【正文】 （ 4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料耗用量小、制造和安裝容易。并且塔設(shè)備應(yīng)保證能長(zhǎng)期連續(xù)操作。 T0203 設(shè)計(jì)要求 T0203 是為了對(duì)產(chǎn)品進(jìn)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(shè)備還要考慮下列要求： （ 1）生產(chǎn)能力大。塔設(shè)備的設(shè)計(jì)是建立對(duì)合成工段、精制工段流程的模擬、優(yōu)化的基礎(chǔ)上。 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(biāo)準(zhǔn)化后 mmD 2200? 核算過程： 管長(zhǎng)和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取 L/D為 4—6。 2020 第七屆“中國(guó)石化 三井化學(xué)杯”全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽 50 232 )1030( ??????????? ndlnV r 解方程得： n=1983(根 ） 列管式固定床反應(yīng)器殼體內(nèi)徑的確定 由公式： 39。 f 的角標(biāo)代表選取數(shù)據(jù)點(diǎn)的編號(hào)，且點(diǎn)與點(diǎn)之間等間距。 表 226 各物質(zhì)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(zhì)焓值的計(jì)算 : 計(jì)算焓熱量是時(shí)在等溫條件下反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)溫度為 ，應(yīng)每小時(shí)從反 應(yīng)器移走 kJ34079570 的熱量。 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(guó)石化 三井化學(xué)杯”全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)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(yīng)器 R01003計(jì)算 反應(yīng)器進(jìn)口物料的計(jì)算 由 Aspend模擬數(shù)據(jù)反應(yīng)器進(jìn)口物料衡算表 224： 表 224 反應(yīng)器進(jìn)口物料衡算 物質(zhì) 摩爾流量 kmol/h 摩爾分?jǐn)?shù)（ %） C3H6 C3H8 CH4O H2O H2O2 反應(yīng)器出口物料的計(jì)算 表 225 反應(yīng)器出口物料衡算 物質(zhì) 摩爾流量 kmol/h 摩爾分?jǐn)?shù)（ %） C3H6 C3H8 C3H6O CH4O H2O H2O2 C4H10O2 C3H8O2 2020 第七屆“中國(guó)石化 三井化學(xué)杯”全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽 46 熱量衡算過程以 ℃ ， 。Q 約為： KNgmQ 3338 39。耳式支座又有 A、 AN和 B、 BN型四種，本設(shè)計(jì) 選用耳式 A型支座，支座數(shù)量為 4個(gè)。 表 221普通鋼管尺寸及單位長(zhǎng)度理論重量 外徑， mm 壁厚， mm 單位長(zhǎng)度理論重量， kg/m 219 6 325 H DN=3200mm， H=15m，以內(nèi)徑為公稱直徑的橢圓形封頭的尺寸、內(nèi)表面積和容積? ?JB/T 433795可得： ?封頭V ， 由于使用的是標(biāo)準(zhǔn)封頭，所以a2b?，所以可得封頭的高度 h=840mm。 封頭 的標(biāo)準(zhǔn)為： EHA 4000 JB/T 4746. 綜上：筒體和封頭選材都為 Q345R，壁厚 20n mm? ? 。 標(biāo)準(zhǔn)形封頭壁厚： ? ? 122 tPD CCP? ??? ? ??： 其中： MPP ??? ， mm3200?D ，a181t MP??， 1?? （整體沖壓），1 ? （鋼板負(fù)偏差 1C ），2 2C mm? 。球冠形封頭、平板封頭都存在較大的邊緣應(yīng)力，且采用平板封頭厚度較大，故不宜采用。 表 218鋼板負(fù)偏差 C1 鋼板厚度 2 負(fù)偏差 鋼板厚度 67 825 2630 3234 3640 4250 5260 負(fù)偏差 1 根據(jù)內(nèi)壓圓筒壁厚的計(jì)算公式 ：CPD ?? ??? ][2 t 帶入以上數(shù)據(jù)得 : ][2 t ???? ????? CPD ??， 根據(jù)工程要求和鋼材的使用壁厚范圍圓整后，取 20d mm? ? 。具體將在裝配圖上注明。 2 裙座材料的選擇 裙座不直接與塔內(nèi)介質(zhì)接觸，也不承受塔內(nèi)介質(zhì)的壓力，因此不受壓力容器用材的限制。如下表所得： 表 215 拉桿直徑表 換熱管外徑 d 拉桿直徑 d 10≤d≤14 10 14〈 d〈 25 12 25≤d≤57 16 2020 第七屆“中國(guó)石化 三井化學(xué)杯”全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽 38 其他附件 等溫固定床列管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果： 表 216等溫固定床列管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果 序號(hào) 項(xiàng)目 數(shù)據(jù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 列管式反應(yīng)器入口溫度 列管式反應(yīng)器出口溫度 反應(yīng)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(jìn)口管徑 折流板間距 折流板數(shù) 50℃ 50℃ 914kmol/h 15m 34086kg 3049根 Φ38 三角形排列 237600kg/h 325mm 600mm 24 2020 第七屆“中國(guó)石化 三井化學(xué)杯”全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽 39 固定 床反應(yīng)器 R01001設(shè)備設(shè)計(jì)說明書 在剛度或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主的場(chǎng)合，應(yīng)盡量選用普通碳素鋼。 2020 第七屆“中國(guó)石化 三井化學(xué)杯”全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽 37 表 214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(dǎo)熱系數(shù)? ?℃?mW/ 冷凝水 18 由 tCWQ pc ?? 得， 冷凝水用量 ： skgtCp QW c /6623 6 0 0)2040( 7 ????? ????? 安裝折流擋板的目的是為了提高管外對(duì)流傳熱系數(shù)，為取得良好效果，固定反應(yīng)管。 db ? ， mm 0 ???? dt ， 39。故選擇用停留時(shí)間與流量的關(guān)系得出反應(yīng)器總體積： 一小時(shí)的體積流量： 330 8 9831 mmmvm ???? ? 反應(yīng)時(shí)間取十分鐘： 反應(yīng)器體積 : 30 62 mvV ???? ? 根據(jù)中間試驗(yàn)的結(jié)果，列管規(guī)格為： ?? 表 213普通鋼管參數(shù) 外徑， mm 壁厚， mm 單位長(zhǎng)度理論重量， kg/m 38 2020 第七屆“中國(guó)石化 三井化學(xué)杯”全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽 36 管長(zhǎng)為 L=15m 。 合成環(huán)氧丙烷的動(dòng)力學(xué)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(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)的計(jì)算： 合成環(huán)氧丙烷的反應(yīng)在雙氧水轉(zhuǎn)化率為 84%時(shí)到達(dá)平衡，達(dá)平衡時(shí)雙氧水的摩爾濃度為： 30 / mkmo lC OH ? ? ?AOHOH XCC ??? 12222 0 AOHPO XCC ?? 220 求解動(dòng)力學(xué)方程： 由定義有： dWdXFdWdFr AAAA 0??? 查得 53 28 6e x )/12 08 0e x p( 22 POOHM CRTCRTr ??????? 2020 第七屆“中國(guó)石化 三井化學(xué)杯”全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽 34 ? ?? ? ? ?? ? 2202222AAAOHAOHPOOHXXXCXCCC?????????????? 令? ? AM rrxf ?? ，即 ? ?xfdWdXF AA ?0 ， 則： ? ?01 AA FxfdXdW ? 兩邊同時(shí)積分得： ? ?? ?? 0 AA dXxfFW 其中， ? ? ? ? AOHAOHPOOH XCXCCCxf ?????????? 2202222 0 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 其中 nxxh n 0?? ， 實(shí)用于奇數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)， n 為偶數(shù)。反應(yīng)器出口氣體以 ℃ ， 離開反應(yīng)器。 本工藝計(jì)算以生產(chǎn) 30萬噸甲醛，按 300天計(jì)，工業(yè)級(jí)別的甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 96%。 本工藝是在壓力為 ，溫度為 50℃ 下，在 TS1上進(jìn)行的等溫液固相催化反應(yīng)。 表 27生產(chǎn)計(jì)劃任務(wù)書 生產(chǎn)能力 /年（環(huán)氧丙烷） 年工作日 300天 原料組成 11%丙烯， %丙烷， 13%水 ， %雙氧水， %甲醇，%氨（摩爾分?jǐn)?shù)，下同） 產(chǎn)品組成 %丙烯， %丙烷， %水， %雙氧水， % 甲醇，丙二醇甲醚及丙二醇混合副產(chǎn)物 %， %環(huán)氧丙烷 操作壓力 操作溫度 50℃ 三 、設(shè)計(jì)內(nèi)容 ，繪出流程 示意圖。 通過幾種生成環(huán)氧丙烷的工業(yè)方法，經(jīng)綜合考慮我們選擇了工藝流程簡(jiǎn)單，產(chǎn)品收率高，無副產(chǎn)品無污染的過氧化氫氧化法生成環(huán)氧丙烷工藝。 2020 第七屆“中國(guó)石化 三井化學(xué)杯”全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽 27 異丙苯氧化法(CHP法 ） 與氯醇法相比 : 不需要氯氣 ， 減少了設(shè)備腐蝕 ； 1） 廢水量少。 表 22 氯醇法、共氧化法、異丙苯法、過氧化氫法技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì) 比 生產(chǎn)工藝 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 氯醇法 1） 工藝成熟 ， 流程簡(jiǎn)單 ； 2） 操作負(fù)荷彈性大 ； 3） 選擇性好 ； 4） 對(duì)原料丙烯的純度要求不高 ； 5） 安全性高； 6） 投資少 ； 7） 有成本競(jìng)爭(zhēng)力。是精細(xì)化工產(chǎn)品的重要原料 ， 廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、食品 、煙草、醫(yī)藥及化妝品等行業(yè)。與水部分互溶 ， 與乙醇、乙醚等互溶。 流化床反應(yīng)器一般不適用如下情況：要求高轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)；要求催化劑層有溫度分布的反應(yīng)。 由于固體顆粒的磨蝕作用，管子和容器的磨損嚴(yán)重。 2020 第七屆“中國(guó)石化 三井化學(xué)杯”全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽 25 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，以致在床層軸向沒有溫度差及濃度差。使得易失活催化劑能在工程中使用。 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。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。 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2020 第七屆“中國(guó)石化 三井化學(xué)杯”全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽 24 下列特點(diǎn)：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。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。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。 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，也給溫度控制帶來困難。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。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。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)并編寫了設(shè)計(jì)說 明書。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。 W——輸入系統(tǒng)的機(jī)械能。總之，通過下述能量衡算，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)。輸入整個(gè)系