年产xxxx吨三氯氢硅流化床反应器设计

1、课 程 设 计 说 明 书武 汉 工 程 大 学化工与制药学院 课程设计说明书课题名称专业班级学生学号学生姓名学生成绩年产 xxxx 吨三氯氢硅流化床反应器设计 15 级化工 7 班12吴元欣指导教师课题工作时间戢 峻12 月 28 日1 月 12 日武汉工程大学化工与制药学院课程设计任务书专业化学工程与工艺班级15 级化工 7 班 学生姓名吴元欣发题时间：20158 年 12 月 28 日一、 课题名称年产 xxxxx 吨三氯氢硅流化床反应器设计二、 课题条件（文献资料、仪器设备、指导力量）本设计所需的三氯氢硅资料和计算所用相关手册、工具书，及计算机、打印机设备等具备；指导 教师具有多年的课

2、程设计指导经历。设计任务根据设计条件，通过物料衡算、热量衡算，反应器的选型、催化剂的用量等，设计出符合生产要求的反 应器，并绘制出氯乙烯反应工段的流程图与反应器设备的工艺条件图。四、 设计所需技术参数年产量：xxxx 吨/年，年工作日： 设备检修及紧急情况处理； 工艺：自定，建议硅氢氯化法； 原料组成（wt% ）330 天（即年工作 8000 小时），,一年内的约 35 天用于固定的停车3103 级金属硅，主要成分：si 含量： %，h2o 含量：%，杂质%，硅粉的粒径 dp ：100150m ，计算 中取 dp=125m 。氯化氢气体。主要成分： hcl 含量：%，cl2 含量：1%，h2o

3、 含量：%，黏度 =10-5m/s ，氯化氢气体在 反应温度和压力下的密度算法示例如下：氯化氢气体在反应温度和压力下的导热系数 =反应器设计条件：流化数 k=28 ，,反应器带出的尘粒粒径不大于 80m，流化床坠底锥角为 90，流化床过渡段锥角度为 a=158，本设计中流化床换热分别采用半圆管夹套换热器和列管换热器。五、 设计说明书内容1.2.3.4.5.6.7.8.9.概述三氯氢硅的生产工艺工艺方案和反应器型式的确定 物料衡算与热量衡算流化床反应器设计安全与环保设计说明结论参考文献附图附图 1. 三氯氢硅合成工段流程图 附图 2. 流化床反应器装配图 六、 进度计划第一阶段：12 月 28

4、日1 月 4 日 第二阶段：1 月 5 日1 月 12 日工艺计算与设备计算 绘图、撰写设计报告，答辩摘要该课程设计为三氯氢硅流化床反应器设计，设计流程为：首先通过物料衡算计算得出年产 xxxx 吨所需的 原料量。再通过热量衡算得出设备热负荷，作为设备设计基础。查文献可得各物料参数及物料物性。在 确定流化床的各项参数后，进行流化床工艺的设计计算，得到满足流化床工艺要求的流化床反应器数据， 这些参数即为流化床的实际参数。确定流化床的各项参数后，再确定流化床内部构件的设计，主要有换 热器的设计和内部构件的设计。查文献可得选用列管换热器，根据热量衡算得到换热器的换热面积，列 管参数。构件主要有气体分

5、布器和挡板的设计，由流化床设计参数可得。再选择流化床的附件，主要有 支座及管材的选择，支座可以通过流化床的高度，流化床的直径来确定流化床支座的类型及参数。管材 的确定主要通过床层填料及床层压力来确定。最后在设计计算的基础上进行流化床的机械设计，确定了 流化床的壁厚，封头厚度，流化床反应器质量负荷等参数。根据计算设计出流化床反应器，确定流化床的流化速度为 s 和高度为，确定膨胀的比为，床层直径 为，空隙率，流化床压降为 39507pa ，换热器理论传热面积为，多热油质导量为，换热管数为 52。 关键词：流化床；设计；反应器；参数abstractthe course is designed to

6、trichlorosilane fluidized bed reactor design, the design process : first calculated annual amount ofxxxx tons of raw materials required by the mass balance. then we can get through the heat balance device thermal load, as the device design basis. richard literature available each material parameters

7、 and material properties. then fluid bed reactor design, determines the fluidized bed fluidizing velocity and height, to determine the expansion ratio, bed diameter, porosity, thickness, and the fluidized bed pressure determining the parameters of the fluidized bed, the fluidized bed process of desi

8、gn calculations, technical requirements are met fluidized bed fluidized bed reactor data, the actual parameters of these parameters is a fluidized bed. determine the parameters of the fluidized bed, and then determine the design of the inner member of the fluidized bed, the main design of heat excha

9、nger design and internal components. richard literature available choice of tube heat exchangers, heat balance obtained according to the heat exchanger heat transfer area, out of the parameters. member main gas distributor and bezel design, the design parameters can be obtained from the fluidized be

10、d.according to the fluidized-bed reactor designed to calculate, determine fluidized bed fluidizing velocity / s and a height of , to determine the expansion ratio of , the bed having a diameter of , the porosity of , a fluidized bed pressure drop 39507pa, heat transfer area of the theory of , more h

11、eat conduction amount of oily , the4 2number of tubes 52.keywords: fluidized bed; design; reactors; parameters目摘录要 - 0 -abstract - 0 -第一章概述 - 0 -产品的性质及用途- 0 -三氯氢硅市场分析- 0 -产品价格分析- 0 -第二章三氯氢硅的生产工艺- 1 -硅氢氯化法 - 1 - sicl h 还原法 -4-第三章工艺方案和反应器型式的确定- 2 -三氯氢硅生产工艺 反应器类型 - 2 - 2 -流化床反应器 - 2 - 固定床反应器 - 2 -管式反应器

12、- 2 -反应器选择- 2 -第四章总论物料衡算与热量衡算 - 5 - 5 -物料衡算 - 5 - 总项目核算 - 6 -物料衡算热量衡算- 6 - 7 -物料参数及物料概况 - 9 - 流化床反应器的工艺设计- 11 -设计参数- 11 -流化床反应器工艺设计计算 - 12 - 流化床反应器工艺设计数据汇总 - 17 -流化床内部构件的设计 换热器 - 18 - 18 -内部构件- 22 -流化床附件的选择- 24 -支座选择管材选择- 24 - 25 -流化床反应器的机械设计- 26 -流化床壁厚计算 - 27 -封头厚度计算- 28 -容器的开孔与补强 流化床质量载荷 - 33 - 29

13、 -流化床强度及稳定性校核- 33 -流化床反应器机械设计数据汇总 - 35 -第六章安全与环保 - 57 -第七章参考文献结论- 39 - 36 -附图- 41 -第一章概述产品的性质及用途氯氢硅是生产有机硅烷偶联剂的重要原料。有机硅产品是一类性能优异而独特的新型化 工材料，应用范围遍及国防、国民经济乃至人们日常生活的各个领域，已发展成为技术 密集、资金密集、附加值高、在国民经济中占有一定地位的新型工业体系，并使相关行 业获得了巨大的经济效益。有机硅产品人致分为硅油、硅橡胶、硅树脂、硅烷偶联剂等 4 人类产品。将三氯氢硅与氯乙烯或氯丙烯进行合成反应，再经精馏提纯，得到乙烯基或丙烯基系列 硅炕

14、偶联剂产品。硅烷偶联剂几乎可与任何一种材料交联，包括热固性材料、热塑性材 料、密封剂、橡胶、亲水性聚合物以及无机材料等，在太阳能电池、玻璃纤维、增强树 脂、精密陶瓷纤维和光纤保护膜等方面扮演着重要角色，并在这些行业中发挥着不可或 缺的重要作用。四氯化硅是三氯氢硅生产中极为重要的原辅料，同样具有广阔的市场需 求空间。三氯氢硅还是制造多晶硅的主要原料，将三氯氢硅还原可以得到高纯度的多晶硅。当熔 融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石品格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向 不同的晶粒，则形成多晶硅。多晶硅按纯度分类可以分为冶金级 (金属硅 )、太阳能级、 电子级。多晶硅产品的主要用途：(1) 可做成

15、太阳能电池，将辐射能转变为电能；(2) 高纯的晶体硅是重要的半导体材料；(3) 金属陶瓷、宇宙航行的重要材料；(4) 光导纤维通信，最新的现代通信手段；(5) 性能优异的硅有机化合物。生产三氯氢硅的主要副产品四氯化硅也是制造有机硅的主要原料，它的制成品有硅酸酯、有机硅油、 高温绝缘漆、有机硅树脂、硅橡胶和耐热垫衬材料等。高纯的四氯化硅还是制造高纯二氧化硅、无机硅 化合物、石英纤维以及光导纤维的重要原料三氯氢硅市场分析国内三氯氢硅这几年发展速度，增长较快。随着我国经济的飞速发展，尤其是精细化工、有机硅产业、 电子产品、光纤通讯等行业的快速发展，为三氯氢硅的生产和下游产品的开发提供了巨大的市场空间

16、和 机遇。随着我国有机硅产业的增长，随着太阳能电池行业的飞速发展，对三氯氢硅的需求量迅速增加。 各地纷纷扩建三氯氢硅项目。中国太阳能学会秘书长孟宪淦介绍，国外对光伏产业的扶持体现在政策支持上，德国、美国、日本的政 策指引最为有效，通过立法、购电补偿、税收抵扣、投资补贴等方面帮助光伏产业的发展。而我国目前 尚未启动光伏产业政策，因此“两头在外”的中国光伏产业必须在国外的供需不平衡中寻找生存空间。5 年 以后，实际可以利用的材料将为行业提供 100gw 的电池产能，所以到了 2012 年，多晶硅产能提高达到 高峰。如果能够改进和开发新的三氯氢硅生产技术，将取得原本依赖进口的巨大的国内市场。产品价格

17、分析本项目根据成本、产品性能、市场容量和我国现有三氯氢硅市场价格定位等综合因素，初步定价为： 三氯氢硅：10000 元/吨；四氯化硅：（暂不计价）付产盐酸：少量，价值较低，暂不计价。3 4 2333433333334 24244 23l34333第二章硅氢氯化法三氯氢硅的生产工艺该方法是用冶金级硅粉或硅铁、硅铜作原料与 hcl 气体反应，可使用 cu 或 fe 基催化剂，反应在 200-800 和下进行，反应式如下：2si+7hclhsicl +sicl +3h (1)该反应所用反应器经历了从固定床、搅拌床到流化床的发展过程，工艺也从间歇发展到连续。反应器 由碳钢制成，预先将 si 粒子加入反

18、应器，加热至所需温度后，从底部连续通入 hcl 气体，产物及未反应 原料被连续输出，经除尘、精制后，用于生产高纯多晶硅或高纯硅烷。上述反应是放热反应，反应热为 kj/mol。升高温度有利于提高反应速率，但同时导致 hsicl 的选择 性下降。通过优化反应温度，可明显提高 hsicl 的选择率，例如在 300-425 和 2-5kpa 条件下使 si 与 hcl反应，产物以 600-1000kg/h 连续输出，hsicl 的选择率高达 80%-88% ，副产物包括质量分数 1%-2% h2sicl 和 1%-4%缩聚物，其余为 sicl 。2hcl 气体中的水分对 hsicl 收率有很大影响，因

19、此必须严格干燥。si 与 hcl 生成 hsicl 的反应是零级反 应，使用纯度大于% 的 si 作原料时，hsicl 的收率较低。anderson 等在一个微型反应器中用不同级别的 si 作原料研究了上述反应，结果表明，冶金级 si 原料中所含杂质 al 对反应有催化作用，可使反应温度降 低，hsicl 收率提高。此外，anderson 和 hoel 等研究还发现，si 原料中 cr 和 mn 的含量对上述反应有明 显的影响。cr 对 hsicl 的选择性有正面影响，当原料中含有质量分数 (3-10 00)10-5 的 cr 时，hsicl 的选 择性可提高 15%-20%。但原料中的 mn

20、 却对 si 的反应性和 hsicl 的选择性有负面影响，因此应将其质量 分数降至 110-4 以下。sicl h 还原法该方法是使 sicl 在 cu 或 fe 基催化剂存在下与 si 和 h2 于 400-800 和 2-4 mpa 条件下反应，n(h )/n(sicl ) ，反应式如下：3sicl +2h +si4hsicl (2)该反应为平衡反应，为提高 hsic 收率，优选在有 hcl 存在下进行，n(hcl)/n(sicl ) 。原料 si 采用冶金 级产品，通过预活化除去表面的氧化物后，可进一步提高 hsicl 的收率。反应器采用流化床，为减少其磨损和腐蚀，其内部可用 cr 质量

21、分数5%、fe 质量分数%；fe 含量：%；al 含量%；ca 含量：%；p 含量：% 表 4-3 原料硅粉规格组分sih o杂质合计质量分数%100表 4-4 原料氯化氢规格 组分hclclh o合计质量分数%1100ppppp第五章流化床反应器设计流化床反应器的工艺设计 设计参数本设计采用 3103 级金属硅，硅粉的粒径d ： 100150m ，计算中取 d =125m 。氯化氢气体黏度=105ms-1，氯化氢气体在反应温度和压力下的密度为：r=36.461/ 22.4 (573.15 / 273.15 )(0.101325 / 0.15 )=1.15kg m-3氯化氢气体在反应温度和压力

22、下的导热系数 =。其他设计参数详见表 5-1： 表 5-1 流化床设计工艺参数粒径 d /m密度 /(kg/m3)比热 c /(kj/kgk)质量流量/(kg/h)硅粉10-42329粘度 /(pas)密度 /(kg/m3)比热 c/(kj/kgk)质量流量/(kg/h)氯化氢10-5mfmfpppmfpppp2ppmfttppttpp流化床反应器工艺设计计算临界流化速度 u 1当流体自下而上通过固体颗粒床层，达到一定速度时，固体颗粒产生相对运 动，即为流态化。颗粒开始流动的最小速度称为临界流化速度，记为 u 。对于小颗粒 re 1000 时：umf=dp(r-rp24.5r)式中re =pd

23、 u rp mfmd 颗粒平均直径， m 颗粒密度，kg/m 3流体密度，kg/（ms）流体粘度，pas假设本设计颗粒的雷诺数 re 20，计算得：d (r-r)(1.2510-4)(2329-1.15 u = g =1650 m 1650 2.8 10 -5)9.81 =7.7233 10-3m / s验算：re =pd u rp mfm=1.25 10-47.7233 10 2.8 10 -5-31.15=0.0397 20所以该假设计算的临界流化速度符合要求。最大流化速度 u 2最大流化速度 u 亦称颗粒带出速度。颗粒的带出速度也等于粒子的自由沉 降速度的计算可以得到最大流化速度：d (

24、r-r)u = g ,re 218 m降速度，通过颗粒沉u =422.5(r-r)g2 rm 13dp，2 re 5001p ptr pppp4t33p-5 ptmfmfmbmb mfmb mfmb()mb3.1d (r-r)g2 u = ，500re 210 5式中d 颗粒平均直径，m 颗粒密度，kg/m 3流体密度，kg/（ms）流体粘度，pas为了保证反应的进行和减少颗粒的带出量，以最小颗粒的粒径来算带出速度，即最大流化速度。假设最 大流化速度时的雷诺数为 2 re 500，计算得： u = 22.5 (r-r)g prm21 1 4 (2329-1.15 )29.812 d = 1.2

25、5 10 22.5 1.15 2.8 10 -4=0.8254 m / s 验算：re =pd u rp tm=1. 25 10 -4 0.8254 1.152. 8 10 -5=4.238，2re 500所以该假设计算的最大流化速度符合要求。流化床操作速度 u颗粒的临界流化速度和最大流化速度，决定了流化床操作速度的范围，流化床反应器通常在比临界流化 速度高的流速下操作。当流化床反应器在稍高于临界流化速度下操作时，可以减少颗粒间的磨损，降低 能耗。但在低气速操作时，造成床层传热和传质性能较差。只有当反应速度较低、热效应不大、对传热 要求不高的反应过程才能用较低的操作速度。相反，提高流化床操作速

26、度可以增强颗粒循环流动，促进 床层的传热和传质性能，改善流化质量。操作速度 u 和临界流化速度 u 之比称为流化数 k，即取 k=28【 3】，则流化床操作速度为 :u =kumf=28 7.7233 10-3=0.2163m / s起始鼓泡速度 umb当流体气速超过临界流化速度 u 后，床层开始流态化。当气速进一步增加，床层内可出现气泡，此时 床层高度会下降，出现气泡的最小速度称为起始鼓泡速度 u 。对于气体 大颗粒系统，u 与 u 一致， 对于细粒子系统，u 与 u 有显著的差别，u 的关联式有：u 4.125 10 4 m0.9 mb =u r -r gd mf p所以代入数据有：r0.

27、1puumb =mf4.125 10 4 (2.810-5)0.91.15010.1 (2329 -1.15 )9.811.25 10 -4=1.1706则起始鼓泡速度 u 为：p pt 1u *t1mbumb=1.1706umf=1.1706 7.7233 10 -3 =9.0409 10 -3 m / s床层直径 d氯 化 氢 气 体 体 积 流 量 ： 因 本 次 设 计 流 化 床 的 数 目 为 4 套 , 故 流 量 为 ：v =22.4 143.99 / 4 573.15 / 273.15 0.1013/ 0.15 =1523.51m3/ h =0.3174m3/ s流化层面积：a =v / u =0.3174/ 0.2163 =1.9576m / s 流化段直径：4 a 4 1.9576 d = =p 3.14=1.6451m，圆整为 d=将圆整后的 d=到原公式得实际操作速度4v 4 0.3174 u= =pd 2 3.14 1.7 2 扩大段直径=0.1494 m s-1为了满足分离的要求和减少分离器的负荷，因