反應(yīng)工程乙烯空氣氧化法制環(huán)氧乙烷課程設(shè)計(jì)

1、反應(yīng)工程課程設(shè)計(jì)設(shè) 計(jì) 題 目： 乙烯催化氧化制環(huán)氧乙烷的反應(yīng)器設(shè)計(jì) 專 業(yè) 名 稱： 化學(xué)工程與工藝 姓 名： 尹潤田 學(xué) 號： 系 別： 化學(xué)與化學(xué)工程系 指 導(dǎo) 教 師: 陳湘 設(shè) 計(jì) 時(shí) 間： 2012-5-28 至 2012-6-7 目錄設(shè)計(jì)任務(wù)書第一章 緒論2 1.1反應(yīng)過程分析2 1.2催化劑的選擇2 1.3反應(yīng)器的選擇3 1.4反應(yīng)條件的分析3第二章 工藝流程及說明4 2.1乙烯的氧化4 2.2環(huán)氧乙烷的吸收與解析6 第三章 物料衡算8 3.1原料氣的組成8 3.2物料衡算圖及反應(yīng)原理9 3.2反應(yīng)器的物料衡算10 第四章 熱量衡算124.1 反應(yīng)器的熱量衡算12 4.2熱量衡

2、算14 第五章 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)165.1催化劑的用量175.2確定氧化反應(yīng)器的基本尺寸205.3床層壓力降的計(jì)算205.4傳熱面積的核算205.5反應(yīng)器塔徑的確定225.6設(shè)備壁厚的計(jì)算245.7 附屬設(shè)備的計(jì)算24第六章 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總26符號說明27參考文獻(xiàn)28第一章 緒論環(huán)氧乙烷（簡稱EO）是最簡單也是最重要的環(huán)氧化合物，在常溫下為氣體，沸點(diǎn)10.5?？梢耘c水、醇、醚及大多數(shù)有機(jī)溶劑以任意比混合。有毒，易自聚，尤其當(dāng)有鐵，酸，堿，醛等雜質(zhì)或高溫下更是如此，自聚時(shí)放出大量熱，甚至發(fā)生爆炸，因此存放環(huán)氧乙烷的貯槽必須清潔，并保持在0以下。環(huán)氧乙烷是以乙烯為原料產(chǎn)品中的第三大品種，僅次于聚乙烯和苯

3、乙烯。它的用途是制取生產(chǎn)聚酯樹脂和聚酯纖維的單體、制備表面活性劑，此外還用于制備乙醇胺類、乙二醇醚類等。1.1 過程分析 工業(yè)上生產(chǎn)環(huán)氧乙烷最早采用的方法是氯醇法，該法分兩步進(jìn)行，第一步將乙烯和氯通入水中反應(yīng)生成2-氯乙醇，2-氯乙醇水溶液濃度控制在6%-7%（質(zhì)量）;第二步使2-氯乙醇與Ca(OH)2反應(yīng)，生成環(huán)氧乙烷。該法的優(yōu)點(diǎn)是對乙烯的濃度要求不高，反應(yīng)條件較緩和，其主要缺點(diǎn)是要消耗大量氯氣和石灰，反應(yīng)介質(zhì)有強(qiáng)腐蝕性，且有大量含氯化鈣的污水要排放。因此開發(fā)了乙烯直接氧化法，取代氯醇法。工業(yè)上生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的方法是乙烯直接氧化法，在銀催化劑上乙烯用空氣或純氧氧化。乙烯在Ag/-Al2O3催化

4、劑存在下直接氧化制取環(huán)氧乙烷的工藝，可用空氣氧化也可以用氧氣氧化，氧氣氧化法雖然安全性不如空氣氧化法好 ，但氧氣氧化法選擇性較好，乙烯單耗較低，催化劑的生產(chǎn)能力較大，故大規(guī)模生產(chǎn)采用氧氣氧化法。主要反應(yīng)方程式如下： 主反應(yīng)副反應(yīng)由乙烯環(huán)氧化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)可知，乙烯完全氧化生成二氧化碳和水，該反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，其反應(yīng)熱效應(yīng)要比乙烯環(huán)氧化反應(yīng)大十多倍。故副反應(yīng)的發(fā)生不僅使環(huán)氧乙烷的選擇性降低，而且對反映熱效應(yīng)也有很大的影響。選擇性下降，熱效應(yīng)就明顯增加，如選擇性下降移熱慢，反應(yīng)溫度就會(huì)迅速上升，甚至產(chǎn)生飛溫。所以反應(yīng)過程中選擇性的控制十分重要。 1.2 催化劑的選擇環(huán)氧化法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷是一個(gè)強(qiáng)放熱放

5、應(yīng)，為減少深度氧化的副反應(yīng)，提高選擇性，催化劑的選擇非常重要。研究表明，只有在銀催化劑催化下乙烯的環(huán)氧化反應(yīng)才有較高的選擇性。工業(yè)上使用的銀催化劑是由活性組分，載體和助催化劑所組成。 載體載體的主要功能是分散活性組分和防止銀微晶的半熔和燒結(jié)，使其活性保持穩(wěn)定。由于乙烯環(huán)氧化過程存在平行副反應(yīng)和連串副反應(yīng)的競爭，又是一強(qiáng)放熱反應(yīng)，故載體的表面結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)熱性能，對反應(yīng)的選擇性和催化劑顆粒內(nèi)部溫度的分布有顯著的影響。載體表面積大，活性比表面積大，催化劑活性高但也有利于乙烯完全氧化反應(yīng)的發(fā)生，甚至生成的環(huán)氧乙烷很少。載體如有空隙，由于反應(yīng)物在細(xì)空隙中的擴(kuò)散速度慢，產(chǎn)物環(huán)氧乙烷在空隙中濃度比主體濃度高，

6、有利于連串副反應(yīng)地進(jìn)行。工業(yè)上為了控制反應(yīng)速度和選擇性，均采用低比表面積無孔隙或粗空隙惰性物質(zhì)作為載體，并要求有較好的導(dǎo)熱性能和較高的熱穩(wěn)定性。工業(yè)上常用的載體又碳化硅，氧化鋁和含有少量氧化硅的氧化鋁等。助催化劑所采用的助催化劑有堿金屬類，堿土金屬類和稀土元素化合物等。堿土金屬類中，用得最廣泛的是鋇鹽。在銀催化劑中加入少量鋇鹽，可增加催化劑的抗熔結(jié)能力，有利于提高催化劑的穩(wěn)定性，延長其壽命，并可提高活性。據(jù)研究兩種或兩種以上的助催化劑起到協(xié)同作用，可提高選擇性。抑制劑 在銀催化劑中加入少量硒碲氯溴等對抑制二氧化碳的生成，提高環(huán)氧乙烷的選擇性有較好的效果。工業(yè)上常在原料氣中添加微量有機(jī)氯如二氯乙

7、烷，以提高催化劑的選擇性，調(diào)節(jié)溫度。1.3 反應(yīng)器及混合器的選擇乙烯環(huán)氧化制環(huán)氧乙烷是一強(qiáng)放熱反應(yīng)，溫度對反應(yīng)的選擇性又甚敏感，對于這種反應(yīng)最好采用流化床反應(yīng)器，但因?yàn)榧?xì)顆粒的銀催化劑易結(jié)塊也易磨損，流化質(zhì)量很快惡化，催化劑效率急速下降，故工業(yè)上普遍采用的是列管式固定床反應(yīng)器，管內(nèi)放催化劑，管間走冷卻介質(zhì)。在配制混合氣時(shí)，由于純氧加入到循環(huán)氣和乙烯的混合氣中去，必須使氧和循環(huán)氣迅速混合達(dá)到安全組成，如果混合不好很可能形成氧濃度局部超過極限濃度，進(jìn)入熱交換器時(shí)易引起爆炸危險(xiǎn)。為此，混和器的設(shè)計(jì)極為重要，工業(yè)上是借多空噴射器對著混和氣流的下游將氧高速度噴射到循環(huán)氣和乙烯的混合氣中，使他們迅速進(jìn)行均

8、勻混合。為了確保安全，需要用自動(dòng)分析檢測儀監(jiān)視，并配制自動(dòng)報(bào)警連鎖切斷系統(tǒng)，熱交換器安裝需要有防爆措施。1.4 影響因素（反應(yīng)條件）的分析 反應(yīng)溫度乙烯環(huán)氧化過程中存在著平行的完全氧化副反應(yīng)，影響轉(zhuǎn)化率和選擇性的主要因素是溫度。溫度過高，反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)化率高、選擇性下降、催化劑活性衰退快、易造成飛溫；溫度過低，速度慢、生產(chǎn)能力小。所以要控制適宜溫度，其與催化劑的選擇性有關(guān)，一般控制的適宜溫度在200-260。 反應(yīng)壓力加壓對氧化反應(yīng)的選擇性無顯著影響，但可提高反應(yīng)器的生產(chǎn)能力且有利于環(huán)氧乙烷的回收，故采用加壓氧化法，但壓力高對設(shè)備的要求高費(fèi)用增加催化劑易損壞。故采用操作壓力為2Mpa左右。 空

9、速與溫度相比該因素是次要的，但空速減小，轉(zhuǎn)化率增高，選擇性也要降低，而且空速不僅影響轉(zhuǎn)化率和選擇性，也影響催化劑的空時(shí)收率和單位時(shí)間的放熱量，故必須全面衡量，現(xiàn)在工業(yè)上采用的混合氣空速一般為4000-8000/h左右，也有更高的。催化劑性能高反應(yīng)熱能及時(shí)移出時(shí)選擇高空速，反之選擇低空速。 原料純度原料其中的雜質(zhì)可能給反應(yīng)帶來不利影響：使催化劑中毒而活性下降，如乙炔和硫化物使催化劑永久中毒，乙炔和銀形成的乙炔銀受熱會(huì)發(fā)生爆炸性分解；使選擇性下降（鐵離子）；使反應(yīng)熱效應(yīng)增大（H2、C3以上烷烴和烯烴）；影響爆炸極限，如氬氣是惰性氣體但其會(huì)使氧的爆炸極限濃度降低而且增加爆炸的危險(xiǎn)性，氫也有同樣的效應(yīng)

10、，故原料中的雜質(zhì)含量要嚴(yán)格控制乙炔5ppm,C3以上烴1ppm,硫化物1ppm,H25ppm）。 進(jìn)入反應(yīng)器的混合氣配比由于反應(yīng)的單程轉(zhuǎn)化率較低故采用具有循環(huán)的乙烯環(huán)氧化過程，進(jìn)入反應(yīng)器的混合氣是由循環(huán)氣和新鮮原料氣混合而成的，其組成既影響經(jīng)濟(jì)效益也關(guān)系生產(chǎn)安全。氧的含量必須低于爆炸極限濃度，因乙烯的濃度影響氧的極限濃度而且影響催化劑的生產(chǎn)能力，所以其濃度也需控制。乙烯和氧濃度有一適量值（如濃度過高，反應(yīng)快，放熱多，反應(yīng)器的熱負(fù)荷大，如放熱和除熱不能平衡，就會(huì)造成飛溫），如果以氧氣作氧化劑，為使反應(yīng)不致太劇烈仍須加入致穩(wěn)劑 。以氮?dú)庾髦路€(wěn)劑時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的乙烯濃度可達(dá)15-20%，氧濃度為8%左

11、右。由于反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率比較低，為了充分利用原料從吸收塔出來的氣體須循環(huán)。由于循環(huán)氣中含有雜質(zhì)和反應(yīng)副產(chǎn)物，所以需要在循環(huán)之前將一部分有害氣體排除，即脫除二氧化碳。從吸收塔排出的氣體，大部分（90%）循環(huán)使用，小部分送二氧化碳吸收裝置，用堿洗法（熱碳酸鉀溶液）脫除掉副反應(yīng)生成的二氧化碳。二氧化碳對環(huán)氧化反應(yīng)有抑制作用，但適量提高其含量對反應(yīng)的選擇性有好處，且能提高氧的爆炸極限，故循環(huán)氣中允許有一定量二氧化碳，但不宜過多。 乙烯轉(zhuǎn)化率 單程轉(zhuǎn)化率的控制與氧化劑的種類有關(guān)，用純氧作氧化劑時(shí)，單程轉(zhuǎn)化率一般控制在12%15%，選擇性可達(dá)75-84%或更高。用空氣作氧化劑時(shí)，單程轉(zhuǎn)化率一般控制在30%35

12、%，選擇性可達(dá)70%左右。單程轉(zhuǎn)化率過高時(shí)，由于放熱量大，溫度升高快，會(huì)加快深度氧化，使環(huán)氧乙烷的選擇性明顯降低。因?yàn)楣I(yè)上采用循環(huán)流程，所以單程轉(zhuǎn)化率也不能太低，否則會(huì)因循環(huán)氣量過大而耗能增加。 第二章 工藝流程圖及說明2.1 氧化反應(yīng)部分 工藝流程草圖 流程草圖說明由于此反應(yīng)為氣固相反應(yīng)，并且催化劑比較貴,所以選擇列管式固定床反應(yīng)器。反應(yīng)放出大量的熱,所以須采用換熱介質(zhì)進(jìn)行換熱，根據(jù)反應(yīng)的熱效應(yīng)求得反應(yīng)的溫度在180-250，因此選擇礦物油作為換熱介質(zhì)，采用外部循環(huán)式換熱。流程簡圖由以上流程圖可以看出，新鮮原料氣與循環(huán)氣混合后，經(jīng)過熱交換器預(yù)熱一段時(shí)間后，從反應(yīng)器上部進(jìn)入催化床層。自反應(yīng)器

13、流出的反應(yīng)混合氣中環(huán)氧乙烷的含量僅為1-2%，經(jīng)熱交換器利用其熱量并進(jìn)行冷卻后，進(jìn)入環(huán)氧乙烷吸收塔。由于環(huán)氧乙烷能以任何比例與水混合，故采用水做吸收劑以吸收反應(yīng)氣中的環(huán)氧乙烷。從吸收塔排出的氣體，大部分（約90%）循環(huán)使用，而一小部分需送入CO2吸收裝置，用熱碳酸鉀溶液脫除掉副反應(yīng)所生成的CO2。送入CO2吸收裝置的那一小部分氣體在二氧化碳吸收塔中與來自再生塔的高溫貧碳酸氫鉀-碳酸鉀溶液接觸。在二氧化碳作用下轉(zhuǎn)化為碳酸氫鉀。自二氧化碳吸收塔塔頂排出的氣體經(jīng)冷卻，并分離出夾帶的液體后，返回至循環(huán)系統(tǒng)。二氧化碳吸收塔塔釜的富碳酸氫鉀-碳酸鉀溶液經(jīng)減壓入再生塔，經(jīng)加熱，使碳酸氫鉀分解為二氧化碳和碳酸

14、鉀，CO2自塔頂排出，再生后的貧碳酸氫鉀-碳酸鉀溶液循環(huán)回二氧化碳吸收塔。帶控制點(diǎn)的氧化流程圖2.2 環(huán)氧乙烷吸收與解析 自吸收塔塔底排出的環(huán)氧乙烷吸收液（1.5%）經(jīng)熱交換利用其熱量后進(jìn)入解析塔，冷凝出大部分水和重組分雜質(zhì)。解析出10%（質(zhì)量）的環(huán)氧乙烷水溶液，同時(shí)分離出一起解離出的二氧化碳和其他不凝氣體。然后進(jìn)入脫氣塔脫二氧化碳，此處脫出的氣體除含二氧化碳外還有大量的環(huán)氧乙烷蒸汽，這部分氣體返回吸收塔。自脫氣塔排出的環(huán)氧乙烷水溶液，一部分直接送乙二醇裝置，加入適量水后水合制乙二醇。其余進(jìn)精餾塔，塔頂蒸出的甲醛（含環(huán)氧乙烷）和塔下部取出的含乙醛的的環(huán)氧乙烷，仍返回脫氣塔。精餾塔和解析塔的塔底

15、排出的水，經(jīng)熱交換利用其熱量和冷卻后，循環(huán)回吸收塔作吸收水用。帶控制點(diǎn)的環(huán)氧乙烷精致流程圖 關(guān)于能耗方面，除了反應(yīng)選擇性和反應(yīng)熱的利用等影響因素外，環(huán)氧乙烷吸收液的濃度和吸收水熱量的利用，對能耗也有顯著影響。在環(huán)氧乙烷吸收系統(tǒng)和解吸收系統(tǒng)設(shè)置多個(gè)換熱器，以回收不同位能的熱量；低位能熱量的回收和利用，降低吸收水溫度以提高吸收效率，提高吸收液中環(huán)氧乙烷的濃度，減少循環(huán)水量，二氧化碳系統(tǒng)熱量的回收和利用等，均可降低能耗。乙烯催化氧化法制環(huán)氧乙烷的工藝需注意以下兩點(diǎn)1、保障安全性對此工藝，由于副反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，溫度的控制尤為重要，若反應(yīng)熱未及時(shí)移走，就會(huì)導(dǎo)致溫度難于控制，產(chǎn)生飛溫現(xiàn)象。由于是氧氣做氧

16、化劑，還存在爆炸極限的問題，所以反應(yīng)氣體的混合至關(guān)重要?？山栌枚嗫讎娚淦鲗χ旌蠚饬鞯南掠螌⒀醺咚賴娚淙胙h(huán)氣和乙烯的混合氣中，使它們迅速進(jìn)行均勻混合。為控制氧氣、乙烯的濃度在爆炸極限以內(nèi)，也為使反應(yīng)不致太劇烈，需采用惰性致穩(wěn)氣，可采用N2或CH4作致穩(wěn)氣。2、保障經(jīng)濟(jì)性對化工行業(yè)的生產(chǎn)工業(yè)來說，經(jīng)濟(jì)性是應(yīng)首先考慮的重要因素。為滿足此要求，應(yīng)想辦法使反應(yīng)的選擇性提高，催化劑的研究開發(fā)決定著反應(yīng)的選擇性，故應(yīng)采用性能良好的催化劑，并用二氯化物來抑制副反應(yīng)的發(fā)生。還應(yīng)考慮能量的利用率，想辦法利用生產(chǎn)流程中各種位能的熱量，充分節(jié)約資源，降低生產(chǎn)成本。第三章 物料衡算由設(shè)計(jì)任務(wù)書已知數(shù)據(jù)如下：原料氣的

17、組成組分含量（mol%)3.47.75.683.3原料進(jìn)入反應(yīng)器的溫度為210C反應(yīng)溫度為250C 反應(yīng)壓力為1MPa乙烯轉(zhuǎn)化率為26.0%；選擇性為65%；空速為5000h-1年工作時(shí)間7200小時(shí)，年產(chǎn)量噸反應(yīng)產(chǎn)物分離后回收率為90%反應(yīng)器內(nèi)催化劑填充高度為管長95%，每根管長6米采用間接換熱方式：導(dǎo)出液進(jìn)口溫度230C，出口溫度235C,導(dǎo)出液對管壁的給熱系數(shù)為650W/m2K催化劑為球體，D=3mm,床層孔隙率為0.8在250C，1MPa下反應(yīng)氣體導(dǎo)熱系數(shù)為0.0304W/m2K,粘度為4.2610-5PaS,密度為7.17Kg/m33.1 乙烯催化氧化制取環(huán)氧乙烷得物料衡算框圖：反應(yīng)

18、器吸收塔CO2脫除裝置CADBSPCSRC水W P (Ar)環(huán)氧乙烷水溶液SPRPMFFFRCC2H4O2(Ar)N2除 TCCO2 其中：FF 新鮮原料氣 MF 原料混合氣 RP 反應(yīng)混合氣 SP 混合分離氣 RC 循環(huán)氣 P 產(chǎn)品環(huán)氧乙烷 W 排空廢氣 SPC 未脫除二氧化碳的循環(huán)氣 TC 脫除的二氧化碳 SRC 脫除二氧化碳的循環(huán)氣 3.2 反應(yīng)原理 乙烯和氧氣在銀催化劑上，于一定溫度和壓力下，直接氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，反應(yīng)方程式可表為：（1） 主反應(yīng)： （4-1） 反應(yīng)(4-1)為放熱反應(yīng)，在250C時(shí)，每生成一摩爾環(huán)氧乙烷要放出2519kcal的熱量。（2）在主反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，還發(fā)生其它

19、副反應(yīng)，其中主要是乙烯的燃燒反應(yīng)。副反應(yīng)： （4-2）反應(yīng)(4-2)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，在250C，每反應(yīng)一摩爾乙烯，可放出315.9kcal的熱量。3.3 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：16.5萬噸/年； 年操作時(shí)間：7200小時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的溫度：210； 反應(yīng)溫度：250乙烯轉(zhuǎn)化率：26.0； 選擇性：65%反應(yīng)空速：5000； 生產(chǎn)過程安全系數(shù)：1.05反應(yīng)產(chǎn)物分離后回收率：90% 原料組成如表4-2所示： 表4-2 原料氣的組成及各組分的分子量組分含量（mol%)3.47.75.683.3各組分的分子量如表4-3所示：（均取自石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊）表4-3 各組分

20、的分子量組分分子量28.05444.01031.99928.01344.05418.015(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53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)： (4-3) 副反應(yīng)： (4-4)已知乙烯轉(zhuǎn)化率為26.0，選擇性為65，進(jìn)入反應(yīng)器的乙烯量為3.4kmol/h，所以由式(4-3)有 消耗乙烯量：3.40.260.650.5746kmol 消耗氧氣量：0.57460.50.2873kmol 生成環(huán)氧乙烷量：0.5746kmol由式(4-4)有 消

21、耗乙烯量：3.40.26(1-0.65)=0.3094kmol 消耗氧氣量：0.30943=0.9282kmol 生成二氧化碳量：0.27372=0. 5474kmol 生成水量：0.30342=0.6068kmol則可知 未反應(yīng)的乙烯量：3.4-0.5746-0.3034=2.522kmol 未反應(yīng)的氧氣量：5.6-0.2873-0.9102=4.425kmol 出反應(yīng)器的二氧化碳量：7.7+0.6068=8.3068kmol 出反應(yīng)器的水量：0+0.6068=0.6068kmol 氮?dú)?、氬氣和甲烷的量在反?yīng)過程中不發(fā)生變化，所以出口氣體中各組分的量如表4-4所示。表4-4 反應(yīng)器入口和出口

22、的氣體量(kmol/h)組分入口3.47.75.683.300出口2.5228.30684.42583.30.57460.6068(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100kmolh時(shí)，可生產(chǎn)環(huán)氧乙烷0.5746kmol/h。若要達(dá)到560.48kmol/h的環(huán)氧乙烷生產(chǎn)能力，則所需原料量為為了保證所設(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1.05。則實(shí)際進(jìn)料量為 1.0597542.64kmol/h.78kmol/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.78k

23、mol/h時(shí)的物料衡算情況。如表4-5所示。表4-5 實(shí)際進(jìn)料時(shí)的物料衡算(a)原料氣的物料衡算組分kmol/hkg/hmol%wt%3482.2797691.673.43.255735.51.515.56.107886.32.087.611.5385008.42.8083.579.1200000000合計(jì).52.06100100（b)氧化氣的物料衡算組分kmol/hkg/hmol%wt%2583.0372464.322.542.394532.08.034.434.788507.81.728.3312.3485315.68.1483.5679.27588.5025925.780.560.856

24、21.4811195.960.600.37合計(jì).58.48100100第四章 熱量衡算4.1 反應(yīng)器的熱量衡算反應(yīng)器的熱量衡算參照環(huán)氧乙烷與乙二醇生產(chǎn)的步驟進(jìn)行。設(shè)原料氣帶入的熱量為Q1，氧化氣帶出的熱量為Q3，反應(yīng)熱為Q2，反應(yīng)器的撤熱量為Q4。當(dāng)忽略熱損失時(shí)，有 Q1+Q2=Q3+Q4 (4-1)(1)各組分的比熱由化工熱力學(xué)可查得理想氣體的比熱計(jì)算式 (4-2) 上式中的各項(xiàng)系數(shù)值如表4-6所示。將各項(xiàng)系數(shù)代入上式，即可求得原料氣中各組分在任一溫度T時(shí)的定壓比熱。表4-6 各組分的定壓比熱系數(shù)值組分AB10C105D1085.1.6.1.26.00820.0.0.23.056660.3.

25、0.29.471700.1.0.32.415020.1.0.7.2.12.604382.原料氣溫度為210C,氧化氣溫度為250C.在此條件下各組分的Cp0值如表4-7所示表4-7 各組分的Cp0值(J/molK)原料氣組分原料氣60.831.143.829.6氧化氣組分氧化氣64.331.445.029.835.578.0由化工熱力學(xué)可查得真實(shí)氣體與理想氣體的比熱之間關(guān)系的計(jì)算式 （4-3）而Cp0和Cp1與Tr 、Pr的關(guān)系可在化工熱力學(xué)的圖3-10中查出。原料氣的溫度為210+273.15483.15K，壓力P為1MPa；氧化氣的溫度為250+273.15523.15K,壓力P為1MPa

26、。查表計(jì)算，各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果如表4-8、4-9所示。比熱的單位為 J/(molK)表4-8 原料氣中各組分定壓比熱的壓力校正參數(shù)組分 282.4154.6304.2126.25.0365.0467.3763.3941.7113.1251.5883.8280.1990.1980.1360.2950.0850.0210.2250.0400.6700.1590.5440.1380.6280.0380.586061.52331.26044.47629.738表4-9 氧化氣中各組分定壓比熱的壓力校正參數(shù)組分 282.4154.6304.2126.2647.34695.0365.0467.3763.3942

27、2.057.1941.8533.3841.7204.1450.8081.1150.1990.1980.1360.2950.0450.1390.0850.0210.2250.0400.3440.2000.5440.1340.4190.1261.3812.0930.5020.00840.50204.1865.02364.88731.53445.53229.92638.32181.0984.2 熱量衡算原料氣帶入的熱量Ql原料氣的入口溫度為483.15 K，以273.15 K為基準(zhǔn)溫度，則 （4-4）計(jì)算結(jié)果列于表4-10中。表4-10原料氣帶入的熱量組分Cp（JmolK)61.5230.0342.

28、09231.2600.0561.75144.4760.0773.42529.7380.83324.772合計(jì)-1.0030.040由計(jì)算結(jié)果可知 （4-5） 由公式4-5可得=.7832.04(483.15-273.15)=6.891108kJ/h 反應(yīng)熱Q2 在操作條件下，主副反應(yīng)的熱效應(yīng)分別為 主反應(yīng)： 副反應(yīng)： (以上兩式均由環(huán)氧乙烷與乙二醇生產(chǎn)查得)。查得主反應(yīng)放熱量為:副反應(yīng)的放熱量為: 總反應(yīng)熱為：氧化氣帶出的熱量Q3氧化氣出口溫度為523.15 K，以273.15 K為基準(zhǔn)溫度，則 （4-6）計(jì)算結(jié)果列于表4-11中表4-11 氧化氣帶出的熱量組分Cp（JmolK)64.8870

29、.02731.77131.5340.04681.47545.5320.04692.13529.9260.834924.98538.3210.00450.17281.0980.00460.373合計(jì)-1.0030.912由計(jì)算結(jié)果可知 （4-7）由公式4-7可得=.7832.49250=8.319108kJ/h 反應(yīng)器的撤熱量Q4 Q1+Q2=Q3+Q4 （4-8）可得反應(yīng)器的撤熱量Q4=Q1+Q2Q3(6.891+4.814-8.319)108=3.386108kJ/h第五章 反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力：16.5萬噸/年；生產(chǎn)過程安全系數(shù)：1.05；年操作時(shí)間：7200小時(shí)；本設(shè)計(jì)采用兩臺反應(yīng)

30、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.78kmol/h； (2)以銀為催化劑，顆粒為球形，d=3mm，空隙率； (3)反應(yīng)溫度為250，操作壓力為1MPa，空速為5000h-1； (4)反應(yīng)器列管規(guī)格為323.5mm； (5)反應(yīng)熱用油撤走，導(dǎo)出液進(jìn)口溫度230，導(dǎo)出液出口溫度235； (6)原料氣進(jìn)口溫度為210，氧化氣出口溫度為250。5.1 催化劑的用量 催化劑總體積是決定反應(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)手冊可查）： （5-1） 式中-原料氣流量，； 空速，。(1) 原料的體積流量 立方型狀態(tài)方程RK用于氣體混合物的，查化工熱力學(xué)可知RK方程8 （

31、5-2）其中 （5-3） （5-4）方程中參數(shù)a和b常采用混合規(guī)則： （5-5） （5-6）交叉項(xiàng) （5-7）其中先求和 由表4-9知各物質(zhì)的和代入式5-3和5-4計(jì)算結(jié)果如表5-1表5-1 原料氣的計(jì)算組分7.86531.74036.46571.55804.0398E-052.2072E-052.9711E-052.6787E-05表5-2 原料氣交叉項(xiàng)的計(jì)算組分 7.86533.70017.13213.50063.70011.74073.35521.64687.13213.35526.46723.17423.50061.64683.17421.558由計(jì)算結(jié)果可知 代入式6-2有運(yùn)用直接迭

32、代法，查化工熱力學(xué)可知RK方程的直接迭代方程為 （5-8） h=b/v=B/Z 當(dāng)Z=1時(shí)，h=0.00677代入進(jìn)行迭代計(jì)算迭代的結(jié)果如表5-3Zh10.006771.001360.006761.00136則h=0.00676, Z=1.00136, V=b/h=2.721110-5/0.00676=4.025310-3m3/mol有所以， 由公式(6-1)得(2)氧化反應(yīng)器床層截面積A()及高度H(m)的計(jì)算 氧化反應(yīng)器采用四套并聯(lián)計(jì)算公式如下所示（由化工設(shè)計(jì)手冊可查）: （7-9） 床層高度為 故5.2 確定氧化反應(yīng)器的基本尺寸對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323.5

33、mm的不銹鋼管作為反應(yīng)器的反應(yīng)管規(guī)格，再求出反應(yīng)管根數(shù)n。反應(yīng)管內(nèi)徑：di=32-3.52=25mm=0.025m (根據(jù)化工原理（上）附表7.2GB8163-87選擇) 反應(yīng)管根數(shù) （5-10） 由公式(5-10)可得根 經(jīng)圓整可得，反應(yīng)管根數(shù)為7522根。5.3 床層壓力降的計(jì)算 由基本有機(jī)化學(xué)工程(下冊)可查得如下計(jì)算公式9 （5-11）式中 P床層壓力降， , H 催化劑床層高度，m： G 質(zhì)量流速，kg/m2.s , 氣體密度，kg/m3； g重力加速度，m/s2； 固定床空隙率； 催化劑顆粒當(dāng)量直徑/m； 氣體粘度，PaS或(kg/ms)；本次設(shè)計(jì)所選用的催化劑為d=3mm的球型，

34、計(jì)算其直徑為 由式5-11得 5.4 傳熱面積的核算5.4.1 床層對壁面的給熱系數(shù) 對于氧化反應(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)，可用下式(見環(huán)氧乙烷與乙二醇生產(chǎn))進(jìn)行計(jì)算： （5-12）式中床內(nèi)氣體的給熱系數(shù)，； 反應(yīng)管內(nèi)徑，m； 催化劑顆粒直徑，m； 通過床層的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)， , 氣體的粘度，kg/ms： 氣體的線速度，m/s； 通過床層的氣體的密度，。氣體的線速度可由公式 （5-13）得 由公式5-12得 5.4.2 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。其計(jì)算公式如下10 （5-14）參見化工原理（上）式6-117由公式(5-14

35、)可得 5.4.3 傳熱面積的核算 對數(shù)平均溫差公式為（化工原理上） （5-15）換熱介質(zhì)采用逆流，則由5-15得 又 （5-16）則有 又 （5-17）則有可知A實(shí)A需，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。5.5 反應(yīng)器塔徑的確定 查化工工藝設(shè)計(jì)手冊有 （5-18）式中D殼體內(nèi)徑，m； t管中心距，m； 橫過管中心線的管數(shù)； 管束中心線最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離 ； 一般取 ,取管子按正三角形排列如下圖則 （5-19）由公式5-19，可得所以，由公式5-18可得本反應(yīng)器取最小壁厚為20mm，故外徑為。經(jīng)圓整后反應(yīng)器外徑為4300mm。5.6 設(shè)備的壁厚計(jì)算5.6

36、.1 釜體筒體壁厚計(jì)算根據(jù)工作條件，P=1MPa為設(shè)計(jì)內(nèi)壓。 筒體的設(shè)計(jì)厚度： 23.05mm 式中：d 圓筒設(shè)計(jì)厚度，mm ；Di 圓筒內(nèi)徑 ，mm ；P 內(nèi)壓設(shè)計(jì)壓力，MPa ； 焊接接頭系數(shù)，考慮到夾套的焊接取0.8；C2 腐蝕裕量，取 1 mm ；t材料許用應(yīng)力：250 = 147 MPa ?？紤]到鋼板負(fù)偏差，初選C1 = 0.8 mm （表10-101）。 所以，內(nèi)壓計(jì)算筒體壁厚：23.05 + 0.8 = 23.85mm，圓整后取24mm.校核筒體及封頭水壓實(shí)驗(yàn)，根據(jù)式 式中e=n-C=24-1-0.8=22.2mm PT=1.25P/ t=1.5MPa則 1.5（4300+22.

37、2）/(222.2)=146MPa0.9s=0.90.8345=248MPaT，故滿足要求。壓力試驗(yàn)溫度下的材料的許用應(yīng)力正常工作溫度下的材料的許用應(yīng)力容器的設(shè)計(jì)壓力則筒體外徑DN=4348mm根據(jù)筒體由化工制圖查得封頭H=1115mm,壁厚取24mm.塔高：H0=2H+L=6000+21115=8230mm5.7附屬設(shè)備計(jì)算5.7.1 支座的選擇反應(yīng)釜總重 Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4式中：Q1筒體與夾套筒體總重Q2封頭與夾套封頭總重Q3料液重，按水壓試驗(yàn)時(shí)充滿水計(jì)Q4附件重筒體質(zhì)量：每米質(zhì)量q1=2555.5kg/h Q1= q1L=2555.56=15333kg封頭質(zhì)量：每

38、米質(zhì)量 q=3950kg/m Q2=23950=7900kg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+V筒=210.93+614.41=108.32m3Q3=pv=108.321000=kg 附件質(zhì)量：人孔按200kg,其他接管總和按300kg則Q4為500kgQ = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 15333 + 7900 + + 500 = kg故選用裙式支座5.7.2人孔：選用長圓型回轉(zhuǎn)蓋快開人孔 人孔PN0.6，400300 JB 579-79-15.7.3接管及其法蘭選擇道生油進(jìn)口管：1084，L=200mm，10號鋼法蘭

39、：PN0.6 DN100 HG 20592-97道生油出口管：1084，L=200mm，10號鋼法蘭：PN0.6 DN100 HG 20592-975.7.4 進(jìn)料管： 進(jìn)料流量：V=.37/（36007.1716）=7.45m3/s 管徑： d=47.45/(3.1425) =616.13mm圓整后取630mm,故取63024 GB 8163-87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63024 GB 8163-875.7.5 溫度計(jì)接管：452.5，L=100mm，無縫鋼管 法蘭：PN0.25 DN40 HG 20592-975.7.6 不凝氣體排出管：323.5，L=100 mm，無縫鋼管 法蘭：PN0.6 DN25 HG 20592-97第六章 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.78kmol/h產(chǎn)品產(chǎn)量噸/年原料進(jìn)口溫度210氧化氣出口溫度250催化劑用量84.06m3導(dǎo)熱油溫度進(jìn)口230出口235氧化反應(yīng)器臺數(shù)4氧化反