年產(chǎn)2萬(wàn)噸的銀催化氧化乙烯合成環(huán)氧乙烷的反應(yīng)器設(shè)計(jì)

1、JINGCHUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY年產(chǎn)2萬(wàn)噸的銀催化氧化乙烯合成環(huán)氧乙烷的反應(yīng)器設(shè)計(jì)學(xué)院：化工與藥學(xué)院班級(jí)：2012級(jí)化學(xué)工程與工藝1班學(xué)生姓名：肖暢學(xué)號(hào)：20指導(dǎo)教師：郭孝天完成日期：2016年1月3日指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：成績(jī):教師簽名：設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、設(shè)計(jì)題目和內(nèi)容設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn)2萬(wàn)噸的銀催化氧化乙烯合成環(huán)氧乙烷的反應(yīng)器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)條件：銀催化氧化乙烯合成環(huán)氧乙烷。表1原料氣的組成組分C2H4COQN含量（mol%）生產(chǎn)規(guī)模：2萬(wàn)噸/年反應(yīng)溫度為240C反應(yīng)壓力為1MPa空速為5000h-1選擇Tt為65%年工作時(shí)間7200小時(shí)二、設(shè)計(jì)方法和步驟1、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)所

2、提供的條件和要求，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有資料的分析對(duì)比，初步確定工藝流程。對(duì)選定的工藝流程、主要設(shè)備的型式以及數(shù)值積分計(jì)算等進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述。2、主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算反應(yīng)的物料衡算、熱量衡算催化劑床層高度計(jì)算3、典型輔助設(shè)備的選型和計(jì)算：包括典型輔助設(shè)備的主要工藝尺寸計(jì)算和設(shè)備型號(hào)規(guī)格的選定4、制圖：繪制主體設(shè)備圖5、編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)三、設(shè)計(jì)成果的編制本課程的設(shè)計(jì)任務(wù)要求學(xué)生做設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1份、圖紙1張。各部分具體要求如下：（一）設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容與順序：1、封面（包括題目、學(xué)生班級(jí)、學(xué)生姓名、指導(dǎo)教師姓名等）2、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)3、目錄4、正文緒論：工藝生產(chǎn)技術(shù)方法及進(jìn)展，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)概述、設(shè)計(jì)任務(wù)的意義、設(shè)計(jì)結(jié)果簡(jiǎn)

3、述設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介物料流程圖及說(shuō)明設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)（包括裝置的工藝計(jì)算：物料衡算、熱量衡算，反應(yīng)器床層計(jì)算）設(shè)計(jì)結(jié)果概要設(shè)計(jì)體會(huì)及今后的改進(jìn)意見(jiàn)5、參考文獻(xiàn)6、主要符號(hào)說(shuō)明（必須注明意義和單位）說(shuō)明書(shū)必須書(shū)寫(xiě)工整、圖文清晰。說(shuō)明書(shū)中所有公式必須寫(xiě)明編號(hào)。目錄第1章緒論0第2章設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介0第3章物流流程及說(shuō)明1第4章設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)3反應(yīng)器的物料衡算3反應(yīng)器的熱量衡算6第5章反應(yīng)器的設(shè)計(jì)9催化劑床層體積和高度的計(jì)算9確定氧化反應(yīng)器的基本尺寸10床層壓力降的計(jì)算10傳熱面積的核算11床層對(duì)壁面的給熱系數(shù)11總傳熱系數(shù)的計(jì)算12傳熱面積的核算12反應(yīng)器塔徑的確定13設(shè)備的壁厚計(jì)算13釜體筒體壁厚計(jì)算13附

4、屬設(shè)備計(jì)算14支座的選擇14人孔15接管及其法蘭選擇15進(jìn)料管15溫度計(jì)接管15不凝氣體排出管15第6章設(shè)計(jì)結(jié)果匯總16第7章設(shè)計(jì)評(píng)述與總結(jié)16第8章符號(hào)說(shuō)明17參考文獻(xiàn)18第1章緒論環(huán)氧乙烷的工業(yè)化生產(chǎn)已經(jīng)有80多年的歷史，20世紀(jì)20年代初，UC公司首次采用氯醇法工藝生產(chǎn)環(huán)氧乙烷并建立了工業(yè)化生產(chǎn)裝置，但由于其存在腐蝕設(shè)備、污染環(huán)境和耗氯量大等一系列問(wèn)題。30年代后期，公司基于Lefort有關(guān)銀催化劑的研究成果，使用銀催化劑，推出空氣法乙烯直接氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷工藝。1958年，Shell公司采用氧氣代替空氣作為生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的氧原料，推出氧氣法乙烯直接氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷工藝，產(chǎn)品純度可達(dá)%由于

5、氧氣氧化法比空氣氧化法有明顯的優(yōu)越性，目前國(guó)內(nèi)外環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)幾乎全部采用的生產(chǎn)方法是：以銀作催化劑，在列管式固定床反應(yīng)器中，用純氧與乙烯反應(yīng)，采用乙烯直接氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷。目前全球環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)由英荷Shell、美國(guó)SD科學(xué)設(shè)計(jì)公司）和UCCE家公司所壟斷，約占環(huán)氧乙烷總生產(chǎn)能力的90%以上。這三家公司的乙烯氧化技術(shù)水平基本接近，但技術(shù)上各有特色。例如在催化劑方面，盡管載體、物理性能和制備略有差異，但水平比較接近選擇性均在80%Z上。在工藝技術(shù)方面都由反應(yīng)部分、脫CO2環(huán)氧乙烷回收組成。但抑制劑選擇、工藝流程上略有差異。我國(guó)由氯醇法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷始于1963代，由于氯醇法對(duì)乙烯質(zhì)量要求不高，所

6、以采用酒精發(fā)生乙烯和渣油裂解混合烯姓生產(chǎn)環(huán)氧乙烷在我國(guó)石油化工發(fā)展初期具有一定意義。隨著大規(guī)模引進(jìn)環(huán)氧乙烷裝置的建成和投產(chǎn)，加上環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，國(guó)內(nèi)小規(guī)模的氯醇法環(huán)氧乙烷裝置已無(wú)生命力，于199孫下半年淘汰。早期引進(jìn)的空氣法環(huán)氧乙烷裝置大多也改造為氧氣法。目前我國(guó)的生產(chǎn)裝置主要集中于上海石化，揚(yáng)子石化，茂名石化和燕山石化等，基本上為引進(jìn)技術(shù)。國(guó)內(nèi)環(huán)氧丙烷用于聚醴多元醇的消費(fèi)量占總消費(fèi)量的85%占據(jù)主導(dǎo)地位，PG/DMC%8%未來(lái)環(huán)氧丙烷消費(fèi)中，聚醴仍然占主導(dǎo)地位，所占的比例有所上開(kāi)。由于涂料、膠粘劑、密封劑、彈性體等產(chǎn)品市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，聚醴在該領(lǐng)域?qū)?huì)大有作為。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展，聚醴在

7、車用聚氨酯部件中的需求迅速增加。由此可見(jiàn)，環(huán)氧丙烷的市場(chǎng)前景是十分廣闊的。本設(shè)計(jì)采用氧氣直接氧化法，對(duì)原有的單元設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)能力標(biāo)定和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)定。在此基礎(chǔ)上，查閱了大量資料，根據(jù)設(shè)計(jì)條件，通過(guò)物料衡算、熱量衡算、反應(yīng)器的選型及尺寸的確定，計(jì)算壓降、催化劑的用量等，設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)要求的反應(yīng)器。第2章設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介目前，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的方法有氯醇法和乙烯氧化法兩種，乙烯氧化法又分為乙烯空氣氧化法及乙烯氧氣氧化法。(1)氯醇法氯醇法環(huán)氧乙烷生產(chǎn)分兩步進(jìn)行：氯氣與水反應(yīng)生成次氯酸，再與乙烯反應(yīng)生成氯乙醇；氯乙醇用石灰乳皂化生成環(huán)氧乙烷。(2)直接氧化法直接氧化法，分為空氣法和氧氣法兩種。這兩種氧

8、化方法均采用列管式固定床反應(yīng)器。反應(yīng)器是關(guān)鍵性設(shè)備，與反應(yīng)效果密切相關(guān)，其反應(yīng)過(guò)程基本相同，都包括反應(yīng)、吸收、汽提和蒸儲(chǔ)精制等工序?？諝庋趸ǎ捍朔椒ㄓ每諝鉃檠趸瘎?，因此必須有空氣凈化裝置，以防止空氣中有害雜質(zhì)帶入反應(yīng)器而影響催化劑的活性?？諝夥ǖ奶攸c(diǎn)是有兩臺(tái)或多臺(tái)反應(yīng)器串聯(lián)，即主反應(yīng)器和副反應(yīng)器，為使主反應(yīng)器催化劑的活性保持在較高水平(63-75%),通常以低轉(zhuǎn)化率進(jìn)行操作，保持在20-50%范圍內(nèi)。氧氣氧化法：氧氣法不需要空氣凈化系統(tǒng)，而需要空氣分離裝置或有其它氧源。由于用純氧作氧化劑，連續(xù)引入系統(tǒng)的惰性氣體大為減少，未反應(yīng)的乙烯基本上可完全循環(huán)使用。從吸收塔頂出來(lái)的氣體必須經(jīng)過(guò)脫碳以除去

9、二氧化碳，然后循環(huán)返回反應(yīng)器，不然二氧化碳濃度超過(guò)15%(mol%),將嚴(yán)重影響催化劑的活性。環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)方法各具特點(diǎn)。氯醇法生產(chǎn)工藝的嚴(yán)重缺點(diǎn)大致有：消耗氯氣，排放大量污水，造成嚴(yán)重污染；乙烯次氯酸化生產(chǎn)氯乙醇時(shí)，同時(shí)副產(chǎn)二氧化碳等副產(chǎn)物，在氯乙醇皂化時(shí)生產(chǎn)的環(huán)氧乙烷可異構(gòu)化為乙醛，造成環(huán)氧乙烷損失，乙烯單耗高；氯醇法生產(chǎn)的環(huán)氧乙烷，醛的含量很高，約為5000-7000mg/m,最低亦有2500mg/m。氯醇法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，由于裝置小、產(chǎn)量少、質(zhì)量差、消耗高，因而成本也高，采用氯醇法生產(chǎn)環(huán)與大裝置氧化法生產(chǎn)的高質(zhì)量產(chǎn)品相比失去了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力氧乙烷的小型石油化工廠正在受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。故根據(jù)環(huán)

10、保及成本的限制要求本實(shí)驗(yàn)采用直接空氣氧化法第3章物流流程及說(shuō)明本次設(shè)計(jì)采用氧氣氧化法進(jìn)行環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)，以氧氣作為氧化劑，乙烯在1MPa240c下通過(guò)裝有銀催化劑的固定床反應(yīng)器，直接氧化為環(huán)氧乙烷。環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)系統(tǒng)分為三部分：反應(yīng)系統(tǒng)、回收系統(tǒng)和二氧化碳脫除系統(tǒng)，如圖所循環(huán)壓縮機(jī)乙烯氧氧化碳工業(yè)水產(chǎn)物出口小0接觸塔再生塔去乙二醇系統(tǒng)氧化反應(yīng)器氧化反應(yīng)器環(huán)環(huán)氧乙卷析塔度收塔乙二醇析塔環(huán)氧乙烷浸芭碳酸鉀圖3-1銀催化氧化乙烯合成環(huán)氧乙烷工藝流程(1)環(huán)氧乙烷的反應(yīng)系統(tǒng)反應(yīng)系統(tǒng)是以一種循環(huán)過(guò)程來(lái)操作的，以乙烯和氧氣為原料使用甲烷致穩(wěn)。從外界貯罐來(lái)的乙烯在過(guò)濾器中進(jìn)行過(guò)濾，經(jīng)換熱器預(yù)熱，然后按著一定

11、的路線進(jìn)入混合器，與從環(huán)氧乙烷吸收塔頂部通過(guò)分離器分離出的循環(huán)氣進(jìn)行混合，乙烯混合器中的循環(huán)氣進(jìn)入壓縮機(jī)的吸入口并在氧氣混合器之前，由壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮。從外界來(lái)的氧氣進(jìn)料通過(guò)過(guò)濾器之后在流量控制下進(jìn)入氧氣混合器。為了能在進(jìn)料之后和開(kāi)車期間可靠地對(duì)氧氣混合器進(jìn)行吹掃，一個(gè)高壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)及氮?dú)獯祾吖捱B接在緊靠氧氣混合站上游的氧氣進(jìn)料線上。為控制循環(huán)氣中的二氧化碳濃度，一股循環(huán)氣的分支物流被送往二氧化碳脫除工段。從氧氣混合器出來(lái)的含有乙烯和氧氣的循環(huán)氣，在換熱器的管程進(jìn)行加熱后進(jìn)入反應(yīng)器。在反應(yīng)器的殼程用石蠟油來(lái)移走反應(yīng)熱，以控制反應(yīng)溫度。含有環(huán)氧乙烷的氧化氣進(jìn)入附帶的循環(huán)氣/鍋爐給水預(yù)熱器，而后反應(yīng)

12、器出口全體流經(jīng)循環(huán)器換熱器的殼程，與反應(yīng)器入口氣體換熱，被進(jìn)一步冷卻下來(lái)，之后循環(huán)氣體進(jìn)入循環(huán)氣冷卻器進(jìn)行最后的冷卻。本反應(yīng)使用一種氣相狀態(tài)的抑制劑來(lái)控制反應(yīng)活性，循環(huán)氣在氧氣進(jìn)料混合器和循環(huán)氣熱交換器之間分叉轉(zhuǎn)向壓入裝有液體二氯乙烷的貯罐，使這股循環(huán)氣中的二氯乙烷濃度達(dá)到飽和，然后在乙烯進(jìn)料混合器和循環(huán)氣壓縮機(jī)之間再次進(jìn)入反應(yīng)循環(huán)氣中。反應(yīng)進(jìn)料不是絕對(duì)純凈，有必要依次從分離器下游定期排放惰性組分。(2)環(huán)氧乙烷的回收系統(tǒng)從冷卻器出來(lái)的氧化氣進(jìn)入到環(huán)氧乙烷吸收塔底部，使用從環(huán)氧乙烷氣提塔底部過(guò)來(lái)的乙二醇水溶液以及從泵過(guò)來(lái)的工藝水進(jìn)行吸收，保證吸收液的濃度恒定在%(wt%),被吸收下來(lái)的環(huán)氧乙烷

13、按一定的路線進(jìn)到氧化物/水閃蒸罐進(jìn)一步閃蒸出惰性氣體，然后經(jīng)換熱器進(jìn)入環(huán)氧乙烷氣提塔使環(huán)氧乙烷和水進(jìn)行分離。環(huán)氧乙烷蒸汽從塔頂出來(lái)經(jīng)冷卻器進(jìn)行冷凝后收集在回流罐中，回流罐中的環(huán)氧乙烷用泵打出一部分返回到環(huán)氧乙烷氣提塔頂部作回流用，另一部分送往排氣塔中脫除二氧化碳，塔底用再沸器進(jìn)行加熱，塔底中不含二氧化碳的環(huán)氧乙烷經(jīng)冷卻器冷卻后用泵送到環(huán)氧乙烷貯罐。環(huán)氧乙烷氣提塔頂部冷凝器中的不凝氣送到惰性氣體洗滌塔中，同閃蒸罐中閃蒸出的惰性氣體一起被洗滌后送往尾氣壓縮機(jī)吸入罐中，再進(jìn)入尾氣壓縮機(jī)中壓縮，經(jīng)二氧化碳脫除系統(tǒng)進(jìn)入環(huán)氧乙烷反應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)。在環(huán)氧乙烷吸收塔中未被吸收下來(lái)的環(huán)氧乙烷以及其它惰性氣體經(jīng)分離器

14、進(jìn)一步分離之后送往乙烯混合器中循環(huán)使用。(3)二氧化碳脫除系統(tǒng)來(lái)自尾氣壓縮機(jī)的一股氣流和尾氣壓縮機(jī)出口的氣流混合為一股，進(jìn)入二氧化碳吸收塔的底部，與從塔頂向下流動(dòng)的吸收劑在填料上充分接觸完成吸收后，進(jìn)入二氧化碳水洗塔，通過(guò)填料層和除霧器，除掉氣流中夾帶的微量的鉀和磯的化合物微粒，以防止這些物質(zhì)帶入反應(yīng)器造成催化劑中毒。這股氣流冷卻后返回到循環(huán)氣流中，與其它物流混合。從二氧化碳吸收塔頂部流下的二氧化碳吸收劑，在與循環(huán)氣接觸完成二氧化碳的吸收之后，在二氧化碳吸收塔底部靠壓差進(jìn)入閃蒸罐中，這時(shí)的吸收劑被稱為富吸收劑，富吸收劑在閃蒸罐中進(jìn)行減壓閃蒸，閃蒸出來(lái)的氣體進(jìn)入尾氣壓縮機(jī)，再吸入罐中，經(jīng)尾氣壓縮

15、機(jī)壓縮后進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。閃蒸后的吸收劑流向二氧化碳再生塔的頂部，經(jīng)再沸器加熱后，被吸收的二氧化碳就釋放出來(lái)，排入大氣中。再生后的吸收劑被稱為貧吸收劑，貧吸收劑集聚于再生塔的底部，被分為三股，一股經(jīng)再沸器加熱循環(huán)，一股經(jīng)泵在過(guò)濾器中過(guò)濾存貨使用，余下的進(jìn)入貧吸收劑閃蒸罐中再次進(jìn)行閃蒸后由貧吸收劑泵打回吸收塔中進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。水洗塔有兩個(gè)循環(huán)回路來(lái)移走氣體物流中的微量鉀和研的化合物，用二氧化碳水洗塔下部循環(huán)泵把塔底的液體抽出來(lái)經(jīng)一個(gè)冷卻器送到下部填料段的頂部。用二氧化碳水洗塔上部的循環(huán)泵從上部填料段的底部抽出液體，循環(huán)到上部填料段的底部，抽出液體再循環(huán)到上部填料段的頂部。兩個(gè)循環(huán)泵系統(tǒng)共用一臺(tái)公用的

16、備用泵。高壓工藝水通過(guò)一流量控制器補(bǔ)充到上部的循環(huán)回路中，以便控制水洗塔中鉀的濃度。用二氧化碳吸收劑罐和二氧化碳吸收劑池作為二氧化碳脫除系統(tǒng)運(yùn)行的必要裝置。不論是吸收劑罐還是吸收劑池都使用通入65kg/cm2壓力蒸汽的蛇管進(jìn)行加熱，以防止環(huán)境溫度下結(jié)冰上凍，用貧吸收劑過(guò)濾器循環(huán)泵和二氧化碳吸收劑池泵在系統(tǒng)和貯存器之間進(jìn)行吸收劑的輸送。第4章設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)反應(yīng)器的物料衡算(1)反應(yīng)部分的工藝參數(shù)環(huán)氧乙烷生產(chǎn)能力：2萬(wàn)噸/年；年操作時(shí)間：7200小時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的溫度：210C;反應(yīng)溫度：240c乙烯轉(zhuǎn)化率：32%;選擇性：65%反應(yīng)空速：5000h1;生產(chǎn)過(guò)程安全系數(shù)：反應(yīng)產(chǎn)物分離后回收率：90%

17、原料組成如表4-1所示：表4-1原料氣的組成及各組分的分子量組分C2H4CO2O2N2含量(mol%)表4-2各組分的分子量組分C2H4CO2O2N2C2H4Oh2o分子量284432284418(2)反應(yīng)部分的基礎(chǔ)計(jì)算以100kmol/h氣體進(jìn)料為基準(zhǔn)，根據(jù)已知原料氣的組成，計(jì)算出每小時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的各種氣體組分的摩爾數(shù)，計(jì)算結(jié)果列于表4-3中。根據(jù)反應(yīng)方程式及已知數(shù)據(jù)，計(jì)算反應(yīng)器出口的氣體量。主反應(yīng)：-11一、CH2CH2-O2C2H4O(4-1)2副反應(yīng)：CH2CH23O22CO22H2O(4-2)已知乙烯轉(zhuǎn)化率為32%,選擇性為65%,進(jìn)入反應(yīng)器的乙烯量為h,所以:由式(4-1)有消耗乙

18、烯量：XX=消耗氧氣量：X=生成環(huán)氧乙烷量：由式(4-2)有消耗乙烯量：XX=消耗氧氣量：X3=生成二氧化碳量：X2=生成水量：X2=則可知未反應(yīng)的乙烯量：未反應(yīng)的氧氣量：出反應(yīng)器的二氧化碳量：+二出反應(yīng)器的水量：0+二氮?dú)獾牧吭诜磻?yīng)過(guò)程中不發(fā)生變化，所以出口氣體中各組分的量如表4-3所21077200440.9070.15kmol/h表4-3反應(yīng)器入口和出口的氣體量(kmol/h)組分C2H4CO2O2N2C2H4OH2O入口00出口(3)實(shí)際裝置每小時(shí)生產(chǎn)的環(huán)氧乙烷可折算為:綜上所述，氣體進(jìn)料為100kmol/h時(shí)，可生產(chǎn)環(huán)氧乙烷h0若要達(dá)到h的環(huán)氧乙烷生產(chǎn)能力，則所需原料量為：70.15

19、1000.7289636kmol/h為了保證所設(shè)計(jì)的裝置能夠達(dá)到所要求的生產(chǎn)能力，必須考慮到原料損失等因素，一般取安全系數(shù)為則實(shí)際進(jìn)料量為X9636=h(4)原料氣與氧化氣的組成計(jì)算根據(jù)基準(zhǔn)氣體進(jìn)料為100kmol/h時(shí)的計(jì)算結(jié)果，可以折算出實(shí)際進(jìn)料量為h時(shí)的物料衡算情況。如表4-4所示：表4-4實(shí)際原料氣進(jìn)料時(shí)的物料衡算組分kmol/hkg/hmol%wt%C2H49821O2CO2N2C2H4O0000H2O0000合計(jì)100100表4-5氧化氣的物料衡算組分kmol/hkg/hmol%wt%C2H4O2CO2N2C2H4OH2O合計(jì)100100反應(yīng)器的熱量衡算反應(yīng)器的熱量衡算（基準(zhǔn)溫度取

20、1-八C2H4O2C2H4O2C2H43O22CO22H2O反應(yīng)熱根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱為:H1103.38kJ/mol;H21323.1kJ/mol。反應(yīng)器的熱量衡算，設(shè)原料氣帶入的熱量為Q,氧化氣帶出的熱量為Q,反應(yīng)熱為Q,反應(yīng)器的撤熱量為Q,當(dāng)忽略熱損失時(shí)，有：Q+Q=Q+Q各組分的比熱由化工設(shè)計(jì)在熱量衡算中可知，在工程計(jì)算中，常使用物質(zhì)的平均定壓摩爾熱容Gf。假如物質(zhì)在Ti到T2范圍內(nèi)的C-T關(guān)系為一直線，可以證明，此溫度范圍內(nèi)的平均定壓熱容CPf等于(Ti丁2)/2溫度下物質(zhì)的熱容，也等于Ti到T2溫度下物質(zhì)熱容Qi和。2的算術(shù)平均值(CpiCp2)/2,一般來(lái)說(shuō)，物質(zhì)的O-

21、T關(guān)系不是直線，但他的曲率并不大，只要計(jì)算時(shí)溫度范圍不大，常把曲線關(guān)系當(dāng)做直線關(guān)系來(lái)近似處理，所以上述平均熱容的辦法可行。在物理化學(xué)書(shū)中差得不同溫度下的比熱容，如下表:組分時(shí)Cp(J/molK)時(shí)CP(J/molK)時(shí)CP(J/molK)乙烯氧氣氮?dú)舛趸辑h(huán)氧乙烷水由Cpf(CpiCp2)/2計(jì)算得平均熱容如下表組分()的CPf(J/molK)的CPf(J/molK)乙烯氧氣氮?dú)舛趸妓h(huán)氧乙烷由熱量計(jì)算式Qmcpfdt2)(1)氣體原料帶入的熱量Q1的計(jì)算Q152.77370.7530.13561.1229.328267.7340.57841.6483.15-298.155.771107

22、KJ/h(2)反應(yīng)后氣體產(chǎn)物帶走熱量Q2的計(jì)算53.204238.5129.71406.8740.266829.7728.8168357.85Q2233.81978.1761.36273.16513.15-298.156.582107KJ/h(3)Qr反應(yīng)熱的計(jì)算Qr103.38350.751030.320.651323.1350.751030.320.355.912107KJ/h(4)傳給導(dǎo)生油的熱量Q的計(jì)算按熱量衡算原理(忽略散熱損失)反應(yīng)前后熱量守恒則QQQ2Qr0則傳熱量為QQ1QrQ25.7711075.9121076.5821075.101107KJ/h第5章反應(yīng)器的設(shè)計(jì)在物料衡算

23、和熱量衡算的基礎(chǔ)上，可以對(duì)反應(yīng)部分主要設(shè)備的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。這一部分主要是反應(yīng)器的工藝參數(shù)優(yōu)化。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力：2萬(wàn)噸/年；生產(chǎn)過(guò)程安全系數(shù)：；年操作時(shí)間：7200小時(shí);本設(shè)計(jì)采用兩臺(tái)反應(yīng)器并聯(lián)進(jìn)行反應(yīng)。已知：(1)每小時(shí)輸入的原料氣量總為h;(2) 以銀為催化劑，顆粒為球形，d=5mm空隙率05;(3) 反應(yīng)溫度為240C,操作壓力為1MPa空速為5000h-1;(4) 反應(yīng)器列管規(guī)格為32X；(5) 反應(yīng)熱用油撤走，導(dǎo)出液進(jìn)口溫度230C,導(dǎo)出液出口溫度235C；(6) 原料氣進(jìn)口溫度為210C,氧化氣出口溫度為240Co催化劑床層體積和高度的計(jì)算催化劑總體積VR(m310021.41

24、034.0210338.44m)是決定反應(yīng)器主要尺寸的基本依據(jù)，其計(jì)算公式如下所示(由化工設(shè)計(jì)手冊(cè)可查)Vr(5-1)m3/h;&一空速，h1進(jìn)入反應(yīng)器的氣體總流量為h,空速為Sv=5000h1,則反應(yīng)器中催化劑的裝填體積Vr為:由于氣體進(jìn)料則PV=nRTT計(jì)算V=RT8.314483.151.01064.02103m3.mol1VVFoVRSvSV5000固定床反應(yīng)器采用兩套并聯(lián)計(jì)算公式如下所示(5-2)VRH2A假設(shè)每根管長(zhǎng)為6m反應(yīng)器內(nèi)催化劑填充高度為管長(zhǎng)95%床層高度為H695%5.7m故A去瑞,2確定氧化反應(yīng)器的基本尺寸對(duì)于列管式固定床反應(yīng)器，首先應(yīng)根據(jù)傳熱要求選定選擇32X的不銹鋼

25、管作為反應(yīng)器的反應(yīng)管規(guī)格，再求出反應(yīng)管根數(shù)n0反應(yīng)管內(nèi)徑：d=x2=25mm=（根據(jù)化工原理（上）附表熱軋無(wú)縫鋼管GB8163-8設(shè)擇）反應(yīng)管根數(shù)(5-3)Vr2An22-diH-di44由公式(5-10)可得n20.743016.56根0.02524經(jīng)圓整可得，反應(yīng)管根數(shù)為3017艮。床層壓力降的計(jì)算由基本有機(jī)化學(xué)工程（下冊(cè)）可查得如下計(jì)算公式(5-4)G150（1）1.75GHggdpdp式中乙P床層壓力降，kg/m2H催化劑床層高度，mG質(zhì)量流速，kg/g氣體密度，kg/m3;g重力加速度，m/s2；固定床空隙率；dp催化劑顆粒當(dāng)量直徑/m；氣體粘度，Pa-S或kg/m-s）；本次設(shè)計(jì)所

26、選用的催化劑為d=5m的球型，計(jì)算其直徑為d0.005mh5.7m0.5255.61Kg/(m2s)296312.48Kg/h20.7436002.71105Pas7.17Kg/m3由式5-4得55.6110.5150(10.5)2.71107.179.80.0050.53(0.0055-1.7555.61)5.72352674.2kg/m0.353Mpa1Mpa故符合傳熱面積的核算床層對(duì)壁面的給熱系數(shù)對(duì)于氧化反應(yīng)器，催化劑床層是被冷卻的。此時(shí)催化劑床層與反應(yīng)器內(nèi)壁的給熱系數(shù)1,可用下式(見(jiàn)環(huán)氧乙烷與乙二醇生產(chǎn))進(jìn)行計(jì)算：1didpUg0.7dp、3.5()exp(4.6)ggdi(5-5)式

27、中1床內(nèi)氣體的給熱系數(shù)，W/(m2K);dj反應(yīng)管內(nèi)徑，m；dp催化劑顆粒直徑，m；g一通過(guò)床層的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2K),m一氣體的粘度，kg/m-s；u氣體的線速度，m/s;g一通過(guò)床層的氣體的密度，kg/m3。氣體的線速度可由公式A二3600u(5-6)u10021.41034.0210-37.56m/s360020.74由公式5-5得八廠0.0420.0057.567.17n.713.5(5)0.0252.7110exp(4.60.0050.025)1478.62W/(m2k)總傳熱系數(shù)的計(jì)算以管外表面為基準(zhǔn)，不銹鋼反應(yīng)管導(dǎo)熱系數(shù)取17.97W/(mC)。其計(jì)算公式如下:1d2d

28、2lnd21&2&2(5-7)參見(jiàn)化工原理（上）由公式（5-7）可得式6-117321478.622510.032,32ln217.97251650381.11W/(mK)傳熱面積的核算對(duì)數(shù)平均溫差公式為（化工原理上）tmt1t2(5-8)則有換熱介質(zhì)采用逆流,則由5-15得tm(250230)(235210)ln2503023521022.41KKtm(5-9)_7_3_5.1011010/23600381.1122.41_2829.53m(5-10)3.140.032630171818.89m2至即實(shí)際傳熱面積大于按傳熱計(jì)算所需的傳熱面積，所以設(shè)計(jì)符合要求。反應(yīng)器塔徑的確定查化工工藝設(shè)計(jì)手

29、冊(cè)有(5-9)Dt(nc1)2b式中D殼體內(nèi)徑，m；t一管中心距，m橫過(guò)管中心線的管數(shù);b一管束中心線最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離t1.368d21.3680.0320.0438m；般取b(11.5)d2,取b1.3d21.40.0320.0448m管子按正三角形排列如下圖1.1、.n(5-10)由公式5-10,可得nc1.1301760.461所以，由公式5-9可得D0.0438(611)20.04882.7256m本反應(yīng)器取最小壁厚為20mm故外徑為D2725.62022765.6mm。經(jīng)圓整后反應(yīng)器外徑為2800mm設(shè)備的壁厚計(jì)算釜體筒體壁厚計(jì)算根據(jù)工作條件，P=1MP的設(shè)計(jì)內(nèi)壓筒體的

30、設(shè)計(jì)厚度:PDi2可、P12.96mm12800.。2=121470.81式中：6d圓筒設(shè)計(jì)厚度，mm；D圓筒內(nèi)徑，mm；P內(nèi)壓設(shè)計(jì)壓力，MPa；一一焊接接頭系數(shù)，考慮到夾套的焊接取;G腐蝕裕量，取1mm；口材料許用應(yīng)力：(r250=147MPa；考慮到鋼板負(fù)偏差，初選C=所以，內(nèi)壓計(jì)算筒體壁厚：+二,圓整后取14mm.校核筒體及封頭水壓實(shí)驗(yàn)，根據(jù)式Pt。e)式中6e=6n-C=Pt=(7/4=WJX(3200+)/(2X=(Ts=XX345=248MPat,故滿足要求。壓力試驗(yàn)溫度下的材料的許用應(yīng)力一一正常工作溫度下的材料的許用應(yīng)力Pt一一容器的設(shè)計(jì)壓力則筒體外徑DN=2828mm根據(jù)筒體由

31、化工制圖查得封頭H=785mmt厚取12mm.塔高：H=2H+L=6000+2785=7570mm附屬設(shè)備計(jì)算支座的選擇反應(yīng)釜總重：Q=Q+Q2+Q3+Q4式中：Q筒體與夾套筒體總重Q一封頭與夾套封頭總重Q一料液重，按水壓試驗(yàn)時(shí)充滿水計(jì)Q附件重筒體質(zhì)量：每米質(zhì)量qi=mQ=q，L=X6=15333kg封頭質(zhì)量：每米質(zhì)量q2=3950kg/mQ=X2X3950=充液質(zhì)量：按水壓試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，取水密度1000kg/m3體積按封頭與筒體之和進(jìn)行計(jì)算：V=V封+VkQ=x1000=71390kg附件質(zhì)量：人孔按200kg，其他接管總和按300kg,則Q為500kgQ=Q1+Q2+Q3+Q4=15333

32、+71390+500=94136kg故選用裙式支座人孔選用長(zhǎng)圓型回轉(zhuǎn)蓋快開(kāi)人孔人孔，400X300JB579-79-1接管及其法蘭選擇道生油進(jìn)口管：108X4,L=200mm10號(hào)鋼法蘭：DN100HG20592-97道生油出口管：108X4,L=200mm10號(hào)鋼法蘭：DN100HG20592-97進(jìn)料管進(jìn)料流量：V=(3600XX4)=s管徑：d=4XX25)=圓整后取160mm故取160X20考慮到出料流量與進(jìn)料流量相似，故出料管選取規(guī)格與進(jìn)料管相似，也取160X20溫度計(jì)接管645X,L=100mm無(wú)縫鋼管法蘭：DN40HG20592-97不凝氣體排出管632X,L=100mm無(wú)縫鋼管法蘭：DN25HG20592-97第6章設(shè)計(jì)結(jié)果匯總氧化反應(yīng)器的參數(shù)名稱數(shù)據(jù)原料進(jìn)料量h產(chǎn)品產(chǎn)量200