畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-年產(chǎn)10萬(wàn)噸煤制醋酸車間合成氣一氧化碳變換工段初步設(shè)計(jì)

齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGEI摘要本設(shè)計(jì)是年產(chǎn)10萬(wàn)噸煤制醋酸車間合成氣一氧化碳變換工段初步設(shè)計(jì)。首先闡述了醋酸的作用、意義和實(shí)際應(yīng)用方面的價(jià)值，研究現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。其次根據(jù)選題的設(shè)計(jì)依據(jù)對(duì)廠址的選擇、設(shè)計(jì)規(guī)模與生產(chǎn)制度、原料與產(chǎn)品規(guī)格進(jìn)行了介紹。通過對(duì)多種工藝路線的比較確定了工藝流程，從工藝計(jì)算、關(guān)鍵設(shè)備選型計(jì)算、車間布置、安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等多方面論證了該工藝的可行性，并用Aspen模擬全流程進(jìn)行驗(yàn)證。物料衡算及熱量衡算的工藝計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)備選型，并對(duì)該工段的工藝控制、安全、三廢處理給予說明。最后根據(jù)工藝條件手繪帶控制點(diǎn)的工藝流程圖和利用AutoCAD繪制了車間平立面布置圖及主體設(shè)備裝配圖，并且完成了20000字的設(shè)計(jì)說明書。關(guān)鍵詞：變換反應(yīng)；一氧化碳；流程模擬；初步設(shè)計(jì)全套圖紙加V信153893706或扣3346389411

AbstractTheworkshopofaceticacidof10000tonsperyearofcarbonmonoxideshiftconversionwasdesigned.Thesignificanceofaceticacid,thevalueofpracticalapplication,researchstatusanddevelopmentprospectswereintroducedinthispaper.Accordingtothedesignbasis,theselectionofplantsite,thedesignscale,productivesystem,rawmaterialsandproductspecificationswerediscussed.Theprocessroutewasselectedbycomparingdifferentprocessroutes,andthefeasibilityofthisprocesshadalreadybeenverifiedbythecalculationofkeyequipmentsizing,theworkshoplayout,theproductionsafety,andtheenvironmentalprotection,etc.Aspensimulationwascalculated.Andalotofstrictcalculationincludingmassbalance，heatbalanceandequipmentwerecalucuated,thesizeandtypeofkeyequipmentwereselected.Automaticcontrol,safeofworkshop,andtreatmentofthreewasteswereexplained,respectively.ArrangementofworkshopandthekeyequipmentplanweredrawnbyAutoCADandtheworkshoplayoutplanwasdrawnbyhand.Finally,ainstructionof20000wordswascompleted.Keywords:Conversionreaction;Carbonmonoxideshift;Processsimulation;PreliminarydesignPAGEPAGEIII目錄摘要 IAbstract II第1章總論 11.1概述 11.1.1選題的意義及作用 11.1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 11.2 設(shè)計(jì)依據(jù) 21.3廠址選擇 21.4設(shè)計(jì)規(guī)模與生產(chǎn)制度 31.4.1設(shè)計(jì)規(guī)模 31.4.2生產(chǎn)制度 31.5原料與產(chǎn)品規(guī)格 31.5.1主要原料規(guī)格 31.5.2 產(chǎn)品規(guī)格 4第2章工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算 52.1CO變換工藝原理 52.2變換工藝路線的選擇 52.3工藝流程概述 52.4工藝流程示意圖 62.4工藝參數(shù) 62.5物料衡算 72.5.1一氧化碳變換反應(yīng)器物料衡算 72.5.2氣液分離器物料衡算 102.6熱量衡算 112.6.1變換反應(yīng)器熱量衡算 112.6.2氣液分離器熱量衡算 132.6.3換熱器熱量衡算 14第3章設(shè)備計(jì)算與選型 183.1固定床反應(yīng)器的選型設(shè)計(jì)計(jì)算 183.1.1催化劑填充量的計(jì)算 183.1.2床層高度的計(jì)算 183.1.3管束的數(shù)目與排列 193.1.4換熱介質(zhì)的選擇與換熱溫度的計(jì)算 193.1.5機(jī)械強(qiáng)度和校核 213.1.6管口設(shè)計(jì) 243.2換熱器的選型計(jì)算 253.2.1配氣加熱器 253.2.2反應(yīng)氣換熱器 273.2.3合成氣冷卻器 283.2.4水蒸汽冷卻器 283.2.5變換氣冷卻器 293.2.6旋風(fēng)分離器 303.2.7壓縮機(jī) 313.2.8氣液分離器 32第4章設(shè)備選型一覽表 34第5章車間設(shè)備布置設(shè)計(jì) 355.1平面布置 355.1.1第一層平面布置 355.1.2第二層平面布置 365.2立面布置 36第6章自動(dòng)控制 376.1反應(yīng)器控制 376.2換熱器控制 376.3泵控制 386.4壓縮機(jī)控制 38第7章安全防火與環(huán)境保護(hù) 397.1防火防爆 397.1.1火災(zāi)于爆炸發(fā)生的主要原因 397.1.2火災(zāi)與爆炸的預(yù)防措施 397.2三廢的產(chǎn)生情況 397.3三廢的處理情況 397.4噪聲 40第8章公用工程 418.1供水及排水 418.2供電 418.3供暖 418.4供汽 41結(jié)束語(yǔ) 42致謝 43參考文獻(xiàn) 44PAGEPAGE46第1章總論概述1.1.1選題的意義及作用 醋酸是重要的有機(jī)化工原料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要位置，可應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、涂料、合成纖維、塑料和黏合劑等行業(yè)[1]。為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)醋酸的要求，開展了此年產(chǎn)10萬(wàn)噸醋酸項(xiàng)目。以煤為原料制合成氣來生產(chǎn)醋酸是目前我國(guó)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移的一個(gè)重要項(xiàng)目。針對(duì)我國(guó)多煤少油，多煤少氣的現(xiàn)狀，國(guó)家提倡煤轉(zhuǎn)油、煤轉(zhuǎn)氣和一系列化工項(xiàng)目。在本設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，合成氣CO變換生成H2和CO2的反應(yīng)是合成醋酸的重要過程，它的任務(wù)是調(diào)整CO/H2的比為1:1，以滿足后續(xù)的合成需要。通過合成氣CO變換工段可以得到合格的原料氣，為合成符合要求的醋酸產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)，因此，CO變換工段是該項(xiàng)目中的重要環(huán)節(jié)。1.1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景在CO變換過程中，催化劑有三大類。我國(guó)新型高變催化劑的研制開發(fā)較晚，西北化工研究所在國(guó)內(nèi)率先進(jìn)行低汽氣比節(jié)能高變催化劑的研究，研制了較高活性、選擇性和耐熱穩(wěn)定性的FB122型節(jié)能高溫變換催化劑，達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。我國(guó)生產(chǎn)的低溫變換催化劑大概有八種牌號(hào)[2]，由西北化工研究院開發(fā)的LB205型低溫變換催化劑，在相同操作條件下，CO的轉(zhuǎn)化率高于國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品，與國(guó)外低變催化劑相比，尚有一定差距。國(guó)內(nèi)耐硫變換催化劑研制發(fā)展很快，主要有齊魯石化公司研究院開發(fā)的QCS系列，上?；ぱ芯吭洪_發(fā)的SB系列，西北化工研究院開發(fā)的RSB-A，RSB-B系列耐硫變換催化劑具有相對(duì)堆積密度低，活性組分分布均勻，低溫活性好等特點(diǎn)，已經(jīng)在全國(guó)多家中、小型廠獲得廣泛應(yīng)用，與國(guó)外相比，我國(guó)研制的催化劑在堆密度、孔結(jié)構(gòu)、活性穩(wěn)定性等發(fā)面仍有一定差距?，F(xiàn)在許多國(guó)家進(jìn)行了Co-Mo基催化劑的研究開發(fā)，并于1978年首次實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用[3,4]。對(duì)于一氧化碳變換系統(tǒng)采取了一些相應(yīng)的改進(jìn)措施，力爭(zhēng)能量的消耗和成本。中溫串低溫，使用催化劑的活性高，此外還有常壓變換為加壓變換等。目前，我國(guó)的工藝都用加壓變換。為了利用低變的高活性，九十年代開發(fā)了全低變。國(guó)外大部分使用寬溫區(qū)的催化劑，國(guó)外合成醋酸的規(guī)模一般都很大，不管是原料還是操作壓力的選擇都與我國(guó)有很大的差別。1.2設(shè)計(jì)依據(jù)本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)依據(jù)：畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）手冊(cè)壓力容器與化工使用手冊(cè)化工工藝手冊(cè)石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè)化工自動(dòng)化及儀表化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)化工設(shè)計(jì)概論化工廠初步設(shè)計(jì)文件內(nèi)容深度規(guī)定HG/T20688-2000石油化工企業(yè)防火規(guī)范GB50160-92化工企業(yè)總圖運(yùn)輸設(shè)計(jì)規(guī)范

GB50489-2009工礦企業(yè)總平面設(shè)計(jì)規(guī)范

GB50187-2012國(guó)家建筑、化工建設(shè)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)廠址選擇本設(shè)計(jì)廠址初步擬定在寶清縣，是黑龍江東部地區(qū)重要的商貿(mào)重鎮(zhèn)和區(qū)域交通樞紐。當(dāng)?shù)赜凶銐虻耐恋毓┢渌嚓P(guān)工廠共同開發(fā)，原料的獲取更容易且方便經(jīng)濟(jì)。故選擇此地。(1)原料動(dòng)力和市場(chǎng)寶清縣經(jīng)濟(jì)繁榮，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，是黑龍江東部地區(qū)重要的商貿(mào)重鎮(zhèn)和區(qū)域交通樞紐。全縣市場(chǎng)體系健全，金融機(jī)構(gòu)覆蓋城鄉(xiāng)，通訊設(shè)施發(fā)達(dá)，電力供水充足，有省級(jí)中小企業(yè)園區(qū)一處，規(guī)劃面積500公頃，是客商投資興業(yè)的載體和平臺(tái)。境內(nèi)交通便捷，路網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯，在距該縣200公里半徑范圍內(nèi)，輻射雙鴨山、佳木斯、七臺(tái)河、雞西、富錦、集賢、友誼、密山、虎林、饒河、八五二、八五三、五九七、八五一一、北興等近10個(gè)市（縣）和10個(gè)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)，是通往饒河、密山、虎林對(duì)俄口岸的黃金通道。其中S308、S205、S307貫穿寶清縣，而東關(guān)村以南廣闊的平原更加方便了廠址的具體選擇，且目標(biāo)廠址所在地基本沒有居民區(qū)，大大減少了化工廠廢氣廢水排放給居民造成的危害。(2)交通優(yōu)勢(shì)雙鴨山市境內(nèi)通有國(guó)家鐵路1條，西至佳木斯市，全長(zhǎng)79公里。不過經(jīng)鐵路運(yùn)輸可方便到達(dá)哈爾濱、佳木斯等交通更為發(fā)達(dá)的城市，從而可將產(chǎn)品經(jīng)鐵路運(yùn)往全國(guó)各地。良好的建設(shè)條件，便利的交通運(yùn)輸，豐富的資源和優(yōu)惠政策有利于發(fā)展現(xiàn)代化、規(guī)模化的工業(yè)企業(yè)。(3)供水優(yōu)勢(shì)充足的水源是寶清縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要條件。其中其中S308、S205、S307貫穿寶清縣，目前已經(jīng)建立了多個(gè)水庫(kù)，可以提供充足水源。(4)政策優(yōu)勢(shì)2011年雙鴨山市招商引資到位資金226億元，實(shí)際使用外資2149萬(wàn)美元。建設(shè)投資千萬(wàn)元以上項(xiàng)目168項(xiàng)，億元以上項(xiàng)目53項(xiàng)，已竣工投產(chǎn)102項(xiàng)，累計(jì)完成投資178億元。市政府與省政府簽狀的10個(gè)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目全部開復(fù)工，已竣工5項(xiàng)，完成投資25.8億元。重點(diǎn)引進(jìn)了漢能薄膜太陽(yáng)能電池研發(fā)制造基地、國(guó)電盛世煤電公司乙二醇等大項(xiàng)目，建設(shè)了建龍三期綜合項(xiàng)目等一大批產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型項(xiàng)目。設(shè)計(jì)規(guī)模與生產(chǎn)制度設(shè)計(jì)規(guī)模本設(shè)計(jì)是年產(chǎn)10萬(wàn)噸醋酸合成氣CO變換工段的初步設(shè)計(jì)，所以生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)10萬(wàn)噸醋酸。年開工300d，且24h運(yùn)作，既每年開工7200小時(shí)。生產(chǎn)制度員工是一個(gè)企業(yè)的財(cái)富，一個(gè)企業(yè)的靈魂，其人身安全至關(guān)重要，這不僅是對(duì)自己的負(fù)責(zé)，也是對(duì)企業(yè)負(fù)責(zé)，這可以促進(jìn)公司事業(yè)的發(fā)展。這不僅需要企業(yè)制定相關(guān)規(guī)定，也需要員工遵守。根據(jù)有關(guān)勞動(dòng)保護(hù)的法令、法規(guī)等有關(guān)規(guī)定，結(jié)合公司的實(shí)際情況制訂本規(guī)定。公司的安全生產(chǎn)工作必須貫徹“安全第一，預(yù)防為主”的方針，貫徹執(zhí)行總經(jīng)理(法定代表人)負(fù)責(zé)制，各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)要堅(jiān)持“管生產(chǎn)必須管安全”的原則，生產(chǎn)要服從安全的需要，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)和文明生產(chǎn)。安全生產(chǎn)人人有責(zé)，企業(yè)的每個(gè)職工都必須在自己崗位上認(rèn)真履行各自的安全職責(zé)，實(shí)現(xiàn)全員安全生產(chǎn)責(zé)任制、崗位安全生產(chǎn)職責(zé)。此外，廠區(qū)內(nèi)和廠區(qū)范圍以外100米內(nèi)嚴(yán)禁煙火，堅(jiān)決禁止任何人攜帶火柴、香煙、汽油等易燃易爆物品進(jìn)入廠區(qū)；員工禁止穿帶鐵釘?shù)男?，防止產(chǎn)生電火花。原料與產(chǎn)品規(guī)格主要原料規(guī)格本設(shè)計(jì)的合成氣是來自國(guó)內(nèi)某煤化工企業(yè)HT-L粉煤氣粗合成氣，其原料的含量如下表：表1-1主要原料規(guī)格原料變換氣H2COCO2N2NH3含量/Kmol%20.29069.5788.0882.0400.0041.4.2產(chǎn)品規(guī)格經(jīng)過合成氣CO變換后，達(dá)到合成醋酸所需要的H2和CO比例后，再經(jīng)過后序工段合成醋酸，最后達(dá)到所需要的合格產(chǎn)品。醋酸化學(xué)品名稱為乙酸，分子式C2H4O2,在本次設(shè)計(jì)中，所得的醋酸的純度為≥99.9%。

第2章工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算2.1CO變換工藝原理變換的原理是氣體中的CO和水蒸汽在一定壓力和溫度條件下，在催化劑的作用，使工藝中的CO和H2O（g）發(fā)生變換反應(yīng)生成H2和CO2，其反應(yīng)式如下：主要反應(yīng)CO+H2O=CO2+H2+Q通過上述反應(yīng)，既能把CO轉(zhuǎn)化為易于脫出CO2，又可以制得與反應(yīng)CO等摩爾的氫氣，而消耗的僅僅是廉價(jià)的蒸汽，使工藝氣體變換到希望的氣體組成。CO在變換時(shí)可能發(fā)生的副反應(yīng)2CO=C+CO2CO+3H2=CH4+H2OCO2+4H2=CH4+2H2OH2O和CO比低時(shí)，有利于這些反應(yīng)，但CO歧化會(huì)使催化劑積累C，工業(yè)上在進(jìn)行變換反應(yīng)用具有良好選擇性的催化劑，進(jìn)而抑制其他副反應(yīng)的發(fā)生。變換反應(yīng)是一個(gè)可逆放熱、等體積的化學(xué)反應(yīng)[4]，反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)。2.2變換工藝路線的選擇本設(shè)計(jì)是年產(chǎn)10萬(wàn)噸醋酸合成氣CO變換工段設(shè)計(jì)，主要是把合成氣中一氧化碳和氫氣的比例進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)氣化煤氣體積組成分?jǐn)?shù)[5]，一氧化碳含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氫氣。這樣就需要把一氧化碳的量減少的同時(shí)還要提高氫氣的量，而一氧化碳變換主要有兩種，全部變換和部分變換。全部變換主要是把醋酸合成氣中的CO全部變換成氫氣，CO的量會(huì)大大減少，不符合生產(chǎn)要求。部分變換是指粉煤來的合成氣分兩部分，一部分用于變換，另一部分與變換后的合成氣進(jìn)行匯合，通過調(diào)節(jié)合成氣的分率來達(dá)到要求的變換氣組成。2.3工藝流程概述由粉煤氣化并且脫完硫來的合成氣經(jīng)過調(diào)節(jié)流量分成兩股，一股作為配氣不經(jīng)過變換爐反應(yīng)器；另一股需要變換的合成氣先經(jīng)過換熱器預(yù)熱至210.5℃[6]，進(jìn)入變換爐與壓縮機(jī)輸送過來的水蒸氣進(jìn)行變換反應(yīng)，CO的變換率為80%，爐內(nèi)裝寬溫耐硫變換催化劑；變換后產(chǎn)生固體碳，變換氣經(jīng)過旋風(fēng)分離器分離出固體碳；分離出固體的變換氣經(jīng)過氣液分離器，溫度降至50℃，壓力為2個(gè)大氣壓，把變換氣中的水蒸氣部分除去；分離出來的水加熱成水蒸氣，循環(huán)利用；分離后的合成氣與配氣混合，經(jīng)過換熱器將氣體降溫后，通過氣液分離器將多余水分除去，合成氣再進(jìn)去下一個(gè)工段，進(jìn)行脫碳；采用Aspen模擬，采用RK-Aspen物性方法和ELECNRTL物性方法[7]:圖2-1Aspen模擬流程示意圖2.4工藝流程示意圖圖2-2一氧化碳變換工藝流程簡(jiǎn)圖2.4工藝參數(shù)年開工時(shí)間：7200小時(shí)一氧化碳與氫氣的比：1:1表2-2設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表名稱反應(yīng)器變換氣氣液分離器合成氣氣液分離器壓力/bar361020溫度210.560402.5物料衡算本工段主要是一氧化碳在一定的條件下在固定床反應(yīng)器中變換反應(yīng)，故主要對(duì)反應(yīng)器、換熱器、氣液分離器等設(shè)備進(jìn)行物料衡算和熱量衡算。2.5.1一氧化碳變換反應(yīng)器物料衡算本工段主要是一氧化碳在一定的條件下在固定床反應(yīng)器中變換反應(yīng)，故主要對(duì)反應(yīng)器、換熱器、氣液分離器等設(shè)備進(jìn)行物料衡算和熱量衡算。合成氣進(jìn)料的比例如表2-2表2-3設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表組分含量%一氧化碳20.29氫氣69.58二氧化碳7.10氮?dú)?.04氨氣1.00年產(chǎn)10萬(wàn)噸醋酸，年生產(chǎn)時(shí)間300d，24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，即年工作時(shí)間720M=60g/mol，n=231.48Kmol/h在醋酸生產(chǎn)中，合成氣中一氧化碳和氫氣進(jìn)料比例為1:1，可計(jì)算變換后的合成氣中所需CO的摩爾流量為462.96Kmol/h，CO在變換爐內(nèi)的轉(zhuǎn)化率為80%，進(jìn)入變換爐的CO的摩爾含量為69.578%。(1)所需合成氣總量的計(jì)算設(shè)所需合成氣總量為aKmol/h變換后CO：H2=1:1；CO變換率為80%，副反應(yīng)中一氧化碳轉(zhuǎn)化率為10%設(shè)變換的CO為x，未變換的為y，則x+y=a×69.578%[y+（x-0.8x-0.2x）]：[（0.2029a+x/0.8-0.2×0.1x）]=1:1y+x-0.8x-0.2×0.1x=462.96則總合成氣的摩爾流量為1021.47Kmol/h，根據(jù)各組分的量mco=69.578%×1021.47×103×28=19900.12kg/hmH2=20.29%×1021.47×103×2=414.51kg/hmco2=7.088%×1021.47×103×44=3185.56kg/hmN2=2.04%×1021.47×103×28=583.46kg/hmNH3=1.004%×1021.47×103×17=174.26kg/h總合成氣質(zhì)量為mco+mH2+mco2+mN2+mNH3=24270.10kg/h(2)計(jì)算需要變換和未變換的合成氣量進(jìn)料量F1=24270.10kg/h根據(jù)計(jì)算得變換和未變換的分率為0.79F2/F3=0.79變換量F2=10744.37kg/h未變換量F3=13525.31kg/h分離前的總出料量F2+F3=24269.68kg/h所以兩股物料守恒表2-4變換氣和未變換氣物料衡算表進(jìn)料出料物流流量/kg/h物流流量/kg/hF124270.10F210744.37——F313525.31合計(jì)24270.10合計(jì)24269.68(3)總蒸汽量的計(jì)算CO變換反應(yīng)式為：CO+H2O=CO2+H2設(shè)起始濃度為：abcd則a=61.22，c=6.240，d=17.85CO反應(yīng)量為：CO=61.2280%=48.98Nm3/h(每100Nm3水煤氣)反應(yīng)平衡常數(shù)Kp的計(jì)算公式（2-1）Kp=2.5872（2-2）將a，c，d的值代入（2-2），得b=165.52，即汽/氣=1.66所以所需要的水蒸汽用量nH2O=1.66452.20=750.65Kmol/h(4)對(duì)低變換爐反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算圖2-3為反應(yīng)器物料衡算圖圖2-3反應(yīng)器物料衡算圖根據(jù)分離出變換氣中的量，總進(jìn)料量可計(jì)算進(jìn)入反應(yīng)器的合成氣中各組分的摩爾流量和質(zhì)量流量n變換氣=1021.47×（1－0.5586）=452.20Kmol/hnco=452.20×69.578%=314.60Kmol/hmco=314.60×28=8808.68kg/hnH2=452.20×20.290%=91.75Kmol/hmH2=91.75×2=183.50kg/hnco2=452.20×7.1%=32.11Kmol/hnN2=452.20×2.00%=9.04Kmol/hnNH3=452.20×1%=4.52Kmol/h表2-5原料氣組分組分COH2CO2N2NH3總計(jì)%69.620.37.121100kg/h8813.05184.961410.61258.4277.3210744.37Kmol/h314.6491.7532.059.234.54452.21主要反應(yīng)CO+H2O=CO2+H2+Q設(shè)598.9℃平衡變換率為X，Kp=2.5872（2-3）解得X=79.5%初設(shè)一氧化碳的轉(zhuǎn)化率80%實(shí)際變化率為平衡變換率的百分?jǐn)?shù)：W=CO反應(yīng)=314.60Kmol/h×80%=251.68Kmol/h副反應(yīng)CO+H2=C+H2O一氧化碳的轉(zhuǎn)化率為10%CO反應(yīng)=314.60Kmol/h×10%=31.460Kmol/h得出變換后各個(gè)組分的含量組成表2-6變換后物料含量表COH2CO2N2NH3H2OC總計(jì)Kmol/h311.464311.997283.7609.22254.5401737.75531.4642410.205kg/h881.305628.94812488.23258.42477.32131306.15377.90845988.29根據(jù)物料守恒可得進(jìn)料量m=45988.37kg/h出料量m=45988.29kg/h根據(jù)上述數(shù)據(jù)可得，反應(yīng)器系統(tǒng)守恒則變換反應(yīng)后各物料進(jìn)出情況如下：表2-7反應(yīng)器物料衡算表進(jìn)料量出料量Kmol/h2409.202410.21kg/h45988.3745988.292.5.2氣液分離器物料衡算(1)氣液分離器1圖2-4為氣液分離器物料衡算圖圖2-4氣液分離器物料衡算圖氣液分離器1氣液分離器進(jìn)料量：F進(jìn)=45640.38kg/h氣液分離器氣體出料量：F氣=14306.73kg/h氣液分離器液體出料量：F液=31333.64kg/h根據(jù)氣液分離器進(jìn)料量與出料量可得，氣液分離器內(nèi)物料守恒表2-8氣液分離器物料衡算表進(jìn)料出料kg/h45640.3814306.7331333.64氣液分離器2：根據(jù)合成氣中所需要的CO量則nco=462.96Kmol/h，m合成氣=27777.90kg/hm混合氣=27832.46kg/hm冷凝水=54.55kg/h可知，氣液分離器中質(zhì)量守恒表2-9氣液分離器物料衡算表進(jìn)料出料kg/h27832.4627777.9054.552.6熱量衡算本設(shè)計(jì)共13個(gè)設(shè)備，根據(jù)各個(gè)設(shè)備的特點(diǎn)，對(duì)它們進(jìn)行熱量衡算，為其設(shè)備選型做好基礎(chǔ)。2.6.1變換反應(yīng)器熱量衡算工藝參數(shù)：進(jìn)口溫度：210.5℃反應(yīng)壓力：3.6MPa反應(yīng)溫度：210.5℃nco=313.67kmol/h，設(shè)CO變換反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為80%在210℃時(shí)表2-10變換爐熱量衡算各物質(zhì)參數(shù)物質(zhì)COH2OCO2H2NH3CN2比熱kJ/kg.K1.05301.02900.992314.30502.40550.51001.0465組分0.8200.1310.0170.0070.024變換氣平均混合熱熔Cpm==1.0530×0.820﹢0.9923×0.131﹢14.3050×0.017﹢2.4055×0.007﹢1.0465×0.024=1.278kJ/kg·KQ=mCp△T=10744.3738×1.278×210=2.884×106kJ/hQ=1.052×107kJ/h水蒸汽帶入的熱量Q水=mCp△T=1.0290×35273.92×210.5=7.640×106kJ/h所以帶入熱量Q進(jìn)入=7.640×106kJ/h﹢2.884×106kJ/h=2.054×107kJ/h在210.5℃時(shí)，CO轉(zhuǎn)化為CO2的反應(yīng)熱為-5.017×104kJ/kmol則Q1（210.5，CO-CO2)=（313.67×80%）Kmol/h×（-5.017×104kJ/Kmol）=-1.26×107kJ/h副反應(yīng)CO+H2=C+H2O轉(zhuǎn)化率為10%nco=313.67Kmol/h反應(yīng)熱Q=QH2O+QC－QH2－QCO其中Q=mCp△TQH2O=31.67×18×1.029×210.5=1.235×105kJ/hQC=31.67×12×0.51×210.5=4.071×104kJ/hQH2=31.67×2×14.305×210.5=1.907×105kJ/hQCO=31.67×28×1.053×210.5=1.966×105kJ/h所以反應(yīng)熱Q=1.235×105kJ/h＋4.071×104kJ/h－1.907×105kJ/h－1.966×105kJ/h=-2.2159×105kJ/h所以反應(yīng)器放出的熱量Q總=1.282×107kJ/h從入口到出口的溫差為x，各氣體溫度升高所需要的熱量Q總=881.305×1.053x＋628.948×14.305x＋12488.234×0.9923x＋258.424×1.0465x＋77.326×2.4055x＋377.908×0.51（x+210.5）＋31306.152×1.029x=26248.9x設(shè)Q損忽略所以Q放=Q總解得x=388.40℃所以出口溫度t=210.5＋388.40=598.90℃所以變換爐反應(yīng)器熱量衡算表如下：表2-11變換爐熱量衡算表進(jìn)口溫度(℃)熱量(kJ/h)反應(yīng)熱(kJ/h)出口溫度(℃)熱量(kJ/h)混合氣體210.52.052×1071.282×107210.51.376×1072.6.2氣液分離器熱量衡算圖2-5氣液分離器熱量衡算示意圖混合物在50℃時(shí)，進(jìn)入氣液分離器的條件參數(shù)表2-12氣液分離器熱量衡算各物質(zhì)參數(shù)物質(zhì)COH2OCO2H2NH3N2比熱容kJ/kg·K1.0294.1780.87114.1102.1141.026組成0.0190.6860.2270.0140.0020.006則混合物的平均比熱容Cpm=（2-5）Cpm=1.029×0.019＋4.178×0.686＋0.871×0.227＋14.110×0.014＋2.114×0.002＋1.026×0.006=3.298kJ/kg·K所以Q進(jìn)=mCpm·Δt=45640.38×3.298×50=7.58×106kJ/h分離出合成氣在50℃時(shí)的平均比熱容Cpm=0.044×14.11＋0.0616×1.029＋0.872×0.871＋0.0181×1.026＋0.00444×4.174=1.481kJ/kg·K則分離出合成氣的熱量Q合成氣=mCpm·Δt=14306.73×1.481×50=1.059×106kJ/h50℃時(shí)，冷凝液的比熱容Cpm=4.174×0.997＋0.00235×2.114=4.166kJ/kg·KQ水=mCp·Δt=31333.6496×4.166×50=6.521×106kJ/h 由于氣液分離器內(nèi)無(wú)換熱所以：Q混=Q氣+Q液氣液分離器熱量守恒表2-13氣液分離器熱量恒算表進(jìn)料出料物料熱量/物料熱量/Q混/kJ/h7.58×106Q氣/kJ/h1.059×106——Q液/kJ/h6.521×106合計(jì)7.58×106合計(jì)7.58×1062.6.3換熱器熱量衡算(1)加熱器E101①進(jìn)料條件溫度25℃ 210.5℃進(jìn)料流量n=452.205Kmol/hm=10744.374kg/h表2-14換熱器熱量衡算各物質(zhì)參數(shù)物質(zhì)COH2N2NH3CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8200.0170.0240.0070.131比熱容Cp/kJ/kg·℃1.05614.361.0512.2760.9295②平均比熱容Cpm==0.820×1.056+0.017×14.36+0.024×1.051+0.007×2.276+0.131×0.9295=1.2729kJ/kg·K③變換氣所需要的熱負(fù)荷Q=mCpm·Δt=10744.374×1.2729×（210.5－25）=2.537×106kJ加熱蒸汽用量：D=（2-6）D-加熱蒸汽消耗量，kg/hQ-傳熱量，kJH-水蒸氣的氣化潛熱，kJ/kgCp-蒸汽比熱容kJ/kg·K-熱效率，取0.96（熱損失一般取換熱器熱負(fù)荷3%~5%[8]）采用233.7℃，3MPa高壓蒸汽進(jìn)行加熱，其液化潛熱為1793.5kJ/kg所以D表2-15熱量衡算表物質(zhì)熱負(fù)荷QkJ/h輸出換熱介質(zhì)用量kg/h數(shù)值2.537×1061473.5(2)換熱器E104未變換氣計(jì)算熱負(fù)荷Q=mCpm·Δt=1.093×106kJ/h采用110℃，0.14MPa低壓蒸汽進(jìn)行加熱，其汽化潛熱為2234.4kJ/kg所以D(3)換熱器E106總合成氣計(jì)算熱負(fù)荷Q=mCpm·Δt=1.900×106kJ/h采用進(jìn)口溫度30℃，出口溫度為65℃的水Δt=65－30=35℃該溫度變化下Cp水=4.174kJ/kg·KQ=Cp水D·Δt所以計(jì)算熱負(fù)荷Q=mCpm·Δt=4.321×103kJ/h采用進(jìn)口溫度65℃，出口溫度30℃Δt=65－30=35℃Q=Cp水D·Δt所以(4)換熱器E102壓縮機(jī)出氣水蒸氣比熱容：4.681kJ/kg·℃質(zhì)量：35273.92kg/h計(jì)算熱負(fù)荷Q=mCpm·Δt=7.5×106kJ/h物料進(jìn)口溫度256℃，出口溫度210.5℃換熱介質(zhì)進(jìn)口溫度20℃，出口溫度80℃Δt=256－210.5=45.5℃Q=Cp水D·Δt所以19469kg/h(5)換熱器E105變換反應(yīng)后的氣體物料進(jìn)口溫度210.5℃，出口溫度60℃換熱介質(zhì)進(jìn)口溫度10℃，出口溫度80℃計(jì)算熱負(fù)荷Q=mCpm·Δt=46018.29×3.373×204.5=3.17×107kJ/hQ=Cp水D·Δt所以h表2-16換熱器的熱量衡算表溫度℃熱負(fù)荷kJ/h換熱介質(zhì)用量kg/h進(jìn)口出口變換氣加熱器25210.52.537×1061473.5配氣加熱器25901.093×106509.6合成氣冷卻器89.9401.900×10613547.6水蒸汽換熱器256210.57.500×10619469變換氣冷卻器210.5603.170×10711301.52.7Aspen模擬利用AspenPlus整個(gè)工藝的模擬，模擬結(jié)果如下。表2-17模擬結(jié)果一覽表HCQSZQBHQYA溫度℃201102040壓力11284氣相分率111＜0.001質(zhì)量流量kg/h24270.1035273.9227777.9054.56體積流量m3/h25321.6861890.261039.880.0602-18質(zhì)量流量模擬結(jié)果一覽表質(zhì)量流量kg/hr流股HCQSZQBHQYACO19907.51313.42TRACE＜0.001CO23186.39114.16TRACE0.025NH3174.66123.50TRACE4.935H2417.800.013933.72TRACEH2O—11.54659.3449.60N2583.7456.42314.8TRACE表2-19質(zhì)量分率模擬結(jié)果一覽表質(zhì)量分率流股HCQSZQBHQYACO0.820—0.4311PPMCO20.131—0.513454PPMNH30.007—0.0030.090H20.017—0.031143PPBH2O—1502PPM0.909N2——0.02154PPB

第3章設(shè)備計(jì)算與選型3.1固定床反應(yīng)器的選型設(shè)計(jì)計(jì)算3.1.1催化劑填充量的計(jì)算變換爐是醋酸生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備，與其他的設(shè)備一起完成整個(gè)生產(chǎn)的工藝流程。就本設(shè)計(jì)而言變換爐就擔(dān)當(dāng)著一個(gè)半水煤氣與變換氣的變換裝置，在這個(gè)變換過程中半水煤氣在觸媒（催化劑）的作用下發(fā)生下面的化學(xué)變化熱量，根據(jù)生產(chǎn)過程的特征和需要本文中對(duì)變換爐的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。表3-1變換爐設(shè)計(jì)參數(shù)工作壓力（MPa）操作溫度（℃）物料名稱腐蝕余量（mm）3.6210.5變換氣、水蒸汽4原料液的體積流量（3-1）催化劑填充量的計(jì)算根據(jù)體積空速算的催化劑的填充量（3-2）VR—催化劑的填充體積，m3VON—原料液的體積流量，m3/hSv—體積空速，h-13.1.2床層高度的計(jì)算取其空塔氣速則塔的截面積為（3-3）催化劑床層高度（3-4）根據(jù)《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》查的催化劑的孔隙率0.4，裝料管的長(zhǎng)度,取管長(zhǎng)為7m3.1.3管束的數(shù)目與排列根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求列管的管徑為，管長(zhǎng)取10m，催化劑填充高度為7m列管數(shù)（3-5）反應(yīng)器列管的布置與普通換熱器有很大不同。首先，管束中央水循環(huán)受阻，傳熱惡化，溫度分布不均，故此區(qū)域不布管；其次，反應(yīng)管的排管把整個(gè)管板按30℃劃分為12個(gè)區(qū)間，整個(gè)管板由一個(gè)30°區(qū)間陣列而成[8]。取管間距為50mm，采用的是等邊三角形排列方式。中央不布管區(qū)域直徑1000mm。根據(jù)排列方式及中間不不管面積可知，里層第一層排管數(shù)為5，劃分十二個(gè)區(qū)，為了滿足化熱要求，每個(gè)區(qū)排管取整后為530根，實(shí)際排管6360根。由于是正三角形排布，所以可以根據(jù)等差數(shù)列進(jìn)行計(jì)算（3-6）解得由于管間距為50mm，根據(jù)三角形性質(zhì)可知其垂直距離為43mm；管排的長(zhǎng)度；3.1.4換熱介質(zhì)的選擇與換熱溫度的計(jì)算(1)本設(shè)計(jì)的換熱介質(zhì)選擇熔鹽載體，氣組成如下表表3-2熔鹽物化參數(shù)一覽表名稱Na2OK2O銷態(tài)氮ClFe水不溶物含量≥20.35%≥24.7%≥16.1%≤0.03%≤0.005%≤0.01表3-3熔鹽物化參數(shù)一覽表項(xiàng)目指標(biāo)熔點(diǎn)/℃142沸點(diǎn)/℃680熔融熱/Kcal/Kg18比熱/cal/Kg0.34熱膨脹系數(shù)/℃4x10-4膜溫/℃620平均導(dǎo)熱系數(shù)0.317使用溫度/℃150～540密度/kg/m32100(2)熔鹽出口溫度的計(jì)算①溫度的計(jì)算熔鹽的進(jìn)口流速取，管口入口直徑，則管子的進(jìn)口流量為（3-7）熔鹽的質(zhì)量流量為：（3-8）熔鹽的冷端入口溫度為t1=150℃，則其出口端溫度t2為：℃（3-9）②換熱面積的計(jì)算床層對(duì)壁給熱系數(shù)的計(jì)算（3-10）—流體導(dǎo)熱系數(shù)，—流體表觀質(zhì)量流速，—流體粘度，（3-11）經(jīng)查《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》碳鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)，較干凈壁面污垢熱阻將數(shù)據(jù)帶入總傳質(zhì)系數(shù)（3-12）表3-4原料與熔鹽進(jìn)出口溫度原料熔鹽出口溫度T出口溫度T進(jìn)口溫度t出口溫度t210210150186.9傳熱推動(dòng)力（3-13）所需換熱面積為：（3-14）實(shí)際傳熱面積為：（3-15）所以設(shè)計(jì)傳熱面積滿足滿足工藝要求③床層壓降的計(jì)算（3-16）屬于湍流（3-17）3.1.5機(jī)械強(qiáng)度和校核(1)設(shè)計(jì)的選材考慮到使用溫度、許用應(yīng)力、價(jià)格、供貨情況及材料的焊接性能等，在設(shè)計(jì)中選?。簹んw、列管、管板、封頭、法蘭、支座、折流板材料為16MnR[9]。(2)板厚的計(jì)算根據(jù)流體進(jìn)出口溫度，選擇流體的設(shè)計(jì)溫度為操作溫度的210℃，設(shè)計(jì)壓力為操作壓力的1.1倍，即0.39Mpa由于本操作是在高溫下進(jìn)行，所選材料為耐高溫材料16MnR，焊接方式：選為雙面焊對(duì)接接頭，100%無(wú)損探傷，故焊接系數(shù)；根據(jù)GB6654《壓力容器用鋼板》和GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼板》規(guī)定可知對(duì)0Cr18Ni9鋼板，C1=1,C2=2材料的許用應(yīng)力則厚度按下式計(jì)算：（3-16）圓整后取厚度為60mm(3)氣壓試驗(yàn)16MnR的屈服極限為，氣壓試驗(yàn)：取兩者之間取較大值，所以，氣壓試驗(yàn)強(qiáng)度校核滿足公式：（3-17）所以氣壓試驗(yàn)滿足強(qiáng)度要求。60mm，內(nèi)徑為3400mm。(4)氣體分布板設(shè)計(jì)①氣體分布板的形式工業(yè)應(yīng)用的氣體分布板形式很多，主要有直流式、側(cè)流式、填充式、短管以及無(wú)分布板的漩流式等。本反應(yīng)器選用錐形分布板。②分布板的壓降分布板的壓降可用下式表達(dá)：（3-18）式中——操作孔速，；——分布板的開孔率；——分布板的阻力系數(shù)，一般為1.5～2.5，對(duì)于側(cè)縫帽分布板為2?！?dú)怏w密度，。理想的氣體分布板壓降必然是同時(shí)滿足均勻布?xì)夂途哂辛己梅€(wěn)定性這兩個(gè)條件的最小壓降。③均勻布?xì)鈮航礡ichardson建議分布板的阻力至少應(yīng)是氣流阻力的100倍，即：④穩(wěn)定性壓降A(chǔ)garwal等指出，穩(wěn)定性壓降應(yīng)不小于列管式固定床層壓降的10％，即（3-19）并且在任何情況下，其最小值約為3500Pa。由此，分布板的最小壓降可表示為：（3-20）這里，均勻布?xì)鈮航稻统蔀榇我獑栴}，只考慮穩(wěn)定性壓降就可以了。所以：（3-21）由于所以（3-22）（3-23）(4)板厚取厚度10mm?？讛?shù)和孔徑的確定(5)取孔徑d＝10mm則：孔數(shù)（3-24）在分布板中心部分按等邊三角形排列，這樣，每一圈是正六邊形，最外2～3圈為同心圓排列，同心圓與正六邊形之間的大空隙處，適當(dāng)補(bǔ)加一些孔。設(shè)孔間距為s有公式則：（3-25）取錐帽外徑60mm，則實(shí)際排孔2912個(gè)，此時(shí)（3-26）（3-27）滿足要求(6)折流板由于反應(yīng)器中間不排管，最好選用環(huán)盤型折流板，板間距為1m，板厚10mm。折流板材料為Q345R。(7)封頭的設(shè)計(jì)選用橢圓形封頭，根據(jù)《過程設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》查的，其公稱直徑為3400mm，曲面高度850mm，直邊高度50mm壁厚為反應(yīng)器厚度60mm，所以橢圓形封頭內(nèi)徑為3400mm，厚度為60mm(8)支座的設(shè)計(jì)支座采用裙座，材質(zhì)為Q345R，裙座與塔體的鏈接采用對(duì)接式焊接，裙座筒體外徑為3440mm，厚度為20mm。因?yàn)榉磻?yīng)器筒體大、高，需要在裙座內(nèi)部設(shè)置梯子。根據(jù)《塔設(shè)計(jì)》裙座上開設(shè)2個(gè)人孔方便檢查，選擇公稱直徑為450mm的人孔為減少腐蝕以及在運(yùn)行中可能有氣體溢出，需要在裙座上部設(shè)置排氣管，根據(jù)反應(yīng)器直徑，設(shè)置排氣管規(guī)格Φ100×4mm?？紤]到裙座的防火問題，在裙座內(nèi)外側(cè)均敷設(shè)防火層，防火材料為石棉水泥層（容積密度約為），厚度為50mm。裙座高度（9）反應(yīng)器總高度與總質(zhì)量計(jì)算反應(yīng)器總高度為經(jīng)查得材料密度反應(yīng)器換熱管總質(zhì)量反應(yīng)器反應(yīng)器筒體質(zhì)量封頭的質(zhì)量裙座質(zhì)量其他附件質(zhì)量反應(yīng)總質(zhì)量3.1.6管口設(shè)計(jì)(1)反應(yīng)器進(jìn)口反應(yīng)器進(jìn)口總流量為，選進(jìn)入反應(yīng)器之前總管道運(yùn)輸速度為20m/s，則反應(yīng)器入口直徑（3-25）所以采用的管道所以入口的實(shí)際流速為（3-26）(2)出口管設(shè)計(jì)反應(yīng)器出口流量為，取出口管速度為5m/s則出口管直徑所以采用所以入口的實(shí)際流速為3.2換熱器的選型計(jì)算換熱器是化工生產(chǎn)中一個(gè)重要設(shè)備，它是能量變換的一個(gè)設(shè)備，本設(shè)計(jì)中換熱器有5個(gè)，設(shè)計(jì)選型計(jì)算如下[10]。3.2.1配氣加熱器(1)根據(jù)任務(wù)要求確定設(shè)計(jì)方案類型：固定管板式換熱器流動(dòng)路徑：水蒸汽走殼程，及時(shí)排走冷凝液，變換氣走管內(nèi)(2)初算換熱器的傳熱面積S0確定加熱介質(zhì)的消耗量W由熱量衡算可知，總傳熱流量Q=1.093×106kJ/h=303.6KwW=509.6kg/h計(jì)算平均溫差選取逆流流向，先按單殼程單管稱考慮，計(jì)算平均tt1=109－25=84℃t2=110－90=20℃由于t2/t1≤2因此對(duì)于純逆流傳熱溫差tm(逆)==52℃（3-27）有關(guān)參數(shù)P==0.76，R==0.015（3-28）根據(jù)R、P值，查化工原理教材P232圖4-19(a)得校正系數(shù)=0.98＞0.8[11]可見用單殼程單管稱合適所以=tm(逆)·=52×0.98=51℃（3-29）傳熱系數(shù)：K0=260W/m2·℃所以換熱面積：初算所需傳熱面積S0S0===22.8m2（3-30）(3)選定換熱器的概略尺寸查換熱設(shè)計(jì)和設(shè)備手冊(cè)所需換熱面積S=22.7m2在管程結(jié)垢不很嚴(yán)重，以及壓力降較高情況下采用?19mm×2mm鋼管管徑d0=19mm，d1=15mm；管長(zhǎng)l=3m所需管子根數(shù)n=164中心排管數(shù)nc=15管子間距Pt=25mm管程數(shù)nt=2(4)折流板直徑Dc，數(shù)量及有關(guān)尺寸的確定外殼直徑Di=t（nc-1）+2b（3-31）管中心距t=1.25d0=1.25×19=25mm所以Di=25×（16﹣1）＋2b管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離b=1.5d0=1.5×0.019=0.029mDi=25×﹙16－1﹚＋2×0.029=0.375m=400mm選取折流板與殼體間的間隙為3.0mm折流板直徑Dc=400-2×3=340mm切去弓形高度h=0.25D=0.25×400=0.1m折流板數(shù)量NB=（3-32）取折流板間距h0=300mmNB=，NB=6塊實(shí)際折流板間距，h=(5)拉桿的直徑和數(shù)量與定距管的選定查閱換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)P189拉桿的螺紋公稱直徑dn=12mm拉桿長(zhǎng)L=16mm前螺紋La=15mm后螺紋=50mm拉桿數(shù)量：4根拉桿的位置，均勻的置在管束周圍，任何折流板應(yīng)不少于3個(gè)支撐點(diǎn)定距管采用與換熱管相同的管子，即?19mm×2mm不銹鋼鋼管(6)換熱器主要構(gòu)件尺寸與接管尺寸的確定殼體厚度的確定[12]δ1=8mm封頭厚度δ2=8mm管板尺寸管子與管孔之間保留1mm的距離，防止管子受熱膨脹，使管板受壓變形換熱器H2為單殼程的固定管板式換熱器，其型號(hào)為BEM400—28—3/19—2Ⅰ。3.2.2反應(yīng)氣換熱器(1)根據(jù)任務(wù)要求確定設(shè)計(jì)方案類型：固定管板式換熱器(2)初算換熱器的傳熱面積S0確定加熱介質(zhì)的消耗量W由熱量衡算可知，總傳熱流量Q=2.537×106kJ/h=704.7Kw計(jì)算平均溫差選取逆流流向，先按單殼程單管稱考慮，計(jì)算平均tt1=233－25=208℃，t2=233.7－210.5=23.2℃由于t2/t1≧2因此對(duì)于純逆流傳熱溫差：tm(逆)==84.3℃有關(guān)參數(shù)P==0.88，R==0.004根據(jù)R、P值，查化工原理教材P232圖4-19(a)得校正系數(shù)=1＞0.8[11]所以：=tm(逆)·=84.3℃估算總傳熱系數(shù)：K0=760W/m2·℃初算所需傳熱面積S0：S0===11m2(3)選定換熱器的概略尺寸查換熱設(shè)計(jì)和設(shè)備手冊(cè)所需換熱面積S=12.7m2；?25mm×2.5mm鋼管管徑d0=25mm，d1=20mm；管長(zhǎng)l=3m 所需管子根數(shù)n=56；中心排管數(shù)nc=9管程數(shù)nt=2；型號(hào)：BEM325—13—3/25—2Ⅰ3.2.3合成氣冷卻器(1)根據(jù)任務(wù)要求確定設(shè)計(jì)方案類型：固定管板式換熱器(2)初算換熱器的傳熱面積S0確定加熱介質(zhì)的消耗量W由熱量衡算可知，總傳熱流量Q=1.900×106kJ/h=527.8Kw計(jì)算平均溫差選取逆流流向，先按單殼程單管稱考慮，計(jì)算平均tt1=89.9－65=34.9℃，t2=50－40=10℃由于t2/t1≧2因此對(duì)于純逆流傳熱溫差：tm(逆)==19.9℃有關(guān)參數(shù)P==0.58，R==1.43根據(jù)R、P值，查化工原理教材P232圖4-19(a)得校正系數(shù)=0.81＞0.8[11]，雙殼程所以：=tm(逆)·=19.9×0.81=16.1℃估算總傳熱系數(shù)：K0=656W/m2·℃初算所需傳熱面積S0：S0===50m2(3)選定換熱器的概略尺寸查換熱設(shè)計(jì)和設(shè)備手冊(cè)所需換熱面積S=50m2在管程結(jié)垢不很嚴(yán)重，以及壓力降較高情況下采用?25mm×2.5mm鋼管管徑d0=25mm，d1=20mm；管長(zhǎng)l=6m所需管子根數(shù)n=106；中心排管數(shù)nc=13管程數(shù)nt=4；型號(hào)：BFM450—50—4.5/25—4Ⅰ3.2.4水蒸汽冷卻器(1)根據(jù)任務(wù)要求確定設(shè)計(jì)方案類型：固定管板式換熱器(2)初算換熱器的傳熱面積S0確定加熱介質(zhì)的消耗量W由熱量衡算可知，總傳熱流量Q=7.500×106kJ/h=2083.3Kw計(jì)算平均溫差選取逆流流向，先按單殼程單管稱考慮，計(jì)算平均tt1=256－80=176℃t2=210.5－20=190.5℃由于t2/t1≤2因此對(duì)于純逆流傳熱溫差：tm(逆)==183.3℃有關(guān)參數(shù)P==0.25，R==0.76根據(jù)R、P值，查化工原理教材P232圖4-19(a)得校正系數(shù)=1＞0.8[12]可見用單殼程單管稱合適所以=tm(逆)·=183.3℃估算總傳熱系數(shù)：K0=560W/m2·℃初算所需傳熱面積S0：S0===20.3m2(3)選定換熱器的概略尺寸查換熱設(shè)計(jì)和設(shè)備手冊(cè)所需換熱面積S=26.3m2在管程結(jié)垢不很嚴(yán)重，以及壓力降較高情況下采用?25mm×2.5mm鋼管管徑d0=25mm，d1=20mm；管長(zhǎng)l=4.5m所需管子根數(shù)n=76；中心排管數(shù)nc=11管程數(shù)nt=4；型號(hào)：BEM400—26—4.5/25—4Ⅰ3.2.5變換氣冷卻器(1)根據(jù)任務(wù)要求確定設(shè)計(jì)方案類型：固定管板式換熱器(2)初算換熱器的傳熱面積S0確定加熱介質(zhì)的消耗量W由熱量衡算可知，總傳熱流量Q=3.170×107kJ/h=8805.2Kw計(jì)算平均溫差選取逆流流向，先按單殼程單管稱考慮，計(jì)算平均tt1=210.5－80=130.5℃t2=60－10=50℃由于t2/t1≧2因此對(duì)于純逆流傳熱溫差：tm(逆)==83.9℃有關(guān)參數(shù)P==0.35，R==2.2根據(jù)R、P值，查化工原理教材P232圖4-19(a)得校正系數(shù)=0.95＞0.8[11]可見用單殼程單管稱合適所以=tm(逆)·=83.9×0.98=82.2℃估算總傳熱系數(shù)K0=260W/m2·℃初算所需傳熱面積S0：S0===94.0m2(3)選定換熱器的概略尺寸查換熱設(shè)計(jì)和設(shè)備手冊(cè)所需換熱面積S=103m2在管程結(jié)垢不很嚴(yán)重，以及壓力降較高情況下采用?25mm×2.5mm鋼管管徑d0=25mm，d1=20mm；管長(zhǎng)l=6m；所需管子根數(shù)n=222中心排管數(shù)nc=17；管程數(shù)nt=4型號(hào)：BEM800—94—3/25—4Ⅰ3.2.6旋風(fēng)分離器表3-5旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)條件混合氣體密度ρ氣塵粒密度ρ塵粒氣體的流量V氣溫度t0.7891kg/m32281kg/m32424.61m3/h598.9℃擬采用標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器[13]標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器的阻力系數(shù)=8.0，設(shè)允許壓降=1000Pa可得旋風(fēng)分離器的最大進(jìn)口氣體速率（3-33）標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器進(jìn)口截面積為（3-34）=m2（3-35）其中：，（3-36）故旋風(fēng)分離器的圓筒直徑為：（3-37）臨界直徑為：（3-38）因此得出分離效果好，滿足設(shè)計(jì)要求。標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器尺寸如表3-6. 即旋風(fēng)分離器的選型為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備規(guī)格為550×2200選擇16MnR鋼板，厚度取10mm。3.2.7壓縮機(jī)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)條件如表3-6。表3-6壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)條件介質(zhì)水蒸氣進(jìn)口流量35273.9182kg/h進(jìn)口壓力0.1MPa進(jìn)口溫度110℃出口壓力3.1MPa出口溫度256℃壓縮比31根據(jù)終壓和壓縮比，該水蒸氣終壓較高，選擇多級(jí)壓縮機(jī)；離心式壓縮機(jī)流量大，供氣均勻，體積小，機(jī)體易損部件少，可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)且安全可靠，維修方便；近年來除壓強(qiáng)要求很高外，離心壓縮機(jī)的應(yīng)用日趨廣泛[14]。本設(shè)計(jì)選從GECALSTHOM公司引進(jìn)的苯菲爾蒸汽壓縮機(jī)，型號(hào)MCL606。3.2.8氣液分離器(1)氣液分離器I[15]設(shè)計(jì)的條件如表3-6。表3-6氣液分離器設(shè)計(jì)條件溫度處理量液體密度氣體密度停留時(shí)間液體體積流量50℃101m3/min983.2kg/m30.390kg/m36min32.36m3/h分離器內(nèi)的的氣速浮動(dòng)流速Vt=Ks=0.0512=2.57m/s（3-39）設(shè)u﹤Vt=2m/s直徑D===1.04m（3-40）高度HL===3.8m（3-41）式中：D—?dú)庖悍蛛x器的直徑，mV—?dú)怏w最大體積流量，m3/hu—容器中氣體的流速，m/sVt——浮動(dòng)流速，m/sKs—系數(shù)，0.0512t—停留時(shí)間，minVL—液體體積流量(2)氣液分離器II進(jìn)入分離器混合物參數(shù)如表3-7。表3-7氣液分離器設(shè)計(jì)條件溫度處理量液體密度氣體密度停留時(shí)間液體體積流量40℃1568.62m3/h992.2kg/m30.366kg/m36min0.057m3/hPXQF的氣液分離器可用于對(duì)壓縮空氣、合成氣、煤氣等各種氣體的氣液分離。由于液體是水，材料用不銹鋼。所以選用PXQF型號(hào)立式重型氣液分離器口徑DN1040×3800；PXQF型號(hào)立式重型氣液分離器口徑：DN800×2000；

第4章設(shè)備選型一覽表表4-1換熱設(shè)備一覽表序號(hào)位號(hào)名稱型號(hào)材料介質(zhì)數(shù)量1E101反應(yīng)氣換熱器BEM325-1/0.6-13-3/25-2I不銹鋼水蒸氣12E102水蒸汽換熱器BEM400-1/0.6-26-4.5/25-4I不銹鋼冷卻水13E103配氣加熱器BEM400-1/0.6-28-3/19-2I不銹鋼水蒸氣14E104變換氣冷卻器BEM800-1/0.6-103-3/25-4I不銹鋼水蒸氣15E105合成氣冷卻器BEM500-1/0.6-50-4.5/25-4I不銹鋼冷凍鹽水1表4-2動(dòng)力設(shè)備一覽表序號(hào)位號(hào)名稱型號(hào)材料數(shù)量1C101合成氣壓縮機(jī)MCL606碳素鋼122C102水蒸氣壓縮機(jī)MCL606碳素鋼13P101泵IS50-32-1160碳素鋼1表4-3分離設(shè)備一覽表序號(hào)位號(hào)名稱型號(hào)材料數(shù)量1V101旋風(fēng)分離器550×2200碳素鋼12V102氣液分離器DN1040×3800不銹鋼13V103氣液分離器DN800×2000不銹鋼1表4-4反應(yīng)設(shè)備一覽表序號(hào)位號(hào)名稱型號(hào)材料數(shù)量1R101變換反應(yīng)器DN3400×12500碳素鋼1

第5章車間設(shè)備布置設(shè)計(jì)根據(jù)工藝設(shè)計(jì)的要求，本工藝對(duì)廠房建筑進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)劃[16]，本工段中共有12個(gè)設(shè)備，這些設(shè)備中，除低溫變換爐外大都是換熱器。設(shè)備布置采用露天布置，可以節(jié)省投資以及可以防止危害氣體積聚[17]。擬建長(zhǎng)24m寬12m的廠區(qū)，有兩層，其主要設(shè)備有5個(gè)換熱器，一個(gè)反應(yīng)器，一個(gè)開泵配有一個(gè)備用泵，兩個(gè)壓縮機(jī)，兩個(gè)氣液分離器和一個(gè)旋風(fēng)分離器。5.1平面布置5.1.1第一層平面布置車間一層每個(gè)定位柱之間的距離為6米，最前面布置1個(gè)反應(yīng)器且為旋風(fēng)分離器和一個(gè)氣液分離器，由裙座支撐。兩個(gè)換熱器和一個(gè)氣液分離罐布置在后面并且保證了每個(gè)設(shè)備間距不小于1.2m，具體布置如圖5-1所示。圖5-10.00平面布置圖5.1.2第二層平面布置本平面三個(gè)換熱器設(shè)置在上層，具體布置如圖5-2所示。圖5-26.00平面布置圖5.2立面布置圖5-3車間立面布置圖

第6章自動(dòng)控制為了實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)的自動(dòng)化，本設(shè)計(jì)采用DCS和ESD聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，對(duì)工藝過程進(jìn)行集中控制、監(jiān)測(cè)、記錄和報(bào)警，并且在DCS系統(tǒng)上設(shè)置了網(wǎng)絡(luò)接口。6.1反應(yīng)器控制圖6-1反應(yīng)器的控制6.2換熱器控制換熱器E101的控制是通過物料出口溫度來控制介質(zhì)的流量，如果物料出口溫度偏低，則溫度控制器會(huì)輸出信號(hào)，使閥門的開度減小以維持物料出口溫度恒定，如果換熱介質(zhì)是水蒸氣則要在殼程上安裝一個(gè)疏水閥，及時(shí)排走冷凝水，具體控制方案如圖6-2所示，其他換熱器的控制方案與此相同。圖6-2換熱器控制6.3泵控制對(duì)于泵P101的控制可以通過控制泵出口管路的閥門開度來控制泵出口的流量，具體控制方案如圖6-3所示。圖6-3泵控制6.4壓縮機(jī)控制壓縮機(jī)是通過入口流量顯示調(diào)節(jié)進(jìn)口閥的開度來控制出口流量，以C101為例，具體控制方案如圖6-4所示。圖6-4壓縮機(jī)控制第7章安全防火與環(huán)境保護(hù)7.1防火防爆在化工生產(chǎn)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)過程中遇到的主要安全事故包括燃燒、爆炸、人身傷亡及機(jī)械設(shè)備事故等。在化工生產(chǎn)的設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、生產(chǎn)組織管理、生產(chǎn)操作中必須十分重視安全問題。我國(guó)一貫執(zhí)行“生產(chǎn)必須安全、安全為了生產(chǎn)”的方針，在化工廠設(shè)計(jì)的過程中，必須嚴(yán)格遵守各級(jí)政府與主管部門制定的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，并在各個(gè)方面積極采取預(yù)防和減少損失的措施[18]。7.1.1火災(zāi)于爆炸發(fā)生的主要原因引起火災(zāi)甚至爆炸的原因通常比較復(fù)雜，但一般包括這樣幾個(gè)方面：物質(zhì)的物理及化學(xué)性質(zhì)；外界條件；設(shè)備設(shè)計(jì)失誤，不能達(dá)到防火及防爆的目的；生產(chǎn)操作違反安全操作的規(guī)定；生產(chǎn)設(shè)備及其他設(shè)備的使用不當(dāng)。7.1.2火災(zāi)與爆炸的預(yù)防措施為防止火災(zāi)與爆炸的發(fā)生，要在思想上高度重視，要貫徹“安全生產(chǎn)、重在預(yù)防”的方針；嚴(yán)格遵守國(guó)家制定的有關(guān)防火、防爆的規(guī)定、規(guī)范、條例等，完善工廠的安全管理制度，并保證執(zhí)行工廠的防火措施[19]；防止明火的產(chǎn)生，不必要的火源都要避開裝置；制定火災(zāi)、防爆發(fā)生時(shí)的應(yīng)急措施；正確設(shè)計(jì)一切通道、防火帶、消防墻等；執(zhí)行“以防為主、以消為輔”的消防工作方針[20,21]。7.2三廢的產(chǎn)生情況本變換工段主要產(chǎn)生的三廢情況：廢熱：本工段產(chǎn)生的有害物質(zhì)較少。主要是在變換的過程中盡量避免變換氣體的泄露。此外，在變換的過程中產(chǎn)生大量的廢熱。廢水：換熱器的冷卻水廢渣：廢棄的催化劑7.3三廢的處理情況廢棄的催化劑采用就地掩埋的方法進(jìn)行處理；廢水主要換熱器的冷卻水，排放到園區(qū)內(nèi)的水處理廠集中處理后再循環(huán)利用。需要有效的利用這些廢熱，所以需要把這些廢熱通過管道引到氣體工段進(jìn)行再次利用。7.4噪聲本工程對(duì)產(chǎn)生強(qiáng)噪聲源的設(shè)備，設(shè)置減震裝置，并置于單獨(dú)的隔音間內(nèi)，對(duì)個(gè)別噪聲大的場(chǎng)所的操作人員采取個(gè)人防護(hù)措施等。并且，保持設(shè)備處于良好的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，因設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不正常時(shí)噪聲往往增大，要經(jīng)常進(jìn)行保養(yǎng)，加潤(rùn)滑油，減小摩擦，降低噪聲，并在廠區(qū)種植降噪植物。

第8章公用工程8.1供水及排水本工段設(shè)計(jì)的供水包括生活用水和生產(chǎn)用；本工藝選擇經(jīng)過軟化和脫離子后工藝用水；生活用水是廠址內(nèi)的市政生活用水提供。本設(shè)計(jì)中排水系統(tǒng)包括生活廢水和生產(chǎn)廢水，其中生產(chǎn)廢水統(tǒng)一輸送給污水處理廠經(jīng)過處理后循環(huán)利用，生活用水由廠內(nèi)排水系統(tǒng)經(jīng)下水道排出。8.2供電本設(shè)計(jì)中的供電包括車間生產(chǎn)電力、車間照明，生活用電。所以統(tǒng)一采用廠內(nèi)的供電系統(tǒng)設(shè)置車間配電室和生活用電閘，采取對(duì)整個(gè)工廠的供電系統(tǒng)管理。8.3供暖本設(shè)計(jì)為了節(jié)能，為生活區(qū)供熱(冬季)或者為低熱量預(yù)熱。從而本設(shè)計(jì)主要以鍋爐方式提供能量，使在比較低的環(huán)境溫度下仍然能保持適合的工作或者生活條件的一種技術(shù)手段。8.4供汽本設(shè)計(jì)中的供汽系統(tǒng)包括生活用汽和生產(chǎn)用汽，生產(chǎn)用汽主要是需要發(fā)生變換反應(yīng)的水蒸汽，由廠內(nèi)鍋爐加熱系統(tǒng)提供；生活用汽主要是采暖，也由鍋爐加熱系統(tǒng)提供。

結(jié)束語(yǔ)轉(zhuǎn)眼間，幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲了，這個(gè)設(shè)計(jì)是我大學(xué)期間的最后一次任務(wù)與學(xué)習(xí)，回想起設(shè)計(jì)中的點(diǎn)點(diǎn)滴滴感觸頗多。本次設(shè)計(jì)課題為年產(chǎn)10萬(wàn)噸醋酸合成氣CO變換工段的工藝設(shè)計(jì)。首先查閱相關(guān)文獻(xiàn)了解本設(shè)計(jì)的意義和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，再經(jīng)過多方面的比較以及查閱了大量的相關(guān)文獻(xiàn)最后確定了CO變換的工藝流程，然后進(jìn)行物料衡算、熱量衡算、設(shè)備的計(jì)算與選型以及對(duì)車間布置進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后完成了變換爐反應(yīng)器設(shè)備裝配圖、工段流程圖、車間的平面布置圖的繪制，并完成了20000字的設(shè)計(jì)說明書。在這次設(shè)計(jì)的過程中，遇到了許多困難，但同時(shí)也收獲了很多。讓我對(duì)本專業(yè)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，且對(duì)化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程和化工設(shè)計(jì)等課程又有了更深一層的理解，對(duì)以后工作崗位有了很大的幫助。通過編寫設(shè)計(jì)說明書、CAD繪圖和Aspen模擬，使對(duì)計(jì)算機(jī)在化工中的運(yùn)用更加熟練，在專業(yè)軟件方面有了提高。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)提高了自己設(shè)計(jì)思維、工藝計(jì)算、正確處理和分析技術(shù)數(shù)據(jù)和制圖的能力，為自己今后的步入社會(huì)的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)并且增加了自己學(xué)習(xí)信心。由于自己的水平有限，在設(shè)計(jì)中難免會(huì)有不當(dāng)之處，還請(qǐng)指導(dǎo)教師給予批評(píng)和指