环氧丙烷反应器设计.doc

环氧丙烷反应器设计 1第一工段反应器设计11 概述环氧丙烷PropyleneOxide简称PO又名甲基环氧乙烷或氧化丙烯是无色具有醚类气味的易燃液体分子式C3H6O分子量5808熔点-1121e沸点342e 相对密度0859折射率13664闪点-37e与水部分互溶与乙醇乙醚等互溶化学性质活泼其蒸气在空气中能自燃或爆炸环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机化工原料主要用于聚醚多元醇非离子表面活性剂碳酸丙烯酯和丙二醇的生产是精细化工产品的重要原料 广泛应用于汽车建筑食品烟草医药及化妆品等行业目前国外环氧丙烷生产技术主要有氯醇法乙苯共氧化法POSM法异丁烷共氧化法POTAB法异丙苯氧化法 CHP法过氧化氢直接氧化法 HPPO 法 氧气直接氧化法其中氯醇法 PO SM 法 PO TAB 法 CH P 法HPPO 法已经实现工业化 氧气直接氧化法正处于实验阶段12 氯醇法共氧化法异丙苯法过氧化氢法技术优缺点对比氯醇法共氧化法异丙苯法过氧化氢法技术优缺点对比见表1表1 氯醇法共氧化法异丙苯法过氧化氢法技术优缺点对比生产工艺优点缺点氯醇法1工艺成熟流程简单2操作负荷弹性大3选择性好4对原料丙烯的纯度要求不高5安全性高6投资少7有成本竞争力1水耗大 2 产生大量废水及废渣 每生产1t环氧丙烷产生40 50 t含氯化物废水和2 1 tCaCl2 3 消耗大量氯气和石灰原料 污染环境 4 产生的次氯酸对设备的腐蚀严重共氧化法 PO SM 法 PO T BA 法1 共氧化法克服了氯醇法腐蚀废水量大缺点 2 产品成本低 联产品分摊成本 3 环境污染小1 工艺流程长 2 原料品种多 3 丙烯纯度要求高 4 工艺操作压力高 5 设备造价高 设备材质多采用合金钢 6 联产2 2 2 5t 苯乙烯或2 3 t 叔丁醇 受市场因素制约7 废水含C OD 高异丙苯氧化法 CH P 法与氯醇法相比 1 不需要氯气 减少了设备腐蚀 2 废水量少与共氧法相比 1 无副产品 使用异丙苯替代了乙苯 异丙苯循环使用 2 不联产苯乙烯无需辅加设备 3 装置投资少 比共氧化法低1 3 生产过程中产生大量A-甲基苯乙烯 增加循环回收装置过氧化氢氧化法 H PPO 法1 工艺流程简单 2 产品收率高 无副产品3 无污染 属清洁工艺原料辅助原料产品的主要技术规格表1-3主要工艺物料消耗与规格名称规格用量丙烯工业级22万ta双氧水工业级18万ta甲醇工业级xxxta氢气纯氢气11万ta22 原辅料规格及消耗配比表2 原辅料规格及消耗配比原辅料规格配比原料双氧水工业级原料丙烯工业级原料丙烷工业级原料甲醇工业级催化剂TS-17323 产品质量标准2-1产品规格等级项目指标优等品一等品合格水分质量分数00200201醛质量分数00100301环氧乙烷质量分数0010103GB14491-2001产品外观要求透明液体无可见机械杂质工业用环氧丙烷应符合表1-1规格要求表2-2产品技术要求项目指标优等品一等品合格色度铂-钴色号号 51020酸度质量分数以乙酸计算 001003001GB14491-2001环氧丙烷主要用与聚醚多元醇的生产和丙二醇和一些非离子表面活性剂这些靖西化工产品所以对于环氧丙烷的规格要求就要严格的多我们在项目生产中会严格把持产品的纯度和质量3 反应工段工艺简介4 反应工段工艺计算本工艺4是在压力为03MPa温度为55下在TS-1上进行的等温液固相催化反应41 催化反应过程的物料衡算411 计算用原始数据此处所选的8原始数据均为年产30万吨环氧丙烷的中间试验数据进入反应器时甲醇含量约为7226丙烯含量约为1093摩尔分数412 化学反应 主反应5 平行反应 表5 反应中涉及到的物质的相对分子质量CH3OHH2O2C3H6C3H8 H2OC3H6O323442441858413 物料衡算过程催化合成甲醛过程是一个连续流动反应在定态下其物料衡算基本公式本工艺计算6以生产30万吨甲醛按300天计工业级别的甲醛质量分数为96则每小时一个反应器生产工业级别的环氧丙烷的质量其物质的量为并以其为基准4131 反应器进口物料的计算根据表3表5中各组分的数据计算可得纯甲醇的物质的量10133kmolh水物质的量18281kmolh丙烯153226kmolh丙烷9428kmolh双氧水36264kmolh表6原料液的组成及含量 物质摩尔分数物质的量kmolhCH3OH 722610133H2O225936264 H2O130318281C3H61093153226C3H8079428NH30572434132 反应器出口物料的计算甲醇的物质的量 10133kmolh生成环氧丙烷的物质的量34814kmolh水的物质的量217623kmolh未反应的双氧水的物质的量1451kmolh丙烯的物质的量1184kmolh丙烷的物质的量9427kmolh丙二醇甲醚的物质的量068kmolh表7 反应器出口主要气体的组成及含量物质摩尔分数物质的量kmolhCH3OH 8410133C3H6O1534814H2O91217623H2O20061451PE0041022C3H8O2-2001 068NH30027243C3H650118442 合成甲醛过程的热量衡算热量衡算过程以03MPa下的液体为计算基准反应液体于常压下进入反应器在催化剂作用下进行恒温反应反应器出口气体以离开反应器总的热量衡算式为421 各物质比热容的计算 每个组分的热容与温度的函数式即CpabTcT2表8 各物质平均温度为的物性物质 C3H81837250-1500 C3H68256250-1500H2O1907250-1500CH3OH250-1500CpC3H81837281610-1T131910-8T2CpC3H68256217410-1T0969210-6T2Cp3224190710-3T1005710-6T2Cp2114708410-3T258610-6T2把T27350323K带入上述公式得同理可计算其他物质的比热容其结果如下表 表9 各物质在平均温度为的物质C3H8C3H6H2OCH3OHC3H6OH2O294247820731841331379950284422 各物质焓值的计算计算焓热量是时在等温条件下反应的参考态3231503Mpa又双氧水的消耗量为由得即为了维持反应器内温度为32315应每小时从反应器移走的热量43用量的确定列管式固定床反应器的壳程走冷凝水移走反应放出的热量使冷凝水从20 升温到40表10 冷凝水的物性数据名称平均分子量 密度比热容 导热系数冷凝水18995741780618由得冷凝水用量 在工程上要确定反应器的几何尺寸首先得确定一定生产能力下所需的催化剂容积再根据工程实验所提供的反应器资料最后确定出反应器的几何尺寸522 催化剂容积的计算5221 催化剂用量的计算合成环氧丙烷的反应是一个气固相催化反应催化剂的用量需要根据反应工程上通过单位催化剂列物料衡算的动力学方程才能得出合成甲醛的动力学方程为其中PO环氧丙烷式中各物质摩尔分数的计算合成环氧丙烷的反应在双氧水转化率为84时到达平衡达平衡时双氧水的摩尔浓度为求解动力学方程由定义有查得 令即则两边同时积分得其中用辛普森数值积分法求解定积分 数值积分法为 其中 实用于奇数个数据点n为偶数f的角标代表选取数据点的编号且点与点之间等间距 表11 与的关系 001202403604806007208411491316151517862203285741677992则 因此催化剂所需质量 反应采用的催化剂为钛硅分子筛催化剂成粒状粒度为6mm堆密度为比表面积为54故反应所需的体积523 列管根数的确定由催化剂所算得反应器体积太小反应物流量过大故选择用停留时间与流量的关系得出反应器总体积一小时的体积流量反应时间取十分钟反应器体积根据中间试验的结果列管规格为 管长为L18m 解方程得n2475根524 列管式固定床反应器壳体内径的确定由公式11式中D壳体内径 mm t管中心距 mm 横过管束中心线的管束 b 一般取 mm 管子采用正三角形排列 故带入公式得 标准化后核算过程管长和壳径应相适应一般取LD为46对该反应器因此所设计的反应器符合实际情况实际催化剂用量53 等温固定床列管式反应器的设计计算结果表12 等温固定床列管式反应器的设计计算结果序号项目数据123456789101112 列管式反应器入口温度列管式反应器出口温度反应压力原料甲醇的量原料丙烯的量原料水的量催化剂床层高度塔径催化剂用量列管根数 列管规格 管子排列方式50 5003MPa10133kmolh153236kmolh18281kmolh18m38m58048kg2107根 5725mm三角形排列第二工艺工段反应器设计4 反应工段工艺计算本工艺4是在压力为03MPa温度为55下在TS-1上进行的等温液固相催化反应41 催化反应过程的物料衡算411 计算用原始数据此处所选的8原始数据均为年产30万吨环氧丙烷的中间试验数据进入反应器时甲醇含量约为766丙烯含量约为58摩尔分数412 化学反应 主反应5 平行反应 表5 反应中涉及到的物质的相对分子质量CH3OHH2O2C3H6C3H8 H2OC3H6O323442441858413 物料衡算过程催化合成环氧丙烷过程是一个连续流动反应在定态下其物料衡算基本公式此设备的进料为第一设备以生产50万吨甲醛按300天计工业级别的环氧丙烷质量分数为96则每小时一个反应器生产工业级别的环氧丙烷的质量其物质的量为并以其为基准4131 反应器进口物料的计算根据表3表5中各组分的数据计算可得纯甲醇的物质的量9840670kmolh水物质的量2171248kmolh丙烯744475kmolh丙烷45823molh双氧水10879kmolh氨水29432kmolh表6原料液的组成及含量 物质摩尔分数物质的量kmolhCH3OH 92219840670H2O20110879 H2O1303217124C3H6698744475C3H804345823NH3028294324132 反应器出口物料的计算甲醇的物质的量7984067kmolh生成环氧丙烷的物质的量10335kmolh水的物质的量218158kmolh未反应的双氧水的物质的量054kmolh丙烯的物质的量73414kmolh丙烷的物质的量4582kmolh氨水29432kmolh表7 反应器出口主要气体的组成及含量物质摩尔分数物质的量kmolhCH3OH 7663984067C3H6O00834814H2O1699218158H2O2000544NH302329432C3H803645823C3H6577341442 合成环氧丙烷过程的热量衡算热量衡算8过程以03MPa下的液体为计算基准反应液体于常压下进入反应器在催化剂作用下进行恒温反应反应器出口气体以离开反应器总的热量衡算式为421 各物质比热容的计算 每个组分的热容与温度的函数式即CpabTcT2表8 各物质平均温度为的物性物质 C3H81837250-1500 C3H68256250-1500H2O1907250-1500CH3OH250-1500CpC3H81837281610-1T131910-8T2CpC3H68256217410-1T0969210-6T2Cp3224190710-3T1005710-6T2Cp2114708410-3T258610-6T2把T27350323K带入上述公式得同理可计算其他物质的比热容其结果如下表表9 各物质在平均温度为的物质C3H8C3H6H2OCH3OHC3H6OH2O294247820731841331379950284422 各物质焓值的计算计算焓热量是时在等温条件下反应的参考态3231503Mpa又双氧水的消耗量为由得即为了维持反应器内温度为32315应每小时从反应器移走的热量43冷凝水用量的确定列管式固定床反应器的壳程走冷凝水移走反应放出的热量使冷凝水从20 升温到40表10 冷凝水的物性数据名称平均分子量 密度比热容 导热系数冷凝水18995741780618由得冷凝水用量 522 催化剂容积的计算5221 催化剂用量的计算合成甲醛的反应是一个气固相催化反应催化剂的用量需要根据反应工程上通过单位催化剂列物料衡算的动力学方程才能得出合成甲醛的动力学方程为其中PO环氧丙烷式中各物质摩尔分数的计算合成环氧丙烷的反应在双氧水转化率为96时到达平衡达平衡时双氧水的摩尔浓度为求解动力学方程由定义有查得 令即则两边同时积分得其中用辛普森数值积分法求解定积分 数值积分法10为 其中 实用于奇数个数据点n为偶数f的角标代表选取数据点的编号且点与点之间等间距 表11 与的关系 001202403604806007208425833271438464602558823775491191258709则因此催化剂所需质量反应采用的催化剂为活性炭吸附钛硅分子筛催化剂成粒状粒度为6mm堆密度为比表面积为54故反应所需的体积由催化剂所算得反应器体积太小反应物流量过大故选择用停留时间与流量的关系得出反应器总体积一小时的体积流量反应时间取十分钟反应器体积总体积根据中间试验的结果列管规格为 管长为L18m 解方程得n2385根524 列管式固定床反应器壳体内径的确定由公式11式中D壳体内径 mm t管中心距 mm 横过管束中心线的管束 b 一般取 mm 管子采用正三角形排列 故带入公式得 标准化后核算过程管长和壳径应相适应一般取LD为46对该反应器因此所设计的反应器符合实际情况53 等温固定床列管式反应器的设计计算结果表12 等温固定床列管式反应器的设计计算结果序号项目数据123456789101112 列管式反应器入口温度列管式反应器出口温度反应压力原料甲醇的量原料丙烯的量原料水的量催化剂床层高度塔径催化剂用量列管根数 列管规格 管子排列方式50 5003MPa10133kmolh153236kmolh18281kmolh18m4m5817kg2385根 5735mm三角形排列2132料液泵设计计算由于是泵加料取由于料液流量过大选用2个加料泵流量单个泵流量密度进料管管径设料液至加料孔的高度弯头取90弯头则料液由平均黏度和各组分黏度关系 7液体料液加料泵在料液面与进料孔面之间列伯努利方程汽蚀余量泵的实际功率取泵的总效率则泵的实际功率则流量为查泵性能图可得选型如下泵规格G263-165-132N流量263m3 扬程165m 汽蚀余量3m31 固定床DNPN将固定反应器视为筒体本设计采用一般的反应釜由反应器内物料为液相由则圆整32 筒体壁厚最大操作压力为设计压力P取最大工作压力的10511倍2本设计取设计压力设计温度T根据筒体设计压力和设计温度选择材料Q345R许用应力为焊缝系数10双面对接焊100无损探伤表3-1 焊接接头系数无损检测的长度比例焊接接头形式全部局部双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头085单面焊对接接头沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板0908理论厚度钢板负偏差C1腐蚀裕量C2C22mm单面面腐蚀表3-2 钢板负偏差C1钢板厚度2222528-3022-3538-445-55负偏差0130140150160180202钢板厚度6-78-2526-3032-3436-4042-5052-60负偏差0608091111213根据内压圆筒壁厚的计算公式带入以上数据得 根据工程要求和钢材的使用壁厚范围圆整后取校核筒体水压试验强度根据式因为Q345R的屈服极限所以取 代入得故水压试验满足强度要求33 封头封头包括有椭圆形碟形锥形球冠形封头平板封头等多种类型从工艺操作要求考虑对封头形状无特殊要求球冠形封头平板封头都存在较大的边缘应力且采用平板封头厚度较大故不宜采用半球形封头受力最好壁厚最薄重量轻但深度大制造较难中低压小设备不宜采用碟形封头存在局部应力受力不如椭圆形封头标准椭圆形封头制造比较容易受力状况比碟形封头好综合考虑该精馏塔设计内压温度等因素最终确定采用标准椭圆形封头选釜体的封头选标准椭球型代号EHA标准JBT47462002封头以Q345R为材料标准形封头壁厚其中整体冲压钢板负偏差代入得根据工程要求和钢材的使用壁厚范围圆整后取与前计算的筒体壁厚一致内表面积封头的标准为EHA 400013-Q235R JBT 4746综上筒体和封头选材都为Q235R壁厚34 筒体长度HDN4000mmH18M以内径为公称直径的椭圆形封头的尺寸内表面积和容积可得由于使用的是标准封头所以所以可得封头的高度h2m整体塔高度第三部分 塔设备设计第1章固定床反应器设备设计说明书1材料的选择在刚度或结构设计为主的场合应尽量选用普通碳素钢在以强度设计为主的场合应根据压力温度介质等使用限制选用Q235由于容器设计压力为014MPa使用温度为50故筒体和封头都选择Q345RQ345R钢是屈服强度为340MPa级的压力容器专用板它具有良好的综合力学性能和工艺性能选择椭圆形封头2 裙座材料的选择裙座不直接与塔内介质接触也不承受塔内介质的压力因此不受压力容器用材的限制可选用较经济的普通碳素结构钢故选用Q235-A3 接管的材料选用Q235-B作为补强圈的材料部分接管用20法兰选用20具体将在装配图上注明11气体和液体的进出口装置由 Vs 为流体的体积流量m3su 为适宜的流体流速ms 常压气体进出口管气速可取1020ms液体进出口速度可取0815 ms选用气体流速为15ms代入上式计算得圆整之后气体进出口管径为d250mm选液体流速为15ms由 代入上公式得圆整之后气体进出口管径为d40mm底液出口管径选择12原料液进出管的选择1进料管300mm选的流体输送用无缝钢管GBT8163-2008流体输送用无缝钢管标记10- -GBT8163-2008查GBT17395-2008无缝钢管尺寸外形重量及允许偏差具体参数见表3-12出料管当时d034md40mm选的流体输送用无缝钢管GBT8163-2008流体输送用无缝钢管弯管结构R为650mm标记10-GBT8163-2008查GBT17395-2008无缝钢管尺寸外形重量及允许偏差具体参数见表3-1表2-1普通钢管尺寸及单位长度理论重量外径mm壁厚mm单位长度理论重量kgm32575587348333313筒体和封头的设计材料选择筒体的设计化工设备机械基础厚度计算解得 圆整后 表3-1筒体的容积面积及重量公称直径Dgmm一米高的容积Vm3一米高的内裹面积Fgm2壁厚Smm一米高筒节钢板理论重量kg9000636283479封头的设计选用标准GB_T 25198-2010_压力容器封头图3-1椭圆形封头的结构示意图选用标准GB_T 25198-2010_压力容器封头表3-2筒体的容积面积及重量公称直径Dgmm曲面高度h1mm直边高度H2mm厚度Smm重量Gkg90022030429214法兰的设计1管法兰的选择选用标准HG20593-97板式平焊钢制管法兰欧洲体系图3-2板式平焊钢制法兰PL表4-1PN06MPa60bar板式平焊钢制管法兰mm管子直径mm法兰内径mm螺栓孔中心圆直径mm公称直径mm螺栓孔直径mm螺栓孔数量n法兰外径mm法兰厚度mm法兰理论重量kg液体进出口5759125501841651925气体进出口325328400300221244526135标记液体进出口HG20593法兰PL57-06FFQ235-A气体进出口HG20593法兰PL325-06FFQ235-A2容器法兰的选择选用标准JBT4701-2000甲型平焊法兰标记法兰P900-4010-JBT4701-2000图3-3甲型平焊法兰平面密封面代号P表4-2PN025MPa甲型平焊法兰的