【正文】 CH4O H2O H2O2 C4H10O2 C3H8O2 O2 Total Flow kmol/hr Total Flow kg/hr Total Flow cum/hr 能量衡算根據(jù)能量守恒定律：輸入系統(tǒng)總的能量=輸出系統(tǒng)的能量+系統(tǒng)積累的能量本廠主要設(shè)備有雙氧水分解器、預制精餾塔、精制精餾塔、反應器、換熱器、壓縮機、泵、閃蒸器等。輸入整個系統(tǒng)的能量主要有電能，加熱劑帶入的能量和進入物料的焓，本廠輸出能量有冷卻劑帶走的能量和輸出物料的焓。概述擬建一年30萬噸環(huán)氧丙烷生產(chǎn)裝置，在全工藝段中伴隨著物料從一個體系或單元進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，對于新設(shè)計的車間，可以由此確定設(shè)備的熱負荷。再根據(jù)設(shè)備的熱負荷大小、所處理物料的性質(zhì)及工藝要求選擇恰當?shù)脑O(shè)備?？傊?，通過下述能量衡算，可以為后續(xù)設(shè)計工作中提高熱量的利用率，降低能耗提供主要依據(jù)。熱量衡算原則工程依據(jù)化工設(shè)計中關(guān)于熱量衡算的基本思想和要求，遵循基本規(guī)范與實際工藝相結(jié)合的原則，進行熱量衡算書的編制。其中一個主要依據(jù)是能量平衡方程： 其中——表示輸入設(shè)備熱量的總和；——表示輸出設(shè)備熱量的總和；——表示損失熱量的總和。對于連續(xù)系統(tǒng)： Q+W=∑Hout∑Hin 其中Q——設(shè)備的熱負荷。 W——輸入系統(tǒng)的機械能。 ∑Hout——離開設(shè)備的各物料焓之和。 ∑Hin——進入設(shè)備的各物料焓之和。 在進行全廠熱量衡算時，是以單元設(shè)備為基本單位，考慮由機械能轉(zhuǎn)換、化學反應釋放和單純的物理變化帶來的熱量變化。最終對全工藝段進行系統(tǒng)級的熱量平衡計算，進而用于指導節(jié)能降耗設(shè)計工作。熱量衡算任務在進行環(huán)氧丙烷生產(chǎn)裝置的熱量衡算中，主要通過定量計算完成下述基本任務：（1）確定工藝單元中物料輸送機械（如泵）所需要的功率，以便于進行設(shè)備的設(shè)計和選型；（2）確定吸收、反應單元操作中所需要的熱量或冷量以及傳遞速率，計算換熱設(shè)備的尺寸，確定加熱劑和冷卻劑的消耗量，為后續(xù)設(shè)計中比如供汽、供冷、供水等專業(yè)提供設(shè)備條件；（3）提高熱量內(nèi)部集成度，充分利用余熱，提高能量利用率，降低能耗；最終計算出總需求能量和能量的費用，并由此確定工藝過程在經(jīng)濟上的可行性。 環(huán)氧丙烷環(huán)氧化第一工段能量衡算表18 反應器R01001能量衡算精餾塔底混合液精餾塔頂混合物反應器進口原料反應器出口產(chǎn)物Temperature C50505050Pressure bar13131313Vapor Frac0000Liquid Frac1111Solid Frac0000Enthalpy kcal/molEnthalpy kcal/kgEnthalpy Gcal/hrEntropy cal/molKEntropy cal/gmK 環(huán)氧丙烷環(huán)氧化第二工段能量衡算表19 反應器R01003能量衡算 C3BOTC3TOPFEED3R3OUTTemperature C50506050Pressure bar1111Vapor Frac0Liquid Frac1Solid Frac0000Enthalpy kcal/molEnthalpy kcal/kgEnthalpy Gcal/hrEntropy cal/molKEntropy cal/gmK 產(chǎn)品精餾塔能量衡算表19 精餾塔T02002能量衡算Temperature C252560Pressure bar4Vapor Frac0100Liquid Frac1011Solid Frac0000Enthalpy kcal/molEnthalpy kcal/kgEnthalpy Gcal/hrEntropy cal/molKEntropy cal/gmK 甲醇精餾塔能量衡算表110 精餾塔T03001能量衡算 塔頂產(chǎn)品產(chǎn)品流量進料流量塔底釜液Temperature C Pressure bar Vapor Frac Liquid Frac Solid Frac Enthalpy kcal/mol Enthalpy kcal/kg Enthalpy Gcal/hr Entropy cal/molK Entropy cal/gmK 雙氧水分解器R03001能量衡算表111 反應器R0401能量衡算參數(shù) 蒸餾器底部混合物分解器出口產(chǎn)品原料進料流量Temperature ℃ Pressure bar Vapor Frac Liquid Frac Solid Frac Enthalpy kcal/molEnthalpy kcal/kgEnthalpy Gcal/hrEntropy cal/molKEntropy cal/gmK附錄2 塔設(shè)備設(shè)計說明書 反應器R01001設(shè)計 概述在完成了全流程模擬的基礎(chǔ)之上，我們得到了塔設(shè)備設(shè)計所需要的最基本的數(shù)據(jù)?；谶@些數(shù)據(jù)，在滿足工藝要求的條件下，充分考慮到設(shè)備的固定投資費用及操作費用，我們進行了塔設(shè)備的選型、設(shè)計和校核等工作。我們對環(huán)氧丙烷環(huán)氧化反應器做出了詳細的設(shè)計并編寫了設(shè)計說明書。設(shè)計主要包括工藝參數(shù)設(shè)計、基本參數(shù)設(shè)計和機械設(shè)計。工藝參數(shù)設(shè)計對該塔的生產(chǎn)能力、吸收效果、物料和能量等操作參數(shù)作了模擬，基本參數(shù)設(shè)計則完成了塔尺寸、塔壁厚、塔類型及開孔形式等的設(shè)計，機械設(shè)計則完成了塔設(shè)備的封頭、開口、支座、基和地震載荷等等的設(shè)計，同時完成了機械性能的校核的設(shè)計，同時完成了械性能的校核。 設(shè)計要求環(huán)氧丙烷環(huán)氧化是生成環(huán)氧丙烷產(chǎn)品最重要的環(huán)節(jié)，直接決定了環(huán)氧丙烷的產(chǎn)量。雙氧水環(huán)氧化丙烯生成環(huán)氧丙烷，具有較高經(jīng)濟價值的和符合環(huán)境友好型化工產(chǎn)品生產(chǎn)，降低環(huán)境污染，同時提高環(huán)氧丙烷的轉(zhuǎn)化率。降低產(chǎn)品成本，在設(shè)計此塔時，考慮到應滿足以下基本要求：（1）在給定的反應條件下達最大的轉(zhuǎn)化率；（2）發(fā)電成本可容許上浮≤30%；（3）原料與催化劑充分接觸，實現(xiàn)更快的反應速率；（4）生產(chǎn)能力大，即原料處理能力大；（5）操作穩(wěn)定，操作彈性大；（6）流體流動阻力小，流體通過塔設(shè)備的壓降大；（7）耐腐蝕性、表面潤濕性能好；（8）結(jié)構(gòu)簡單可靠，材料耗用量少，制造安裝容易，以降低設(shè)備投資，同時盡可能降低操作費用； 反應器的選型固定床反應器和流化床反應器的比較是個復雜的問題，涉及的因素很多，難以用比較簡便的方法明確地作對比。表21 固定床、流化床反應器的比較反應器固定床流化床定義氣體流經(jīng)固定不動的催化劑床層進行催化反應的裝置流體（氣體或液體）以較高流速通過床層，帶動床內(nèi)固體顆粒運動，使之懸浮在流動的主體流中進行反應，具有類似流體流動的一些特性的裝置特點結(jié)構(gòu)簡單、操作穩(wěn)定、便于控制、易實現(xiàn)大型化和連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點，是現(xiàn)代化工和反應中應用很廣泛的反應器；床層溫度分布不均勻； 床層導熱性較差； 對放熱量大的反應，應增大換熱面積，及時移走反應熱，但這會減少有效空間傳熱面積大、傳熱系數(shù)高、傳熱效果好。進料、出料、廢渣排放用氣流輸送，易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)；物料返混大，粒子磨損嚴重；要有回收和集塵裝置；內(nèi)構(gòu)件復雜；操作要求高等應用主要用于氣固相催化反應應用廣泛，催化或非催化的氣—固、液—固和氣—液—固反應固定床： 凡是流體通過不動的固體物料形成的床層面進行反應的設(shè)備都稱為固定床反應器，而其中尤以利用氣態(tài)的反應物料，通過由固體催化劑所構(gòu)成的床層進行反應的氣固相催化反應器在化工生產(chǎn)中應用最為廣泛。氣固相固定床反應器的優(yōu)點較多，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：在生產(chǎn)操作中，除床層極薄和氣體流速很低的特殊情況外，床層內(nèi)氣體的流動皆可看成是理想置換流動，因此在化學反應速度較快，在完成同樣生產(chǎn)能力時，所需要的催化劑用量和反應器體積較小。氣體停留時間可以嚴格控制，溫度分布可以調(diào)節(jié)，因而有利于提高化學反應的轉(zhuǎn)化率和選擇性。催化劑不易磨損，可以較長時間連續(xù)使用。適宜于高溫高壓條件下操作。由于固體催化劑在床層中靜止不動，相應地產(chǎn)生一些缺點： 催化劑載體往往導熱性不良，氣體流速受壓降限制又不能太大，則造成床層中傳熱性能較差，也給溫度控制帶來困難。對于放熱反應，在換熱式反應器的入口處，因為反應物濃度較高，反應速度較快，放出的熱量往往來不及移走，而使物料溫度升高，這又促使反應以更快的速度進行，放出更多的熱量，物料溫度繼續(xù)升高，直到反應物濃度降低，反應速度減慢，傳熱速度超過了反應速度時，溫度才逐漸下降。所以在放熱反應時，通常在換熱式反應器的軸向存在一個最高的溫度點，稱為“熱點”。如設(shè)計或操作不當，則在強放熱反應時，床內(nèi)熱點溫度會超過工藝允許的最高溫度，甚至失去控制而出現(xiàn)“飛溫”。此時，對反應的選擇性、催化劑的活性和壽命、設(shè)備的強度等均極不利。 不能使用細粒催化劑，否則流體阻力增大，破壞了正常操作，所以催化劑的活性內(nèi)表面得不到充分利用。 催化劑的再生、更換均不方便。固定床反應器雖有缺點，但可在結(jié)構(gòu)和操作方面做出改進，且其優(yōu)點是主要的。因此，仍不失為氣固相催化反應器中的主要形式，在化學工業(yè)中得到了廣泛的應用。例如石油煉制工業(yè)中的裂化、重整、異構(gòu)化、加氫精制等；無機化學工業(yè)中的合成氨、硫酸、天然氣轉(zhuǎn)化等；有機化學工業(yè)中的乙烯氧化制環(huán)氧乙烷、乙烯水合制乙醇、乙苯脫氧制苯乙烯、苯加氫制環(huán)己烷等。 固定床反應器的分類隨著化工生產(chǎn)的發(fā)展，已出現(xiàn)多種固定床反應器的結(jié)構(gòu)形式，以適應不同的傳熱要求和傳熱方式，主要分為絕熱式和換熱式兩大類。絕熱式固定床反應器結(jié)構(gòu)簡單，催化劑均勻堆置于床內(nèi)，一般有下列特點：床層直徑遠大于催化劑顆粒直徑；床層高度與催化劑顆粒直徑之比一般超過100；與外界沒有熱量交換，床層溫度沿物料的流向而變化。 換熱式固定床反應器以列管式為多，通常管內(nèi)裝催化劑，管間走載熱體，一般有下列特點：催化劑的粒徑小于管徑的8倍；利用載熱體來移走或供給熱量，床層溫度維持穩(wěn)定。流化床：流化床反應器是工業(yè)上應用較廣泛的一類反應器，適用于催化或非催化的氣—固、液—固和氣—液—固反應系統(tǒng)。流化床反應器的結(jié)構(gòu)型式很多，傳統(tǒng)流化床反應器一般都由殼體、氣體分布裝置、內(nèi)部構(gòu)件、換熱裝置、氣因分離裝置、催化劑的加入和卸出裝置等組成。流化床反應器是利用固體流態(tài)化技術(shù)進行氣固相反應的裝置。將大量固體顆粒懸浮于運動的流體從而使顆粒具有類似于流體的某些宏觀表現(xiàn)特性，這種流固接觸狀態(tài)稱為固體流態(tài)化。化學工業(yè)廣泛使用固體流態(tài)化技術(shù)進行固體的物理加工、顆粒輸送、催化和非催化化學加工。目前流態(tài)化技術(shù)作為一門基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟的許多部門，在化工、煉油、冶金、能源、原子能、材料、輕工、生化、機械、環(huán)保等各項領(lǐng)域中都可以見到。流化床反應器的優(yōu)點流化床內(nèi)的固體粒子像流體一樣運動，由于流態(tài)化的特殊運動形式，使這種反應器具有如下優(yōu)點： 由于可采用細粉顆粒，并在懸浮狀態(tài)下與流體接觸，流固相界面積大（可高達3280~16400m2/m3），有利于非均相反應的進行，提高了催化劑的利用率。 由于顆粒在床內(nèi)混合激烈，使顆粒在全床內(nèi)的溫度和濃度均勻一致，床層與內(nèi)浸換熱表面間的傳熱系數(shù)很高[200～400W/（m2/K）]，全床熱容量大，熱穩(wěn)定性高，這些都有利于強放熱反應的等溫操作。這是許多工藝過程的反應裝置選擇流化床的重要原因之一。 流化床內(nèi)的顆粒群有類似流體的性質(zhì)，可以大量地從裝置中移出、引入，并可以在兩個流化床之間大量循環(huán)。這使得一些反應—再生、吸熱—放熱、正反應—逆反應等反應耦合過程和反應—分離耦合過程得以實現(xiàn)。使得易失活催化劑能在工程中使用。 流體與顆粒之間傳熱、傳質(zhì)速率也較其它接觸方式為高。 由于流—固體系中孔隙率的變化可以引起顆粒曳力系數(shù)的大幅度變化，以致在很寬的范圍內(nèi)均能形成較濃密的床層。所以流態(tài)化技術(shù)的操作彈性范圍寬，單位設(shè)備生產(chǎn)能力大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、造價低，符合現(xiàn)代化大生產(chǎn)的需要。流化床反應器的缺點： 氣體流動狀態(tài)與活塞流偏離較大，氣流與床層顆粒發(fā)生返混，以致在床層軸向沒有溫度差及濃度差。加之氣體可能成大氣泡狀態(tài)通過床層，使氣固接觸不良，使反應的轉(zhuǎn)化率降低。因此流化床一般達不到固定床的轉(zhuǎn)化率。 催化劑顆粒間相互劇烈碰撞，造成催化劑的損失和除塵的困難。 由于固體顆粒的磨蝕作用，管子和容器的磨損嚴重。雖然流化床反應器存在著上述缺點，但優(yōu)點是主要的。流態(tài)化操作總的經(jīng)濟效果是有利的，特別是傳熱和傳質(zhì)速率快、床層溫度均勻、操作穩(wěn)定的突