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、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): 2012402010110 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C2H4CO2O2N2含量（mol%)3.57.55.683.4生產(chǎn)規(guī)模：2萬(wàn)噸/年反應(yīng)溫度為240°C反應(yīng)壓力為1MPa空速為5000h-1選擇性為65%；年工作時(shí)間7200小時(shí)

2、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4.1 緒論：工藝生

3、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)述4.2 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介4.3 物料流程圖及說(shuō)明4.4 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）4.5 設(shè)計(jì)結(jié)果概要4.6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1第2章 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介2第3章 物流流程及說(shuō)明3第4章 設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)54.1 反應(yīng)器的物料衡算54.2反應(yīng)器的熱量衡算8第5章 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)105.1 催化劑床層體積和高度的計(jì)算105.2 確定氧化反應(yīng)器的基本尺寸115.3 床層壓力降

4、的計(jì)算125.4 傳熱面積的核算125.4.1 床層對(duì)壁面的給熱系數(shù)125.4.2 總傳熱系數(shù)的計(jì)算135.4.3 傳熱面積的核算135.5 反應(yīng)器塔徑的確定145.6 設(shè)備的壁厚計(jì)算155.6.1 釜體筒體壁厚計(jì)算155.7 附屬設(shè)備計(jì)算165.7.1 支座的選擇165.7.2 人孔165.7.3 接管及其法蘭選擇165.7.4 進(jìn)料管175.7.5 溫度計(jì)接管175.7.6 不凝氣體排出管17第6章 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總17第7章 設(shè)計(jì)評(píng)述與總結(jié)18第8章 符號(hào)說(shuō)明18參考文獻(xiàn)20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，UCC公司首次采用氯醇法工藝生產(chǎn)環(huán)氧乙烷并建

5、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)99.99%。由于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UCC三家公司所壟斷，約占環(huán)氧乙烷總

6、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%以上。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1960年代，由于氯醇法對(duì)乙烯質(zhì)量要求不高，所以采用酒精發(fā)生乙烯和渣油裂解混合烯烴生產(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1993年下半年淘汰。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

7、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)氧丙烷用于聚醚多元醇的消費(fèi)量占總消費(fèi)量的85%，占據(jù)主導(dǎo)地位，PG/DMC%占8%。未來(lái)環(huán)氧丙烷消費(fèi)中，聚醚仍然占主導(dǎo)地位，所占的比例有所上升。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)，聚醚在該領(lǐng)域?qū)?huì)大有作為。隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，聚醚在車(chē)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

8、，設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)1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、汽提和蒸餾精制等工序?？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。空氣法的特點(diǎn)是有兩臺(tái)

9、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

10、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/m3，最低亦有2500mg/m3。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，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。采用氯醇法生產(chǎn)環(huán)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)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1MPa、240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

11、除系統(tǒng)，如圖所示。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(chē)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

12、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)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

13、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7.5(wt)，被吸收下來(lái)的環(huán)氧乙烷按一定的路線進(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

14、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礬的化合物微粒，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

15、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礬的化合物，用

16、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)4.1 反應(yīng)器的物料衡算

17、（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：210；反應(yīng)溫度：240乙烯轉(zhuǎn)化率：32；選擇性：65%反應(yīng)空速：5000；生產(chǎn)過(guò)程安全系數(shù)：1.04反應(yīng)產(chǎn)物分離后回收率：90% 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含量（mol%)3.57.55.683.4表4-2 各組分的分子量組分分子量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

18、應(yīng)： (4-1)副反應(yīng)： (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3.5kmol/h，所以：由式(4-1)有 消耗乙烯量：3.5×0.32×0.650.728kmol 消耗氧氣量：0.728×0.50.364kmol 生成環(huán)氧乙烷量：0.728kmol由式(4-2)有 消耗乙烯量：3.5×0.32×(1-0.65)=0.392kmol 消耗氧氣量：0.392×3=1.176kmol 生成二氧化碳量：0.392×2=0.784kmol 生成水量：0.392×2=0.784kmol則可知 未反

19、應(yīng)的乙烯量：3.5-0.728-0.392=2.38kmol 未反應(yīng)的氧氣量：5.6-0.364-1.176=4.06kmol 出反應(yīng)器的二氧化碳量：7.5+0.784=8.284kmol 出反應(yīng)器的水量：0+0.784=0.784kmol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所示。表4-3 反應(yīng)器入口和出口的氣體量(kmol/h)組分入口3.57.55.683.400出口2.388.2844.0683.40.7280.784（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0.728kmol/h。若要達(dá)到70.15k

20、mol/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1.04則實(shí)際進(jìn)料量為1.04×963610021.4kmol/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10021.4kmol/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%350.7598213.53.31561.1217955.845.66.06841.837039.27.512.58267.73231496.4483.4

21、78.1300000000合計(jì)10021.4296312.48100100表4-5 氧化氣的物料衡算組分kmol/hkg/hmol%wt%238.516678.282.382.26406.8713019.844.064.39829.7736509.888.2812.328357.85234019.883.479.9873.163219.040.731.0978.171407.060.780.47合計(jì)10021.4296312.481001004.2反應(yīng)器的熱量衡算反應(yīng)器的熱量衡算（基準(zhǔn)溫度取298.15K) 反應(yīng)熱根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在298.15K時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱為：。反應(yīng)器的熱量衡算，設(shè)原料氣帶入

22、的熱量為Q1，氧化氣帶出的熱量為Q2，反應(yīng)熱為Qr，反應(yīng)器的撤熱量為Q，當(dāng)忽略熱損失時(shí)，有：Q1+Qr=Q2+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CPf。假如物質(zhì)在T1到T2范圍內(nèi)的CP-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等于溫度下物質(zhì)的熱容，也等于T1到T2溫度下物質(zhì)熱容CP1和CP2的算術(shù)平均值，一般來(lái)說(shuō)，物質(zhì)的CP-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298.15K時(shí)（JmolK)4

23、83.15K時(shí)（JmolK)513.15K時(shí)（JmolK)乙烯43.7261.8262.688氧氣29.35530.9030.058氮?dú)?9.1229.5228.512二氧化碳37.1144.0443.421環(huán)氧乙烷47.9174.813水33.57734.061由計(jì)算得平均熱容如下表組分（298.15K-483.15K）的（JmolK)(298.15K-513.15K)的（JmolK)乙烯52.7753.204氧氣30.1329.71氮?dú)?9.3228.816二氧化碳40.5740.266水33.819環(huán)氧乙烷61.362由熱量計(jì)算式(1)氣體原料帶入的熱量的計(jì)算(2)反應(yīng)后氣體產(chǎn)物帶走熱量

24、的計(jì)算(3)反應(yīng)熱的計(jì)算(4)傳給導(dǎo)生油的熱量的計(jì)算按熱量衡算原理（忽略散熱損失）反應(yīng)前后熱量守恒則則傳熱量為第5章 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)在物料衡算和熱量衡算的基礎(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)：1.04；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10021.4kmol/h； (2)以銀為催化劑，顆粒為球形，d=5mm，空隙率； (3)反應(yīng)溫度為240，操作壓力為1MPa，空速為5000h-1； (4)反應(yīng)器列管規(guī)格為32×3.5mm； (5

25、)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240。5.1 催化劑床層體積和高度的計(jì)算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(cè)可查）： （5-1）式中-原料氣流量，；空速，進(jìn)入反應(yīng)器的氣體總流量為10021.4kmol/h，空速為S=5000，則反應(yīng)器中催化劑的裝填體積為：由于氣體進(jìn)料則PV=nRT可計(jì)算V=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）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%床層高度為故5.2 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

26、熱要求選定選擇32×3.5mm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=32-3.5×2=25mm=0.025m (根據(jù)化工原理（上）附表7.2<熱軋無(wú)縫鋼管>GB8163-87選擇)反應(yīng)管根數(shù) （5-3） 由公式(5-10)可得根經(jīng)圓整可得，反應(yīng)管根數(shù)為3017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(cè))可查得如下計(jì)算公式 （5-4）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，Pa

27、83;S或(kg/m·s)；本次設(shè)計(jì)所選用的催化劑為d=5mm的球型，計(jì)算其直徑為 由式5-4得 故符合5.4 傳熱面積的核算 5.4.1 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)，可用下式(見(jiàn)環(huán)氧乙烷與乙二醇生產(chǎn))進(jìn)行計(jì)算： （5-5）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(guò)床層的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)， , 氣體的粘度，kg/m·s；氣體的線速度，m/s;通過(guò)床層的氣體的密度，。氣體的線速度可由公式 （5-6）得由公式5-5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。

28、其計(jì)算公式如下： （5-7）參見(jiàn)化工原理（上）式6-117由公式(5-7)可得 5.4.3 傳熱面積的核算對(duì)數(shù)平均溫差公式為（化工原理上） （5-8）換熱介質(zhì)采用逆流，則由5-15得 （5-9）則有 又 （5-10）則有即實(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(cè)有 （5-9）式中D殼體內(nèi)徑，m； t管中心距，m；橫過(guò)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 （5-10）由公式5-10，可得所以，由公式5-9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2800

29、mm。5.6 設(shè)備的壁厚計(jì)算 5.6.1 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：=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=147MPa ?？紤]到鋼板負(fù)偏差，初選C1=0.8mm 所以，內(nèi)壓計(jì)算筒體壁厚：12.96+0.8=13.76mm，圓整后取14mm.校核筒體及封頭水壓實(shí)驗(yàn)，根據(jù)式式中e=n-C=14-1-0.8=12.2mm PT=1.25P/ t=1.5MPa則1.5×（3200+12.2）/(2

30、15;12.2)=197.47MPa0.9s=0.9×0.8×345=248MPa>T，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=2828mm根據(jù)筒體由化工制圖查得封頭H=785mm,壁厚取12mm.塔高：H0=2H+L=6000+2×785=7570mm5.7 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/mQ1=q1

31、5;L=2555.5×6=15333kg封頭質(zhì)量：每米質(zhì)量q2=3950kg/mQ2=0.785×2×3950=6912.5kg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=71.39m3Q3=71.39×1000=71390kg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 + 6912.5 + 71390 + 500 = 94136kg故選用裙式支座 5.7.2 人孔選用長(zhǎng)圓型回轉(zhuǎn)蓋快開(kāi)人孔人孔PN0.6，400

32、×300 JB 579-79-1 5.7.3 接管及其法蘭選擇道生油進(jìn)口管：108×4，L=200mm，10號(hào)鋼法蘭：PN0.6 DN100 HG 20592-97道生油出口管：108×4，L=200mm，10號(hào)鋼法蘭：PN0.6 DN100 HG 20592-97 5.7.4 進(jìn)料管 進(jìn)料流量：V=296312.48/（3600×7.17×4）=2.87m3/s管徑：d=4×2.87/(3.14×25) =146.24mm圓整后取160mm,故取160×20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160×20 5.7.5 溫度計(jì)接管 45×2.5，L=100mm，無(wú)縫鋼管 法蘭：PN0.25 DN40 HG 20592-97 5.7.6 不凝氣體排出管32×3.5，L=100mm，無(wú)縫鋼管 法蘭：PN0.6 DN25 HG 20592-97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10021.4kmol/h產(chǎn)品產(chǎn)量20000