中海壳牌石化年产20万吨醋酸乙烯酯项目 反应器设计说明书29目录1反应器概述12反应器类型22.1釜式反应器（反应釜）22.2管式反应器22.3固定床反应器32.3.1轴向绝热式。32.3.2径向绝热式。32.3.3列管式固定床反应器。32.4流化床反应器43设计要点54醋酸乙烯反应器设计条件64.1反应方程式及动力学64.1.1概述64.1.2反应方程64.1.3反应机理64.1.4反应动力学84.1.5催化剂选择以及基本参数104.1.6反应器类型的选择105工艺条件的选择125.1.1反应温度125.1.2反应压力125.1.3原料配比的影响135.1.4反应空速对反应的影响146醋酸乙烯酯反应器设计156.1反应物流参数156.2反应器设计步骤156.2.1催化剂装填量的初步确定166.2.2催化剂床层直径的确定166.2.3催化剂床层的长度176.2.4反应器列管根数176.2.5反应器壳体直径与反应器长度设计176.2.6反应器长度设计186.2.7挡流板设计196.3反应器热量衡算196.4反应器进出口料接管计算206.4.1反应器进料管计算206.4.2反应器出料接管计算216.5换热介质进出口接管的计算216.5.1换热介质进口接管设计216.5.2换热介质出口接管设计216.6管板设计226.6.1壳体与管板的连接结构226.6.2管箱与管板连接结构226.6.3反应管与管板的连接结构236.6.4管板法兰及管板的结构设计236.7反应器设计条件236.8封头、支座的计算236.9换热任务核算246.9.1概述246.9.2换热系数估算246.9.3换热面积核算266.10反应器压降校核266.11反应器设计小结276.12反应器R0201工艺条件图296.13反应器R0201工艺装配图306.14反应器SW6校核317反应器设计一览表531 反应器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。反应器设计的主要任务首先是选择反应器的型式和操作方法，然后根据反应和物料的特点，计算所需的加料速度、操作条件(温度、压力、组成等)及反应器体积，并以此确定反应器主要构件的尺寸，同时还应考虑经济的合理性和环境保护等方面的要求。2 反应器类型反应器按结构大致可分为管式、釜式、塔式、固定床和流化床等。2.1 釜式反应器（反应釜）这种反应器通用性很大，造价不高，用途最广。它可以连续操作，也可以间歇操作，连续操作时，可以多个釜串联反应，停留时间可以有效地控制。国家已有K型和F型两类反应釜列成标准。K型是有上盖的釜，形状偏于“矮胖型”（长径比较小）。F型没有上盖形状则偏于“瘦长型”（长径比较大），材质有碳钢、不锈钢、搪玻璃等几种。高压反应器、真空反应器和常减压反应器、低压常压反应器都已系列化生产，供货充足，选型。有些化工机械厂家接受修改图纸进行加工，化工设计人员可以提出个别的特殊要求，在系列反应釜的基础上，加以改进。系列釜式反应器的传热面积和搅拌形式基本上都是固定的，在选型设计时，如不能选用系列化产品应当提出设备设计条件，依修改型加工。釜式反应器比较灵活通用，在间歇操作时，只要设计好搅拌，可以使釜温均一，浓度均匀，反应时间可以长、可以短，可以常压、加压、减压操作，范围较大，而且反应结束后，出料容易，釜的清洗方便，其机械设计亦十分成熟。釜式反应器可用于串联操作，使物料从一端流入，在另一端出料，形成连续流动。多釜串联时，可以认为形成活塞流，反应物浓度和反应速度恒定，反应还可以分段进行控制。2.2 管式反应器近年来此种反应器在化工生产使用越来越多，而且越来越趋向大型化和连续化。它的最大特点是传热面积大，传热系数高，反应可以连续化，流体流动快，物料停留时间短，经过一定的控制手段，可以使管式反应器有一定的温度梯度和浓度梯度。根据不同的化学反应，可以有直径和长度千差万别的形式。此外，由于管式反应器直径较小（相对于反应釜）因而能耐高温、高压。由于管式反应器结构简单，产品稳定，塔的应用范围越来越广。管式反应器可以用于连续生产，也可以用于间歇操作，反应物不返混，管长和管径是反应器的主要指标，反应时间是管长的函数，管径决定于物料的流量，反应物浓度在管长轴线上，浓度呈梯度分布，但不随时间变化，不像单间歇釜操作时那样。2.3 固定床反应器此种反应器主要用于气-固相反应，其结构简单，操作稳定，便于控制，易于实现连续化。床型可以是多种多样，易于大型化，可以根据流体流动的特点，设计和规划床的内部结构和内构件排布，是近代化学工业使用较早由较普遍的反应器。它可以设计较大的传热面积，可以有较高的气体流速，传热和传质系数可以较高。加热的方式比较灵活，可以有较高的反应温度。有3种基本形式。2.3.1 轴向绝热式。流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。2.3.2 径向绝热式。流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动形式，床层与外界不发生热交换。与轴向绝热式反应器相比，径向绝热式反应器中流体流动的距离较短，流道截面积较大，流体的压力降较小，但结构较复杂。轴向绝热式固定床反应器和径向绝热式固定床反应器都属绝热反应器，适用于反应热效应不大，或反应系统能够承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。2.3.3 列管式固定床反应器。由多根反应管并联构成，适用于热效应较大的反应。但是，固定床反应器床层的温度分布不容易均匀，由于固相粒子不动，床层导热性不太好，因此对于放热量较大的反应，应在设计时增大传热面积，及时移走反应热，但相应地减小了有效空间，这是这类床型的缺点，尽管后起的流化床在传热上有很多优点，但由于固定床结构简单，操作方便，停留时间较长且易于控制，加上化工工程的习惯，因此固定床仍不能完全被流化床所取代。2.4 流化床反应器流化床反应器的特点是细的或粗的固体粒子在床内不是静止不动，而是在高速流体的作用下，被扰动悬浮起来，剧烈运动，固体的运动形态，接近于可以流动的流体，故称流化床。由于物料在床内如沸腾的液体（被很多气泡悬浮），因此又称沸腾床。使固体流态化的介质，当然也可以是液体，所以流化床越来越被化工工程师重视，适用于气-固和液-固相反应。流化床反应器的最大优点是传热面积大，传热系数高，传热效果好。流态化较好的流化床，其床内各点温度相差不会超过5，可以防止局部过热。流化床的进料、出料、排废渣都可以用气流流化的方式进行，易于实现连续化，亦易于实现自动化生产和控制，生产能力较大，在气相-气相反应物（固相催化）、气相-固相反应物、气相-液相反应物（固相催化）、液相-液相反应物（固相催化）以及液相-固相反应物体系中越来越普遍地被应用。由于流化床体系内物料返混严重，粒子磨损严重，通常要有粒子回收和集尘的装置，另外存在床型和构件比较复杂、操作技术要求高以及造价较高等问题。3 设计要点在反应器设计时，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4 醋酸乙烯反应器设计条件4.1 反应方程式及动力学4.1.1 概述醋酸乙烯是重要的有机化工原料,它是由乙烯、醋酸和氧气在固定床中通过国产一代催化剂CT-(Pd-Au-KAc/SiO2)催化剂合成制得。该催化剂载体为球形硅胶，活性组分分布为蛋壳型。 4.1.2 反应方程查阅众多文献资料表明,在钯，金催化剂活性组分作用下,可能存在下列化学反应： 在乙烯氧乙酰化合成醋酸乙烯的具体化学反应中,在赵振兴等在反应机理研究的基础上、许可则通过实验验证二氧化碳的理沦分压与实测分压,证明乙烯氧乙酰合成醋酸乙烯的主要副产物是二氧化碳和水在实际工业条件下，催化剂的选着性为92-94。因此主要考虑第一二个平行反应。4.1.3 反应机理在乙烯气相法合成醋酸乙烯的反应过程中,催化剂是固体的,乙烯、氧气、醋酸则均以气态的形式参与反应,因而发生的是气-固相反应,是属于非均相的催化反应。目前,对于该反应的研究机理尚无定论,主要有以下二种不同的看法,一种是基于乙烯液相氧乙酰化反应机理的氧化-还原-表面反应机理,另一种是表面吸附反应机理。(1) 氧化-还原-表面反应机理氧化-还原-表面反应机理的观点认为气相法和液相法的反应经历相类似,二价钯与乙烯形成络合物,醋酸阴离子配位体对乙烯则进行亲核加成,从而形成络合物,该络合物分解后即形成醋酸乙烯和金属钯,把被重新氧化为二价铭。图 41反应机理(2) 表面吸附反应愿理持有表而吸附反应机理的研究者大多数认为乙烯、乙酸和醋酸限制分别解离吸附在钯上相互作用,被吸附的乙烯和醋酸合成醋酸乙烯,而乙烯和醋酸被夺取的氢则与吸附的氧发生反应生成水分子。少量解离吸附的乙烯还同时与解离吸附的氧反应生成二氧化碳。赵振兴等人于年1992年用阶跃应答法研究了该反应,提出了表面反应吸附。生成醋酸乙烯的氧是分子态的氧,而原子态的氧则与乙烯反应生成了二氧化碳副产物。他们认为物理吸附的醋酸与分子态吸附的氧作用生成化学吸附的醋酸,进而与表面吸附的乙烯发生反应,生成表面吸附的醋酸乙烯。其反应机理如下列所示：4.1.4 反应动力学根据赵振兴，王尚弟等人，乙烯气相氧乙酸化反应机理和动力学研究文献可知，在常压，170摄氏度下反应动力学为其中主反应为1级，副反应为0.5级。主反应k的单位为mol/(g.min.pa)副反应k的单位为mol/(g.min.pa0.5)在Aspen采用英制单位换算如下： Aspen数据输入如下：图 42主反应动力学数据图 43副反应动力学数据4.1.5 催化剂选择以及基本参数本设计采用CT-型催化剂。第三批CT-型催化剂是1991年5月制备的催化剂,该批CT-艺型催化剂的特点是:初活性特别高,在低温下也会发生吸附反应;对投氧量特别敏感;而选择性则略有下降。为强化装置生产能力以增产VAC,可使用具有较大外表面积及较低压力降的异形催化剂。由杨运信，张丽斌等人的文献：用Pd-Au-KAc/SiO2催化剂由乙烯合成乙酸乙烯酯的工艺研究，可知，异性催化剂对反应的选着性有提高作用，因此选择柱形催化剂。表 41异性催化剂对醋酸乙烯酯选择性的影响表 42催化剂参数项目介绍形状球形粒径5.11-5.55mm堆积密度0.470.52g /mL比表面积110.1m2/g孔容0.86cm3/g磨损率1.58%4.1.6 反应器类型的选择醋酸合成工艺可以选用连续反应器，连续反应器主要由流化床、固定床。流化床虽然可以增加两相间的接触面积，传热面积以及具有传质速率快等特点，但是由于催化剂颗粒