表3.3 反应器参数一览表

项目 设备名称 封头类型 反应器类型

尺寸 数量 反应温度 反应压力 选用材质

规格 R1 标准椭圆 列管式反应器 总长14.3m直径4m

1台 400℃ 33bar 06Cr19Ni10

下面对反应壁厚进行计算：

反应器的设计压力Pc=0.5MPa（考虑到实际压力降应小于设计压力，保证生产安全。），内径Di=600mm，取设计温度为100℃，取填料塔的材质为20R，则查数据表可知其[σ]t=133MPa，焊接接头系数为1，将其带入下述公式：

??PcDi2?????0.5Pt

得σ=4.56mm<5mm，所以取壁厚值为5mm。

取腐蚀余量为C2=2mm,则δd=δ+C2=5mm，查钢板厚度偏差表，得C1为0.6mm。那么δn=δd+C1+Δ=10mm，即反应器的壁厚的名义厚度为10mm。

下面对反应器的封头厚度进行计算：

本次反应器设计采用标准椭圆形封头，即：椭圆长短轴之比等于2。其最大薄膜应力位于椭圆的顶点，其厚度计算方式与壁厚计算方式一致。但为了防止封头在压缩应力下产生折皱，要求标准椭圆形封头的计算厚度不得小于封头内直径的0.15%（即：0.9mm，经计算可知封头厚度满足这个要求）。 由公式

??PcDi2?????0.5Pt

得计算厚度δ=2.3mm<3mm, 所以取壁厚值为3mm。

取腐蚀余量为C2=2mm,则δd=δ+C2=5mm，查钢板厚度偏差表，得C1为0.6mm。那么名义厚度δn=δd+C1+Δ=6mm，即反应器的椭圆形封头的名义厚度为6mm。

3.2 换热器

3.2.1 热集成

在工艺生产过称中，物料往往需要加热或者冷却。在不同物料流股之间，往往可以通过相互传热达到被加热或者被冷却的目的。虽然工业生产过程中，有很多可以提供热量的设备，也有很多冷却装置，但是这些设备都需要大量的能源。为了达到节省能源的目的，就可以考虑物料流股之间的热量交换，以达到热量的最大回收利用，实现工艺过程效率的提升。

而热集成网络可以很好的实现以上目的，达到工艺过程效率的提升。热集成网络的最基本组成就是换热器[17]。利用换热器的原理，实现物流热量之间的交换，使冷热物料温度趋于所需值。因此利用热集成网络不但可以很好的实现热量回收和二次利用，而且还可以最大限度的节省建设投资。此次设计采用Aspen Plus模拟软件中的能量分析软件进行对系统的优化设计，对冷热物流之间的接触进行了选择。其不但充分实现了热能的利用效率，还保障了生产的安全性以及可操作范围。

表3.8 换热网络热负荷参数

编号

换热器 热负荷Q冷物料冷物料流量冷物料冷物料热物料热物料流量热物料热物料

（KJ/h） 物质 （kmol/h） 进温出温物质 （kmol/h） 进温出温

（℃） （℃） （℃） （℃） 进料加热 3.70E+07 反应器

进料

2320

20 20 81 20

100 反应器

出料

700（*）

350 350 350 112

100 100 100 80

1 2 3 4

出料冷却 5.30E+07 冷却水 24000（*） 甲苯再沸器 17000000 塔底待

沸物 甲苯冷凝器 1530000 冷却水

1995 450（*）

65 反应器1060（**）

出料 128 反应器

出料 65 塔顶馏

出物

340（*）

306

注：含（*）的为大致估计数据，具体流量由温度自控系统调控，（**）为温度二级控制

表3.9 热集成效果图

通过热集成的设计，我们知道此次设计共采用了5个换热器以及换热所需冷物料的流量，下面对换热器进行选型设计。 3.2.2 换热器概论

在工业生产中换热器是常见装置之一，其基本作用就是使两种（或者两种以上）不同温度的流体在其内部发生热量交换，以达到改变物流热力学状态的目的。Aspen Plus中提供了五种不同类型的换热器，如表3.3所示。在设计工艺过程时，需要根据不同的条件选择合适类型的换热器。

表3.10 换热器单元模块介绍

模型 Heater

说明 加热器或冷却器

目的

确定出口物流的热和

相态条件

HeatX

两股物流换热器

在两个物流之间换热

用于

加热器、冷却器、

冷凝器等 两股物流的换热器，知道尺寸时，核算管

壳式换热器

MHearX Hetram

多股物流换热器 管壳式换热器

在多股物流之间换热 提供B-JAC Hetam换

热程序界面 提供B-JAC Aerotran换热器程序界面

多股物流换热器 管壳式换热器，包括

釜式再沸器 错流式换热器包括空

气冷却器

Aerotran 空冷换热器

随着工艺生产的发展，作为工艺生产过程中极其重要的设备之一，换热器的类型也在不断地增加，其应用领域也得到了大幅度的扩张，如：石油化工、医学制药、日常生活、冶金行业、轻功业，甚至于交通部门等等。由于工业的快速发展，世界能源的大量消耗，使得换热器有了一个新的作用。在工业生产过称中，反应物以及反应产物往往有大量的热能。所以改进换热器，提高效率，可以减少热能浪费，达到热能的重新利用，较少能源消耗[16]。

本次设计采用的换热器主要为Heater和HeatX俩种。在甲苯甲醇烷基化工段所使用的换热器主要是预热物料，采用的是Heater型换热器。其余工段采用的换热器类型均为HeatX型，其主要目的是将物料冷却，并回收部分热能。 3.2.3 换热器选型

换热器的选型是设计换热器必不可少的一步。对于此次设计，以HeatX为例介绍，因为经过换热器的两股流体的温度相差并不是很大，所以可以采用管壳式换热器进行设计。管壳式换热器的主要类型及特点如下：

(1) 固定管板式换热器：结构简单，造价低，但是难以清洗和检查维修，对壳程流体要求较高，流体要清洁，不易结垢，不能有腐蚀性。

(2) U形管式换热器：壳程清洗简单，但是管子难以清洗，而且管子一旦损坏就难以更换，换热效率也有限。

(3) 浮头式换热器：检查维修都比较简单方便，能够适应冷热流体温度差较大的情况，且壳程对流体性质要求不高，可适应腐蚀性或者易结垢的流体。 3.2.4 换热器工作条件的确定

（1）温度限制

冷却水出口温度不宜过高，以防止水垢的产生，一般以45℃为准，部分地区可以适当调整。热物流在热交换前后温差不宜过小，一般不小于20℃。在对反应物进行冷却时，为了不影响反应的进行，应尽量控制冷热物料流速稳定。换热器设计温度应当高于最大使用温度，至少要高于15℃。此外应控制冷流体进出口温度在热流体冰点之上，露点之下，不能使热流体产生新相。

（2）压降

流体的流速直接影响到换热器的压力降，压力过大对换热造成难以修复的损伤。因此，对于不同流速的流体，换热器的压力降通常有一定的限制，如下表：

表3.11 允许的压力降范围

工艺物流的压力/Pa < 9.8×104 9.8×104—16.7×104 >16.7×104

允许压力降/Pa

9.8×103 3.9×103—3.3×104

< 9.8×104

（3）流体走向

一般选择走管程流体的特点有：高温；腐蚀性较强；对压力降有特殊要求；容易结垢，杂质较多。一般选择走壳程流体的特点有：高压；粘度系数较大；流量相对较小；传热系数相对较小。流体的走向不但影响着传热效率，也影响着换热器的使用寿命。但是流体的走向在特殊情况下，也可以有所改变。

（4）换热管的设计

由于此次进料均不易结垢且无腐蚀性，所以换热管径一般选19mm。管心距为管径的1.25-1.5倍左右。换热管排布方式为正三角形排布，排布方式可以最大程度的排布尽可能多的换热管，增加冷热物流的传热系数，其缺点为流动阻力相对较大。 3.2.5 换热器的有关计算

常见的换热管材料、规格、尺寸如下表所示：

表3.12 常用换热管材料、规格、尺寸

材料 碳钢、低合金 不锈钢 铝合金、铝

标准 GB/T8163 GB/13296 GB/T6893

尺寸（外径）

≥14～30 ≥14～30

≤34

已知物料进口温度为T1=420℃， 甲醇出口温度为T2=50℃，水进口温度t1=20℃,出口温度为80℃

所以传热平均温差Δt

Δtm =(420-50-80-20)/Ln(15/10)=107.5℃

由于物料已经气化成气体，其传热系数较小，其K值在200左右，取近似值。 则水的质量流量为

M2=Q/KΔt