【導讀】2020第七屆“中國石化-三井化學杯”全國大學生化工設計競賽。附錄1物料與能量衡算說明書。丙烯、丙烷溶解在甲醇中與雙氧水一起進入閃蒸罐提濃預熱后進入R01001和。R01002反應后經(jīng)加料泵送入T0101和T0102精餾塔中進行粗提純。反應投料和反應條件相同。以R01001為例說明環(huán)氧丙烷環(huán)氧化第一工段反應器物料衡。表1-1環(huán)氧丙烷環(huán)氧化第一工段Aspend模擬圖。物料衡算表如R01003物料衡算1-4表所。產(chǎn)品精餾塔T02020物料衡算。經(jīng)環(huán)氧化反應的產(chǎn)物經(jīng)過T0101和T0102蒸餾塔粗精餾濃縮后經(jīng)加料泵送入T201. 餾塔T02020物料衡算如表1-3所示。經(jīng)過相分離器將R03001雙氧水分解器分解雙氧水后的混合物把氫氣和氧氣與甲醇

　　

【正文】 h=840mm。 整體塔高度 ????? 筒體總 HH 圓整： H 總 = (1） 運輸原料管法蘭的選擇 選用標準： JB/T47032020長頸對焊法蘭 (2） 容器法蘭的選擇 選用標準： JB/T47032020長頸對焊法蘭 標記： 法蘭 P30040/10JB/T47032020 法蘭 P20040/10JB/T47032020 法蘭 P320040/10JB/T47032020 2020 第七屆“中國石化 三井化學杯”全國大學生化工設計競賽 44 表 222 (mm） 公稱直徑 DN，mm 法蘭， mm 螺柱 D D1 δ1 δ2 規(guī)格 數(shù)量 300 325 440 22 26 M20 12 200 219 320 20 26 M16 8 3200 3415 3315 20 32 M24 84 支座用來支承和固定設備。常用的有耳式支座和鞍式支座。本設計采用耳式支座。耳式支座又有 A、 AN和 B、 BN型四種，本設計 選用耳式 A型支座，支座數(shù)量為 4個。 換熱器總質量的估算： 4321 mmmmm ???? 式中： 1m —塔體的質量（ kg）； 2m —物料質量（ kg）； 3m —附件的質量（ kg）。 其中： kgm 1 3 9 3 5 7 7 31 5 8 4 7 51 ???????? kgmm 1 6 7 2 12 ?? 換熱器內(nèi)的物料質量約為 kgVm OH 3223 )3049)((2 ???????????? ?（以水裝滿釜體計算）。 則 kgm 3102711 1 5 7 0 01 6 7 2 21 3 9 3 5 2 ????? 每個支座承受的重力 39。Q 約為： KNgmQ 3338 39。39。 ????? 。 選擇 C型帶墊板，耳式支座，支座材料為 ，墊板材料為 9180 NiCr ，墊板厚度為 6mm，其規(guī)定標記為 JB/ 耳 A2 mm63 ?? 。 表 223 B型耳式支座的尺 H 底板 筋板 墊板 地腳螺栓 2020 第七屆“中國石化 三井化學杯”全國大學生化工設計競賽 45 1l 1b 1? 1S 2l 2b 2? 3l 3b 3? e d 規(guī)格 650 540 360 30 140 600 400 18 750 650 16 50 36 M 30 第二段環(huán)氧化工段反應器 R01003計算 反應器進口物料的計算 由 Aspend模擬數(shù)據(jù)反應器進口物料衡算表 224： 表 224 反應器進口物料衡算 物質 摩爾流量 kmol/h 摩爾分數(shù)（ %） C3H6 C3H8 CH4O H2O H2O2 反應器出口物料的計算 表 225 反應器出口物料衡算 物質 摩爾流量 kmol/h 摩爾分數(shù)（ %） C3H6 C3H8 C3H6O CH4O H2O H2O2 C4H10O2 C3H8O2 2020 第七屆“中國石化 三井化學杯”全國大學生化工設計競賽 46 熱量衡算過程以 ℃ ， 。反應氣體于 ℃ ，常壓下進入反應器，在催化劑作用下進行 ℃ 恒溫 反應。反應器出口氣體以 ℃ ， 離開反應器。總的熱量衡算式為： Q ?輸出輸入 。 表 226 各物質在平均溫度為 ℃323 的 )( 1??molKJH 名稱 焓值（ KJ/kmol） 丙烯 丙烷 水 雙氧水 186060 甲醇 氨水 環(huán)氧丙烷 各物質焓值的計算 : 計算焓熱量是時在等溫條件下反應的參考態(tài)： ， : 又雙氧水的消耗量為： hk m o l /1 1 9 6 6 2 3 2 9 ?? . 4 k J /h 2 1 0 5 1 9 7 8 70 ?? ? iiCpnHi . 6 k J / h 2 4 4 5 9 9 3 5 700 ?? ? CpnH oo 由 QHHH Oi ??? 得， 93 4 0 7 9 5 7 0 . 1/.4 2 1 0 5 1 9 7 8 2 4 4 5 9 9 3 5 7 ???? hkJQ 即為了維持反應器內(nèi)溫度為 ，應每小時從反 應器移走 kJ34079570 的熱量。 2020 第七屆“中國石化 三井化學杯”全國大學生化工設計競賽 47 列管式固定床反應器的殼程走冷凝水，移走反應放出的熱量，使冷凝水從 20 ℃ 升溫到 40℃ 。 表 227 冷凝水的物性數(shù)據(jù) 名稱 平均分子量 molg/ 密度 3/mkg 比熱容 ? ?℃?kgkJ/ 導熱系數(shù) ? ?℃?mW/ 冷凝水 18 由 tCWQ pc ?? 得 ： 冷凝水用量 ： hkgtCp QW c / 408237)2040( 934079570. 1 ??????? 催化劑用量的計算 合成甲醛的反應是一個氣固相催化反應，催化劑的用量需要根據(jù)反應工程上通過單位催化劑列物料衡算的動力學方程才能得出。 合成甲醛的動力學方程為： 53 28 6e x )/12 08 0e x p( 22 POOHM CRTCRTr ??????? 其中： PO—環(huán)氧丙烷 式中： )/( Km olJR ?? ， ?? ℃T 各物質摩爾分數(shù)的計算： 合成環(huán)氧丙烷的反應在雙氧水轉化率為 96%時到達平衡，達平衡時雙氧水的摩爾濃度為： 30 / mkm olC OH ? 2020 第七屆“中國石化 三井化學杯”全國大學生化工設計競賽 48 ? ?AOHOH XCC ??? 12222 0 AOHPO XCC ?? 220 求解動力學 方程： 由定義有： dWdXFdWdFr AAAA 0??? 查得 53 28 6e x )/12 08 0e x p(22 POOHM CRTCRTr ??????? ? ? AA XX ???? 令 ? ? AM rrxf ?? ，即 ? ?xfdWdXF AA ?0 ， 則 : ? ? 01 AA FxfdXdW ? 兩邊同時積分得： ? ?? ?? 0 AA dXxfFW 其中 ： ? ? ? ? 0 0 66 7 AA XXxf ?????用辛普森數(shù)值積分法求解定積分 ? ?? ? 1 dxxf 數(shù)值積分法為： ? ? ? ?...)(2...)(431 ??????????? ffffffffhdxxf n nxxh n 0?? ， 實用于奇數(shù)個數(shù)據(jù)點， n 為偶數(shù)。 f 的角標代表選取數(shù)據(jù)點的編號，且點與點之間等間距。 2020 第七屆“中國石化 三井化學杯”全國大學生化工設計競賽 49 ? ? ? ? 0 0 66 7 AA XXxf ????? 00?X ， ?Xn 表 228 AX 與 ??xf1的關系 AX 0 ??xf1 則 ： ? ?dxxf? 1 ? ? ? ?? ? ?????????? 因此，催化劑所需質量： ? ?? ????? 0 1 3 9 kgdXxfFW AA 反應采用的催化劑為鈦硅分子篩：催化劑成粒狀，粒度為 6mm，堆密度為 3/450 mkg ，比表面積為 gm/2 。故反應所需的體積 7801 3 9 8 mWV r ??? ? 由催化劑所算得反應器體積太小，反應物流量過大。故選擇用停留時間與流量的關系得出反應器總體積： 一小時的體積流量： 330 mmmvm ??? ? 反應時間取十分鐘： 反應器體積： 30 mvV ???? ? 根據(jù)中間試驗的結果，列管規(guī)格為： ?? ，管長為 L=9m 。 2020 第七屆“中國石化 三井化學杯”全國大學生化工設計競賽 50 232 )1030( ??????????? ndlnV r 解方程得： n=1983(根 ） 列管式固定床反應器殼體內(nèi)徑的確定 由公式： 39。2)1( bntD c ??? 式中： D—殼體內(nèi)徑 ， mm t—管中心距 ， mm —橫過管束中心線的管束 b39?！?一般取 0)~1(39。 db ? ， mm 0 ???? dt ， 39。 0 ???? db 管子采用正三角形排列 ， ??? nn c 故帶入公式得： mmD 2 1 8 7 . )149( ????? ， 標準化后 mmD 2200? 核算過程： 管長和殼徑應相適應，一般取 L/D為 4—6。 對該反應器： ??DL ，因此，所設計的反應器符合實際情況。 反應催化劑實際用量： kgkgVm r ????? 催催 ? 表 229 第二工藝工段反應器設計計算結果 序號 項目 數(shù)據(jù) 2020 第七屆“中國石化 三井化學杯”全國大學生化工設計競賽 51 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 列管式反應器入口溫度 列管式反應器出口溫度 反應壓力 原料甲醇的量 原料丙烯的量 原料水的量 催化劑床層高度 塔徑 催化劑用量 列管根數(shù) 列管規(guī)格 管子排列方式 冷凝水 冷凝水進口管徑 折流板間距 折流板數(shù) 50℃ 50℃ 9m 9830kg 1983根 Φ35 三角形排列 408236kg/h 380mm 880mm 10 由工藝流程物料和熱量衡算，計算設計反應器選型如表 230： 表 230反應器選型一覽表 設備 位號 設備名稱 直徑（ m） 高度（ m） 設計溫度(℃ ） 設計壓力(MPa） 設備個數(shù) 材料 厚度(mm） 保溫層材料 R01001 R01002 一段環(huán)氧化反應器 100 4 Q345R 20 玻璃棉卷氈 R01003 二段 100 1 2 Q345 20 玻璃棉2020 第七屆“中國石化 三井化學杯”全國大學生化工設計競賽 52 環(huán)氧化反應器 R 卷氈 R03001 雙氧水分解器 100 1 2 Q345R 20 玻璃棉卷氈 R04001 雙氧水反應器 100 2 Q345R 20 精制產(chǎn)品精餾塔 T02020設計 精餾塔 T02020 設計 概述 設計依據(jù) 塔設備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設備之一。塔設備的性能對于整套生產(chǎn)裝置的產(chǎn)量、質量、生產(chǎn)能力和消耗以及三廢處理和環(huán)境保護等各個方便，都有重大影響。塔設備的設計是建立對合成工段、精制工段流程的模擬、優(yōu)化的基礎上。在滿足工藝要求的基礎上，考慮設備的固定投資費用和操作費用，利用物料衡算和熱量衡算的模擬數(shù)值進行設備的設計和選型。 設計規(guī)范 化工設備設計基礎規(guī)定： HG/T 20643 鋼制壓力容器焊接規(guī)程： JB/T 4709 鋼制化工容器制造技術要求： HG 205801998 鋼制化工容器設計基礎規(guī) 定： 205841998 鋼制化工容器材料選用規(guī)定： 205821998 鋼制化工容器強度計算規(guī)定： 205831998 鋼制化工容器結構設計規(guī)定： 205811998 2020 第七屆“中國石化 三井化學杯”全國大學生化工設計競賽 53 塔設備在發(fā)展過程中為了滿足各行業(yè)生產(chǎn)的需要，形成了形式繁多的各種結構，可以從不同的角度對塔設備進行分類。例如：按操作壓力分為加壓塔、常壓塔、和減壓塔；按單元操作分為精餾塔、吸收塔、減壓塔、萃取塔、反應塔、和干燥塔；按形成相際接觸界面的方式分為具有固定相界面的和流動中形成相界面的塔，也有按塔釜形式分類的；但是長期以來， 最長用的分類是按塔內(nèi)件結構分為板式塔和填料塔兩大類。 T0203 設計要求 T0203 是為了對產(chǎn)品進行精制精餾，得到純度大于 99%的精品環(huán)氧丙烷，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，塔設備還要考慮下列要求： （ 1）生產(chǎn)能力大。在較大的氣（汽）液流速下，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞正常操作的現(xiàn)象。 （ 2）操作穩(wěn)定、彈性大。當塔設備的氣（汽）液負荷量有較大的波動時，仍能在較高的傳質效率下進行穩(wěn)定的操作。并且塔設備應保證能長期連續(xù)操作。 （ 3） 流體流動阻力小，即流體透過塔設備的壓力降小。這將大大節(jié)省生產(chǎn) 中的動力消耗，以降低經(jīng)常操作費用。對于減壓蒸餾操作，較大的壓力降還將使系統(tǒng)無法維持必要的真空度。 （ 4）結構簡單、材料耗用量小、制造和安裝容易。這