T=(30+50)/2=40℃查得水在40℃时的有关物性数据如下密度𝜌0=994.4𝑘𝑔/𝑚3定压比热容𝐶𝑝=4.134𝐾𝐽/𝐾𝑔导热系数λ0＝0.601W/mºC粘度μ0=0.955𝑚𝑃𝑎.𝑠(2)管程（碳酸乙烯酯）的定性的温度为：T=(200+160)/2=180℃查得在70℃时的有关物性数据如下密度𝜌𝑖=1121.8𝑘𝑔/𝑚3定压比热容𝐶𝑖=5.632𝐾𝐽/𝐾𝑔导热系数λ𝑖＝0.14W/mºC粘度μ𝑖=1.8𝑚𝑃𝑎.𝑠c.计算总传热系数热流量Q0=m0CoΔto=153103.127×5.632×(200-160)=34491072.45kg/h=9593.45kw平均传热温差∆𝑡𝑚′=(Δt1-Δt2)/ln(Δt1/Δt2)=[(200-160)-(50-30)]/ln[(200-160)/(50-30)]=28.85℃水用量𝑊𝑖=Q0/(𝐶𝑖∆𝑡𝑖)=34491072.45/[4.134×(50-30)]=416257.2kg/s管程传热系数：Re=𝑑𝑖𝑢𝑖𝜌𝑖𝜇𝑖⁄=0.02×1.3×1121.80.0018=21658.14𝑖=0.023𝜆𝑖𝑑𝑖(𝑑𝑖𝑢𝑖𝜌𝑖𝜇𝑖⁄)0.8(𝑐𝑝𝑢𝑖/𝜆𝑖)0.4=9850.4壳程传热系数：假设壳程的传热系数0=300/（m2•°C）污垢热阻siR=0.000344m2•°C/W，soR=0.000172m2•°C/W管壁的导热系数=45W/（m•°C）K=1𝑑𝑜𝑖𝑑𝑖+𝑏𝑑0𝑑𝑚0+𝑅𝑆𝑂+10+𝑅𝑠𝑖𝑑𝑜𝑑𝑖=10.0259850×0.02+0.0025×0.02545×0.0225+0.000172+1300+0.000344×0.0250.02=69.72[𝑤/(𝑚.℃)]d.计算传热面积S′=𝑄∆𝑡𝑘=9593.4528.85×69.72=17147.61𝑚2考虑15%的面积裕度，S=1.15×S’=1.15×17147.61=114317.38（m2）e.工艺结构尺寸的计算(1)管径和管内流速16×3传热管（不锈钢），取管内流速iu=1.3m/s(2)管程速和传热管数𝑛𝑠=𝑉0.785×𝑢×𝑑𝑖2=4162533600994.40.785×0.012×1.3=1139.40≈1140（根）L=𝑆3.14𝑑0𝑛0=2988.833.14×0.016×285=53𝑚按单程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现在传热管长l=6m，则该程数为N=L/l=53/4=14m传热管总根数N=14×1140=4560（根）(3)平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数：R=𝑇1−𝑇2𝑡1−𝑡2=200−16050−30=2P=𝑡2−𝑡1𝑇1−𝑡1=50−30200−30=0.118温差校正系数应查有关图表,可得Δt=0.9平均传热温差Δmt=Δtmt=0.9×28.85=25.965(ºC)(4)传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25d0，则：t=1.25×16=20（mm）横过管束中心线的管数𝑛𝑐=1.1√𝑁=1.1×√4560=80根(5)壳体内径采用多管结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为：D=1.05t√𝑁⁄=1.05×32×√45600.7⁄=1694𝑚𝑚圆整可取D=1.7m(6)折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25×1700=425（mm)取标准h=450(mm)取折流板间距B=0.3D，则B=0.3×1700=510（mm)，可取B为550.折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=14000/550-1=26（块）(7)接管壳程流体进、出口接口：取接管内流速u=1.0m/s，则接管内径：d=√4𝑉3.14𝑢=√4×416257.21994.4×3600×3.14×1=0.38𝑚取标准管径为400mm管程流体进出口接管：取接管内流速u=2m/s，则接管内径为：d=√4𝑉3.14𝑢=√4×153103.1271121.8×3600×3.14×2=0.16𝑚取标准管径为200mmf.反应器的核算（1）热量衡算壳程对流传热系数。对圆缺形折流板，可采用凯恩公式：14.03155.0010)(PrRe36.0wed当量直径，由正三角形排列得：𝑑𝑒=0.02𝑚壳程流通截面积：𝑆𝑂=𝐵𝐷(1−𝑑0𝑡)=1.7×0.55×(1−1020)=0.0143壳程流体流速及其雷诺数分别为：𝑢0=654.432994.40.01476=0.261𝑚/𝑠𝑅𝑒0=0.020×0.261×825819.56070.0003457=12061.19普朗特数：𝑝𝑟=1857×0.00035470.1228=5.3638粘度校正：(𝜇0𝜇𝑤)≈1𝛼0=0.36×0.12280.02×12061.190.55×5.363813⁄=679.82𝑤𝑚2.𝑘管内表面传热系数𝛼𝑖=0.023𝜆𝑖𝑑𝑖𝑅𝑒0.8𝑃𝑟0.4管程流体流通截面积：𝑆𝑖=0.785×0.022×1082=0.016956𝑚2管程流体流速：𝑢𝑖=8.426993.95×0.015956=0.499𝑚/𝑠𝑅𝑒=0.02×0.499×993.50.00072845=13617.44普朗特数：Pr=4147×0.000728450.62574.8594𝛼𝑖=0.023×0.62540.02×13617.440.8×4.85940.4=2747.73w𝑚2.𝑘传热系数KK=1𝑑𝑜𝑖𝑑𝑖+𝑏𝑑0𝑑𝑚0+𝑅𝑆𝑂+10+𝑅𝑠𝑖𝑑𝑜𝑑𝑖=10.0252747.73×0.02+0.0025×0.02545×0.0225+0.000172+1300+0.000344×0.0250.02=56.76[𝑤/(𝑚.℃)]传热面积裕S′=𝑄∆𝑡𝑘=9593.4528.85×56.67=114317.38𝑚2该反应器的实际传热面积为S𝑆𝑝=𝜋𝑑0𝑙𝑁𝑇=3.14×0.025×(6−0.06)×(108−12)=115678.76𝑚2该反应器的面积裕度为：H=(𝑆𝑃−S′)/S’=15%传热面积裕度合适，能够完成生产任务。(2)反应器内流体的流动阻力管程流动阻力∑∆𝑃𝐼=(∆𝑃1+∆𝑃2)𝐹𝑡𝑁𝑆𝑁𝑃Ns=1，𝑁𝑃=2，Ft=1.4∆𝑃1=𝜆𝐼𝐿𝑑𝜌𝑢22Δ𝑃2=𝜉𝜌𝑈22由Re=13617.44，传热管相对粗糙度e/D=0.01/20=0.0005，查图得λ=0.037流速ui=0.499，𝜌𝑖=993.95𝑘𝑔/𝑚3所以∆𝑃1=𝜆𝐼𝐿𝑑𝜌𝑢22=0.037×60.02×993.95×0.49922=1375.59𝑃𝑎Δ𝑃2=𝜉𝜌𝑈22=3×993.95×0.49922=371.4𝑃𝑎∑∆𝑃𝐼=(∆𝑃1+∆𝑃2)𝐹𝑡𝑁𝑆𝑁𝑃=(430.38+56)×1.4×2=1444.4105𝑃𝑎管程压降再允许范围之内。壳程压强降∑∆𝑃𝑜=（∆𝑝′1+∆𝑝′2)𝐹𝑠𝑁𝑆其中𝐹𝑆=1.15𝑁𝑆=1n𝑢0=0.129𝑚/𝑠流体流经管束的阻力：∆𝑝′1=𝐹𝑓0𝑛𝑐(𝑁𝐵+1)𝜌𝑈22=0.5×5×125430.228×12×(39+1)×0.2612×819.4322=3890pa流体流过折流板缺口的阻力：Δ𝑝′2=𝑁𝐵(3.5−2𝐵𝐷)𝜌𝑈22=39×(3.5−2×0.150.2)×0.1262×819.56072=3083.57Pa总阻力：∑Δ𝑝0=(3930.58+2345)×1.15×1=2345105𝑃𝑎壳程压降也在范围之内。1.2.2机械设计a.反应器壳体壁厚计算及校核材料选用不锈钢计算壁厚为δ=𝑃𝐶𝐷𝑖2[𝜎]𝑡𝜙−𝑝𝑐式中:𝑝𝑤=0.2Mpa,𝑝𝑐为计算压力，取𝑝𝑐=(1.1×0.2)=0.22𝑀𝑝𝑎；𝑑𝑖=1700𝑚𝑚;ϕ=0.9;[𝜎]𝑡=99𝑀𝑝𝑎（设壳壁温度为100°C）将数值代入上述厚度计算公式，可以得知：δ=0.22×17002×96×0.9−0.22=2.16𝑚𝑚=2.16mm查《化工设备机械基础》可得不锈钢容器的最小厚度为2mm查《化工设备机械基础》表4-11取C2=0mm；2.16+0.2=2.36mm查表4-13圆整后取3mm该壳体采用3mm厚的钢板制造。液压试验应力校核𝜎𝑇=𝑃𝑇(𝐷𝑖+𝛿𝑒)2𝛿𝑒≤0.9∅𝛿𝑠𝑃𝑇=1.15𝑃[𝜎][𝜎]𝑡=1.15×0.22=0.253𝑀𝑝𝑎𝛿𝑒=𝛿𝑛−𝐶=6−1.6=2.8𝑚𝑚查《化工设备机械基础》附表9-1𝛿𝑠=205𝑀𝑝𝑎,𝛿𝑇=0.253×(1700+2.8)2×2.8=76.93𝑀𝑝𝑎0.9ϕ𝜎𝑠=0.9×0.9×205=166.5𝑀𝑝𝑎可见𝜎𝑇≤0.9𝜙𝜎𝑆,故水压试验强度足够。设计温度下的计算应力𝜎𝑡=𝑝𝑐(𝐷𝑖+𝛿𝑒)2𝛿𝑒=0.22×1702.82×2.8=66.89𝑀𝑝𝑎[𝜎]𝑡𝜙=0.9×0.9×205=166.05𝑀𝑝𝑎𝜎𝑡最大允许工作压力[𝑝𝑤]=2[𝜎]𝑡𝜙𝛿𝑒𝐷𝑖+𝛿𝑒]=0.22×1702.81702.8=0.284𝑀𝑝𝑎故强度足够。b.反应器封头的选择上下封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4746-2000标准，封头为DN450×6，查《化工设备机械基础》表4-15得曲面高度h1=425mm，直边高度252hmm，材料选用不锈钢。由于同等厚度的封头的承压能力大于同等厚度的筒体的承压能力，为了安装方便，我们通常让封头和筒体是同等厚度的，故封头厚度为3mm.c.容器法兰的选择材料选用16MnR根据NB/T47021-2012选用DN1700，PN0.25Mpa的凹凸密封面甲型平焊法兰.d.管板在固定管板式换热器中，管板与壳体的连接均采用焊接的方法，管板兼作法，管板最小厚度应大20mm。由于管板兼作法，查（《化工单元设备设计》P25-27）得板厚36mme.管子拉脱力的计算1、在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力𝑞𝑝𝑞𝑝=𝑝𝑓3.14𝑑0𝑙f=145.44mmP=3.45MpaL=33mm𝑞𝑝=0.9×3963.14×25×33=0.3𝑀𝑝𝑎2、温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力𝑞𝑡𝑞𝑡=𝜎𝑡