【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(yù)制精餾塔、精制精餾塔、反應(yīng)器、換熱器、壓縮機(jī)、泵、閃蒸器等。輸入整個(gè)系統(tǒng)的能量主要有電能，加熱劑帶入的能量和進(jìn)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(wàn)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(gè)體系或單元進(jìn)入另一個(gè)體系或單元，在發(fā)生質(zhì)量傳遞的同時(shí)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(duì)于新設(shè)計(jì)的車(chē)間，可以由此確定設(shè)備的熱負(fù)荷。再根據(jù)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(guò)下述能量衡算，可以為后續(xù)設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)際工藝相結(jié)合的原則，進(jìn)行熱量衡算書(shū)的編制。其中一個(gè)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(duì)于連續(xù)系統(tǒng)： Q+W=∑Hout∑Hin 其中Q——設(shè)備的熱負(fù)荷。 W——輸入系統(tǒng)的機(jī)械能。 ∑Hout——離開(kāi)設(shè)備的各物料焓之和。 ∑Hin——進(jìn)入設(shè)備的各物料焓之和。 在進(jìn)行全廠熱量衡算時(shí)，是以單元設(shè)備為基本單位，考慮由機(jī)械能轉(zhuǎn)換、化學(xué)反應(yīng)釋放和單純的物理變化帶來(lái)的熱量變化。最終對(duì)全工藝段進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的熱量平衡計(jì)算，進(jìn)而用于指導(dǎo)節(jié)能降耗設(shè)計(jì)工作。熱量衡算任務(wù)在進(jìn)行環(huán)氧丙烷生產(chǎn)裝置的熱量衡算中，主要通過(guò)定量計(jì)算完成下述基本任務(wù)：（1）確定工藝單元中物料輸送機(jī)械（如泵）所需要的功率，以便于進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型；（2）確定吸收、反應(yīng)單元操作中所需要的熱量或冷量以及傳遞速率，計(jì)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(jì)中比如供汽、供冷、供水等專(zhuān)業(yè)提供設(shè)備條件；（3）提高熱量?jī)?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(jì)算出總需求能量和能量的費(fèi)用，并由此確定工藝過(guò)程在經(jīng)濟(jì)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(yīng)器R01001能量衡算精餾塔底混合液精餾塔頂混合物反應(yīng)器進(jìn)口原料反應(yīng)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(yīng)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(jìn)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(yīng)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(jìn)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(jì)說(shuō)明書(shū) 反應(yīng)器R01001設(shè)計(jì) 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(jì)所需要的最基本的數(shù)據(jù)?；谶@些數(shù)據(jù)，在滿(mǎn)足工藝要求的條件下，充分考慮到設(shè)備的固定投資費(fèi)用及操作費(fèi)用，我們進(jìn)行了塔設(shè)備的選型、設(shè)計(jì)和校核等工作。我們對(duì)環(huán)氧丙烷環(huán)氧化反應(yīng)器做出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)并編寫(xiě)了設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。設(shè)計(jì)主要包括工藝參數(shù)設(shè)計(jì)、基本參數(shù)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)。工藝參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)則完成了塔尺寸、塔壁厚、塔類(lèi)型及開(kāi)孔形式等的設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)則完成了塔設(shè)備的封頭、開(kāi)口、支座、基和地震載荷等等的設(shè)計(jì)，同時(shí)完成了機(jī)械性能的校核的設(shè)計(jì)，同時(shí)完成了械性能的校核。 設(shè)計(jì)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(jì)價(jià)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(shí)提高環(huán)氧丙烷的轉(zhuǎn)化率。降低產(chǎn)品成本，在設(shè)計(jì)此塔時(shí)，考慮到應(yīng)滿(mǎn)足以下基本要求：（1）在給定的反應(yīng)條件下達(dá)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(shí)現(xiàn)更快的反應(yīng)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(dòng)阻力小，流體通過(guò)塔設(shè)備的壓降大；（7）耐腐蝕性、表面潤(rùn)濕性能好；（8）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)盡可能降低操作費(fèi)用； 反應(yīng)器的選型固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器的比較是個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，涉及的因素很多，難以用比較簡(jiǎn)便的方法明確地作對(duì)比。表21 固定床、流化床反應(yīng)器的比較反應(yīng)器固定床流化床定義氣體流經(jīng)固定不動(dòng)的催化劑床層進(jìn)行催化反應(yīng)的裝置流體（氣體或液體）以較高流速通過(guò)床層，帶動(dòng)床內(nèi)固體顆粒運(yùn)動(dòng)，使之懸浮在流動(dòng)的主體流中進(jìn)行反應(yīng)，具有類(lèi)似流體流動(dòng)的一些特性的裝置特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作穩(wěn)定、便于控制、易實(shí)現(xiàn)大型化和連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代化工和反應(yīng)中應(yīng)用很廣泛的反應(yīng)器；床層溫度分布不均勻； 床層導(dǎo)熱性較差； 對(duì)放熱量大的反應(yīng)，應(yīng)增大換熱面積，及時(shí)移走反應(yīng)熱，但這會(huì)減少有效空間傳熱面積大、傳熱系數(shù)高、傳熱效果好。進(jìn)料、出料、廢渣排放用氣流輸送，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)；物料返混大，粒子磨損嚴(yán)重；要有回收和集塵裝置；內(nèi)構(gòu)件復(fù)雜；操作要求高等應(yīng)用主要用于氣固相催化反應(yīng)應(yīng)用廣泛，催化或非催化的氣—固、液—固和氣—液—固反應(yīng)固定床： 凡是流體通過(guò)不動(dòng)的固體物料形成的床層面進(jìn)行反應(yīng)的設(shè)備都稱(chēng)為固定床反應(yīng)器，而其中尤以利用氣態(tài)的反應(yīng)物料，通過(guò)由固體催化劑所構(gòu)成的床層進(jìn)行反應(yīng)的氣固相催化反應(yīng)器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。氣固相固定床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)較多，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)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(dòng)皆可看成是理想置換流動(dòng)，因此在化學(xué)反應(yīng)速度較快，在完成同樣生產(chǎn)能力時(shí)，所需要的催化劑用量和反應(yīng)器體積較小。氣體停留時(shí)間可以嚴(yán)格控制，溫度分布可以調(diào)節(jié)，因而有利于提高化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性。催化劑不易磨損，可以較長(zhǎng)時(shí)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(dòng)，相應(yīng)地產(chǎn)生一些缺點(diǎn)： 催化劑載體往往導(dǎo)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(lái)困難。對(duì)于放熱反應(yīng)，在換熱式反應(yīng)器的入口處，因?yàn)榉磻?yīng)物濃度較高，反應(yīng)速度較快，放出的熱量往往來(lái)不及移走，而使物料溫度升高，這又促使反應(yīng)以更快的速度進(jìn)行，放出更多的熱量，物料溫度繼續(xù)升高，直到反應(yīng)物濃度降低，反應(yīng)速度減慢，傳熱速度超過(guò)了反應(yīng)速度時(shí)，溫度才逐漸下降。所以在放熱反應(yīng)時(shí)，通常在換熱式反應(yīng)器的軸向存在一個(gè)最高的溫度點(diǎn)，稱(chēng)為“熱點(diǎn)”。如設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)，則在強(qiáng)放熱反應(yīng)時(shí)，床內(nèi)熱點(diǎn)溫度會(huì)超過(guò)工藝允許的最高溫度，甚至失去控制而出現(xiàn)“飛溫”。此時(shí)，對(duì)反應(yīng)的選擇性、催化劑的活性和壽命、設(shè)備的強(qiáng)度等均極不利。 不能使用細(xì)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?xún)?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(yīng)器雖有缺點(diǎn)，但可在結(jié)構(gòu)和操作方面做出改進(jìn)，且其優(yōu)點(diǎn)是主要的。因此，仍不失為氣固相催化反應(yīng)器中的主要形式，在化學(xué)工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)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(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)中的合成氨、硫酸、天然氣轉(zhuǎn)化等；有機(jī)化學(xué)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(yīng)器的分類(lèi)隨著化工生產(chǎn)的發(fā)展，已出現(xiàn)多種固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式，以適應(yīng)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(lèi)。絕熱式固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，催化劑均勻堆置于床內(nèi)，一般有下列特點(diǎn)：床層直徑遠(yuǎn)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(guò)100；與外界沒(méi)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(yīng)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(diǎn)：催化劑的粒徑小于管徑的8倍；利用載熱體來(lái)移走或供給熱量，床層溫度維持穩(wěn)定。流化床：流化床反應(yīng)器是工業(yè)上應(yīng)用較廣泛的一類(lèi)反應(yīng)器，適用于催化或非催化的氣—固、液—固和氣—液—固反應(yīng)系統(tǒng)。流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式很多，傳統(tǒng)流化床反應(yīng)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(yīng)器是利用固體流態(tài)化技術(shù)進(jìn)行氣固相反應(yīng)的裝置。將大量固體顆粒懸浮于運(yùn)動(dòng)的流體從而使顆粒具有類(lèi)似于流體的某些宏觀表現(xiàn)特性，這種流固接觸狀態(tài)稱(chēng)為固體流態(tài)化?；瘜W(xué)工業(yè)廣泛使用固體流態(tài)化技術(shù)進(jìn)行固體的物理加工、顆粒輸送、催化和非催化化學(xué)加工。目前流態(tài)化技術(shù)作為一門(mén)基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多部門(mén)，在化工、煉油、冶金、能源、原子能、材料、輕工、生化、機(jī)械、環(huán)保等各項(xiàng)領(lǐng)域中都可以見(jiàn)到。流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)流化床內(nèi)的固體粒子像流體一樣運(yùn)動(dòng)，由于流態(tài)化的特殊運(yùn)動(dòng)形式，使這種反應(yīng)器具有如下優(yōu)點(diǎn)： 由于可采用細(xì)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(dá)3280~16400m2/m3），有利于非均相反應(yīng)的進(jìn)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(qiáng)放熱反應(yīng)的等溫操作。這是許多工藝過(guò)程的反應(yīng)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(lèi)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(gè)流化床之間大量循環(huán)。這使得一些反應(yīng)—再生、吸熱—放熱、正反應(yīng)—逆反應(yīng)等反應(yīng)耦合過(guò)程和反應(yīng)—分離耦合過(guò)程得以實(shí)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(jiǎn)單、造價(jià)低，符合現(xiàn)代化大生產(chǎn)的需要。流化床反應(yīng)器的缺點(diǎn)： 氣體流動(dòng)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(méi)有溫度差及濃度差。加之氣體可能成大氣泡狀態(tài)通過(guò)床層，使氣固接觸不良，使反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率降低。因此流化床一般達(dá)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(yán)重。雖然流化床反應(yīng)器存在著上述缺點(diǎn)，但優(yōu)點(diǎn)是主要的。流態(tài)化操作總的經(jīng)濟(jì)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