固定床列管式反應器設計說明書(曾禮菁)

1、乙烯法合成醋酸乙烯固定床列管式反應器固定床列管式反應器的設計u乙烯法合成乙酸乙烯的原理2一、催化劑21.催化劑的組成22.催化劑的制備23.催化劑物性2二、反應方程2三、工藝條件的確定31、反應溫度32、反應壓力33、原料配比3u乙烯法合成乙酸乙烯反應器的設計計算4一、設計選材4二、設計數(shù)據(jù)和工作參數(shù)4三、反應器進出物料組成4四、基本物性數(shù)據(jù)51、相對分子質量52、密度53、黏度54、比熱容6五、反應器的數(shù)學模型61、床層對外的徑向換熱項62、動力學方程63、濃度分布方程74、溫度分布方程75、數(shù)學模型方程參數(shù)76、數(shù)學模型計算及其結果8六、反應管排布9七、氣體分布板設計91、氣體分布板的形式

2、92、分布板的壓降93、板厚114、孔數(shù)和孔徑的確定11八、殼程換熱121)換熱介質進出口結構122)換熱介質123)折流板型式12九、管口設計121、反應物進口122、產物出口133、換熱介質進口134、換熱介質出口13十、預熱器13十一、封頭13十二、支座13u附錄一14u參考文獻16u 乙烯法合成乙酸乙烯的原理一、 催化劑6選用bayer-i型催化劑1. 催化劑的組成：l 活性組分鈀、金：組分金的作用是防止活性組分鈀產生氧化凝聚，使鈀在載體上維持良好的分散狀態(tài)。l 助催化劑乙酸鉀：乙酸鉀的存在有助于反應組分乙酸在鈀金屬上締合，促進物理吸附的乙酸的離解和釋放氫離子，使鈀氧間的鍵結合力減弱，

3、促使乙酸鈀的分解；此外，還可抑制深度氧化反應，從而提高了反應的選擇性。l 載體硅膠：承載活性組分及助催化劑，使其在載體表面上呈高度分散狀態(tài)。2. 催化劑的制備：l 結構：bayer-i型催化劑為球星顆粒，最外面的第一層是灰色的表皮層，厚度約為100；中間的第二層是一層黑色的環(huán)，這是活性組分鈀和金的主要集中區(qū)，厚度為500700；最里面的第三層是載體硅膠，呈淺土黃色。l 制備：催化劑載體的制備是用粗孔硅膠，經(jīng)過高溫干燥后磨成細粉，而后制成56mm的小孔，經(jīng)過打光干燥、焙燒、過篩、擴孔、洗滌、干燥、選粒、熱處理等加工，成為成品硅膠載體。催化劑的制備大體經(jīng)歷四個階段。首先，將氯化鈀溶解在鹽酸中，氯化

4、鈀轉變成氯鈀酸：然后，以碳酸氫鈉中和所形成的氯鈀酸，使其轉變成氯鈀酸鈉：第三步是陳化、固定階段，即在堿性介質中，將氯鈀酸鈉轉變成氫氧化鈀： 與此同時，氯金酸也轉變成氫氧化金：最后用聯(lián)氨還原得到所需要的催化組分：3. 催化劑物性：活性組分 pd 0.5%(wt) (3.2g/l) au 0.25%(wt) (1.4g/l)助催化劑 koac 2.3（wt） （29.0g/l）載體硅膠顆粒粒度 球形堆積密度 視密度 比表面 100m2/g孔體積 0.62ml/g孔隙率 59注：koac在反應過程中會流失，根據(jù)經(jīng)驗，除初始加入koac，隨反應物還得添加koac，流量為2. 716kg/h。二、 反應

5、方程l 主反應：l 主要副反應：l 此外尚有少量副產物乙醛、醋酸乙酯、醋酸甲酯、丙稀醛、二醋酸二醇酯和聚合物等生成： 此設計忽略這些少量副產物的產生，只考慮主要副反應三、 工藝條件的確定6使用貴金屬pd-au-ch3cook/sio2催化劑，由乙烯、氧氣和乙酸合成乙酸乙烯的主要工藝條件的控制指標為：反應溫度 160180反應壓力 0.60.8mpa空間速度 18002000h-1原料氣組成：乙烯44（mol），氧氣56（mol），乙酸20（mol），二氧化碳20（mol），水1.6（mol），其余為氮氣。1、 反應溫度 反應溫度對選擇性、空時收率及出口氣中氧氣和二氧化碳含量有一定關系。當選擇操

6、作溫度比較低時，反應的選擇性較好，但空時收率較低；隨著溫度的升高，反應選擇性略有下降，與此同時空時收率在逐漸提高。溫度繼續(xù)升高，由于完全氧化副反應的加劇，使得反應選擇性明顯下降，而且因為大量的氧氣被消耗在完全氧化副反應上，使得反應器出口氣中氧氣的含量大幅度地減少，并有一定量的一氧化碳生成，而一氧化碳的存在可使催化劑的活性減退，這樣必然使得空時收率產生明顯下降。因此，乙酸乙烯合成過程存在著一個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，需要相應地將操作溫度逐漸提高。2、 反應壓力在乙酸乙烯地合成過程中，由于原料的單程轉化率較低，乙烯的單程轉化率一般在10左右。因此，需要有大量的氣體物

7、料在系統(tǒng)內循環(huán)。乙酸乙烯合成反應屬于分子數(shù)減少的反應，增加壓力有利于反應向生成乙酸乙烯方向進行，同時加壓使反應物的濃度提高，有助于反應速度的加快，這樣就使得反應的空時收率能有所提高。 因此，提高壓力不僅可使空時收率提高，而且有利于反應選擇性的改善。當然壓力的提高要受到設備條件的約束，設備的投資費用隨著壓力的升高而提高。這樣從經(jīng)濟和安全方面考慮，通常乙酸乙烯合成過程的操作壓力選為784.5kpa(8kgf/cm2)(表壓)。3、 原料配比原料配比的確定，首先要受物質的爆炸極限約束，乙酸乙烯合成過程有關物質的爆炸極限如下表所示。原則上說，物料配比應使其落在爆炸極限之外。曾禮菁 zenglijing

8、物料配比直接影響反應的轉化率、選擇性及空時收率。乙酸乙烯合成反應的轉化率不宜控制得過高，要求循環(huán)氣中的氧含量不低于2，乙烯的單程轉化率一般控制在10，乙酸得單程轉化率約18，氧氣的轉化率在5060，反應選擇性9095，空時收率在280300kg/(m3h)。組分在空氣中的爆炸極限，（vol）乙烯2.7528.6乙酸4.05.4乙酸乙烯2.613.61) 乙烯和氧氣的配比 乙酸乙烯合成反應從化學計量關系乙烯和氧氣的比為2:1(mol)。但是受爆炸極限的限制，在實際生產過程中乙烯總是大量過剩，大致為c2h4: o2915: 1。從有利于反應角度考慮，提高乙烯的分壓，有利于加快乙酸

9、乙烯的生成速度，并有助于抑制完全氧化生成二氧化碳副反應。提高氧氣分壓雖有助于加快乙酸乙烯的生成速度，但更多地加速了二氧化碳的生成速度。而同時，氧氣的含量不可控制得過低，這樣不僅使乙酸乙烯的生成變慢，而且有利于一氧化碳的大量生成，而一氧化碳會使得催化劑活性明顯下降2) 加料中的乙酸量 乙酸的加料量過低時，催化劑活性較差；乙酸的加料量過高，則對催化劑的活性和壽命都不利。并且由于乙酸轉化率的降低，乙酸回收的負荷將大為增加。工業(yè)化生產采用的原料配比為乙烯:氧氣:乙酸9: 1: 4。操作壓力為784.5kpa(8kgf/cm2)(表壓)。3) 系統(tǒng)中水和二氧化碳量 當系統(tǒng)內有適量的水存在，能保持催化劑維

10、持較高的活性。在工業(yè)生產當中使用含水的乙酸，通?？刂品磻獨怏w混合物中水的含量在6（mol）。原料乙酸中含有少量的水，除有利于催化劑發(fā)生效用外，還可減低乙酸對設備的腐蝕。二氧化碳是系統(tǒng)副反應的產物，當物料在反應系統(tǒng)中循環(huán)時，這個組分必然存在于反應氣體當中。適量的二氧化碳存在可有效地抑制乙烯的完全燃燒反應，并且由于它的存在，可以使爆炸范圍變窄。因此，工業(yè)生產控制循環(huán)氣中的二氧化碳含量在25（mol）左右，這對生產安全極為有利。此外，為防止鈀催化劑中毒，原料氣中需嚴格控制氯、氨、硫及炔烴等物質的含量。u 乙烯法合成乙酸乙烯反應器的設計計算一、 設計選材11考慮到使用溫度、耐酸、許用應力、價格、供貨情

11、況及材料的焊接性能等，在設計中選?。簹んw、列管、管板和封頭材料為鉬三鈦超低碳不銹鋼，法蘭、支座、折流板為16mnr。二、 設計數(shù)據(jù)和工作參數(shù)乙酸乙烯年產量100kt原料配比c2h4:o2:hoac9:1:4年工作時間300247200h175784kpa(8kgf/cm2)空速2100h-1反應溫度反應壓力反應選擇性92%空時收率300kg/(m3h)三、 反應器進出物料組成反應器進口kmol/hkg/h%(mol)乙烯2023.45665543.719乙酸919.725518319.872二氧化碳919.724046819.872氧氣229.937357.84.968水75.9791367.

12、61.642氮氣459.44128649.927總量4628.189173895.4100 反應器出口kmol/hkg/h%(mol)乙烯1842.25158240.613乙酸752.364514216.586乙酸乙烯166.67143343.674二氧化碳950.424181820.953氧氣108.113459.52.383水256.794622.35.661氮氣459.441286410.129其他雜質73.6少量四、 基本物性數(shù)據(jù)1、 相對分子質量m g/mol乙烯乙酸乙酸乙烯二氧化碳氧氣水氮氣28608644321828進料混合物的平均相對分子質量出口混合物的平均相對分子質量2、 密

13、度 kg/m3 175，784kpa乙烯乙酸乙酸乙烯二氧化碳氧氣水氮氣密度(kg/m3)5.23213.7820.471.8231.3254.6291.160臨界溫度tc(k)282.36594.4525552154.58647.3126.11臨界壓力pc(mpa)5.035.7864.367.95.0422.053.4臨界壓縮因子zc0.2770.2000.2640.2760.2880.260.292混合物的密度4:進料1) 平均相對分子質量 2) 臨界壓縮因子查圖得3) 混合物密度出口1) 平均相對分子質量 2) 臨界壓縮因子查圖得3) 混合物密度3、 黏度 175，784kpa乙烯乙酸乙

14、酸乙烯二氧化碳氧氣水氮氣14.7212.6812.0421.0027.0015.624進口物料混合物的黏度出口物料混合物的黏度4、 比熱容 175乙烯乙酸乙酸乙烯二氧化碳氧氣水氮氣56.5688.28121.242.9230.6135.6629.69混合氣體的比熱容4：進口出口五、 反應器的數(shù)學模型1,6,7,9此反應選用固定床列管式反應器，反應物物均為氣體，催化劑為固體，此模型為擬均相模型；對于實際的工業(yè)固定床反應器，尤其是列管式床層，其床層高度都可以滿足l100dp的條件，因此也都可以認為床層軸向返混的影響可以忽略，即可以將固定床床層進一步簡化為擬均相的柱塞流反應器，從而得到簡化的擬均相一

15、維模型。1、 床層對外的徑向換熱項 （4.1）式中 傳熱通量； 反應管壁傳熱系數(shù)； 反應溫度； 反應管壁溫度。2、 動力學方程 （4.2）式中 組分a的生成速率，； 催化劑有效因子； 反應指前因子； 反應活化能，； 摩爾氣體常數(shù)，； vac摩爾分數(shù)的函數(shù)。3、 濃度分布方程 （4.3）式中 組分a的質量分數(shù)； 床層高度，m； 反應床層截面積，m2； 原料混合物的質量流量，； 反應床層的堆積密度，。4、 溫度分布方程式中 反應物料的平均質量定壓熱容，； 反應熱效應，。5、 數(shù)學模型方程參數(shù) a為vacl 173895.4ll 反應器進口體積流量取lll 取流速 l 取 e71.44 r8.315

16、 6、 數(shù)學模型計算及其結果將數(shù)學模型方程參數(shù)帶入式（4.1）（4.2）（4.3）得：反應器進料的vac的質量分數(shù) 出口的vac的質量分數(shù)反應器進口溫度tin=170 取 則：電算框圖及c+源代碼編寫見附錄一初值設定：反應器進口溫度170 反應器進口vac質量分數(shù)0反應器出口vac質量分數(shù)0.08243計算結果：催化劑填充高度9m反應管長度10m其他設計：反應列管：（外徑為38mm）反應管根數(shù)：根催化劑裝量：反應器內徑：4960mm反應器壁厚15：20mm 六、 反應管排布11反應器列管的布置與普通換熱器有很大不同。首先，管束中央水循環(huán)受阻，傳熱惡化，溫度分布不均，故此區(qū)域不布管；其次，反應管

17、的排管把整個管板按30劃分為12個區(qū)間，整個管板由一個30區(qū)間陣列而成。取管間距為50mm，中央不布管區(qū)域直徑1000mm，如反應管排列圖，實際排管7958根。另，取管板厚度14mm。七、 氣體分布板設計71、 氣體分布板的形式工業(yè)應用的氣體分布板形式很多，主要有直流式、測流式、填充式、短管式，以及無分布板的漩流式等。此反應器選用側縫式錐帽分布板，如圖1。圖1 側縫式錐帽分布板2、 分布板的壓降分布板的壓降可用下式表達： （5.1）式中 操作孔速，； 分布板的開孔率； 分布板的阻力系數(shù)，一般為1.52.5，對于側縫帽分布板為2。 氣體密度，。理想的氣體分布板壓降必然是同時滿足均勻布氣和具有良好

18、穩(wěn)定性這兩個條件的最小壓降。a. 均勻布氣壓降richardson建議分布板的阻力至少應是氣流阻力的100倍，即：b. 穩(wěn)定性壓降agarwal等指出，穩(wěn)定性壓降應不小于列管式固定床層壓降的10，即 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：這里，均勻布氣壓降就成為次要問題，只考慮穩(wěn)定性壓降就可以了。所以：床層壓力降12 （5.2） （5.3） （5.4）式中 p壓力，pa; fm修正的摩擦系數(shù)； 流體密度，kg/m3； u0空塔線速，m/s； dp催化劑顆粒直徑，m； 床層空隙率； h床層高度，m； 流體的絕對黏度，； a、b系數(shù)，采用ergun提出的數(shù)值，

19、a1.75，b150。 取3、 板厚取厚度10mm。4、 孔數(shù)和孔徑的確定取孔徑d10mm 則：孔數(shù)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，同心圓與正六邊形之間的大空隙處，適當補加一些孔。設孔間距為s 有公式 則： 取錐帽外徑40mm見側縫式錐帽分布板小孔排布圖，實際排孔3463個，此時 滿足要求八、 殼程換熱1) 換熱介質進出口結構為了降低入口流體的橫向流速，消除流體誘發(fā)的管子振動，采用外導流筒式的進出口結構，如圖2所示。圖2 外導流筒式換熱介質入口示意圖2) 換熱介質高壓水：784kpa 110 液態(tài)水 密度 飽和水蒸汽潛熱，溫度170管程取安全系

20、數(shù)為1.1 則殼層 設水進口質量流量為取液態(tài)水進口流速為0.5m/s，進口管口直徑100mm 管口橫截面積設出口蒸汽的量為 根據(jù)得： 3) 折流板型式由于反應器中間不排管，最好選用環(huán)盤型折流板。折流板間距為1m。板厚10mm。九、 管口設計1、 反應物進口流量，選進口線速約為，則管內孔截面積，截面積太大，選擇兩個管口進料，則截面積為0.1698m2，選用公稱直徑為450mm、外徑為480mm、壁厚為9mm的鋼管。此時線速為17.7m/s，符合要求。2、 產物出口流量，選出口線速約為，則管內孔截面積，選用公稱直徑為600mm、外徑為630mm、壁厚為10mm的鋼管。此時線速為20m/s，符合要求

21、。3、 換熱介質進口換熱介質進口為液態(tài)水，線速0.5m/s，兩個進口，已得公稱直徑為100mm、外徑為108mm、壁厚為4mm的鋼管。4、 換熱介質出口換熱介質出口水蒸汽， 液態(tài)飽和水。設液態(tài)水的流速為0.5m/s，則其通過截面積；設飽和水蒸汽的流速為30m/s，則其通過截面積。則，兩個出口，則截面積約為0.0228m2。選用公稱直徑為175mm、外徑為194mm、壁厚為6mm的鋼管。十、 預熱器 先用醋酸蒸發(fā)器將醋酸氣化，再預熱物料到170（0.784mpa）。十一、 封頭15選用橢圓形封頭，取其形狀系數(shù)k1，則。外徑為5000mm，則其圓邊高度。壁厚為反應器厚度20mm，則直邊高度。橢圓形

22、封頭外徑5000mm，壁厚20mm，圓邊高度1250mm直邊高度50mm。十二、 支座8,14,16,17部件材質反應器殼體反應管封頭氣體分布板管板法蘭折流板等選用圓筒形裙式支座，材質為，裙座與塔體的連接采用對接式焊接，裙座筒體外徑為5000mm，筒體厚度20mm，裙座筒體上端面至塔釜封頭切線距離h160mm，地腳螺栓座的結構選擇外螺栓座結構型式，螺栓規(guī)格為，個數(shù)28個，基礎環(huán)板厚度為20mm。因為筒體大、高，需在裙座內部設置梯子。裙座上開設圓形人孔方便檢查。為減少腐蝕以及塔運行中有可能有氣體逸出，需在裙座上部設置排氣管，根據(jù)塔徑，設定排氣管規(guī)格，數(shù)量4個，排氣管中心距裙座頂端距離、。設置保溫

23、圈以免引起不均勻熱膨脹。一般塔體的保溫延伸到裙座與塔釜封頭的連接焊縫以下4倍保溫層厚度的距離為止?？紤]裙座的防火問題，在裙座的內外側均敷設防火層，防火層材料為石棉水泥層（容積密度約為1900kg/m3），厚度為50mm。u 附錄一數(shù)學模型電算框圖：輸入反應器進口溫度t（）輸入反應器進口vac質量分數(shù)w1輸入反應器出口vac質量分數(shù)w2n=0 取單位元w1w2 ?輸出是否n=n+1; end輸出n、t、w1數(shù)學模型源代碼：#include #include void main()double w,w1,w2,t1,t2,l,a,b,c,d,n,l;coutt1;coutendl;coutw1;coutendl;coutw;coutendl;/w1=0; t1=t1+273.5; l=0.1;n=0;coutno.ttemp.tmasspercentendl;coutntt1-273.5tw1endl;while(w1w)a=-8.592/t1;b=0.011605-0.049905*w1;c=0.9991-4.2972*w1;d=0.0105*(t1-423.5);w2=b*pow(2.718281828,a)*l+w1;t2=(c*pow(2.718281828,a)-d)*