【正文】 Solid Frac Enthalpy kcal/mol Enthalpy kcal/kg Enthalpy Gcal/hr Entropy cal/molK Entropy cal/gmK 2020 第七屆“中國石化 三井化學(xué)杯”全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽 21 附錄 2 塔設(shè)備設(shè)計說明書 反應(yīng)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)。我們對環(huán)氧丙烷環(huán)氧化反應(yīng)器做出了詳細的設(shè)計并編寫了設(shè)計說 明書。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。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。 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)固定不動的催化劑床層進行催化反應(yīng)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(yīng)，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(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； 對放熱量大的反應(yīng)，應(yīng)增大換熱面積，及時移走反應(yīng)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。氣固相固定床反應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(yīng)器體積較小。 催化劑不易磨損，可以較長時間連續(xù)使用。 由于固體催化劑在床層中靜止不動，相應(yīng)地產(chǎn)生一些缺點： 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。所以在放熱反應(yīng)時，通常在換熱式反應(yīng)器的軸向存在一個最高的溫度點，稱為 “熱點 ”。此時，對反應(yīng)的選擇性、催化劑的活性和壽命、設(shè)備的強度等均極不利。 催化劑的再生、更換均不方便。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。 二、 固定床反應(yīng)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(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。 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“中國石化 三井化學(xué)杯”全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽 24 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。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。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。 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(yīng)的等溫操作。 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)。使得易失活催化劑能在工程中使用。 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。 2020 第七屆“中國石化 三井化學(xué)杯”全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽 25 流化床反應(yīng)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。因此流化床一般達不到固定床的轉(zhuǎn)化率。 由于固體顆粒的磨蝕作用，管子和容器的磨損嚴重。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)定的突出優(yōu)點，對于熱效應(yīng)很大的大規(guī)模生產(chǎn)過程特別有利。 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)。 與物性相關(guān)的反應(yīng)因素： 產(chǎn)物概述 環(huán)氧丙烷 (PropyleneOxide， 簡稱 PO） ， 又名甲基環(huán)氧乙烷或氧化丙烯 ， 是無色、具有醚類氣味的易燃液體。與水部分互溶 ， 與乙醇、乙醚等互溶。環(huán)氧丙烷是除了聚丙烯和丙烯腈以外的第三大丙烯衍生物 ， 是重要的基本有機化工原料。是精細化工產(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)。其中氯醇法 ， PO/SM法 ， PO/TAB法 ， CHP法 ， HPPO法已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化 ；氧氣直接氧化法正處于實驗階段。 表 22 氯醇法、共氧化法、異丙苯法、過氧化氫法技術(shù)優(yōu)缺點對 比 生產(chǎn)工藝 優(yōu)點 缺點 氯醇法 1） 工藝成熟 ， 流程簡單 ； 2） 操作負荷彈性大 ； 3） 選擇性好 ； 4） 對原料丙烯的純度要求不高 ； 5） 安全性高； 6） 投資少 ； 7） 有成本競爭力。 共氧化法(PO/SM法 ）(PO/TBA法 ） 1） 共氧化法克服了氯醇法腐蝕廢水量大缺點 ； 2） 產(chǎn)品成本低 (聯(lián)產(chǎn)品分攤成本 ）； 3） 環(huán)境污染小。 2020 第七屆“中國石化 三井化學(xué)杯”全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽 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。 生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量 A甲基苯乙烯 ，增加循環(huán)回收裝置。 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。 名稱 原輔料 規(guī)格 配比 原料 雙氧水 工業(yè)級 原料 丙烯 工業(yè)級 原料 丙烷 工業(yè)級 原料 甲醇 工業(yè)級 2020 第七屆“中國石化 三井化學(xué)杯”全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽 29 反應(yīng)工段的具體計算 以環(huán)氧丙烷環(huán)氧化第一工段反應(yīng)器設(shè)計為例詳細計算設(shè)計。 表 27生產(chǎn)計劃任務(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（摩爾分數(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)計內(nèi)容 ，繪出流程 示意圖。 塔徑，塔高，進出口接管，法蘭等。 本工藝是在壓力為 ，溫度為 50℃ 下，在 TS1上進行的等溫液固相催化反應(yīng)。進入反應(yīng)器時，甲醇含量約為 %，丙烯含量約為 %（摩爾分數(shù)）。 本工藝計算以生產(chǎn) 30萬噸甲醛，按 300天計，工業(yè)級別的甲醛質(zhì)量分數(shù)為 96%。 反應(yīng)器進口物料的計算 根據(jù)表 3，表 5中各組分的數(shù)據(jù)計算可得： 2020 第七屆“中國石化 三井化學(xué)杯”全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽 31 純甲醇的物質(zhì)的量 ： 10133kmol/h 水物質(zhì)的量： 丙烯： 丙烷： 雙 氧水： 表 29原料液的組成及含量 反應(yīng)器出口物料的計算 甲醇的物質(zhì)的量： 10133kmol/h 生成環(huán)氧丙烷的物質(zhì)的量： 水的物質(zhì)的量： 未反應(yīng)的雙氧水的物質(zhì)的量 ： 丙烯的物質(zhì)的量： 1184kmol/h 丙烷的物質(zhì)的量： 丙二醇甲醚的物質(zhì)的量： 表 210反應(yīng)器出口主要組成及含量 物質(zhì) 摩爾分數(shù) (%） 物質(zhì)的量（ kmol/h） CH3OH 84 10133 C3H6O H2O 物質(zhì) 摩爾分數(shù) (%） 物質(zhì)的量（ kmol/h） CH3OH 10133 H2O2 H2O C3H6 C3H8 NH3 2020 第七屆“中國石化 三井化學(xué)杯”全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽 32 H2O2 C4H10O2 C3H8O2 NH3 C3H6 1184 轉(zhuǎn) 化率 : 雙氧水： %96%1003 6 2 . 6 51 4 . %100 ????? 雙氧水進料量雙氧水反應(yīng)量x 環(huán)氧丙烷收率： %96%1003 6 2 . 6 53 4 8 . 1 3 3%100 ????? 雙氧水進料量 水物質(zhì)的量生成環(huán)氧丙烷消耗雙氧Y 合成過程環(huán)氧丙烷的熱量衡算 熱量衡算過程以 ℃ ， 。反應(yīng)器出口氣體以 ℃ ， 離開反應(yīng)器。 各物質(zhì)熱流量的計算 每個組分的在 ℃ 下的焓值： 表 211各物質(zhì)平均溫度為 ℃ 的焓值 物質(zhì) C3H8 C3H6 H2O 焓值 (KJ/Kmol） 物質(zhì) CH3OH C3H6O H2O2 NH3 焓值 (KJ/Kmol） 186060 熱流量的計算 計算焓熱量是時在等溫條件下反應(yīng)的參考態(tài)： ℃ ， : hkJHnQi ii /105 0 9???? ? 2020 第七屆“中國石化 三井化學(xué)杯”全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽 33 hkJHnQ ooo / 9???? ? 由 HQ ??? 得， hkJQi O / 7????? 即為了維持反應(yīng)器內(nèi)溫度為 ℃ ，應(yīng)每小時從反應(yīng)器移走 ? 的熱量。 合成環(huán)氧丙烷的動力學(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)摩爾分數(shù)的計算： 合成環(huán)氧丙烷的反應(yīng)在雙氧水轉(zhuǎn)化率為 84%時到達平衡，達平衡時雙氧水的摩爾濃度為： 30 / mkmo lC OH ? ? ?AOHOH XCC ??? 12222 0 AOHPO XCC ?? 220 求解動力學(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“中國石化 三井化學(xué)杯”全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽 34 ? ?? ? ? ?? ? 2202222AAAOHAOHPOOHXXXCXCCC?????????????? 令? ? AM rrxf ?? ，即 ? ?xfdWdXF AA ?0 ， 則： ? ?01 AA FxfdXdW ? 兩邊同時積分得： ? ?? ?? 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?? ， 實用于奇數(shù)個數(shù)據(jù)點， n 為偶數(shù)。 ? ? ? ? AA XXxf ???? 00?X ， ?Xn 表 212 AX 與 ??xf1 的關(guān)系 AX 0 2020 第七屆“中國石化 三井化學(xué)杯”全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽 35 ??xf1 則 ? ?dxxf? 1 ? ? ? ?? ? ????????? 因此，催化劑所需質(zhì)量 ? ?? ????? 0 0 1 0 5 5 kgdXxfFW AA 反應(yīng)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 3/780 mkg ，比表面積為 gm/2 。故選擇用停留時間與流量的關(guān)系得出反應(yīng)器總體積： 一小時的體積流量： 330 8 9831 mmmvm ???? ? 反應(yīng)時間取十分鐘： 反應(yīng)器體積 : 30 62 mvV ???? ? 根據(jù)中間試驗的結(jié)果，列管規(guī)格為： ?? 表 213普通鋼管參數(shù) 外徑， mm 壁厚， mm 單位長度理論重量， kg/m 38 2020 第七屆“中國石化 三井化學(xué)杯”全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽 36 管長為 L=15m 。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