1、6臼HENGYI (EC)中安聯(lián)合煤化分公司年產(chǎn)9萬(wàn)噸醋酸乙烯酯項(xiàng)目反應(yīng)器設(shè)計(jì)說明書指導(dǎo)教師：王余杰、周阿洋、馬田林、馮建華、陳綱領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員：宋丹慧、石陽(yáng)、陳瑞瑞、常學(xué)仁、虞澤耀浪山化;旁珥圖2-5流化床反應(yīng)器工作示意圖與固定床相比，流化床反應(yīng)器的特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：a. 可以實(shí)現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；b. 流體和顆粒的運(yùn)動(dòng)使床層具有良好的傳熱性能，床層內(nèi)部溫度 均勻，而且易于如，別適用于強(qiáng)放熱反虛，流化床適合使用細(xì)粒子催化劑，易消除內(nèi)擴(kuò)散阻力，能充分發(fā)揮催化劑的效能。乂_>c. 由于返混嚴(yán)重，可對(duì)反應(yīng)器的效率和反應(yīng)的選擇性帶來一定 影響。再加上氣固流化床中氣泡的存在使得氣固接觸變差

2、，導(dǎo)致氣體 反應(yīng)得不完全。因此，通常不宜用于要求單程轉(zhuǎn)化率很高的反應(yīng)。d. 固體顆粒的磨損和氣流中的粉塵夾帶，也使流化床的應(yīng)用受 到一定限制。為了限制返混，可采用多層流化床或在床內(nèi)設(shè)置內(nèi)部構(gòu) 件。這樣可在床內(nèi)建立起一定的濃度或溫度差。此外，由于氣體得到 再分布，氣固間的接觸亦可有所改善。2.3移動(dòng)床反應(yīng)器移動(dòng)床與固定床相似，不同的是固體顆粒自頂部連續(xù)加入，由底 部卸出.移動(dòng)床離子交換樹脂在交換器、再生器和清洗塔之間，周期 性流動(dòng)的離子交換裝置。移動(dòng)床與固定固定床的差別在于反應(yīng)過程中 催化劑從反應(yīng)器入口向出口緩慢運(yùn)動(dòng)，新鮮催化劑（或再生好的催化 劑）從反應(yīng)器入口進(jìn)入，失活的催化劑從反應(yīng)器出口移出

3、，進(jìn)行再生。 催化劑運(yùn)動(dòng)速度較慢，沒有達(dá)到流化狀態(tài)。如UOP與IFP連續(xù)重整 工藝中的移動(dòng)床反應(yīng)器。如下圖2-6所示四寧管、四寧管、吸酎劑通道 柘朋朋雨 侈動(dòng)康啜酎器溶動(dòng)首多孔板移動(dòng)床吸附誓的段附劑控制機(jī)構(gòu)1-冷卻群,2-RW塔.3/配板,4-瓣升管，5-再生器,6書1附刑捽制機(jī)械.7-固P料捽制器,89-出料閥門圖2-6移動(dòng)床吸附器2.4各類反應(yīng)器區(qū)別固定床可以處理高灰分，高灰熔點(diǎn)的煤，投資小，環(huán)保差、氣流床產(chǎn)量最大，但對(duì)煤種有一定要求；硫化床現(xiàn)在壓力加不上去，推廣 受限。這三種床最關(guān)鍵的就是設(shè)計(jì)床體，現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)床體大多數(shù)是 一種經(jīng)驗(yàn)估算和模擬實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)大到工業(yè)生產(chǎn)上往往存在很多缺點(diǎn)。它

4、們的主要區(qū)別還得看用途，物料的性質(zhì)，既是物理過程還是化學(xué)反應(yīng) 過程。固定床和移動(dòng)床比較適合氣一氣、氣一液和液一液反應(yīng)，床層 本身作為催化劑，優(yōu)點(diǎn)是返混小，固相帶出少，分離簡(jiǎn)單。流化床的 床型是設(shè)計(jì)中很重要的，與反應(yīng)體系的匹配要求比較高。此外，操作 中的氣速、帶出量、與配套的旋風(fēng)等分離設(shè)備設(shè)計(jì)比較嚴(yán)格。流化床 的傳熱和破汽泡、溝流措施也是研究比較多的。流化床需要注意的是 不能堵塞氣體分矗,堵了很麻煩的。固定床、移動(dòng)床和沸騰床的區(qū)分是依據(jù)向床層內(nèi)通氣量的大小而 定的，隨著通氣量的增加，一次是固定床、鼓泡床（沸騰床），湍動(dòng) 床，輸送床。移動(dòng)床嚴(yán)格意義上屬于流化床的范疇，是顆粒整理向下 移動(dòng)，床層高度

5、不變，例如煉油中的催化重整工藝，是典型的移動(dòng)床 工藝。至于應(yīng)用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，相對(duì)而言流化床技術(shù)具有良好的傳質(zhì)、 傳熱和各項(xiàng)均勻性，生產(chǎn)規(guī)模大，應(yīng)用的最廣泛，例如基于循環(huán)流化 床開發(fā)的各種煤氣化、燃燒工藝等等。固定床和移動(dòng)床受傳質(zhì)傳熱的 限制，規(guī)模小，但是裝置投資小，例如魯奇的碎煤氣化技術(shù)，就是典 型的固定床，通常需要幾臺(tái)爐子一起交替生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的連續(xù)。2.5反應(yīng)器的比選醋酸乙烯酯乙烯氣相法合成工藝可以選用連續(xù)反應(yīng)器，在連續(xù)反一 “醋”而就8應(yīng)器中主要由流化床、固定床。流化床雖然可以增加兩相間的接觸面 積，傳熱面積以及具有傳質(zhì)速率快等特點(diǎn)，但是由于催化劑顆粒的劇 烈運(yùn)動(dòng)，造成固體顆粒與流體

6、的嚴(yán)重返混，導(dǎo)致反應(yīng)物濃度下降，轉(zhuǎn) 化率下降，催化劑顆粒的劇烈運(yùn)動(dòng)也造成了催化劑破碎率增大，增加 了催化劑的損耗。同時(shí)催化劑還會(huì)與器壁發(fā)生劇烈碰撞，易造成設(shè)備 與管道的腐蝕，增大設(shè)備損耗。固定床中催化劑顆粒固定不動(dòng)，返混少，反應(yīng)物的平均濃度高， 反應(yīng)速率較快，可以克服上述流化床額缺點(diǎn)。除此之外，固定床內(nèi)的 流體流動(dòng)接近平推流，有利于實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化率與選擇性；可用較少 量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積獲得較大的生產(chǎn)能力；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、催 化劑機(jī)械磨損小，適合于貴金屬催化劑；反應(yīng)器的操作方便、操作彈 性較大。綜上，雖然醋酸乙烯酯乙烯氣相法合成反應(yīng)過程中熱效應(yīng)很大，反應(yīng)熱約8.169xlO7K7/Z/,絕熱

7、溫升達(dá)到185C，但考慮到該反應(yīng)體 系催化劑壽命長(zhǎng)，不需要及時(shí)更新，若采用流化床則為造成多余的能 耗，且損壞催化劑顆粒結(jié)構(gòu)，故初步選定反應(yīng)器類型為固定床反應(yīng)器。第三章、乙烯氧化法生產(chǎn)醋酸乙烯反應(yīng)器3.1反應(yīng)方程式主反應(yīng)：C2H4 + CH3COOH + 0.5 - CH3COOCHCH2 + H2O + 146.7K副反應(yīng)：C2H4+ 302 2CO2 + 2H2O+ 1340KJ此外尚有少量副產(chǎn)物乙醛、醋酸乙酯、醋酸甲酯、丙烯醛、二醋酸二醇酯和聚合物等生成：2CH3COOH + CH2CH2 - ch3cooc2h52CH3COOH + 2C2H4 + 3O2 t CH3COOCH3 + 2

8、CO2 + 2H202CH3COOH + 2C2H4 4- 3O2 - 2CH2CHCH0 + 2CO2 + 4H204CH3C00H + 2C2H4 + O2 - ch3cooch2ch2ococh3由于這些副反應(yīng)的產(chǎn)生的副產(chǎn)物較少，因此可以忽略副反應(yīng)對(duì)于 反應(yīng)體系的影響上只考慮主要副反應(yīng)。3.2催化劑參數(shù)催化劑采用山東華魯恒升化工股份有限公司生產(chǎn)的貴金屬鉗金 催化劑，以TiCh為載體，其主要性質(zhì)如下表：表3-1催化劑物性表化學(xué)組成Pd/(g/l)含水率/(%)W3.0Au/(g/l)1.35 1.395空時(shí)收/(t/m3.cat.d)39.0KOAc/(g/l)N30選擇性/(%)N93機(jī)

9、械性能磨損率經(jīng)60小時(shí)磨損后粒徑在2.5mm以下的小于5%耐壓強(qiáng)度平均耐壓強(qiáng)度N5kgf/粒，其中1.55kgf/顆以上的大于99%, 25kgf/顆以上的大于90%堆積密度0.41 0.51活性組分一祀、金：鉗的含量及其在載體表面上的分散程度對(duì)催 化劑活性的影響很大。在相同情況下，催化劑的活性隨著鉗的含量的 增加而提高。金的作用是防止鉗的氧化凝聚，讓金屬耙在載體上有一 個(gè)良好的分布狀態(tài)。只含有金的催化劑并沒有活性，而不含有金的鉗 催化劑活性也不高。當(dāng)鉗含量在一定范圍內(nèi)，催化劑的活性隨著金含 量的增加而提高。助催化劑一乙酸鉀：乙酸鉀的存在有助于反應(yīng)組分乙酸在鉗金屬 上締合，促進(jìn)物理吸附的乙酸的

10、離解和釋放氫離子，使鉗-氧間的鍵 結(jié)合力減弱，促使乙酸鉗的分解；此外，還可以抑制深度氧化反應(yīng)， 從而提高了反應(yīng)的選擇性。載體一TiOz 載活，性組分和助催化劑，.腹其;星載體表面呈高度 分散狀態(tài)。3.3反應(yīng)器類型的選擇催化劑不易失活，同時(shí)催化劑顆粒小，價(jià)格昂貴，且返混對(duì)反應(yīng) 體系不利，所以可選列管式固定床反應(yīng)器。列管式固定床反應(yīng)器有以下優(yōu)點(diǎn)：返混小，流體可同催化劑進(jìn) 行有效解除，當(dāng)反應(yīng)伴有串聯(lián)副反應(yīng)時(shí)可得較高選擇性；催化劑機(jī) 械損耗；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它的投資和操作費(fèi)用介于絕熱固定床和流化床 之間；列管式固定床相對(duì)于一般固定床而言，更容易控制熱量的傳遞過程。因此，列管式固定床是硫化氫甲硫醒反應(yīng)比較理想

11、的反應(yīng)設(shè) 備。3.4工藝條件的選擇使用貴金屬Pd-Au-CH3COOK/TiO2催化劑，由乙烯、氧氣和乙 酸合成醋酸乙烯的主要工藝條件的控制指標(biāo)為：反應(yīng)溫度：160180°C反應(yīng)壓力：0.60.8Mpa空間速度：18002000/h原料氣組成：乙烯44%(mol),氧氣5-6%(mol),乙酸20%(mol), 二氧化碳20% (mol),水1.6% (mol),其余為氮?dú)?。反?yīng)溫度反應(yīng)溫度對(duì)選擇性、空時(shí)收率及出口氣中氧氣和二氧化碳含量有 一定的關(guān)系。當(dāng)選擇操作溫度比較時(shí)，反應(yīng)的選擇性較好，但空時(shí)收 率較低：隨著溫度的升高，反應(yīng)選擇性略有下降，與此同時(shí)空時(shí)收率 在逐漸提高。溫度繼續(xù)升

12、高，由于完全氧化副反應(yīng)的加劇，使得反應(yīng)選擇性明 顯下降，而且因?yàn)榇罅康难鯕獗幌脑谕耆趸狈磻?yīng)上，使得反應(yīng) 器出口氣中氧氣的含量大幅度減少，并有一定量的一氧化碳生成，而 一氧化碳的存在會(huì)使催化劑的活性減弱，這樣必然又會(huì)使得空時(shí)收率 產(chǎn)生明顯下降。因此，醋酸乙烯合成過程中存在一個(gè)最適宜的操作溫度范圍，并且隨著使用催化劑活性的不斷下降，需要相應(yīng)的將操作溫度逐漸提 高。反應(yīng)壓力在醋酸乙烯的合成過程中，由于原料的單程轉(zhuǎn)化率較低，乙烯的 單程轉(zhuǎn)化率一般在10%左右。因此，需要有大量的氣體在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。 醋酸乙烯合成反應(yīng)屬于分子數(shù)減少的反應(yīng)，增加壓力有利于反應(yīng)向生成醋酸乙烯方向進(jìn)行，同時(shí)加壓使反應(yīng)物的濃

13、度提 高，有助于反應(yīng)速度的加快，這樣就使得反應(yīng)的空時(shí)產(chǎn)率能有所提高。因此，提高壓力不僅可使空時(shí)產(chǎn)率提高，而且有利于反應(yīng)選擇性 的改善。當(dāng)然壓力的提高要受到設(shè)備條件的約束，設(shè)備的投資費(fèi)用隨 著壓力的升高而增加。這樣從經(jīng)濟(jì)和安全方面考慮，通常醋酸乙烯合 成過程的操作壓力選為0.75Mpa.原料配比原料配比的確定，首先受物質(zhì)的爆炸極限約束，乙酸乙烯合成過 程有關(guān)物質(zhì)的爆炸極限如下表所示，原則上說，物料配比應(yīng)使其落在 爆炸極限之外。物料配比直接影響反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性和空時(shí)產(chǎn)率。醋酸乙烯 合成反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率不宜控制的過高，要求循環(huán)氣中的氧含量不低于 2%,乙烯的單程轉(zhuǎn)化率一般控制在10%,乙酸的單程轉(zhuǎn)化

14、率約18%, 氧氣的轉(zhuǎn)化率在5060% ,反應(yīng)選擇性9095% ,空時(shí)收率在 280300kg/(m3.h)。表3-2相關(guān)物質(zhì)爆炸極限組分在空氣中的爆炸極限/%(vol)乙烯2.75 28.6乙酸4.0 5.4醋酸乙烯乙烯和氧氣的配比醋酸乙烯合成反應(yīng)從化學(xué)計(jì)量關(guān)系乙烯和氧氣的比為2:l(mol)o 但受爆炸極限的限制，在實(shí)際生產(chǎn)過程中乙烯總是大量過剩，大致為 C2H4:O2=9 15:1。從有利于反應(yīng)角度考慮，提高乙烯的分壓，有利于加快醋酸乙烯 的生產(chǎn)速度，并有助于抑制完全氧化生成二氧化碳副反應(yīng)。提高氧分 壓雖有助于加快醋酸乙烯的生成速度，但更多的加速力二氧化碳的生 成速度。而同時(shí)，氧氣的含量

15、不可控制的過低，這樣不僅是醋酸乙烯 的生成變慢，而且有利于一氧化碳的大量生成，而一氧化碳會(huì)使催化 劑活性明顯下降。1) 加料中的乙酸量 乙酸的加料量過低時(shí)，催化劑活性較差；乙酸加料量過高，則對(duì) 催化劑的活性和壽命都不利。并且由于乙酸轉(zhuǎn)化率的降低，乙酸回收 的負(fù)荷將大為增加。工業(yè)上采用的原料配比為乙烯：氧氣：乙酸=9:1:4。操作壓力為0.75Mpa.2) 系統(tǒng)中水和二氧化碳的量當(dāng)系統(tǒng)中有適量的水存在時(shí)，能保持催化劑維持較高的活性。在 工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中使用含水的乙酸，通?？刂品磻?yīng)氣體混合物中水的含量 在6% (mol)o原料乙酸中含有少量的水，除有利于催化劑發(fā)生效用 外還可減少乙酸對(duì)設(shè)備的腐蝕。二氧

16、化碳是系統(tǒng)副反應(yīng)的產(chǎn)物，當(dāng)物料在反應(yīng)系統(tǒng)中循環(huán)時(shí)，這 個(gè)組分必然存在于反應(yīng)氣體中。適量的二氧化碳存在可有效的抑制乙 烯的完全燃燒反應(yīng)，并且由于它的存在，可以使爆炸范圍變窄。因此, 工業(yè)生產(chǎn)控制循環(huán)氣中的二氧化碳含量在25% (mol)左右，這對(duì)生 產(chǎn)安全極為有利。此外，為防止鉗催化劑中毒，原料氣中需嚴(yán)格控制氯、氨、硫及 煥炷等物質(zhì)的含3.5乙烯法合成醋酸乙烯反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算硫化氫甲硫酸制甲硫醇列管式固定床反應(yīng)器類似于單管單殼程 換熱器，反應(yīng)氣體走管程，載熱體走殼程。Aspen源文件模擬優(yōu)化得到數(shù)據(jù)如表3-3、3-4。表3-3反應(yīng)器進(jìn)口物料反應(yīng)器進(jìn)口Kmol/hKg/h%(mol)乙烯1570.

17、1644048.90253乙酸909.00554588.06830.7二氧化碳148.3296527.935氧氣231.7957417.177.8水101.4881828.3323.4總量2960.777114410.402100CHUZHOU UNIVERSITY滁抻I償浣一 碣”而就團(tuán)隊(duì)表34反應(yīng)器出口物料基本物性數(shù)據(jù)反應(yīng)器出口Kmol/hKg/h% (mol)乙烯1389.36338976.85634.1乙酸773.36246442.34240.6醋酸乙烯135.64711677.88510.2二氧化碳238.63710502.3759.2氧氣28.511912.3290.8水327.4

18、39 - ；5898.9115.2總量2892.959114410.698100.表3-5相對(duì)分子質(zhì)量M g/mol乙烯乙酸醋酸乙烯2886二氧化碳氧氣水44USr 3228進(jìn)料混合物的平均相對(duì)分子質(zhì)量yin Mi = 38.568g/mol出口混合物的平均相對(duì)分子質(zhì)量褊？ = $%。畦 M = 48A4g/mol表 36 密度 p kg/m3 175°C, 0.75Mpa乙烯乙酸乙酸乙烯二氧化碳氧氣水密度 P( kg/m3)5.23213.7820.471.8231.3254.629臨界溫度Tc (K)282.36594.4525552154.58647.3臨界壓力5.035.78

19、64.367.95.0422.05Pc(Mpa)臨界壓縮因子Zc0.2770.20.2640.2760.2880.26混合物的密度:進(jìn)料 平均相對(duì)分子質(zhì)量M = ZyinMi = 38.568g/moZ臨界壓縮因子Tc,m = yt,tn % = 393.8kPc,in =:yiin Pci=5.98MPaTrtin = 448.25/393.8 = 1.138Pr In = 0.75/5.98 = 0.125c.in = yi.in ci=0.2533查臨界壓縮因子圖可知Zm = 0.97混合物密度PmM"ZmRT38.568 X 7502* = 0.97 x 8.314X 448

20、.25 =崩物如出口平均相對(duì)分子質(zhì)量褊？ = £%。畦 M = 48A4g/mol臨界壓縮因子,out=£ yt.out Td = 476.84kPc,out = 2K,out Pci = 6.423MpQ林=458.25/476.84 = 0.961林=458.25/476.84 = 0.961r,outr,outProut = 0.75/6.423 = 0.120Zc,out = 2 yi.out Zci 0.244查臨界壓縮因子圖可知Zm = 0.97混合物密度_ M。電 PPout ZoutRT48.44X7502Pm = 0.97X8.314X458.25 =洶&

21、amp;加表 37 粘度 pPa.s 175°C, 0.75MPa乙烯乙酸醋酸乙烯二氧化碳氧氣水14.7212.6812.0421.0027.0015.6進(jìn)口物料混合物的粘度= 15.38 頊 pQ.S出口物料混合物的粘度Hout = 2%。恥他=表 38 比熱容 Cp J/(moLk) 175°C乙烯乙酸醋酸乙烯二氧化碳氧氣水56.5688.28121.242.9230.6135.66混合氣體的比熱容進(jìn)口1.138rtin = 0.125查普遍化熱容差圖得ACp in = 0.62cal/(mol. k)換算得Wk -ACpin = 2.594 (mol.k)Cp,in

22、- 4C yt.in Cp，piptintCpjnt出口Tr,out = °961P,out = 0120查普遍化熱容差圖得ACpin = lA8cal/(mol. k)換算得A Cpin = 6.192(7noLk)='yt.outppi = 73.54J/(mol. k')Cpout = 73.54+ 6.192 = 79.732(moLk)3.6反應(yīng)器計(jì)算 催化劑用量計(jì)算原料進(jìn)料的體積流量12531.7m3/h,則反應(yīng)器催化劑總體積計(jì)算公式如下:式中Vo原料氣流量，m3/h;Sv空速，h-Aspen模擬得到所需空時(shí)為0.009769h,相應(yīng)的空速為102.36*

23、0需:：=122.433102.36催化劑的用量771 = pV = 820 X 122.43 = 100392.6kg反應(yīng)器列管數(shù)給定子為，故內(nèi)徑為0.026m,管長(zhǎng)為2m,催化劑裝填高度為1.6m,故列管數(shù)=7095 根VR _122.43.了幺孕乂（0.018）2x1.6經(jīng)圓整可得，反應(yīng)管根數(shù)為7100根3-6.3床層壓力降計(jì)算(1 )氣體分布板的形成工業(yè)應(yīng)用的氣體分布板形式很多，主要有直流式、側(cè)流式、填充式、短管式，以及無(wú)分布板的漩流式等。此反應(yīng)器選用側(cè)縫式錐帽分 布板。(2) 分布板的壓降分布板的壓降處伽)可用下式表達(dá):式中 操作孔速，m/s；分布板的開孔率；'分布板的阻力系

24、數(shù)，一般為1.52.5,對(duì)于側(cè)縫帽分布板為2O氣體密度，kg/m3理想氣體分布板壓降必然是同時(shí)滿足均勻布?xì)夂途哂辛己梅€(wěn)定 性這兩個(gè)條件的最小壓降。均勻布?xì)鈮航礡ichardson建議分布板的阻力至少應(yīng)是氣流阻力的100倍，即:Pdtc > 1004/穩(wěn)定性壓降A(chǔ)garwal等指出，穩(wěn)定性壓降應(yīng)不小于列管式固定床層壓降的10%,即叭=°1仍并且在任何情況下，其最小值約為3500Pa。由此，分布板的最小壓降可表示為：如"以（¥就） 這里，均勻布?xì)鈮航稻统蔀榇我獑栴}，只考慮穩(wěn)定性壓降就可以了。所以：mn）（3）床層壓力降Pb _ f PMo/1-7rrmdf =

25、a b f- RemRem-3。式中P壓力,Pa;床層空隙率;f -Jm修正的摩擦系數(shù);H一床層高度，m;p 、流體密度，kg/m3;U 流體的絕對(duì)黏度，Pa.s;空塔線速，m/s; " 催化劑顆粒直徑，m;b系數(shù)，采用Ergun提供的數(shù)值，a=1.75,b=150.dp=0.006m, P =8.912kg/m3 uo=lm/s(1=14.868x10_6pa.s% = 1 - Pb/Pp = 1- 0.598/0.95 = 0.3705RemRem=3229.220.006 X 8.002 X 114.868 X IO'6fm = 1.75 + 150(1 - 0.370

26、5)/3229.22 = 1.781.78 X7 X 8.002 X l2 1 -0.3705S =006X= 28234.03爵Pd.min 取= 2824pQ3.4813.481u = _- = 0.178m/sA2況斗=°°2489(3)板厚取厚度10mmo孔數(shù)和孔徑的確定D=4000mm,取孔徑 d=10mm,則a 0.02489N = = = QQQQ (d/D)2 (10/4000)2 在分布板中心部分按等邊三角形排列，這樣，每一圈是正六邊形,最外23圈為同心圓排列，同心圓排列，同心圓與正六邊形之間的大 空隙處，適當(dāng)補(bǔ)加一些孔設(shè)孔間距為S,有公式N = 0.90

27、7 (D/s)2則:則:、= = 60mmv 3982/0.907取錐帽外徑30mm,實(shí)際排孔3907個(gè)，此時(shí)a = 3907 X (10/4000)2 = 0.02442X0.02442=2939.26pa>Ap£tmin滿足要求。傳熱面積核算由Aspen Plus模擬可得：此反應(yīng)放熱情況為8.169x1（）7電"，載 熱體為水，簡(jiǎn)化薯慮溫度恒定在30°C?？偨o熱系數(shù)ho相對(duì)于空管傳熱過程中的管內(nèi)壁的給熱系數(shù)，是 床層內(nèi)對(duì)流、傳熱和輻射三種傳熱的綜合，其數(shù)值比相同空管流速下 的管內(nèi)壁給熱系數(shù)大得多，關(guān)聯(lián)ho值的經(jīng)驗(yàn)公式有許多，其中比較 簡(jiǎn)單的是Leva公式

28、：當(dāng)床層被加熱時(shí)（吸熱反應(yīng)）：穿=0.813 （芋廣 exp （-6牛）當(dāng)床層被冷卻時(shí)（放熱反應(yīng)）：咎 3.5 （¥）'（4.6 嘗）式中：dt反應(yīng)管內(nèi)徑，m；G質(zhì)量通量，kg/ (m2-s)；氣體粘度，kg/ (m2-s)；義氣體導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/ (ms.K)；dp顆粒直徑,mo乙烯氣相法反應(yīng)為放熱反應(yīng)，計(jì)算總給熱系數(shù)ho。查水的傳熱系數(shù) a 為 71.67J/m2-s-Ko以管內(nèi)床層某截面上平均溫度Tm與統(tǒng)一界面上管外傳熱介質(zhì)溫度之差定義的總傳熱系數(shù)K可用下式計(jì)算:1151京=兄+元+»+七。由式穿= 3.5呼廣御(-4.6普)/0.0025 X 12531.7

29、 X 8.9165/36OO0,7(0.00251.465536 X 10-6=3.5 x (. -I exp (4.6 X -=7071.5氣體平均導(dǎo)熱系數(shù):2 = O.O2470/(ms 幻7071.5 X 0.024769如=一赤* = 6736m"sK心=0.6395"/(771 幻目錄第一章設(shè)備設(shè)計(jì)總述11.1過程設(shè)備類別11.2過程設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的主要內(nèi)容 1第二章反應(yīng)器的選擇22.1固定床反應(yīng)器32.2流化床反應(yīng)器52.3移動(dòng)床反應(yīng)器72.4各類反應(yīng)器區(qū)別75反應(yīng)器的比選8第三章、乙烯氧化法生產(chǎn)醋酸乙烯反應(yīng)器91反應(yīng)方程式93. 2催化劑參數(shù)103. 3反應(yīng)器

30、類型的選擇113. 4工藝條件的選擇 123.4. 1反應(yīng)溫度123. 4. 2反應(yīng)壓力13原料配比133. 5乙烯法合成醋酸乙烯反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算153. 5. 1基本物性數(shù)據(jù) 163. 6反應(yīng)器計(jì)算201催化劑用量計(jì)算203. 6. 2反應(yīng)器列管數(shù)20床層壓力降計(jì)算213. 6. 4傳熱面積核算24反應(yīng)器筒體直徑26反應(yīng)器高度27筒體壁厚27封頭厚度28強(qiáng)度校核283. 6. 10接管的設(shè)計(jì)2911支座與附件設(shè)計(jì)303.6. 12折流板設(shè)計(jì)3013拉桿設(shè)計(jì)301151k = Wr-°.°°3 J_ 0.8598 x 10-46736 0.6395 200=0.0

31、09925K = 100.75(m2 s K)此反應(yīng)放出的熱量用水進(jìn)行吸熱，傳熱推動(dòng)力：Atm = 185 30 = 155°Co需傳熱面積為：Q 8.169 X 107。4 度=瓦=100.75x 155 = 5231.1m 實(shí)際傳熱面?zhèn)鳛楫a(chǎn)A 一 = ndiLn = 3.14 X 0.026 X 10 X 7100 = 5796.44m2A實(shí)A需，能滿蔚t熱要求。反應(yīng)器筒體直徑列管式反應(yīng)器殼體直徑用下式計(jì)算：D=t(b-l)+2e式中t列管管間距，對(duì)于正三角形排列t=1.368d。，d。為列 管外徑；b最外層六邊形對(duì)角線上的管數(shù)，b=2a+l, a為六邊形層數(shù)，a=l/6(12n

32、-3)05-l/2, n 為列管數(shù)；e最外層列管到殼體距離，e=(l1.5)dOo列管為632x3mm,共7100根。所以t=1.368x0.032=0.0438ma= 1/6x( 12x7100-3)。5-1/2=49b=2X49+l=99 (根)e= 1 x0.032=0.032mD=0.0438x(99-l)+2x0.032=4.3564m取反應(yīng)器殼體直徑4.5m。反應(yīng)器高度列管長(zhǎng)度 10m；筒體頂部空間：根據(jù)壓力容器手冊(cè)，Ha=1.5m；筒體底部空間：根據(jù)壓力容器手冊(cè)，Hb=1.5m；封頭高度：采用EHA橢圓形封頭，曲面高度為Hi=1000mm；直邊高度 H2=50mm,則封頭高度 H

33、c=10X(l+0.05)=10.5m。以上可得，膈蠢度：H=L+Ha+Hb+Hc=10+1.5+1.5+10.5=23.5m,圓整為 24m。筒體壁厚已知工作壓力為0.78MPa。則有：設(shè)計(jì)壓力 p=(1.05l.l)pw,取 p=l.lpw=l.lX0.78=0.858MPa,忽 略氣體靜壓pL；計(jì)算壓力 pc=p+pL=p=0.858MPa；由于工作壓力大于0.1 MPa,且本反應(yīng)體系要做好嚴(yán)格密封工作, 防止產(chǎn)品氣醋酸乙烯與原料氣乙烯泄漏對(duì)環(huán)境帶來的影響，故采用雙面焊對(duì)接接頭，進(jìn)行全部無(wú)損探傷檢測(cè)，得:焊縫系數(shù)* = 1.0 (雙面對(duì)接焊，局部無(wú)損探傷檢測(cè))；選用反應(yīng)器材料為Q345R

34、許用應(yīng)力。t=170MPa(200°C)鋼板負(fù)偏差 Ci=0.3mm(GB24511)腐蝕裕量C2=3mm由設(shè)計(jì)厚度公式6 d=(pc Di)/(2o巾-pc )+C2,得設(shè)計(jì)厚度 5 d=(0.858 X4500)/(2X 170X0.858)+3=16.235mm名義厚度 5 c= & d+Ci+ A =17mm根據(jù)GB150規(guī)定DN4500下最小壁厚要求，最終取5 c=17mm。封頭厚度封頭厚度計(jì)算公式& =封頭厚度計(jì)算公式& =KPcDj2ar0-O.5pc設(shè)計(jì)厚度&=設(shè)計(jì)厚度&=0.858X4500+ 3 = 1437 mm名義厚度島

35、=&+%+= 15mm根據(jù)GB150規(guī)定DN4500下最小壁厚要求，最終取R = 17mm。6n > 0.3%D = 13.5mm,符合要求(GB150)。強(qiáng)度校核設(shè)計(jì)壓力為0.858MPa,設(shè)計(jì)溫度為185+15=20(TC,查表得該溫度下許用應(yīng)力為171MPa。水壓試驗(yàn)如下:P= 1.25p忠=1.25 X 0.858 X 誓=1.06MPQPT(Dz + 席) 1.06X (4500 + 15-3 - 0.3)=20437 MPa26,2 X (15-3-0.3)0.9加s = 0.9 X 1 X 520 = 468MPq > aT故滿足水壓試驗(yàn)要求接管的設(shè)計(jì) 反應(yīng)器

36、進(jìn)料管根據(jù)Aspen Plus流程模擬結(jié)果得到反應(yīng)器進(jìn)口的總體積流量為 12531.7m3/h,進(jìn)入反應(yīng)器的氣體流速取20m/s,管的直徑為:4VTTU4 X 12531.7= Q 47m3.14 X 20 X 3600采用無(wú)縫鋼管，鋼管公稱直徑DN=500mm,選用0508 X 6mm的進(jìn)料管 反應(yīng)器出料管根據(jù)Aspen Plus流程模擬結(jié)果得到反應(yīng)器進(jìn)口的總體積流量為13294.5m3/h,進(jìn)入反應(yīng)器的氣體流速取20m/s,管的直徑為:4V"EK flTill、3.14 X 20 X 3600采用無(wú)縫鋼管，鋼管公稱直徑DN=500mm,選用0508 X 6mm的進(jìn)料管支座與附件設(shè)

37、計(jì)支座采用圓筒型裙座，材質(zhì)為Q345R,裙座與塔體的連接采用對(duì) 接式焊接，裙座筒體外徑為4500mm,厚度為17mm,高度為10000mm, 地腳螺栓的結(jié)構(gòu)選擇外螺栓作結(jié)構(gòu)形式，螺栓規(guī)格為M36X4,個(gè)數(shù) 為30個(gè)。對(duì)于直徑大于1500的裙座，須在裙座內(nèi)外側(cè)均敷設(shè)防火層，防 火材料為石棉水泥層裙座上開2個(gè)人孔方便檢查，選擇公稱直徑為500mm的人孔折流板設(shè)計(jì)本工藝采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為課題內(nèi)徑的 25%,則切去的試挪高底為：/ Vh = 0.25 x D = 1.125m折流板間距：B = 0.3 x D = 1.35m折流板數(shù)量為：Nb二列管長(zhǎng)/折流板間距-1=10000/1

38、350-1= 6塊折流板厚度17mm。拉桿設(shè)計(jì)由于反應(yīng)器選擇的反應(yīng)管是032 X 3771771,查表確定拉桿的直徑為16mmo拉桿螺紋公稱直徑為16mm,導(dǎo)程為60mm,倒角為2X45° ,欄桿數(shù)量為32根。接管法蘭固定床列管式反應(yīng)器參照換熱器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，換熱器常采 用的法蘭結(jié)構(gòu)形式有整體法蘭、螺紋法蘭、承插焊法蘭、平焊法蘭、 對(duì)焊法蘭和松套法蘭；法蘭的密封面形式分為平面、突面、環(huán)連接面、 凹凸面和樺槽面5種形式。法蘭的結(jié)構(gòu)形式和密封面形式可根據(jù)使用 介質(zhì)，設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)溫度和公稱直徑等因素來確定。根據(jù) HG20580-2011鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定，對(duì)于高壓管道 （0.7

39、8MPa屬于高壓范圍），常采用樺槽面密封連接，帶頸平焊法蘭。 但是帶頸平焊法蘭的剛性不夠大，擰緊墊片的時(shí)候擰緊力小則密封不 嚴(yán)，擰緊力大了容易造成法蘭密封面變形，二者都容易泄露，這是在 本反應(yīng)體系中應(yīng)該嚴(yán)厲杜絕的，否則會(huì)造成乙烯/醋酸乙烯的泄露造 成風(fēng)險(xiǎn)。所以反應(yīng)器接管法蘭選取棒槽面密封連接，帶頸對(duì)焊法蘭容器法蘭壓力容器法蘭的選用方法如下： 根據(jù)容器的公稱直徑（即其內(nèi)徑）DN和設(shè)計(jì)壓力p,確定法 蘭的結(jié)構(gòu)類型。 根據(jù)容器的設(shè)計(jì)壓力p,設(shè)計(jì)溫度t及準(zhǔn)備采用的法蘭材料， 確定所選法蘭的公稱壓力PNo 根據(jù)所確定的法蘭的PN和DN,重新確定法蘭的結(jié)構(gòu)類型， 以便驗(yàn)證原來根據(jù)設(shè)計(jì)壓力p所初步確定的法蘭

40、類型是否包含有已 確定的PN和DNo 一般來說，只要容器的設(shè)計(jì)壓力p與確定的法蘭 公稱壓力PN相差不大，不會(huì)出現(xiàn)需變更法蘭類型或變更法蘭材料的 問題。 根據(jù)所確定的PN和DN,選出相應(yīng)的尺寸表，即可確定選法 蘭尺寸。根據(jù)DN=4500mm, P=0.78MPa,查壓力容器設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇 長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，法蘭材料選擇16MnR,公稱壓力PN=lMPa,在250C 下最大允許工作壓分為泌5MPa o綜上容器法蘭選擇16MnR材料，DN=4500mm, PN=lMPa的長(zhǎng) 頸對(duì)焊法蘭管板厚度根據(jù)管板厚度計(jì)算公式，算出管板厚度為：16 > 2.389X 懺（d-g（1 一Pf）4D.2l3 = 15

41、mmep L反應(yīng)器各尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果項(xiàng)目數(shù)值及運(yùn)算管層設(shè)計(jì)溫度/°c200管層設(shè)計(jì)壓力/MPa0.858殼層設(shè)計(jì)溫度/°c200殼層設(shè)計(jì)壓力/MPa0.7催化劑規(guī)格球狀顆粒，外形尺寸為25mm列管規(guī)格/mm中 32x3列管數(shù)7100根,正三角形排列換熱面積/n?5796.44筒體直徑/mm4500筒體長(zhǎng)度/mm10000封頭高度/mm反應(yīng)器高度/mm24000筒體及封頭壁厚/mm-17;進(jìn)料管尺寸/mm、0508x6出料管尺寸/mm''0508x6管板厚度/mm15容器法蘭DN4500, PN1長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭法蘭復(fù)核合格3.7反應(yīng)器強(qiáng)度校核結(jié)果立式容器校核計(jì)算單位

42、滁州學(xué)院一醋而就團(tuán)隊(duì)筒體設(shè)計(jì)條件內(nèi)筒設(shè)計(jì)壓力PMPa0. 78設(shè)計(jì)溫度t° C185內(nèi)徑Dimm4500名義厚度Amm15材料名稱Q345R許用應(yīng)力b189b1MPa184.8壓力試驗(yàn)溫度下的屈服點(diǎn)yt S345鋼材厚度負(fù)偏差amm0.3腐蝕裕量Gmm3厚度附加量C=G + Gmm3.3焊接接頭系數(shù)。1壓力試驗(yàn)類型液壓試驗(yàn)壓力AMPa1. 375筒體長(zhǎng)度Lwmm10000內(nèi)筒外壓計(jì)算長(zhǎng)度Lmm封頭設(shè)計(jì)條件筒體上封頭筒體下封頭夾套封頭封頭形式橢圓形橢圓形名義厚度Amm1717材料名稱Q345RQ345R設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力司MPa184.8184.8鋼材厚度負(fù)偏差Gmm0. 30. 3

43、腐蝕裕量Gmm33厚度附加量C=G + Gmm3.33.3焊接接頭系數(shù)。11主要計(jì)算結(jié)果內(nèi)圓筒體內(nèi)筒上封頭內(nèi)筒下封頭校核結(jié)果校核合格校核合格校核合格質(zhì) 量mkg16701.52746.172746. 17備注1內(nèi)筒體內(nèi)壓計(jì)算計(jì)算單位滁州學(xué)院一醋而就團(tuán)隊(duì)計(jì)算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB 150.3-2011計(jì)算條件筒體簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力Pc0. 78MPa設(shè)計(jì)溫度t185. 00° C1內(nèi)徑D、4500. 00mm材料Q345R（板材）試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力七1189. 00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力ur184. 80MPaDInr試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn)6345. 00MPa鋼板負(fù)偏差G0. 30mm腐蝕裕量a3. 0

44、0mm焊接接頭系數(shù)少1.00厚度及重量計(jì)算內(nèi)筒上封頭內(nèi)壓計(jì)算內(nèi)筒上封頭內(nèi)壓計(jì)算計(jì)算單位滁州學(xué)院一醋而就團(tuán)隊(duì)計(jì)算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算條件計(jì)算壓力Pc0. 78MPa設(shè)計(jì)溫度t185. 000 C內(nèi)徑D4500. 00mm曲面深度A1000. 00mm材料Q345R （板材）設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力Q1173. 90MPa試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力b185. 00MPa鋼板負(fù)偏差Q0. 30mm腐蝕裕量G3.00mm焊接接頭系數(shù)。1.00GB 150.3-2011橢圓封頭簡(jiǎn)圖14接管法蘭31計(jì)算厚度8 = 2bt©R =9.52mm有效厚度8C =8n C G- 11. 70mm名義厚度&二 15.0

45、0mm重量16701.49Kg壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值R=1.25P旦 二1.3750 （或由用戶輸入）MPa壓力試驗(yàn)允許通過 的應(yīng)力水平ctot< 0. 90 bs = 310. 50MPa試驗(yàn)壓力下 圓筒的應(yīng)力6=+以)=265. 112%。MPa校核條件c?t校核結(jié)果合格壓力及應(yīng)力計(jì)算最大允許工作壓力0二（如在）二 0. 95847MPa設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力W+$e)S 二26- 150. 39eMPaS184. 80MPa校核條件結(jié)論合格3. 6. 15容器法蘭3116管板厚度323.6. 17反應(yīng)器各尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果323. 7反應(yīng)器強(qiáng)度校核結(jié)果333.8反應(yīng)

46、器設(shè)備條件圖39內(nèi)筒下封頭內(nèi)壓計(jì)算計(jì)算單位滁州學(xué)院一醋而就團(tuán)隊(duì)計(jì)算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB 150.3-2011計(jì)算條件橢圓封頭簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力R0. 78MPa壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值1.2514= 1-3750 （或由用戶輸入） EMPa壓力試驗(yàn)允許通過的應(yīng)力0. 90 Qs = 292. 50MPa試驗(yàn)壓力下封頭的應(yīng)力cjt = Pr（KDj + °.5$e）= 266. 15 2喝MPa校核條件C7t< ct校核結(jié)果合格厚度及重量計(jì)算形狀系數(shù)K= 1 2 " 一 Y = 1. 177162h|_ i 7計(jì)算厚度KPcD8h = 2b*_0.5E =

47、 1L89mm有效厚度8eh =8nh - 61 G= 13. 70mm最小厚度8min = 13. 50mm名義厚度8nh = 17. 00mm結(jié)論滿足最小厚度要求重量2746. 17Kg壓力計(jì)算最大允許工作壓力2b"R= KD +0.5e = 0. 89840MPa結(jié)論合格內(nèi)筒下封頭內(nèi)壓計(jì)算計(jì)算單位滁州學(xué)院一醋而就團(tuán)隊(duì)計(jì)算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB 150.3-2011計(jì)算條件橢圓封頭簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力R0. 78MPa185. 00° C設(shè)計(jì)溫度*內(nèi)徑D4500.00mm曲面深度h、1000. 00mmQ345R （板材）設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力。丁試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力司鋼板負(fù)偏差G腐蝕裕量G1

48、73. 90185. 000. 303. 00MPaMPammmm焊接接頭系數(shù)。1.00壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值月二1.25R14=1.3750 （或由用戶輸入）1MPa壓力試驗(yàn)允許通過的應(yīng)力btoj< 0. 90 6 = 292. 50MPa試驗(yàn)壓力下封頭的應(yīng)力6 二 Pr.(KQ + 0.5')= 266. 15 2由MPa校核條件CTt< <jt校核結(jié)果合格厚度及重量計(jì)算形狀系數(shù)( 2+42|二 1. 1771計(jì)算厚度Kg5h = 2bt°-O.5R = 1L89mm有效厚度8eh =8nh C G= 13. 70mm最小厚度8

49、min 13. 50mm名義厚度8nh = 17. 00mm結(jié)論滿足最小厚度要求重量2746. 17Kg壓力計(jì)算最大允許工作壓力2衡疝R二 KDi+O.5$e 二 0.89840MPa結(jié)論合格任意式法蘭作為松式法蘭計(jì)算計(jì)算單位滁州學(xué)院一醋而就團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)條件簡(jiǎn) 圖MPa設(shè)計(jì)壓力p 計(jì)算壓力Pc 設(shè)計(jì)溫度：軸向外載荷F外力矩M材料名稱許用應(yīng)力材料名隔許用應(yīng)力W材料名娜0. 7800, 780185.00.00.0Q345R189,0184,8S31608137.0101.4S31608MPa° CNNmmMPaMPaMPaMPaa許用應(yīng)力公稱直彳客嬴螺栓根徑d d數(shù)量D、結(jié)構(gòu)尺寸mm內(nèi)13

50、7. 081.724.020.818430.0475.0400.0MPaMPammmm圖(a)結(jié)構(gòu)圖(b)結(jié)構(gòu)D、外1500.0425.05.0以;取法蘭與翻邊接觸面中心處，與墊片位置無(wú)關(guān)島W6. 4mni以;二(外+內(nèi))/2bo > 6. 4mm 二外一 2bA)W6. 4mm 步 bo軟螺栓受力計(jì)算預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷似供二只 bIX、y - 161988. 2N操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷佛K " + F = 135827. 1N所需螺栓總截面積AmAm = max (4 ,4)二 1662. 52 mm實(shí)際使用螺栓總截面積44 二. 根二 6088. 142 m

51、m墊片最小寬度Mn心二Mt6.28jUb_= 16. 1 vDgmm彎矩計(jì)算操作A)= 0. 785Z)-a=113214.3NZd= 0. 5 (以)-ZZ)=22.5mmM)= R Ld=2547321.0N' mmFg 二 F、=31571.7NLcf 0. 5 ()；)=31.mmR Lg=986616.1N' mmF - FR二-9027. 6N圖(a): Lr 0. 5 (A -") 圖(b): At0. 5 (Zd+ Lg )Zt= 26. 9mmM F Lt=-242616.7Nmm外壓：M戶(Z,)- A；)； 內(nèi)壓：那二 M+M+M必=3291320. 5預(yù)緊Man=530917.0N0. 5 ()-；)二 31.2mmwu=16591157.0N' mm計(jì)算彎矩M)=M與 Maa；/cyf中大者必二12279878.0N mm螺栓間距校核實(shí)際間距Z =些=82.9nm