4.1.1 概述
常用反应器的类型有：①管式反应器：由长径比较大的空管或填充管构成，可用于实现气相反应和液相反应。②釜式反应器：由长径比较小的圆筒形容器构成，常装有机械搅拌或气流搅拌装置，可用于液相单相反应过程和液液相、气液相、气液固相等多相反应过程。用于气液相反应过程的称为鼓泡搅拌釜（见鼓泡反应器）；用于气液固相反应过程的称为搅拌釜式浆态反应器。③有固体颗粒床层的反应器：气体或(和)液体通过固定的或运动的固体颗粒床层以实现多相反应过程，包括固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器、涓流床反应器等。④塔式反应器：用于实现气液相或液液相反应过程的塔式设备，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等。⑤喷射反应器：利用喷射器进行混合，实现气相或液相单相反应过程和气液相、液液相等多相反应过程的设备。⑥其他多种非典型反应器：如回转窑、曝气池等。 4.1.2 反应器的类型确定
对于特定的反应过程，反应器的选型需综合考虑技术、经济及安全等诸方面的因素。
反应过程的基本特征决定了适宜的反应器形式。例如气固相反应过程大致是用固定床反应器、流化床反应器或移动床反应器。但是适宜的选型则需考虑反应的热效应、对反应转化率和选择率的要求、催化剂物理化学性态和失活等多种因素，甚至需要对不同的反应器分别作出概念设计，进行技术的和经济的分析以后才能确定。
4.1.3 反应器的计算举例说明
本工艺一共有反应器2个，鉴于反应器选型计算复杂，且整体计算过程基本一致，所以举例其中一个反应器R101（固定床反应器）作具体计算过程。
4.1.4 反应器设计参数
表4-1 反应器R101设计参数
| IN | OUT |
Temperature ℃ | 55 | 55 | 55 |
Pressure bar | 30 | 30 | 30 |
Volume Flow cum/hr | 208.508 | 86.306 | 256.154 |
|
年产量 | 20 | 万吨 |
年工作时间 | 7200 | H |
空速 | 8 | h-1 |
| | | |
4.1.5 反应器结构的计算
4.1.5.1 催化剂的填充量
根据空速算得催化剂的填充量为：
--催化剂的填充量，m3
--原料液体体积（标）流量
SV—体积空速，h-1
VON=294.814m3/h
4.1.5.2 反应管长度的计算
自来水供水系统
取空床速度为0.05m/s，则床层截面积为：
AR=
则催化剂床层高度为：
根据化工原理取床层空隙率为0.3，则反应管长为：
4.1.5.3 管束尺寸和反映管的系列
选取工业上所用的的列管，则单管催化剂体积为：
则管数为：
取管心距为t=1.25d0=0.04375m，
采用三角形排列，则单管所占的面积为：
s=
则每个反应器的直径为：
圆整取2800 mm。
4.1.5.4 反应床层压降
式中：—压力，Pa；
fm—修正的摩擦系数；
—流体密度，kg/m3；
u0—空塔线速，m/s；
dp—催化剂颗粒直径，m；
b—床层空隙率；
H—床层高度，m；
—流体的绝对粘度，pa.s；
a、b—系数，采用Ergun提出的数值，a=1.75，b=150。
取
4.1.6 机械强度的计算和校核
4.1.6.1 设计的选材
考虑到使用温度、需用应力、价格、供货情况及选材的焊接性能等，在设计中选取：壳体、列管、管板、封头、法兰为OCr18Ni10Ti ，折流板材料为Q235-A ，支座材料为16MnR。
4.1.6.2 板厚的计算
根据流体进出口温度，选择流体的设计温度为80℃，设计压力为。
由于本操作是在高压下进行，所选材料为OCr18Ni10Ti。
焊接方式：选为双面焊对接接头，100%无损探伤，故焊接系数=1；
根据GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定可知对OCr18Ni10Ti钢板C1=0.8，C2=2
材料的许用应力= 120Mpa(2-60mm)
则厚度按下式计算：
，圆整后取厚度为40mm。
4.1.6.3 气压试验
0Cr18Ni10Ti的许用应力为=120MPa， =205MPa，
气压试验：，
两者之间取较大值，所以气压试验强度校核满足公式：
则
所以气压试验满足强度要求。取反应器筒体直径为半透明纸2880mm，厚度为40mm，内径为2800mm。
4.1.7.1 气体分布板的形式
工业应用的气体分布板形式很多，主要有直流式、侧流式、填充式、短管以及无分布板的漩流式等。
此反应器选用侧缝式锥帽分布板。
4.1.7.2 分布板的压降
u
式中：u—操作孔速，m/s；
—分布板的开孔率；
—分布板的阻力系数，一般为1.5-2.5，对于侧缝帽分布板为2；
—气体密度，kg/m3。
理想的气体分布板压降必然是同时满足均匀布气和具有良好稳定性这两个条件的最小压降。
4.1.7.3 均匀布气压降
Richardson建议分布板的阻力至少应是气流阻力的100倍，即：
4.1.7.4 稳定性压降
Agarwal等指出，稳定性压降应不小于列管式固定床层压降的10%，即
并且在任何情况下，其最小值约为3500 Pa。
由此，分布板的最小压降可表示为：
所以
4.1.7.5 板厚
取板厚10mm
4.1.7.6 孔数和孔径的确定
取Di=2800mm，孔径d=10mm，则孔数为：
在分布板中心部分按等边三角形排列，这样，每一圈是正六边形，最外2～3圈为同心圆排列，同心圆与正六边形之间的大空隙处，适当补加一些孔。
设孔间距为s，则：
，取椎帽外径为40mm，实际排孔数460个，此时：，满足要求。
4.1.8 壳程换热
4.1.8.1 采用结构
为了降低入口流体的横向流速，消除流体诱发的管子振动，采用外导流筒式的进出口结构。
4.1.8.2 换热介质
换热介质选工业用水于固定床反应器进行换热，由Aspen模拟得管程中反应器中放出的热量为取安全系数为1.1，则壳层
冷流体（水）进口温度为进口温度25℃，则由aspen查得物性数据为：
，，
取流体进口管流速为u1=0.6m/s，进出口管为：Φ412×6，则进口管内径为400mm，则进口管的体积流量为：，
则质量流量为：，
则冷流体得出口温度为：℃，
冷流体出口就为气态。
4.1.9 管口设计
4.1.9.1 反应器进口
反应器进口流量为，选进入反应器之前
管道运输速度为1.8m/s管口的直径为：
，采用DN=250的管道(根据GB/T1057-1995)
校核：根据选取的公称直径为250，则速度为：
4.1.9.2 出口管设计
反应器出口流量为，取出口管速度为1.8m/s则出口管直径为：
圆整后选取DN=250的压力管口（根据GB/T1057-1995）
校核：根据选取的钢管内径为250 mm，则：
，在1.8-3.0m/s范围内，可以选取。
4.1.9.3 折流板
由于反应器中间不排管，最好选用环盘型折流板，板间距为1 m，板厚10 mm。折流板材
料为Q235-A。
4.1.10 封头的设计
选用椭圆形封头，取形状系数K=1，则其深度为700 mm，壁厚为反应器厚度40 mm，查表得直边高度为h=50 mm。
所以椭圆形封头内径为2800 mm，厚度为40 mm，曲边高度为700 mm，直边高度为50 mm，质量为2900 kg。
4.1.11 支座的设计
支座采用裙座，材质为16MnR，裙座与塔体的链接采用对接式焊接，裙座筒体外径为3000 mm，厚度为40 mm，地脚螺栓的结构选择外螺栓作结构形式，螺栓规格为M80×6，个数为30个。
因为反应器筒体大、高，需要在裙座内部设置梯子。
裙座上开设2个人孔方便检查，选择公称直径为450 mm的人孔（根据HG21515-95）。
为减少腐蚀以及在运行中可能有气体溢出，需要在裙座上部设置排气管，根据反应器直径，设置排气管规格Φ100×4。
考虑到裙座的防火问题，在裙座内外侧均敷设防火层，防火材料为石棉水泥层（容积密度约为），厚度为50 mm。
4.1.12 反应器工艺及强度计算结果
反应器1的工艺计算及强度计算结果见表4-2。
表4-2 反应器1的工艺计算及强度结果
项目 | 参数 |
反应温度（℃） | 55 |
反应压力（MPa） | 3.0 |
设计温度（℃） | 80 |
设计压力（MPa） | 3.3 |
反应器类型 | 固定床螺旋反应器 |
催化剂类型 | TS-1 |
空速（h-1） | 8 |
催化剂填充量（m3/h） | 36.85 |
催化剂填充高度（m） | 22.47 |
反应管长 松脂油 | 长度（m） | 29.21 |
尺寸 | φ30×2.5 |
材料 | OCr18Ni10Ti |
个数（根） | 3343 |
排列 | 等腰三角形 |
封头 | 形状 | 标准椭圆形 |
材料 | OCr18Ni10Ti |
厚度（mm） | 40 |
深度（mm） | 800 |
直边高度（mm） | 50 |
焊接系数 | 1 |
质量（kg） | 2900 |
筒体 | 材料 | OCr18Ni10Ti |
内径（mm） | 2800 |
高度（m） | 30 |
壁厚（mm） | 40 |
焊接系数 | 1 |
质量（kg） | 83940 |
裙座 | 类型 | 圆筒形 |
材料 | 16MnR 真空脱脂烧结炉 |
外径（mm） | 3000 |
壁厚（mm） | 40 |
高度（m） | 2.1 |
人孔 | 450mm |
螺栓 | M80×6 |
防火层材料及厚度 | 石棉水泥50mm |
排气管 | 4个 |
总高度（m） | 30.53 |
全反应器质量（kg） | 369240 |
| | |
反应器2的工艺计算及强度计算结果见表4-3。
表4-3 反应器2的工艺计算及强度结果
项目 | 参数 |
反应温度（℃） | 55 |
反应压力（MPa） | 3.0 |
设计温度（℃） | 80 |
设计压力（MPa） | 3.3 |
反应器类型 | 固定床螺旋反应器 |
催化剂类型 | TS-1 |
空速（h-1） | 8 |
催化剂填充量（m3/h） | 32.02 |
催化剂填充高度（m） | 22.50 |
反应管长 | 长度（m） | 29.25 |
尺寸 | φ30×2.5 |
材料 | OCr18Ni10Ti |
个数（根） | 2911 |
排列 | 等腰三角形 |
封头 | 形状 | 标准椭圆形 |
材料 | OCr18Ni10Ti |
厚度（mm） | 36 |
深度（mm） | 800 |
直边高度（mm） | 50 |
中药抑菌焊接系数 | 1 |
质量（kg） | 2260 |
筒体 | 材料 | OCr18Ni10Ti |
内径（mm） | 2600 |
高度（中远电梯m） | 30 |
壁厚（mm） | 36 |
焊接系数 | 1 |
质量（kg） | 70200 |
裙座 | 类型 | 圆筒形 |
材料 | 16MnR |
外径（mm） | 2800 |
壁厚（mm） | 36 |
高度（m） | 2.1 |
人孔 | 450mm |
螺栓 | M80×6 |
防火层材料及厚度 | 石棉水泥 50mm |
排气管 | 4个 |
总高度（m） | 30.53 |
全反应器质量（kg） | 320045 |
| | |
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