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目录;
设计方案比较;
工艺流程图设计;
反应器的设计
搅拌器的设计;
设备装配图;
设计总结;
参考资料。
7、绘制主要设备的装配图。
用A3图纸绘制主要设备装配图(图面应包括设备主要视图、局部视图等,并配备明细表、管口表、技术特性表、技术要求,设备管口方位图等),要求采用CAD制图。
指导老师:
戴云信
2015年6月16日
概述
此次课程设计,是结合《化学反应工程》这门课程的内容及特点所进行的一次模拟设计。
它结合实际进行计算,对我们理解理论知识有很大的帮助。
同时,通过做课程设计,我们不仅熟练了所给课题的设计计算,而且通过分析课题、查阅资料、方案比较等一系列相关运作,让我们对工艺设计有了初步的设计基础。
在设计过程中解决所遇难题,对我们养成独立思考、态度严整的工作作风有极大的帮助,并为我们以后从事这个行业做好铺垫。
本次课程设计为年产4500吨聚氯乙烯的反应器的设计,是结合《化学反应工程》这门课程的内容及特点所进行的一次模拟设计。
通过此次课程设计,相信同学们在个方面都会有很大的提高。
?
本设计包括:
方案讨论、设备设计,工艺流程等内容,涵盖了《化学反应工程》的基本知识,对我们进一步掌握课本知识很有益处。
同时,对《机械基础设计》和CAD制图的掌握都有明显的帮助,因此,反应工程课程设计是提高学生实际工作能力的重要教学环节
聚氯乙烯的生产工艺是有机工业中较成熟的一个工艺。
尽管现在研制出不同的催化剂合成新工艺,但设计以硫酸作为催化剂的传统工艺是很有必要的。
酯化反应器设计的基本要求是满足传质和传热要求。
因此需要设计搅拌器。
另外,反应器要有足够的机械强度,抗腐蚀能力;
结构要合理,便于制造、安装和检修;
经济上要合理,设备全寿命期的总投资要少。
氯乙烯的主要生产方法
乙烯直接氯化法
(1)乙烯低温氯化:
先向乙烯通氯,在三氯化铁存在下制取二氯乙烷,在碱的醇溶液中,二氯乙烷再脱氯化氢制取氯乙烯。
此法是最古老的方法,其缺点是:
间歇生产,同时要消耗大量的碱和乙醇,副产氯化氢以氯化钠的形式消耗。
(2)乙烯高温氯化法:
此法为法国开发的Cldoe法,于1970工业化。
此法以乙烯、氯气为原料经高温氯化生产氯乙烯,同时富产多种氯代烃溶剂。
整个过程没有二氯乙烷裂解程序。
据称,总收率按碳。
计为94.5%,辅助费用低,但耗氯量大。
2.1.2乙烯氧氯化法
乙烯氧氯化法是目前世界上广泛采用生产氯乙烯的方法,是美国DoW化学公司于1958年实现工业化。
该法以三氯化铁为催化剂,将乙烯直接液相氯化合成二氯乙烷,二氧乙烷经精制后再裂解制得氯乙烯,副产氯化氢再与乙烯和空气,通过载于氧化铝上的氧化铜催化剂进行氧氯化反应得l,2一二氯乙烷,此时,乙烯的化率达99.7%,二氯乙烷的选择性为99.8%;
二氯乙烷经精制后在500℃、压力下,于管式炉内裂解生成氯乙烯和氯化氢;
二氯乙烷的转化率达57%,氯乙烯的选择性为99%;
再经精制得产品氯乙烯。
2.1.3乙烷直接氧氯化制氯乙烯
随着石油资源的日益减少和石油价格的上升,由石油加工而来的乙烯原料价格将会不断攀升,传统的乙烯氧氯化生产氯乙烯的成本也将不断升高。
从氯乙烯合成工艺上来说,传统的方法首先是乙烯氯化合成二氯乙烷,再由二氯乙烷裂解才能得到氯乙烯,工艺路线较长,设备投资较多,因此,世界各大化学公司如B.F.洲ch公司、盂山都公司及比利时的EvC公司等,都一直在研究开发乙烷一步法制氯乙烯的技术,以此来降低生产成本,但此技术的关键是必须开发出高稳定性及高活性的催化剂。
2.1.4乙炔法制氯乙烯
乙炔法是目前我国生产氯乙烯的主要方法,在我国聚氯乙烯的生产中占据主导地位。
乙炔法氯乙烯工艺流程较短,技术较成熟。
本设计中采用的是乙炔法。
主反应:
C2H2+HCL→CH2CHCl+mol
副反应:
C2H2+2HCL→CH2ClCH2Cl+mol
1.工艺设计计算
设计依据
《聚氯乙烯生产设计任务书》
设计方案
对于聚氯乙烯的生产既可以采用流化床生产,也可以采用固定床生产。
由于聚氯乙烯的生产温度不是很高,而催化剂寿命要求较长,综合考虑选择选择固定床反应器进行生产。
工艺计算
1.3.1固定床进料
(1)流量的计算
表物料物性参数[1]
名称
密度
(100oC)
熔点/oC
沸点/oC
黏度/
百分含量
乙炔
-84
98%
氯化氢
1.639
氯乙烯
化学反应方程式:
氯乙烯的相对分子质量为,所以要求的生产流量为
F氯乙烯=
乙炔的流量
乙炔采用工业二级品(含量98%),乙炔与氯乙烯的物质的量比为1:
1,乙酸的转化率为98%,物料损失以5%计,则乙炔的进料量
F乙炔=
氯化氢的流量
氯化氢与乙炔的摩尔配比为:
1,则氯化氢的进料量为
F氯化氢=×
=h
总物料量流量:
F=F氯化氢+F乙炔=+=h
则有原料气氯化氢含量:
原料气中乙炔含量:
产物中各组分的含量:
总物料的质量流量如下计算,
W总=FAMA+F乙M乙=
则有其体积流量为:
表物料进料量表.
流量kmol/h
(2)反应体积及反应时间计算
乙炔与氯化氢反应制氯乙烯的动力学方程为程:
又因为催化剂的生产能力为70kg氯乙烯/m3h,有
,可有
催化剂的用量为:
解得:
则催化剂用量为3.646m3
反应器基本尺寸及列管的根数
1.4.1列管根数得确定
根据工程经验管长一般选择3m长的管束,管径查资料选得
的管束,则有每根管子的体积为:
一般的,管束中催化剂得装填量为管子体积的97%,则有管数为:
圆整后得,管束为
1.4.2筒体直径的计算
1、管束采取胀接则管中心距t==
,最外列管中心距筒壁
,取
2、管子的排布采取正三角形排布,则中心线上布管数:
圆整后得
3、筒体直径的计算:
圆整后取
反应器得规格为
的反应器内由620根
的列管。
压力降的校核
由《化学反应工程》[12]可查得如下计算公式
式中:
—床层压力降,Pa;
H—催化床层高度,m;
G—质量流量,kg/m2?
s;
—气体密度,kg/m3;
g—重力加速度,m/s2;
ε—固定床空隙率;
—催化剂颗粒当量直径,m;
μ—气体粘度,Pa·
s和kg/m·
s。
(1)平均密度
(2)质量流量G:
(3)当量直径dp
本次设计所选用的催化剂为圆柱状,Φ3mm×
6mm,则其当量直径为:
(4)平均黏度μm及压降ΔP
由附录一黏度系数表,运用内插法可得:
表5-2各组分的粘度系数(μ/μPa·
s)
温度
组分
C2H2
HC1
H2O
N2
CH2CHC1
C2H4C12
CH3CHO
355
则可计算出混合气体的平均黏度:
空隙率取,则可得
热量衡算及传热面积的校核
1、热量衡算
反应温度180℃,进料温度80℃,转化后温度110℃;
用热水做冷却介质,进口水温97℃,出口水温102℃,不计热损失,导出液对管壁的传热系数为:
650W/m2·
K。
设原料气带入的热量为
,反应热
,反应器出料带出的热量
,反应器撤走的热量
[9]。
当忽略热损失时,有
表4-6各组分的比热容
温度组分
1.6.1热量衡算
(1)原料气带入的热量
原料气的入口温度为,以为基准温度,则
(4-5)
计算结果列于表4-7中
原料气中各组分的比热容的计算
由上述公式可得
(2)反应热
在操作条件下,主副反应的热效应分别为
主反应
副反应
则主反应的放热量为:
则副反应的放热量为:
则可计算得到反应总热量:
(3)转化后的气体带出的热量
表4-8转化后各组分的比热容
C2H3C1
转化后气体带出的温度为,以为基准温度,则
(4)反应器的撤热量
可得反应器的撤热量:
(5)换热介质用量的确定及换热面积的校核
换热介质与物料采用逆流换热操作增强换热效率,用热水做冷却介质,进口水温90℃,出口水温105℃,不计热损失,导出液对管壁的传热系数为:
换热介质的用量可用以下公式计算:
上式中:
m:
冷却介质的用量,kg/h
cp:
换热介质的比热容
:
换热器两端温差的对数平均值
则有
将数据带入上述方程:
又由传热总速率方程式:
即有
由管束规格及列管根数计算出实际换热面积A实
工艺流程图
根据设计方案由CAD作出其反应流程图如下
图反应过程的工艺流程图
2.设备设计与选型
筒体厚度
根据筒体得标准规格选取
的标准筒体
椭圆形封头
椭圆形封头与圆筒厚度相等,即10mm,JB/T4737-2007
压力容器法兰(甲型)
根据操作压力选取甲型法兰
膨胀节
由于
所以不需要设置膨胀节。
支座选取
设备材料
根据设备的工作条件,可选择Q235—A作为釜体及夹套材料,由附表6[2]查得所选材料许用应力为:
[σ]100=113MPa
(2)设备的壁厚计算
✍釜体筒体壁厚计算
内压设计计算
根据工作条件,可选取P=为设计内压。
根据式(10-12)[2]筒体的设计厚度:
≈4.2mm
δd——圆筒设计厚度,mm;
Di——圆筒内径,mm;
P——内压设计压力,MPa;
Φ——焊接接头系数,考虑到夹套的焊接取(表10-9[2]);
C2——腐蚀裕量,取2mm;
[σ]t——材料许用应力:
[σ]100=113MPa。
考虑到钢板负偏差,初选C1=0.6mm(表10-10[1])。
所以,内压计算筒体壁厚:
+=4.8mm
外压设计计算
按承受的外压设计
设筒体的设计壁厚δ=7mm,并决定L/Do;
Do/δ之值:
Do——筒体外径,Do=Di+2δd=2000+2×
7=2014mm;
L——筒体计算长度,L=H2+
h=3000+
×
400=3200mm(h为封头的曲面高度),则:
L/Do=
≈,Do/δ=
≈,
由图10-15[2]查得A=,由图10-17[2]查得B=80MPa,则许用外压为:
[P]=
=
=>。
可见,δ=7mm满足外压稳定要求,考虑壁厚附加量C=C1+C2=+2=2.6mm后,筒体壁厚δn=δ+C=7+=9.6mm,圆整到标准钢板规格,δn取10mm。
综合外压与内压的设计计算,釜体的筒体壁厚为10mm,经计算校核,满足设备安全要求。
✍釜体封头壁厚计算
按内压计算:
S封=
P=,
Di=2000mm,
Φ=,
[σ]t=113Mpa,
C=+2=2.6mm,
代入得S封=8.4mm.
因为釜体的筒体S筒釜=10mm,考虑到封头与筒体的焊接方便,取封头与筒体厚
S封头=10mm
经采用图解法外压校核,由于[P]﹥PT,外压稳定安全,故用S封筒=10mm。
接管及其法兰选择
(1)冷却水进口管:
φ108×
4,L=200mm,10号钢
法兰:
(2)冷却水出口管:
φ57×
,L=150mm,无缝钢管
(3)乙炔进料管
管径
根据管子规格圆整选用
的无缝钢管,L=150mm
(4)氯化氢醇进料管
的无缝钢管,L=200mm
(5)出料管
出料总质量流量
因密度
,则体积流量为
由表1-1[4]得,因进料黏度低,选取管道中流速
则管径
根据规格选取φ650×
10的无缝钢管。
(6)温度计接管:
φ45×
,L=100mm,无缝钢管
(7)不凝气体排出管:
φ32×
,L=100mm,无缝钢管
(8)压料管:
,L=200mm,无缝钢管
(9)压料管套管:
4,L=200mm,10号钢
参考文献:
[1]陈甘棠主编.《化学反应工程》.第三版.化学工业出版社,2014
[2]董大勤主编.《化工机械基础》.第四版.化学工业出版社,2013
[3]李平主编.《化工工艺制图》.化学工业出版社,2012
[4]《实用化学手册》.科学出版社
总结
这次课程设计,经过三周时间,已经基本完成。
在这次课程设计中遇到的难题,自己也通过各种学习途径有了解决。
看到这份设计书能在预期内顺利完成,真的感到十分欣慰。
同时,也享有付出就有收获的喜悦。
我相信,只有努力过,才会拥有成功的机会。
乙酸乙酯的反应是一个成熟的有机工艺过程。
在方案选择过程中,它很好的将间歇反应和连续性反应结合起来比较,这样掌握这部分知识就会更加容易,事实亦正是如此。
通过这样与实际情况联系的学习,对以前许多比较抽象理论的理解会更加透彻。
此次课程设计前,我们也对其它学科进行过设计学习。
将这次设计各部分都完成后,自己能体会到此次的差异。
这次的课程设计有个最大的特点就是它的相对完整性。
在以往课程设计中,我们接触的都是单个的单元,而此次的设计要求我们对整个工艺有完整的流程。
这不仅与本门课程的特征相关,也让我们对一个工艺流程设计所需考虑的问题有比较全面的了解。
对我们以后全面考虑问题有很好的帮助,可谓受益匪浅。
本次设计将工艺设计和设备设计结合,对二者有了全面的联系和掌握。
这不仅使自己对各个单元操作有了了解,同时对我们今后工作中考虑问题很有益处。
这次的课程设计相当一次模拟实践,帮助我们养成严整、务实的良好作风,提高了全面考虑问题的综合能力,各方面都有了较大程度的进步,达到了预期效果。
致 谢
课程设计对于工科学生是一个十分重要的环节,作为化学工程专业的学生,特别感谢教研室的老师们能结合实际,对我们的课程有着精心合理的安排。
让我们能够理论和实践及时结合学习,即提高了平日的学习兴趣,又与今后的工作接轨,做了很好的铺垫。
此次课程设计由戴云信老师担任我们的指导老师。
在课程设计过程中,只要我们有难题,戴老师都会不辞辛劳,毫不犹豫的从另一校区赶过来为大家辅导。
同时,戴老师还是一名严格的教师。
对于我们设计过程中的一些不良习惯,他都直接指出来,并要求我们及时改正。
正是老师这种严格而又认真负责的工作作风,才使本次设计能顺利完成。
此外,在这次设计中遇到了不少问题,都是和同学讨论、互相学习解决的。
在此,对所有于自己有所帮助的同志一并表示感谢。
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- 反应 工程 课程设计