环氧丙烷反应器设计文档格式.docx

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醇受市场因素制约

7废水含COD高异丙苯

氧化法

CHP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

13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

HPPO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-173

23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

CH3OHH2O2C3H6C3H8H2OC3H6O323442441858413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kmolhCH3OH722610133H2O225936264H2O130318281C3H61093153226C3H8079428NH30572434132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kmolhCH3OH8410133C3H6O1534814H2O91217623H2O20061451PE0041022C3H8O2-2001068NH30027243C3H650118442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C3H81837250-1500C3H68256250-1500H2O1907250-1500CH3OH250-1500CpC3H818372816×

10-1T－1319×

10-8T2

CpC3H682562174×

10-1T－09692×

10-6T2

Cp32241907×

10-3T－10057×

Cp21147084×

10-3T－2586×

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C3H8C3H6H2OCH3OHC3H6OH2O294247820731841331379950284

422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32315℃03Mpa

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

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

0012024036048060072084

1149

1316

151517862203285741677992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1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12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℃

50℃

03MPa

10133kmolh

153236kmolh

18281kmolh

18m

38m

58048kg

2107根

Φ57×

25mm

三角形排列

第二工艺工段反应器设计

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

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

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

物质摩尔分数物质的量kmolhCH3OH92219840670H2O20110879H2O1303217124C3H6698744475C3H804345823NH3028294324132反应器出口物料的计算

甲醇的物质的量[7]984067kmolh

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

物质摩尔分数物质的量kmolhCH3OH7663984067C3H6O00834814H2O1699218158H2O2000544NH302329432C3H803645823C3H6577341442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

表9各物质在平均温度为的

43冷凝水用量的确定

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

数值积分法[10]为

2583

32714

3846

46025

58823

77549

1191

258709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

总体积

解方程得n2385根

标准化后核算过程

4m

5817kg

2385根

35mm

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

料液

由平均黏度和各组分黏度关系

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3m

31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φ

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EHA4000×

13-Q235RJBT4746

综上筒体和封头选材都为Q235R壁厚

34筒体长度H

DN4000mmH18M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-A

3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m3s

u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0815ms

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3-1

2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

Dg

mm一米高的容积

V

m3一米高的内裹面积

Fg

m2壁厚

S

mm一米高筒节钢板理论重量

kg9000636283479封头的设计

选用标准GB_T25198-2010_压力容器封头

图3-1椭圆形封头的结构示意图

表3-2筒体的容积面积及重量

mm曲面高度

h1

mm直边高度

H2

mm厚度

mm重量

G

kg90022030429214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-A

2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甲型平焊法兰的结构尺寸mm

公称直径DNmm法兰mm螺柱DD1δd规格数量90010159804018M1636

三反应釜釜体的设计

31固定床