年產(chǎn)某x噸三氯氫硅流化床反應(yīng)器設(shè)計

.PAGE..---可修編.武漢工程大學(xué)..--可修編.化工與制藥學(xué)院課程設(shè)計說明書課題名稱年產(chǎn)****噸三氯氫硅流化床反響器設(shè)計專業(yè)班級15級化工7班學(xué)生學(xué)號1506210712學(xué)生吳元欣學(xué)生成績指導(dǎo)教師戢峻課題工作時間12月28日～1月12日工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院...---可修編.課程設(shè)計任務(wù)書專業(yè)化學(xué)工程與工藝班級15級化工7班學(xué)生吳元欣發(fā)題時間：20158年12月28日一、 課題名稱年產(chǎn)****x噸三氯氫硅流化床反響器設(shè)計二、 課題條件〔文獻(xiàn)資料、儀器設(shè)備、指導(dǎo)力量〕本設(shè)計所需的三氯氫硅資料和計算所用相關(guān)手冊、工具書，及計算機、打印機設(shè)備等具備；指導(dǎo)教師具有多年的課程設(shè)計指導(dǎo)經(jīng)歷。設(shè)計任務(wù)根據(jù)設(shè)計條件，通過物料衡算、熱量衡算，反響器的選型、催化劑的用量等，設(shè)計出符合生產(chǎn)要求的反響器，并繪制出氯乙烯反響工段的流程圖與反響器設(shè)備的工藝條件圖。四、 設(shè)計所需技術(shù)參數(shù)4.1年產(chǎn)量：****噸/年，年工作日：330天〔即年工作8000小時〕，,一年的約35天用于固定的停車設(shè)備檢修及緊急情況處理；4.2工藝：自定，建議硅氫氯化法；4.3原料組成〔wt%〕3103級金屬硅，主要成分：Si含量：99.2%，H2O含量：0.26%，雜質(zhì)0.54%，硅粉的粒徑dp：100~150μm，計算中取dp=125μm。氯化氫氣體。主要成分：HCl含量：98.7%，Cl2含量：1%，H2O含量：0.3%，黏度μ=2.8×10-5m/s，氯化氫氣體在反響溫度和壓力下的密度算法例如如下：氯化氫氣體在反響溫度和壓力下的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.029w/(m.k)4.4反響器設(shè)計條件：流化數(shù)K=28，,反響器帶出的塵粒粒徑不大于80μm，，流化床墜底錐角為90°，流化床過渡段錐角度為a=158o，本設(shè)計中流化床換熱分別采用半圓管夾套換熱器和列管換熱器。五、 設(shè)計說明書容1.概述 2.三氯氫硅的生產(chǎn)工藝3.工藝方案和反響器型式確實定4.物料衡算與熱量衡算5.流化床反響器設(shè)計6.平安與環(huán)保設(shè)計說明7.結(jié)論8.參考文獻(xiàn)9.附圖附圖1.三氯氫硅合成工段流程圖附圖2.流化床反響器裝配圖六、 進(jìn)度方案第一階段：12月28日～1月4日工藝計算與設(shè)備計算第二階段：1月5日～1月12日繪圖、撰寫設(shè)計報告，辯論..摘要該課程設(shè)計為三氯氫硅流化床反響器設(shè)計，設(shè)計流程為：首先通過物料衡算計算得出年產(chǎn)****噸所需的原料量。再通過熱量衡算得出設(shè)備熱負(fù)荷，作為設(shè)備設(shè)計根底。查文獻(xiàn)可得各物料參數(shù)及物料物性。在確定流化床的各項參數(shù)后，進(jìn)展流化床工藝的設(shè)計計算，得到滿足流化床工藝要求的流化床反響器數(shù)據(jù)，這些參數(shù)即為流化床的實際參數(shù)。確定流化床的各項參數(shù)后，再確定流化床部構(gòu)件的設(shè)計，主要有換熱器的設(shè)計和部構(gòu)件的設(shè)計。查文獻(xiàn)可得選用列管換熱器，根據(jù)熱量衡算得到換熱器的換熱面積，列管參數(shù)。構(gòu)件主要有氣體分布器和擋板的設(shè)計，由流化床設(shè)計參數(shù)可得。再選擇流化床的附件，主要有支座及管材的選擇，支座可以通過流化床的高度，流化床的直徑來確定流化床支座的類型及參數(shù)。管材確實定主要通過床層填料及床層壓力來確定。最后在設(shè)計計算的根底上進(jìn)展流化床的機械設(shè)計，確定了流化床的壁厚，封頭厚度，流化床反響器質(zhì)量負(fù)荷等參數(shù)。根據(jù)計算設(shè)計出流化床反響器，確定流化床的流化速度為0.1494m/s和高度為11.3m，確定膨脹的比為1.1716，床層直徑為3.2m，空隙率0.5732，流化床壓降為39507Pa，換熱器理論傳熱面積為20.56m2，多熱油質(zhì)導(dǎo)量為3.96kg，換熱管數(shù)為52。關(guān)鍵詞：流化床；設(shè)計；反響器；參數(shù)AbstractThecourseisdesignedtotrichlorosilanefluidizedbedreactordesign,thedesignprocess:firstcalculatedannualamountof****tonsofrawmaterialsrequiredbythemassbalance.Thenwecangetthroughtheheatbalancedevicethermalload,asthedevicedesignbasis.Richardliteratureavailableeachmaterialparametersandmaterialproperties.Thenfluidbedreactordesign,determinesthefluidizedbedfluidizingvelocityandheight,todeterminetheexpansionratio,beddiameter,porosity,thickness,andthefluidizedbedpressuredrop.Indeterminingtheparametersofthefluidizedbed,thefluidizedbedprocessofdesigncalculations,technicalrequirementsaremetfluidizedbedfluidizedbedreactordata,theactualparametersoftheseparametersisafluidizedbed.Determinetheparametersofthefluidizedbed,andthendeterminethedesignoftheinnermemberofthefluidizedbed,themaindesignofheatexchangerdesignandinternalponents.Richardliteratureavailablechoiceoftubeheatexchangers,heatbalanceobtainedaccordingtotheheatexchangerheattransferarea,outoftheparameters.Membermaingasdistributorandbezeldesign,thedesignparameterscanbeobtainedfromthefluidizedbed.Accordingtothefluidized-bedreactordesignedtocalculate,determinefluidizedbedfluidizingvelocity0.1494m/sandaheightof11.3m,todeterminetheexpansionratioof1.1716,thebedhavingadiameterof3.2m,theporosityof0.5732,afluidizedbedpressuredrop39507Pa,heattransferareaofthetheoryof20.56m2,moreheatconductionamountofoily3.96kg,thenumberoftubes52.Keywords:fluidizedbed;design;reactors;Parameters目錄摘要30832-I-Abstract30832-II-第一章概述30832-1-TOC\o"1-3"\h\u308321.1產(chǎn)品的性質(zhì)及用途 -1-251831.2三氯氫硅市場分析 -1-135961.3產(chǎn)品價格分析 -2-第二章三氯氫硅的生產(chǎn)工藝-3-298202.1硅氫氯化法 -3-51292.2SiCl4－H2復(fù)原法 -4-20234第三章工藝方案和反響器型式確實定-5-309723.1三氯氫硅生產(chǎn)工藝 -5-182973.2反響器類型 -5-3.2.1流化床反響器 -5-3.2.2固定床反響器 -6-3.2.3管式反響器 -7-3.3反響器選擇 -8-19907第四章物料衡算與熱量衡算-9-35684.1總論 -9-111254.2物料衡算 -9-294914.3總工程核算-11-193974.3.1物料衡算 -11-165434.3.2熱量衡算 -12-303764.3.3物料參數(shù)及物料概況 -14-179935.1流化床反響器的工藝設(shè)計 -17-17025.1.1設(shè)計參數(shù) -17-156165.1.2流化床反響器工藝設(shè)計計算 -17-256145.1.3流化床反響器工藝設(shè)計數(shù)據(jù)匯總 -26-161935.2流化床部構(gòu)件的設(shè)計 -27-288025.2.1換熱器 -27-144305.2.2部構(gòu)件 -34-85445.3流化床附件的選擇 -38-272095.3.1支座選擇 -38-293605.3.2管材選擇 -39-90275.4流化床反響器的機械設(shè)計 -42-68225.4.1流化床壁厚計算 -42-96915.4.2封頭厚度計算 -44-189625.4.3容器的開孔與補強 -47-322795.4.4流化床質(zhì)量載荷 -52-269985.4.5流化床強度及穩(wěn)定性校核 -53-53145.4.8流化床反響器機械設(shè)計數(shù)據(jù)匯總 -55-32661第六章平安與環(huán)保-57-6696第七章結(jié)論-59-5563參考文獻(xiàn)-63-27545附圖 -65-..--可修編.第一章概述1.1產(chǎn)品的性質(zhì)及用途氯氫硅是生產(chǎn)有機硅烷偶聯(lián)劑的重要原料。有機硅產(chǎn)品是一類性能優(yōu)異而獨特的新型化工材料，應(yīng)用圍普及國防、國民經(jīng)濟(jì)乃至人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域，已開展成為技術(shù)密集、資金密集、附加值高、在國民經(jīng)濟(jì)中占有一定地位的新型工業(yè)體系，并使相關(guān)行業(yè)獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。有機硅產(chǎn)品人致分為硅油、硅橡膠、硅樹脂、硅烷偶聯(lián)劑等4人類產(chǎn)品。將三氯氫硅與氯乙烯或氯丙烯進(jìn)展合成反響，再經(jīng)精餾提純，得到乙烯基或丙烯基系列硅炕偶聯(lián)劑產(chǎn)品。硅烷偶聯(lián)劑幾乎可與任何一種材料交聯(lián)，包括熱固性材料、熱塑性材料、密封劑、橡膠、親水性聚合物以及無機材料等，在太陽能電池、玻璃纖維、增強樹脂、精細(xì)瓷纖維和光纖保護(hù)膜等方面扮演著重要角色，并在這些行業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。四氯化硅是三氯氫硅生產(chǎn)中極為重要的原輔料，同樣具有廣闊的市場需求空間。三氯氫硅還是制造多晶硅的主要原料，將三氯氫硅復(fù)原可以得到高純度的多晶硅。當(dāng)熔融的單質(zhì)硅凝固時，硅原子以金剛石品格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，那么形成多晶硅。多晶硅按純度分類可以分為冶金級(金屬硅)、太陽能級、電子級。多晶硅產(chǎn)品的主要用途：(1)可做成太陽能電池，將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?2)高純的晶體硅是重要的半導(dǎo)體材料；(3)金屬瓷、宇宙航行的重要材料；(4)光導(dǎo)纖維通信，最新的現(xiàn)代通信手段；(5)性能優(yōu)異的硅有機化合物。生產(chǎn)三氯氫硅的主要副產(chǎn)品四氯化硅也是制造有機硅的主要原料，它的制成品有硅酸酯、有機硅油、高溫絕緣漆、有機硅樹脂、硅橡膠和耐熱墊襯材料等。高純的四氯化硅還是制造高純二氧化硅、無機硅化合物、石英纖維以及光導(dǎo)纖維的重要原料1.2三氯氫硅市場分析國三氯氫硅這幾年開展速度，增長較快。隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速開展，尤其是精細(xì)化工、有機硅產(chǎn)業(yè)、電子產(chǎn)品、光纖通訊等行業(yè)的快速開展，為三氯氫硅的生產(chǎn)和下游產(chǎn)品的開發(fā)提供了巨大的市場空間和機遇。隨著我國有機硅產(chǎn)業(yè)的增長，隨著太陽能電池行業(yè)的飛速開展，對三氯氫硅的需求量迅速增加。各地紛紛擴(kuò)建三氯氫硅工程。中國太陽能學(xué)會秘書長孟憲淦介紹，國外對光伏產(chǎn)業(yè)的扶持表達(dá)在政策支持上，德國、美國、日本的政策指引最為有效，通過立法、購電補償、稅收抵扣、投資補貼等方面幫助光伏產(chǎn)業(yè)的開展。而我國目前尚未啟動光伏產(chǎn)業(yè)政策，因此"兩頭在外〞的中國光伏產(chǎn)業(yè)必須在國外的供需不平衡中尋找生存空間。5年以后，實際可以利用的材料將為行業(yè)提供100GW的電池產(chǎn)能，所以到了2012年，多晶硅產(chǎn)能提高到達(dá)頂峰。如果能夠改良和開發(fā)新的三氯氫硅生產(chǎn)技術(shù)，將取得原本依賴進(jìn)口的巨大的國市場。1.3產(chǎn)品價格分析本工程根據(jù)本錢、產(chǎn)品性能、市場容量和我國現(xiàn)有三氯氫硅市場價格定位等綜合因素，初步定價為：三氯氫硅：10000元/噸；四氯化硅：〔暫不計價〕付產(chǎn)鹽酸：少量，價值較低，暫不計價。第二章三氯氫硅的生產(chǎn)工藝2.1硅氫氯化法

該方法是用冶金級硅粉或硅鐵、硅銅作原料與HCl氣體反響，可使用Cu或Fe基催化劑，反響在200-800℃和0.05-3MPa下進(jìn)展，反響式如下：

2Si+7HCl→HSiCl3+SiCl4+3H2

(1)

該反響所用反響器經(jīng)歷了從固定床、攪拌床到流化床的開展過程，工藝也從間歇開展到連續(xù)。反響器由碳鋼制成，預(yù)先將Si粒子參加反響器，加熱至所需溫度后，從底部連續(xù)通入HCl氣體，產(chǎn)物及未反響原料被連續(xù)輸出，經(jīng)除塵、精制后，用于生產(chǎn)高純多晶硅或高純硅烷。

上述反響是放熱反響，反響熱為－141.8kJ/mol。升高溫度有利于提高反響速率，但同時導(dǎo)致HSiCl3的選擇性下降。通過優(yōu)化反響溫度，可明顯提高HSiCl3的選擇率，例如在300-425℃和2-5kPa條件下使Si與HCl反響，產(chǎn)物以600-1000kg/h連續(xù)輸出，HSiCl3的選擇率高達(dá)80%-88%，副產(chǎn)物包括質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%-2%H2SiCl2和1%-4%縮聚物，其余為SiCl4。

HCl氣體中的水分對HSiCl3收率有很大影響，因此必須嚴(yán)格枯燥。Si與HCl生成HSiCl3的反響是零級反響，使用純度大于99.99%的Si作原料時，HSiCl3的收率較低。Anderson等在一個微型反響器中用不同級別的Si作原料研究了上述反響，結(jié)果說明，冶金級Si原料中所含雜質(zhì)Al對反響有催化作用，可使反響溫度降低，HSiCl3收率提高。此外，Anderson和Hoel等研究還發(fā)現(xiàn)，Si原料中Cr和Mn的含量對上述反響有明顯的影響。Cr對HSiCl3的選擇性有正面影響，當(dāng)原料中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)(3-1000)×10-5的Cr時，HSiCl3的選擇性可提高15%-20%。但原料中的Mn卻對Si的反響性和HSiCl3的選擇性有負(fù)面影響，因此應(yīng)將其質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至1×10-4以下。

2.2

SiCl4－H2復(fù)原法

該方法是使SiCl4在Cu或Fe基催化劑存在下與Si和H2于400-800℃和2-4MPa條件下反響，n(H2)/n(SiCl4)＝0.6-2，反響式如下：

3SiCl4+2H2+Si→4HSiCl3

(2)

該反響為平衡反響，為提高HSiCl3收率，優(yōu)選在有HCl存在下進(jìn)展，n(HCl)/n(SiCl4)＝0.5-1。原料Si采用冶金級產(chǎn)品，通過預(yù)活化除去外表的氧化物后，可進(jìn)一步提高HSiCl3的收率。

反響器采用流化床，為減少其磨損和腐蝕，其部可用Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥5%、Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)<4%、其他元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0-10%的Ni－Cr－Mo合金制成，典型的牌號有Inconel?617，Inconel?65，Alloy?59，Alloy?T21等。通過在反響器中設(shè)置一系列水平擋板，可促進(jìn)氣體的再分布，加強氣－固接觸，使HSiCl3收率增加5%-8%。此外，該擋板還有助于減緩反響器的磨損和腐蝕，有利于延長反響器的壽命。通常利用外部供熱裝置向反響器部供熱，假設(shè)采用頻率1000-1500MHz的微波加熱，可在不使用催化劑條件下，降低能耗并提高HSiCl3的收率。

在用上述方法生產(chǎn)HSiCl3時遇到的最大問題是催化劑的夾帶流失和催化劑與Si粒子發(fā)生結(jié)塊破壞流態(tài)化。第三章工藝方案和反響器型式確實定3.1三氯氫硅生產(chǎn)工藝本次設(shè)計采用硅氫氯化法，采用該工藝方法的原因，該方法原料易得，反響條件較為簡單，轉(zhuǎn)化率比擬高，滿足我們設(shè)計要求。該反響所用反響器經(jīng)歷了從固定床、攪拌床到流化床的開展過程，工藝也從間歇開展到連續(xù)。反響器由碳鋼制成，預(yù)先將Si粒子參加反響器，加熱至所需溫度后，從底部連續(xù)通入HCl氣體，產(chǎn)物及未反響原料被連續(xù)輸出，經(jīng)除塵、精制后，用于生產(chǎn)高純多晶硅或高純硅烷。同時這種方法的產(chǎn)物純度比擬高流程圖如下：該工藝流程主要有已下幾個環(huán)節(jié)，首先通入單質(zhì)硅在280－300℃與HCI反響后得別離回收多余的反響物，然后再高溫下和氫氣反響得到到純度較高的硅單質(zhì)，加熱至所需溫度后，從底部連續(xù)通入HCl氣體，產(chǎn)物及未反響原料被連續(xù)輸出，經(jīng)除塵、精制后，用于生產(chǎn)高純多晶硅或高純硅烷。這樣得到的多晶硅純度較高，可以滿足工藝要求的單質(zhì)硅，純度較高，再通入反響器，進(jìn)展工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

3.2反響器類型3.2.1流化床反響器流化床反響器是一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運動狀態(tài)，并進(jìn)展氣固相反響過程或液固相反響過程的反響器。在用于氣固系統(tǒng)時，又稱沸騰床反響器。流化床反響器在現(xiàn)代工業(yè)中的早期應(yīng)用為20世紀(jì)20年代出現(xiàn)的粉煤氣化的溫克勒爐〔見煤氣化爐〕；但現(xiàn)代流化反響技術(shù)的開拓，是以40年代石油催化裂化為代表的。目前，流化床反響器已在化工、石油、冶金、核工業(yè)等部門得到廣泛應(yīng)用。流化床反響器的構(gòu)造有兩種形式：①有固體物料連續(xù)進(jìn)料和出料裝置，用于固相加工過程或催化劑迅速失活的流體相加工過程。例如催化裂化過程，催化劑在幾分鐘即顯著失活，須用上述裝置不斷予以別離后進(jìn)展再生。②無固體物料連續(xù)進(jìn)料和出料裝置，用于固體顆粒性狀在相當(dāng)長時間〔如半年或一年〕，不發(fā)生明顯變化的反響過程。與固定床反響器相比，流化床反響器的優(yōu)點是：①可以實現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；②流體和顆粒的運動使床層具有良好的傳熱性能，床層部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于強放熱反響；③便于進(jìn)展催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)操作，適于催化劑失活速率高的過程的進(jìn)展，石油餾分催化流化床裂化的迅速開展就是這一方面的典型例子。然而，由于流態(tài)化技術(shù)的固有特性以及流化過程影響因素的多樣性，對于反響器來說，流化床又存在很明顯的局限性：①由于固體顆粒和氣泡在連續(xù)流動過程中的劇烈循環(huán)和攪動，無論氣相或固相都存在著相當(dāng)廣的停留時間分布，導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品分布，降低了目的產(chǎn)物的收率；②反響物以氣泡形式通過床層，減少了氣-固相之間的接觸時機，降低了反響轉(zhuǎn)化率；③由于固體催化劑在流動過程中的劇烈撞擊和摩擦，使催化劑加速粉化，加上床層頂部氣泡的爆裂和高速運動、大量細(xì)粒催化劑的帶出，造成明顯的催化劑流失；④床層的復(fù)雜流體力學(xué)、傳遞現(xiàn)象，使過程處于非定常條件下，難以提醒其統(tǒng)一的規(guī)律，也難以脫離經(jīng)歷放大、經(jīng)歷操作。近年來，細(xì)顆粒和高氣速的湍流流化床及高速流化床均已有工業(yè)應(yīng)用。在氣速高于顆粒夾帶速度的條件下，通過固體的循環(huán)以維持床層，由于強化了氣固兩相間的接觸，特別有利于相際傳質(zhì)阻力居重要地位的情況。但另一方面由于大量的固體顆粒被氣體夾帶而出，需要進(jìn)展別離并再循環(huán)返回床層，因此，對氣固別離的要求也就很高了。3.2.2固定床反響器又稱填充床反響器，裝填有固體催化劑或固體反響物用以實現(xiàn)多相反響過程的一種反響器。固體物通常呈顆粒狀，粒徑2～15mm左右，堆積成一定高度〔或厚度〕的床層。床層靜止不動，流體通過床層進(jìn)展反響。它與流化床反響器及移動床反響器的區(qū)別在于固體顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)。固定床反響器主要用于實現(xiàn)氣固相催化反響，如氨合成塔、二氧化硫接觸氧化器、烴類蒸汽轉(zhuǎn)化爐等。用于氣固相或液固相非催化反響時，床層那么填裝固體反響物。涓流床反響器也可歸屬于固定床反響器，氣、液相并流向下通過床層，呈氣液固相接觸。固定床反響器的優(yōu)點是：①返混小，流體同催化劑可進(jìn)展有效接觸，當(dāng)反響伴有串聯(lián)副反響時可得較高選擇性。②催化劑機械損耗小。③構(gòu)造簡單。固定床反響器的缺點是：①傳熱差，反響放熱量很大時，即使是列管式反響器也可能出現(xiàn)飛溫〔反響溫度失去控制，急劇上升，超過允許圍〕。②操作過程中催化劑不能更換，催化劑需要頻繁再生的反響一般不宜使用，常代之以流化床反響器或移動床反響器。固定床反響器中的催化劑不限于顆粒狀，網(wǎng)狀催化劑早已應(yīng)用于工業(yè)上。目前，蜂窩狀、纖維狀催化劑也已被廣泛使用。3.2.2管式反響器一種呈管狀、長徑比很大的連續(xù)操作反響器。這種反響器可以很長，如丙烯二聚的反響器管長以公里計。反響器的構(gòu)造可以是單管，也可以是多管并聯(lián)；可以是空管，如管式裂解爐，也可以是在管填充顆粒狀催化劑的填充管，以進(jìn)展多相催化反響，如列管式固定床反響器。通常，反響物流處于湍流狀態(tài)時，空管的長徑比大于50；填充段長與粒徑之比大于100(氣體)或200〔液體〕，物料的流動可近似地視為平推流〔見流動模型〕管式反響器返混小，因而容積效率〔單位容積生產(chǎn)能力〕高，對要求轉(zhuǎn)化率較高或有串聯(lián)副反響的場合尤為適用。此外，管式反響器可實現(xiàn)分段溫度控制。其主要缺點是，反響速率很低時所需管道過長，工業(yè)上不易實現(xiàn)。管式反響器與釜式反響器還是有差異的，至于是否可以換回還要看你的反響的工藝要求和反響過程如何，一般的說，管式反響器屬于平推流反響器，釜式反響器屬于全混流反響器，你的反響過程對平推流和全混流的反響有無具體的要求？管式反響器的停留時間一般要短一些，而釜式反響器的停留時間一般要長一些，從移走反響熱來說，管式反響器要難一些，而釜式反響器容易一些，可以在釜外設(shè)夾套或釜設(shè)盤管解決，你的這種情況，能否可以考慮管式加釜的混合反響進(jìn)展，即釜式反響器底部出口物料通過外循環(huán)進(jìn)入管式反響器再返回到釜式反響器，可以在管式反響器后設(shè)置外循環(huán)冷卻器來控制溫度，反響原料從管式反響器的進(jìn)口或外循環(huán)泵的進(jìn)口進(jìn)入，反響完成后的物料從釜式反響器的上部溢流出來，這樣兩種反響器都用了進(jìn)去。3.3反響器選擇反響器的選擇是一個很重要的環(huán)節(jié)，它決定了生產(chǎn)工藝的條件能否滿足，經(jīng)過計算選擇了流化床反響器的優(yōu)點，流化床的優(yōu)點如下：：①可以實現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；②流體和顆粒的運動使床層具有良好的傳熱性能，床層部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于強放熱反響；③便于進(jìn)展催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)操作，適于催化劑失活速率高的過程的進(jìn)展，石油餾分催化流化床裂化的迅速開展就是這一方面的典型例子。在現(xiàn)代化工生產(chǎn)過程中流化床反響器被用的越來越為廣泛。第四章物料衡算與熱量衡算4.1總論本設(shè)計52000t/a工程使用HCl+Si在流化床中合成SiHCl3。在已確定化學(xué)生產(chǎn)工藝和流程后，通過對整個生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)車間，以及局部重要的生產(chǎn)單元進(jìn)展物料衡算計算出主、副產(chǎn)品的產(chǎn)量，原材料的消耗定額、"三廢〞排放量及組成，從而定量地評述初步設(shè)計所選擇的工藝路線、生產(chǎn)方法及工藝流程在經(jīng)濟(jì)上是否合理，技術(shù)上是否先進(jìn)。同時，在全工藝中伴隨著物料從一個體系或單元進(jìn)入另一個體系或單元，在發(fā)生質(zhì)量傳遞的同時也伴隨著能量的消耗、釋放和轉(zhuǎn)化。其中的能量變換數(shù)量關(guān)系可以從能量衡算求得，可以由此確定熱負(fù)荷。再根據(jù)傳熱設(shè)備的熱負(fù)荷大小、所處理物料的性質(zhì)及工藝要求選擇恰當(dāng)?shù)脑O(shè)備。總之，通過物料與能量衡算，可以為后續(xù)設(shè)計工作提供主要依據(jù)。4.2物料衡算物料衡算是根據(jù)質(zhì)量守恒定律，利用某進(jìn)出化工過程中某些物流的流量和組成，通過建立有關(guān)物料的平衡式和約束式，求出其他未知物流的流量和組成的過程。系統(tǒng)中物料衡算一般表達(dá)式為：系統(tǒng)中的積累=輸入-輸出+生成-消耗式中，生成或消耗項是由于化學(xué)反響而生成或消耗的量；積累量可以是正值，也可以是負(fù)值，當(dāng)系統(tǒng)中積累量不為零時稱為非穩(wěn)定狀態(tài)過程；積累量為零時，稱為穩(wěn)定狀態(tài)過程。穩(wěn)定狀態(tài)過程時，可以簡化為：輸入=輸出-生成+消耗對無化學(xué)反響的穩(wěn)定過程，又可表示為：輸入=輸出工程依據(jù)化工設(shè)計中關(guān)于熱量衡算的根本思想和要求，遵循根本規(guī)與實際工藝相結(jié)合的原那么，進(jìn)展熱量衡算書的編制。其中主要依據(jù)能量平衡方程：Qin——表示輸入設(shè)備熱量的總和；Qout——表示輸出設(shè)備熱量的總和；Ql——表示損失熱量的總和。對于連續(xù)系統(tǒng)：Q—設(shè)備的熱負(fù)荷；W—輸入系統(tǒng)的機械能；Hout—離開設(shè)備的各物料焓之和；Hin—進(jìn)入設(shè)備的各物料焓之和。計算基準(zhǔn)溫度及熱力學(xué)數(shù)據(jù)由于在編制熱量衡算書時借助于計算機輔助模擬流程設(shè)計文件Aspen-plus，因而計算基準(zhǔn)溫度及熱力學(xué)數(shù)據(jù)直接采用軟件嵌的物性數(shù)據(jù)庫。物料衡算包括總質(zhì)量衡算、組分衡算和元素衡算。各種衡算方法的適用情況，如表4-1所示。表4-1物料橫算式適用圍類別物料衡算形式無化學(xué)反響有化學(xué)反響總衡算式總質(zhì)量衡算式適用適用總物質(zhì)的量衡算式適用不適用組分衡算式組分質(zhì)量衡算式適用不適用組分物質(zhì)的量橫算式適用不適用元素原子衡算式元素原子質(zhì)量衡算式適用適用元素原子物質(zhì)的量衡算式適用適用由于系統(tǒng)中存在化學(xué)反響，我們主要采用總質(zhì)量衡算的的衡算方法，同時列出每種物料組分的質(zhì)量流量便于查找和計算。4.3總工程核算4.3.1物料衡算由于混合物中各物質(zhì)沸點相差很大，采用清晰分割法，為輕關(guān)鍵組分，為重關(guān)鍵組分，為輕組分，為重組分，該設(shè)計中假定和為非分配組分。因此精餾塔塔頂產(chǎn)物中，有99.8%的，0.2%的和，由于含量極低，全流程物料衡算中近似當(dāng)作零來處理。根據(jù)：收率=轉(zhuǎn)化率x選擇性，得出轉(zhuǎn)化率的圍90%-100%，本次設(shè)計取的轉(zhuǎn)化率為96%。根據(jù)的年產(chǎn)量為52000噸，每年工作時間為8000小時，那么質(zhì)量流率為：精餾塔塔頂摩爾流率為：又精餾塔頂出口三氯氫硅所占質(zhì)量百分比為99.8%，那么四氯化硅與雜質(zhì)之和所占質(zhì)量比為0.2%，其質(zhì)量流率為：精餾塔塔頂摩爾流率大約為：參與反響的Si的摩爾流率：參與反響的Si的質(zhì)量流率為：由硅的單程轉(zhuǎn)化率為18%可得，硅的總摩爾流率為：那么總的硅質(zhì)量流率為7545.28kg/h。QUOTE。由原料硅粉規(guī)格可知，硅粉中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.2%，原料硅粉的質(zhì)量流率為：由反響過程中的氯元素守恒可得，參與反響的HCl中的氯摩爾數(shù)應(yīng)等于生成物中的氯的摩爾數(shù)，參與反響的HCl摩爾流率為：那么HCl的質(zhì)量流率為：由原料HCl規(guī)格可知，原料HCl中HCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.7%，故原料HCl質(zhì)量流率為：根據(jù)氫守恒計算反響生成氫氣的摩爾流率為反響器出口SiCl4的摩爾流率為穩(wěn)態(tài)時Si粉進(jìn)料的摩爾流率為穩(wěn)態(tài)時HCl氣體進(jìn)料的摩爾流率為4.3.2熱量衡算工藝流程1.反響器進(jìn)料口硅粉總熱量2.反響器進(jìn)料口氯化氫的總熱量3.反響器出口總熱量4.回流液總熱量同理可得：5.反響的焓值反響器中發(fā)生如下幾個反響：查閱相關(guān)資料知上述反響的反響熱為，以參與反響的Si為基準(zhǔn)，可算出：6.熱損失取，那么：7.熱負(fù)荷圖工藝采用硅氫氯化法生產(chǎn)三氯氫硅，其合成工段流程圖詳見附圖1。4.3.3物料參數(shù)及物料概況三氯氫硅工藝相關(guān)物料參數(shù)見表4-2。表4-2物性參數(shù)物質(zhì)SiH2Cl2HClSiHCl3SiCl4相對分子質(zhì)量28.0862.01670.90636.461135.453169.898熔點/℃1415-259.18-101-114.18-128.2-68.85沸點/℃2355-252.87-34.6-8531.857.65密度/g·cm32.3290.088g/L3.211.61.3311.5臨界溫度/K269.633.19417.15324.7479.1508.1物質(zhì)SiH2Cl2HClSiHCl3SiCl4臨界壓力/MPa4861308313.59臨界壓縮因子0.3050.2490.277沸點/kJ·mol-10.916.1527.533103級硅粉主要成分：Si含量：>99.2%；Fe含量：≤0.3%；Al含量≤0.1%；Ca含量：≤0.03%；P含量：≤0.005%表4-3原料硅粉規(guī)格組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)%Si99.2H2O0.28雜質(zhì)0.54合計100表4-4原料氯化氫規(guī)格組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)%HCl98.7Cl21H2O0.3合計100第五章流化床反響器設(shè)計5.1流化床反響器的工藝設(shè)計5.1.1設(shè)計參數(shù)本設(shè)計采用3103級金屬硅，硅粉的粒徑dp：100~150μm，計算中取dp=125μm。氯化氫氣體黏度μ=2.8×10-5m·s-1，氯化氫氣體在反響溫度和壓力下的密度為：氯化氫氣體在反響溫度和壓力下的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.029w/(m.k)。其他設(shè)計參數(shù)詳見表5-1：表5-1流化床設(shè)計工藝參數(shù)硅粉粒徑dp/m密度ρp/(kg/m3)比熱CP/(kJ/kg·k)質(zhì)量流量/(kg/h)1.25×10-423290.852335.23氯化氫粘度μ/(Pa·s)密度ρ/(kg/m3)比熱C/(kJ/kg·k)質(zhì)量流量/(kg/h)2.8×10-51.150.8151313.9085.1.2流化床反響器工藝設(shè)計計算5.1.2.1臨界流化速度umf[1]當(dāng)流體自下而上通過固體顆粒床層，到達(dá)一定速度時，固體顆粒產(chǎn)生相對運動，即為流態(tài)化。顆粒開場流動的最小速度稱為臨界流化速度，記為umf。對于小顆粒Rep<20時：對于大顆粒Rep>1000時：式中dp—顆粒平均直徑，mρp—顆粒密度，kg/m3ρ—流體密度，kg/〔m·s〕μ—流體粘度，Pa·s假設(shè)本設(shè)計顆粒的雷諾數(shù)Rep<20，計算得：驗算：所以該假設(shè)計算的臨界流化速度符合要求。5.1.2.2最大流化速度ut[2]最大流化速度ut亦稱顆粒帶出速度。顆粒的帶出速度也等于粒子的自由沉降速度，通過顆粒沉降速度的計算可以得到最大流化速度：，2＜Rep＜500，500＜Rep＜2×105式中dp—顆粒平均直徑，mρp—顆粒密度，kg/m3ρ—流體密度，kg/〔m·s〕μ—流體粘度，Pa·s為了保證反響的進(jìn)展和減少顆粒的帶出量，以最小顆粒的粒徑來算帶出速度，即最大流化速度。假設(shè)最大流化速度時的雷諾數(shù)為2＜Rep＜500，計算得：驗算：，2＜Rep＜500所以該假設(shè)計算的最大流化速度符合要求。5.1.2.3流化床操作速度u顆粒的臨界流化速度和最大流化速度，決定了流化床操作速度的圍，流化床反響器通常在比臨界流化速度高的流速下操作。當(dāng)流化床反響器在稍高于臨界流化速度下操作時，可以減少顆粒間的磨損，降低能耗。但在低氣速操作時，造成床層傳熱和傳質(zhì)性能較差。只有當(dāng)反響速度較低、熱效應(yīng)不大、對傳熱要求不高的反響過程才能用較低的操作速度。相反，提高流化床操作速度可以增強顆粒循環(huán)流動，促進(jìn)床層的傳熱和傳質(zhì)性能，改善流化質(zhì)量。操作速度ut和臨界流化速度umf之比稱為流化數(shù)K，即取K=28【3】，那么流化床操作速度為:5.1.2.4起始鼓泡速度umb當(dāng)流體氣速超過臨界流化速度umf后，床層開場流態(tài)化。當(dāng)氣速進(jìn)一步增加，床層可出現(xiàn)氣泡，此時床層高度會下降，出現(xiàn)氣泡的最小速度稱為起始鼓泡速度umb。對于氣體—大顆粒系統(tǒng)，umb與umf一致，對于細(xì)粒子系統(tǒng)，umb與umf有顯著的差異，umb的關(guān)聯(lián)式有：所以代入數(shù)據(jù)有：那么起始鼓泡速度umb為：5.1.2.5床層直徑D 氯化氫氣體體積流量：因本次設(shè)計流化床的數(shù)目為4套,故流量為：流化層面積：流化段直徑：，圓整為D=1.7m將圓整后的D=1.6m到原公式得實際操作速度5.1.2.6擴(kuò)大段直徑為了滿足別離的要求和減少別離器的負(fù)荷，因此應(yīng)滿足混合氣出口所夾帶的顆粒直徑盡量小。由于固體顆粒在流化過程中有粒子間的相互碰撞和粒子與器壁和部構(gòu)件的碰撞而破粹，故粒子間的最小顆粒直徑有所減少。因此取要求反響器帶出的塵粒粒徑不大于80μm。此粒子的帶出速度為：先假設(shè)顆粒沉降屬于滯留區(qū)，即雷諾數(shù)Re<2，其沉降速度用斯托克公式計算，即：驗算:即結(jié)果在假設(shè)的圍，無需再修正。因為有擴(kuò)大段氣體的體積流量與濃相段的體積流量相差不大，故設(shè)計時按體積流量不變。所以擴(kuò)大段直徑為：假設(shè)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)歷取擴(kuò)大段的氣速為操作氣速的一半[4]，那么有：所以有對應(yīng)的擴(kuò)大段直徑為：由上所得，為保證生產(chǎn)滿足生產(chǎn)要求擴(kuò)大段直徑，圓整為：D1=3.2m。5.1.2.7床層膨脹比R由于u>umb的氣固流化床,由于氣流并非均勻地流過床層,一局部氣體形成氣泡經(jīng)床層短路益出,粒子被分成許多群體作湍流運動,床層構(gòu)造不均勻,一般均屬于集式流化床設(shè)計所選用的硅粉粒徑為A區(qū)粒子。由Stewart判據(jù)得：即流化床流化為鼓泡流化。所以在流化過程中氣泡上升到的最大穩(wěn)定氣泡直徑為dbmax：即床層不會出現(xiàn)節(jié)涌。此時床層膨脹比R:5.1.2.8空隙率εf由床層膨脹比，得,本設(shè)計中取εmf=0.5,那么5.1.2.9流化床高度①臨界流化床層高度Hmf由化學(xué)動力學(xué)和操作特點得物料的氣固接觸時間為τ=8s，那么：②流化床層高度Hf③別離高度TDH由D=1.8m，u=0.2163m/s，查得TDH/D=0.7。那么THD=1.4m④擴(kuò)大段高度H0由生產(chǎn)經(jīng)歷取H0=D1=3.2m。⑤錐底高度h1錐底：一般錐角為90°或60°，本設(shè)計中流化床錐角為90°，該封頭為公稱直徑1800mm的折邊錐形封頭，按照標(biāo)準(zhǔn)，其高度為:H=1037mm。⑥橢圓形封頭高度h2由以上計算，選用公稱直徑D1=3.2m的橢圓形封頭，按照規(guī)定其厚度為20mm，那么其高度為：⑦過渡段的高度流化床反響段與擴(kuò)大段之間為過渡段，為焊接強度的要求，取過渡段錐角度為a=158o。根據(jù)濃相段與擴(kuò)大段直徑有：所以H5=1.8m⑧流化床反響器總高度H圓整為H=11.3m5.1.2.10流化床床層壓降△P由流化床的根本現(xiàn)象可知，當(dāng)流體速度到達(dá)臨界流化速度時，床層開場膨脹，床層壓降將保持恒定，即:5.1.2.11流化床反響器中的傳熱流化床系統(tǒng)的傳熱過程可分為三局部：固體顆粒間的傳熱、氣體與固體顆粒間的給熱、床層和器壁或換熱器壁間的給熱。其中固體顆粒間的傳熱在傳熱過程中不起控制作用，設(shè)計中將不予考慮。①流體與顆粒間的傳熱顆粒在流體中運動的雷諾數(shù)為：固體在流體中的普朗克常數(shù)為：顆粒在流體中的努塞爾數(shù)為：所以有流體與顆粒見的傳熱系數(shù)為：②流體與器壁的傳熱流態(tài)化效率:又因為有床層膨脹比為R=1.2527，所以有顆粒在流體中的努塞爾數(shù)為：所以流體與顆粒間的傳熱系數(shù)為：③流化床層與浸沒管的傳熱本設(shè)計采用垂直管束換熱器，換熱管平均徑向位置rR=0.6，查得CR=1.65，由此可得：流體與浸沒管之間的努塞爾數(shù)為：流體與浸沒管之間的傳熱系數(shù)為：5.1.3流化床反響器工藝設(shè)計數(shù)據(jù)匯總由以上流化床反響器工藝設(shè)計計算數(shù)據(jù)匯總得表5-2。表5-2流化床反響器工藝設(shè)計數(shù)據(jù)臨界流化速度umf7.7233×10-3m·s-1臨界流化床高Hmf3.4600m最大流化速度ut0.8254m·s-1流化床層高度Hf2.81m流化床操作速度u0.3174m·s-1別離高度TDH1.4m流化數(shù)K28擴(kuò)大段高度H03.2m起始鼓泡速度umb9.0407×10-3m·s-1錐底高度h1037mm氣體體積流量V0.3174m3·s-1橢圓封頭高度和h′1.02m流化層面積A2.1245m2總高度H11.3m流化段直徑D1.8m流化床層壓降3.9507×104Pa擴(kuò)大段直徑D13.2m流體與顆粒間的傳熱αp7.6094W/(m2·K)床層膨脹比R1.1716流化床與器壁的傳熱343.244W/(m2·K)空隙率εf0.5732流化床層與浸沒管的傳熱2009.6W/(m2·K)5.2流化床部構(gòu)件的設(shè)計5.2.1換熱器流化床反響器的傳熱主要是床層與壁面及床層與設(shè)置在床層中的換熱器壁面間的傳熱，設(shè)計流化床反響器的主要任務(wù)之一就是確定換熱所需的傳熱面積。因此分別采用半圓管夾套換熱器和列管換熱器。該工藝的換熱介質(zhì)采用的是導(dǎo)熱油。5.2.1.1列管換熱器的設(shè)計本設(shè)計中采用的是列管式石墨換熱器，其導(dǎo)熱系數(shù)為λw=129W/(K·m)，石墨管的規(guī)格為?25×3.0mm。導(dǎo)熱油的物性及操作參數(shù)見表5-3。表5-3操作參數(shù)及導(dǎo)熱油的物理性質(zhì)進(jìn)口溫度T1/℃出口溫度T2/℃床層溫度T/℃定性溫度t/℃密度ρ/kg/m3200250300225892比熱Cp/(kJ/(kg?k))導(dǎo)熱率λ/w/(m·k)黏度μ/Pa·s黏度μW/Pa·s總熱量Q/(Kw)2.4990.10830.0005850.000451982.75因此，傳熱對數(shù)平均溫差為：由熱量平衡知，總傳熱量為：設(shè)總傳熱系數(shù):K=335W/(m2·K)，那么傳熱面A為：換熱管的根數(shù)：，圓整為n=44導(dǎo)熱油的質(zhì)量為：導(dǎo)熱油的體積：導(dǎo)管的流速：管為：流體普朗克常數(shù)為：流體的努塞爾數(shù)為:所以有傳熱系數(shù)為：假設(shè)不考慮導(dǎo)熱管兩側(cè)的污垢熱阻，那么：與假設(shè)的K值相差不大，故假設(shè)K值可用。實際生產(chǎn)中一般將計算所得傳熱面積增大20%，所以實際傳熱面積為：設(shè)計采用的石墨換熱管在流化床層的長度為lHfDTH6.0m，因此，需要換熱管的根數(shù)：故至少需要306根換熱管。根據(jù)實際排列共306根。由以上的計算結(jié)果的數(shù)據(jù)得匯總表5-4.表5-4換熱器的結(jié)果匯總傳熱系數(shù)K/w·m-2·k-1335雷諾數(shù)Re10361理論傳熱面積/m220.56普朗特數(shù)Pr13.5理論管數(shù)n44努塞爾數(shù)Nu107.376多熱油質(zhì)導(dǎo)量kg/s3.96給熱系數(shù)α1612.04導(dǎo)熱油體積m3/s0.0044實際管數(shù)n52管速度m/s0.35615.2.1.2半圓管夾套換熱器本設(shè)計考慮到傳熱工藝需要和焊接工藝需要，選擇?89的半圓管夾套，且選擇相鄰夾套間的距離為140mm。本設(shè)備由于采用單線頭的方式把半圓管夾套纏繞在筒體，所以半圓管夾套的節(jié)距選為140mm。本設(shè)計中采用的是Q245R半圓管夾套換熱器，其導(dǎo)熱系數(shù)λw=45W/(K·m)，半圓管的規(guī)格為?89×4.0mm。導(dǎo)熱油的物性及操作參數(shù)見表5-5。表5-5操作參數(shù)及導(dǎo)熱油的物理性質(zhì)進(jìn)口溫度T1/℃200比熱Cp/(kJ/(kg?k))2.499出口溫度T2/℃250導(dǎo)熱率λ/w/(m.k)0.1063床層溫度T/℃300黏度μ/Pa·s0.000585定性溫度t/℃225黏度μW/Pa·s0.00045密度ρ/kg/m3892總熱量Q/(kJ/h)16364.1054因此，傳熱對數(shù)平均溫差為：由熱量平衡知，總傳熱量為：散熱量按10%計算，那么需要由冷卻介質(zhì)取出的總熱量為：導(dǎo)熱油的質(zhì)量為：導(dǎo)熱油的體積：半圓管的截面積為：半圓管的導(dǎo)熱油流速為：流體的雷諾數(shù)為：由于Re>10000，所以半圓管流體為湍流狀態(tài)。流體的普朗特數(shù)為：流體的努塞爾數(shù)為：傳熱系數(shù)為：流化床反響段筒體的外徑為：流化床反響段筒體的周長為：半圓管夾套在筒體上纏繞一周的周長為：半圓管夾套的平均彎曲直徑為：傳熱系數(shù)的修正系數(shù)為：修正后的傳熱系數(shù)為：總傳熱系數(shù)為：半圓管夾套的傳熱面積為：半圓管夾套纏繞一圈的面積：半圓管夾套的圈數(shù)：即半圓管夾套的圈數(shù)為525.2.2部構(gòu)件5.2.2.1氣體分布器氣體分布器是流化床裝置的根本部件之一。氣體分布器位于流化床底部，其作用是：一、支承全部的固體顆粒，防止漏料；二、是將反響氣體均勻地送入流化床，保證良好的起始流化條件和穩(wěn)定操作狀態(tài)，起引發(fā)流化，維持床層顆粒連續(xù)運動和均勻分布?xì)怏w的作用。其主要裝置是氣體分布板。分布器設(shè)計需滿足以下要求：a．有助于產(chǎn)生均勻而平穩(wěn)的流態(tài)化狀態(tài)；b．必須使流化床有一良好的起始流化狀態(tài)，保證分布器附近有一良好的氣固接觸條件；c．應(yīng)能防止正常操作時的物料漏出、小孔堵塞與磨損。工業(yè)規(guī)模流化床的氣體分布板主要型式是多孔板、泡罩、噴嘴等形式。按氣體噴出方向分為直孔型和側(cè)孔型兩類。分布板能均勻布?xì)猓峁┝己玫某跏剂骰瘲l件，并能是流化床長期穩(wěn)定操作。一般在分布板上均勻地分布許多小孔或錐帽。流體通過分布板時要求一定的阻力降，以防止在聚式流化過程中由于氣體流量的波動出現(xiàn)不正常操作狀態(tài)，起一定得阻力作用，亦即對已建立的良好流化條件保持較大穩(wěn)定性。分布板的壓降主要取決于開孔率，分布板的開孔率是指板上布孔的截面積與流化床床層截面積之比，以φ表示。分布板的開孔率直接關(guān)系到流化質(zhì)量、床層壓降和過程操作的穩(wěn)定性。開孔率確實定，實際上就是決定分布板操作壓力降的大小。在本設(shè)計中采用的是側(cè)縫錐帽型分布板。風(fēng)帽中心管直徑為5mm。本設(shè)計中以穩(wěn)定性壓降法計算分布板開孔率，即取分布板壓降△Pd為床層壓降△P的10%。所以有分布板的壓降為：因為有△Pd>350mm水柱，即氣體分布板的壓降滿足要求，能夠保證氣體分布板正常工作。本設(shè)計選用錐帽側(cè)縫式分布板:錐帽側(cè)縫式分布板阻力系數(shù)為由氣體分布板的壓力降一般阻力公式得那么其開孔率為：此開孔率下的孔速度為：由得此開孔率下的孔數(shù)：取孔中心矩t=65mm，從圓心往外按等三角形排列，最外三層按同心圓排列，在三角形與圓之間空隙較大處補排幾個孔。根據(jù)實際排列，共565孔。分布板的校驗:分布板的開孔率為:此開孔率在分布板的開孔率換圍，即此開孔率能保證良好的氣速要求。為了防止分布板在長期運行過程中被堵塞，氣體流過錐帽的縫隙速度必須大于或等于水平噎塞速度的兩倍。水平噎塞速度為：風(fēng)帽的縫隙面積為：f=πdfh式中df為縫隙外徑，mm，本設(shè)計為44mm；h縫隙高度，m，本設(shè)計為0.6mm；縫隙速度：此處，υ縫>2υcs，所以這樣的縫隙速度可以保證分布板不被堵塞。5.2.2.2擋板在床層中設(shè)置某種部構(gòu)件以后，可以抑制氣泡的成長并破粹大氣泡，改善氣體在床層中的停留時間分布，減少氣體返混和強化兩相間的接觸。并能有效的使氣固別離，減少氣體在出流化床時對固體的夾帶，能有效的降低旋風(fēng)別離器的負(fù)荷。由于在流化床部安裝了列管換熱器，可以取到有效的抑制氣泡的成長并破粹大氣泡和強化兩相間的接觸等作用。為了在擴(kuò)大段能有效的使氣固別離，減少氣體出流化床時對固體的夾帶量。因此在過渡段和擴(kuò)大段處設(shè)置擋板。為了使氣體和固體在通過擋板前后保持均勻分布，因此擋板選多旋百葉窗式，擋板構(gòu)造參數(shù)的經(jīng)歷數(shù)據(jù)選定如下：葉片厚度=3mm；葉片高度h=40mm；葉片傾角=45°；葉片間距S=35mm；A=0。擋板與器壁間的環(huán)隙量選為20mm。5.2.2.3氣體預(yù)分布器氣體預(yù)分布器是指當(dāng)氣體進(jìn)入分布器之前，先將氣體進(jìn)展預(yù)分布，這樣可以改善氣體的分布，由此可增加分布板的臨界開孔率，減少氣體通過分布板的動力消耗。一般常采用的氣體預(yù)分布器的主要形式有彎管式、開口式、同心圓錐殼式、錐底填充式等，其中彎管式及開口式氣體預(yù)分布器應(yīng)用最廣。在本設(shè)計中采用彎管式氣體分布器，選用90o彎管式氣體預(yù)分布器，取管氣速為15m/s。每臺流化床氣體的質(zhì)量流量為：氣體的體積流量為：那么管徑為：，取d=200mm5.3流化床附件的選擇5.3.1支座選擇本設(shè)計中流化床反響器屬于直立容器：根據(jù)實際情況、支座的適用圍和構(gòu)造型式特征，本設(shè)計選用B型耳式支座：/T4725-92，耳座B8。選用四個八號B型耳式支座，支座材料為Q235-AF，墊板材料為Q245R，支座質(zhì)量為140.8kg，高度為600mm。支座尺寸見表5-6。表5-6八號B型耳式支座參數(shù)(mm)底板筋板墊板地腳螺栓l1b1δ1s1l2b2δ2l3b3δ3ed規(guī)格4803602614551038018720600167230M30耳座應(yīng)力的校核[15]容器中心對耳座處的風(fēng)載荷為:耳座的安裝尺寸:計算支座承受的實際載荷Q：安裝四個支座時,不均勻系數(shù)k=0.83，那么支座處圓筒所受的支座彎矩ML:筒壁的有效厚度為δe=16.2mm，由有效厚度δe和壓力P，查得筒體材料的允許彎矩值為QUOTE30.3。所以有：ML=30.38kN·mm<[ML]=76.99kN·mm即支座處圓筒在耳座安裝處所受的彎矩在筒體所選材料的允許圍。故4個B8支座能夠滿足要求。為了保證安裝時各支座在同一水平面上和各耳座的受力均勻和防止容器局部受載過大，將各耳座的底板連成一體組成圈座。5.3.2管材選擇壓力計接收〔采用標(biāo)準(zhǔn)壓力〕，采用?25×2.0mm的無縫鋼管，法標(biāo)記：HG20592法蘭WN25-0.25FM20；溫度計接收口：由管出口導(dǎo)線與熱電偶液溫度計相連，管口DN25mm法蘭標(biāo)記HG20592法蘭WN25-0.25FM20；硅粉進(jìn)料管：采用帶頸對焊法蘭：HG20592法蘭WN50-0.25FM20；硅粉與回床罐硅粉的總量為：在輸送固體顆粒是取固氣比為8[18]，氣體在管道的的流速取為12m/s。輸送氣體的質(zhì)量為：氣體的密度：輸送氣體的體積流量為：物料管徑：圓整取公稱直徑為DN50mm，采用帶頸對焊法蘭：HG20592法蘭PL50-0.25FM20HCl氣體的進(jìn)料管：每臺流化床氣體的質(zhì)量流量為：氣體的體積流量為：物料管徑：圓整取公稱直徑為DN50mm，d=200mm采用帶頸對焊法蘭：HG20599法蘭WN200-0.25FM20合成氣的出料管：由物料衡算的出流化床的氣體總質(zhì)量為：氣體的相對分字質(zhì)量為：氣體的密度：氣體的體積流量為：由于合成氣體出流化床后進(jìn)入旋風(fēng)別離器，為了保證旋風(fēng)別離器能正常工作，取氣體的流速為：u=18m/s。所以有合成氣體出料管徑為：圓整后取管的公稱直徑DN150mm，采用帶頸對焊法蘭：HG20599法蘭WN150-0.25FM20流化床底端放渣管口：HG20599法蘭WN400-0.25FM20。半圓管夾套導(dǎo)熱油進(jìn)料口：進(jìn)油料口的體積：取導(dǎo)熱油的進(jìn)口速度為：u=2m3?s-1，進(jìn)油口的直徑為：圓整取進(jìn)油口的公稱徑為DN150mm，采用帶頸對焊法蘭：HG20599法蘭WN150-0.25FM20列管換熱器的導(dǎo)熱油的進(jìn)料口：導(dǎo)熱油的質(zhì)量：m=3.15kg/s，由于列管的根數(shù)比理論的增加了一倍，為了保證換熱列管能夠滿足換熱要求，因此導(dǎo)熱油的質(zhì)量也增加為原來的2.5倍。因此導(dǎo)熱油的質(zhì)量為：因此導(dǎo)熱油的體積為：由導(dǎo)熱油的粘性和傳送要求及導(dǎo)熱油在管道流通的經(jīng)濟(jì)條件的決定下，所以取導(dǎo)熱油的流速取為：u=0.5m/s，所以有導(dǎo)熱油的接收直徑為：150mm圓整取公稱直徑DN200mm，采用帶頸對焊法蘭：HG20599法蘭WN200-0.25FM205.4流化床反響器的機械設(shè)計5.4.1流化床壁厚計算流化床的工作壓力為p0=0.15MPa，設(shè)計壓力為p=0.2MPa，工作溫度t0=280~320℃，設(shè)計溫度取t=350℃，那么該流化床為三類低壓反響容器。由于反響物中含有氯化氫和氯氣，為減少反響物對容器的腐蝕和磨損，根據(jù)以上條件，可采用Q245R低合金構(gòu)造鋼板作為流化床殼體材料，在t=350℃時其許用應(yīng)力為[]350=139MPa。筒體的焊接方式采用雙面對接焊，并做局部無損探傷檢測，焊縫系數(shù)為=0.85；由于Q245R對此反響體系有抗腐蝕作用，故設(shè)計設(shè)備使用壽命為十年取腐蝕裕量C2=3mm，那么：〔1〕流化床流化層壁厚計算筒體的計算厚度：筒體的設(shè)計厚度：根據(jù)設(shè)計厚度和鋼板規(guī)格查得鋼板負(fù)偏差為C1=0.5mm，那么鋼板的名義厚度，圓整為δn=6mm。筒體的有效厚度：容器壁壓力校核：即所選的筒體厚度滿足要求。按照實際生產(chǎn)情況需要，以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該工藝的流化床的壁厚至少取18mm，所以δn=18mm?！?〕流化床擴(kuò)大段筒體的壁厚計算筒體的計算厚度：筒體的設(shè)計厚度：根據(jù)設(shè)計厚度和鋼板規(guī)格查得鋼板負(fù)偏差為C1=0.6mm，那么鋼板的名義厚度，圓整為δn=8mm。筒體的有效厚度：容器壁壓力校核：即所選的筒體厚度滿足要求。按照實際生產(chǎn)情況需要，以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該工藝的流化床的壁厚至少取20mm，所以δn=20mm。5.4.2封頭厚度計算該流化床的上封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，下封頭為錐角為90°的圓錐形封頭，流化床頂封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭?！?〕上封頭厚度〔擴(kuò)大段的封頭〕封頭的計算厚度：標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的形狀系數(shù)K=1封頭的設(shè)計厚度：根據(jù)設(shè)計厚度和鋼板規(guī)格查得鋼板負(fù)偏差為C1=0.6mm，那么名義厚度為：，圓整為δn=8mm有效厚度：一般情況下，當(dāng)K≤1時橢圓形封頭的有效厚度δe應(yīng)不小于0.0015Di，而橢圓形封頭K=1，且，所以以上計算的封頭厚度不適宜；假設(shè)取，那么：所以上封頭的厚度可以取10mm。應(yīng)力校核：即所選的筒體厚度滿足要求。按照實際生產(chǎn)情況需要，以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，上封頭厚度取?！?〕下封頭厚度設(shè)計[18]：該設(shè)計中的下封頭采用的是帶折邊的錐形封頭，其半頂角α=45o。①帶折邊錐形封頭大端過渡局部設(shè)計厚度：式中K為過渡局部形狀系數(shù)，與r/Di及α有關(guān)。對于α=45o的標(biāo)準(zhǔn)折邊封頭，r=0.15Di，K值為0.8181。那么過渡局部壁厚為：②大端錐體局部設(shè)計厚度：式中f為錐形封頭形狀系數(shù)，與r/Di及α有關(guān)。對于α=45o的標(biāo)準(zhǔn)折邊封頭，f值為0.645。那么錐體局部的壁厚為：③小端過渡區(qū)局部設(shè)計厚度：由,α=45o查得系數(shù)Q=4.3小端的設(shè)計厚度：小端的接口工程直徑為400mm，即有Dsi=400mm通常折邊封頭由同一厚度的鋼板制成，因此應(yīng)取上述所得數(shù)值較大者即錐體局部的厚度作為折邊錐形封頭的厚度。所以折邊錐形封頭壁厚δd=4.9670mm，鋼板厚度負(fù)偏差取C1=0.5mm，那么下封頭的名義厚度為：,圓整為δn=6mm按照實際生產(chǎn)情況需要，以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，下封頭厚度取δn=18mm?！?〕頂封頭厚度設(shè)計〔油箱筒體的封頭〕：封頭的計算厚度：標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的形狀系數(shù)K=1封頭的設(shè)計厚度：根據(jù)設(shè)計厚度和鋼板規(guī)格查得鋼板負(fù)偏差為C1=0.5mm，那么名義厚度為：，圓整為δn=6mm。封頭的有效厚度：一般情況下，當(dāng)K≤1時橢圓形封頭的有效厚度δe應(yīng)不小于0.0015Di，而橢圓形封頭K=1，且，所以以上計算的封頭厚度不適宜；假設(shè)取δn=8mm，那么，所以上封頭的厚度可以取18mm。應(yīng)力校核：即所選的筒體厚度滿足要求。按照實際生產(chǎn)情況需要，以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，上封頭厚度取δn=18mm。5.4.3容器的開孔與補強化工容器開孔并接有短管的構(gòu)造，因開孔使器壁受到削弱，容器與接收連接構(gòu)造的不連續(xù)及拐角處的不等截面過度，使得接收部位的應(yīng)力遠(yuǎn)大于殼體中的薄膜應(yīng)力。這種由于開孔接收的原因，在器壁的局部圍出現(xiàn)的應(yīng)力集中，殼體局部的強度削弱。因此在設(shè)計時必須考慮采取適當(dāng)?shù)难a強措施。通過補強，降低開孔邊緣處的應(yīng)力集中系數(shù)?！?〕合成氣的出料口管的補強①材料的許用應(yīng)力筒體材料為Q245R在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力接收材料為20在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力接收附加量為C=3mm②補強及補強方法判別a．補強判別根據(jù)GB150規(guī)定，允許不另行補強的最大接收外徑為?89mm。此開孔外徑等于159mm，故需考慮其補強計算。b．筒體的開孔直徑為：因為：所以滿足等面積法開孔補強計算的適用條件，故可用等面積補強法進(jìn)展開孔補強計算③開孔削弱所需補強面積a．筒體的計算厚度為：b．開孔削弱所需補強面積強度削弱系數(shù)：接收有效厚度為：開孔削弱所需要的補強截面積為：④有效補強圍a．有效寬度有效寬度取上面兩式中的較大值，故有B=306mmb．有效高度外側(cè)有效高度h1=實際外伸高度=200mm外側(cè)有效高度取上面兩式中的最小值，故h1=30.30mm側(cè)有效高度h2=實際外伸高度=0mm側(cè)有效高度取上面兩式中的最小值，故h2=0mm⑤有效補強面積a．筒體多余金屬面積筒體的有效厚度為：殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積為：b．接收多于金屬面積接收的計算厚度為：接收有效厚度減去計算厚度之外的多余面積：c．補強區(qū)焊縫面積取焊腳為6mm，因是平齊管所以有焊縫面積為：d．有效補強面積e．所需補強面積因為有A4<0，所以開孔后不需要另家補強?！?〕HCl氣體進(jìn)料管的補強①材料的許用應(yīng)力筒體材料為Q245R在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力[σ]t=139MPa；；接收材料為20在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力[σ]tt=92MPa接收附加量為C=3mm。補強及補強方法判別a．補強判別根據(jù)GB150規(guī)定，允許不另行補強的最大接收外徑為?89mm。此開孔外徑等于219mm，故需考慮其補強計算。b．筒體的開孔直徑為：因為：所以滿足等面積法開孔補強計算的適用條件，故可用等面積補強法進(jìn)展開孔補強計算開孔削弱所需補強面積a．筒體的計算厚度為：錐形封頭形狀系數(shù)f為0.645b．開孔削弱所需補強面積強度削弱系數(shù)：接收有效厚度為：開孔削弱所需要的補強截面積為：有效補強圍a．有效寬度有效寬度取上面兩式中的較大值，故有B=418mmb．有效高度外側(cè)有效高度h1=實際外伸高度=200mm外側(cè)有效高度取上式的最小值，故h1=40.89mm側(cè)有效高度h2=實際伸高度=0mm側(cè)有效高度取上式中最小值，故h2=0mm⑤、有效補強面積a．筒體多余金屬面積筒體的有效厚度為：殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積為：b．接收多于金屬面積接收的計算厚度為：接收有效厚度減去計算厚度之外的多余面積c．補強區(qū)焊縫面積取焊腳為6mm，因是平齊管所以有焊縫面積為：d．有效補強面積e．所需補強面積因為有A4<0，所以開孔后不需要另家補強。其余接收均滿足GB150的規(guī)定可允許不另行補強的要求。5.4.4流化床質(zhì)量載荷上封頭質(zhì)量：上封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，公稱直徑DN=4000mm，鋼板厚度為20mm，查表可知該規(guī)格的橢圓形封頭質(zhì)量為m1=2750kg。流化床筒體質(zhì)量：流化床筒體公稱直徑DN=1800mm，鋼板厚度為18mm，查表可知1米的筒節(jié)鋼板質(zhì)量為897kg，那么其質(zhì)量為m2=897×6.0=5382kg。擴(kuò)大段筒體質(zhì)量：擴(kuò)大段筒體公稱直徑DN=3800mm，鋼板厚度為20mm，查表可知1米的筒節(jié)鋼板質(zhì)量為1884kg，那么其質(zhì)量為m3=1884×3.4=6405.6kg。過渡段質(zhì)量：根據(jù)估算其質(zhì)量為m4=3225kg。下封頭質(zhì)量：下封頭為折邊錐形封頭，公稱直徑DN=1800mm，鋼板厚度為18mm，查表可知該錐形封頭質(zhì)量為m5=630kg?？s小段的質(zhì)量〔油箱及其附屬構(gòu)造的筒體〕：公稱直徑DN=1800mm，鋼板厚度為18mm，其質(zhì)量為：m6=1438kg。頂封頭的質(zhì)量：頂封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，公稱直徑DN=1800mm，鋼板厚度為18mm，查表可知該規(guī)格的橢圓形封頭質(zhì)量為m7=540kg。附屬設(shè)備總質(zhì)量取m8=16800kg。那么流化床的總質(zhì)量為：5.4.5流化床強度及穩(wěn)定性校核流化床的有效厚度由于按照實際生產(chǎn)情況需要以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該工藝的流化床的壁厚至少取20mm，所以流化床的有效厚度為流化床危險截面的軸向應(yīng)力在本設(shè)計中，以流化床層段與稀相擴(kuò)大段連接處的截面為危險截面，那么：床體受設(shè)計壓力p引起的軸向應(yīng)力：設(shè)備操作時質(zhì)量引起的軸向壓應(yīng)力：操作時設(shè)備危險截面以上的質(zhì)量為：m0=26000kg所以有：風(fēng)載荷引起的彎曲應(yīng)力：〔3〕流化床穩(wěn)定性校核①、組合壓應(yīng)力筒體軸向壓縮穩(wěn)定許用應(yīng)力為：式中Et—筒體材料在設(shè)計溫度下的彈性模量，MPaR1-1—同體的半徑，mmδe—同體的有效厚度，mm所以有：在停工情況下將出現(xiàn)最大組合軸向壓應(yīng)力，所以最大組合軸向壓應(yīng)力為：所以該流化床的危險截面滿足抗壓強度及軸向穩(wěn)定條件。②、材料在設(shè)計溫度下的最大允許組合拉應(yīng)力為：在正常操作的情況下將出現(xiàn)最大的組合拉應(yīng)力，所以最大的組合拉應(yīng)力為：已滿足抗拉強度條件?！?〕氣壓試驗強度校核在該流化床中參與反響的物質(zhì)形態(tài)為氣體和固體，且反響過程中不存在液體，所以該流化床需進(jìn)展氣壓試驗：流化層段的氣壓實驗：壓容器試驗壓力PT：氣壓試驗強度條件σT：由該強度條件可知，筒體厚度滿足氣壓試驗時的強度要求。擴(kuò)大層段的氣壓實驗壓容器試驗壓力PT：氣壓試驗件σT由該強度條件可知，筒體厚度滿足氣壓試驗時的強度要求。5.4.8流化床反響器機械設(shè)計數(shù)據(jù)匯總由以上計算數(shù)據(jù)匯總得表5-7：表5-7流化床反響器機械設(shè)計數(shù)據(jù)流化床壁厚δn18mm風(fēng)彎矩M0w-03.14×107N·mm流化床有效壁厚δe16.2mm地震彎矩M0E-06.13×108N·mm上封頭壁厚20mm軸向應(yīng)力σ111.7284MPa下封頭厚度18mm軸向壓應(yīng)力σ21.2688MPa質(zhì)量載荷m36670.6kg彎曲應(yīng)力σ30.1709MPa流化床第一分層段風(fēng)力P11799.28N組合壓應(yīng)力σmax1.4396MPa第二分層段風(fēng)力P23212N組合拉應(yīng)力σmax10.6305MPa第三分層段風(fēng)力P37732.62N流化段氣壓試驗σT22.7678MPa第四分層段風(fēng)力P41972.8N擴(kuò)大段氣壓試驗σT42.65MPa第六章平安與環(huán)保設(shè)計說明在三氯氫硅生產(chǎn)的各個工序中，為防止火災(zāi)、中毒，要嚴(yán)格執(zhí)行各項消防平安制度，嚴(yán)格控制工藝指標(biāo)，嚴(yán)格操作規(guī)程。加強對設(shè)備管道的維護(hù)保養(yǎng)，嚴(yán)防跑、冒、滴、漏。具體預(yù)防措施如下：

1、火源管理。在生產(chǎn)中進(jìn)展檢修時使用的工具應(yīng)該是不產(chǎn)生火花的工具，嚴(yán)禁用鐵器敲打設(shè)備或管道，工作人員應(yīng)穿棉制品工作服。生產(chǎn)和貯罐區(qū)制止明火，生產(chǎn)中動火要嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)平安管理制度。

2、防止跑、冒、滴、漏。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大都是易燃易爆有毒物質(zhì)，生產(chǎn)設(shè)備、工藝管道和貯罐如果發(fā)生泄漏極易釀成火災(zāi)、爆炸和中毒事故。因此，日常工作中要做好平安檢查，不留死角，設(shè)備要定期檢修，發(fā)現(xiàn)問題及時采取補救措施，修復(fù)存在跑、冒、滴、漏的部位。

3、配置應(yīng)急工具和消防設(shè)施。應(yīng)該配備一定數(shù)量的防毒面具、自給式空氣呼吸器、手套、堵漏工具。應(yīng)急隊的人員要經(jīng)常進(jìn)展演練，熟練掌握各種情況下的堵漏方法和處置措施。貯罐區(qū)常備干