年產(chǎn)xxxx噸三氯氫硅流化床反應器設計

1、課 程 設 計 說 明 書 武 漢 工 程 大 學 化工與制藥學院課程設計說明書課題名稱 年產(chǎn)xxxx噸三氯氫硅流化床反應器設計專業(yè)班級 15級化工7班 學生學號 1506210712 學生姓名 吳元欣 學生成績 指導教師 戢 峻 課題工作時間 12月28日1月12日 武漢工程大學化工與制藥學院武漢工程大學課程設計課程設計任務書專業(yè) 化學工程與工藝 班級 15級化工7班 學生姓名吳元欣發(fā)題時間：20158年12 月28日一、課題名稱年產(chǎn)xxxxx噸三氯氫硅流化床反應器設計二、課題條件（文獻資料、儀器設備、指導力量） 本設計所需的三氯氫硅資料和計算所用相關手冊、工具書，及計算機、打印機設備等具備

2、；指導教師具有多年的課程設計指導經(jīng)歷。3、 設計任務根據(jù)設計條件，通過物料衡算、熱量衡算，反應器的選型、催化劑的用量等，設計出符合生產(chǎn)要求的反應器，并繪制出氯乙烯反應工段的流程圖與反應器設備的工藝條件圖。四、設計所需技術參數(shù)4.1 年產(chǎn)量：xxxx噸/年，年工作日： 330天（即年工作8000小時），,一年內(nèi)的約35天用于固定的停車設備檢修及緊急情況處理；4.2 工藝：自定，建議硅氫氯化法；4.3 原料組成（wt%） 3103級金屬硅，主要成分：Si含量： 99.2%，H2O含量：0.26%，雜質0.54%，硅粉的粒徑dp：100150m，計算中取dp=125m。氯化氫氣體。主要成分：HCl含

3、量：98.7%，Cl2含量：1%，H2O含量：0.3%，黏度=2.8×10-5m/s，氯化氫氣體在反應溫度和壓力下的密度算法示例如下： 氯化氫氣體在反應溫度和壓力下的導熱系數(shù)=0.029w/(m.k)4.4反應器設計條件：流化數(shù)K=28，,反應器帶出的塵粒粒徑不大于80m，流化床墜底錐角為90°，流化床過渡段錐角度為a=158º，本設計中流化床換熱分別采用半圓管夾套換熱器和列管換熱器。五、設計說明書內(nèi)容1. 概述2. 三氯氫硅的生產(chǎn)工藝3. 工藝方案和反應器型式的確定4. 物料衡算與熱量衡算5. 流化床反應器設計6. 安全與環(huán)保設計說明7. 結論8. 參考文獻9.

4、 附圖附圖1. 三氯氫硅合成工段流程圖附圖2. 流化床反應器裝配圖六、進度計劃第一階段：12月28日1月4日 工藝計算與設備計算第二階段：1月5日1月12日 繪圖、撰寫設計報告，答辯III摘 要該課程設計為三氯氫硅流化床反應器設計，設計流程為：首先通過物料衡算計算得出年產(chǎn)xxxx噸所需的原料量。再通過熱量衡算得出設備熱負荷，作為設備設計基礎。查文獻可得各物料參數(shù)及物料物性。在確定流化床的各項參數(shù)后，進行流化床工藝的設計計算，得到滿足流化床工藝要求的流化床反應器數(shù)據(jù)，這些參數(shù)即為流化床的實際參數(shù)。確定流化床的各項參數(shù)后，再確定流化床內(nèi)部構件的設計，主要有換熱器的設計和內(nèi)部構件的設計。查文獻可得選

5、用列管換熱器，根據(jù)熱量衡算得到換熱器的換熱面積，列管參數(shù)。構件主要有氣體分布器和擋板的設計，由流化床設計參數(shù)可得。再選擇流化床的附件，主要有支座及管材的選擇，支座可以通過流化床的高度，流化床的直徑來確定流化床支座的類型及參數(shù)。管材的確定主要通過床層填料及床層壓力來確定。最后在設計計算的基礎上進行流化床的機械設計，確定了流化床的壁厚，封頭厚度，流化床反應器質量負荷等參數(shù)。 根據(jù)計算設計出流化床反應器，確定流化床的流化速度為0.1494m/s和高度為11.3m，確定膨脹的比為1.1716，床層直徑為3.2m，空隙率0.5732，流化床壓降為39507Pa，換熱器理論傳熱面積為20.56m2，多熱油

6、質導量為3.96kg，換熱管數(shù)為52。關鍵詞：流化床；設計；反應器；參數(shù)Abstract The course is designed to 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 dev

7、ice design basis. Richard literature available each material parameters 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 drop.In det

8、ermining the parameters of the fluidized bed, the fluidized bed process of design 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

9、 design of the inner member of the fluidized bed, the main design of heat exchanger 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 distributo

10、r and bezel design, the design parameters can be obtained from the fluidized bed.According to the fluidized-bed reactor designed to calculate, determine fluidized bed fluidizing velocity 0.1494m / s and a height of 11.3m, to determine the expansion ratio of 1.1716, the bed having a diameter of 3.2m,

11、 the porosity of 0.5732, a fluidized bed pressure drop 39507Pa, heat transfer area of the theory of 20.56m2, more heat conduction amount of oily 3.96kg, the number of tubes 52.Keywords: fluidized bed; design; reactors; Parameters目 錄摘 要- I -Abstract- II -第一章 概述- 1 - 1.1 產(chǎn)品的性質及用途- 1 -1.2 三氯氫硅市場分析- 1 -

12、1.3 產(chǎn)品價格分析- 2 -第二章 三氯氫硅的生產(chǎn)工藝- 3 -2.1 硅氫氯化法- 3 -2.2 SiCl4H2還原法-4-第三章 工藝方案和反應器型式的確定- 5 -3.1 三氯氫硅生產(chǎn)工藝- 5 - 3.2 反應器類型- 5 - 3.2.1流化床反應器- 5 - 3.2.2固定床反應器- 6 - 3.2.3管式反應器- 7- 3.3反應器選擇-8 -第四章 物料衡算與熱量衡算- 9 -4.1 總論- 9 -4.2物料衡算- 9 -4.3 總項目核算- 11 -4.3.1 物料衡算- 11 -4.3.2 熱量衡算- 12 -4.3.3 物料參數(shù)及物料概況- 14 -5.1 流化床反應器的

13、工藝設計- 17 -5.1.1 設計參數(shù)- 17 -5.1.2 流化床反應器工藝設計計算- 17 -5.1.3 流化床反應器工藝設計數(shù)據(jù)匯總- 26 -5.2 流化床內(nèi)部構件的設計- 27 -5.2.1 換熱器- 27 -5.2.2 內(nèi)部構件- 34 -5.3 流化床附件的選擇- 38 -5.3.1 支座選擇- 38 -5.3.2 管材選擇- 39 -5.4 流化床反應器的機械設計- 42 -5.4.1 流化床壁厚計算- 42 -5.4.2 封頭厚度計算- 44 -5.4.3 容器的開孔與補強- 47 -5.4.4 流化床質量載荷- 52 -5.4.5 流化床強度及穩(wěn)定性校核- 53 -5.4

14、.8 流化床反應器機械設計數(shù)據(jù)匯總- 55 - 第六章 安全與環(huán)保- 57 -  第七章 結論- 59 - 參考文獻- 63 - 附圖- 65 -第一章 概述1.1 產(chǎn)品的性質及用途氯氫硅是生產(chǎn)有機硅烷偶聯(lián)劑的重要原料。有機硅產(chǎn)品是一類性能優(yōu)異而獨特的新型化工材料，應用范圍遍及國防、國民經(jīng)濟乃至人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領域，已發(fā)展成為技術密集、資金密集、附加值高、在國民經(jīng)濟中占有一定地位的新型工業(yè)體系，并使相關行業(yè)獲得了巨大的經(jīng)濟效益。有機硅產(chǎn)品人致分為硅油、硅橡膠、硅樹脂、硅烷偶聯(lián)劑等4人類產(chǎn)品。將三氯氫硅與氯乙烯或氯丙烯進行合成反應，再經(jīng)精餾提純，得到乙烯基或丙烯基系列硅炕偶

15、聯(lián)劑產(chǎn)品。硅烷偶聯(lián)劑幾乎可與任何一種材料交聯(lián)，包括熱固性材料、熱塑性材料、密封劑、橡膠、親水性聚合物以及無機材料等，在太陽能電池、玻璃纖維、增強樹脂、精密陶瓷纖維和光纖保護膜等方面扮演著重要角色，并在這些行業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。四氯化硅是三氯氫硅生產(chǎn)中極為重要的原輔料，同樣具有廣闊的市場需求空間。三氯氫硅還是制造多晶硅的主要原料，將三氯氫硅還原可以得到高純度的多晶硅。當熔融的單質硅凝固時，硅原子以金剛石品格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶硅。多晶硅按純度分類可以分為冶金級(金屬硅)、太陽能級、電子級。多晶硅產(chǎn)品的主要用途：(1)可做成太陽能電池，將輻射能轉

16、變?yōu)殡娔埽?2)高純的晶體硅是重要的半導體材料；(3)金屬陶瓷、宇宙航行的重要材料；(4)光導纖維通信，最新的現(xiàn)代通信手段；(5)性能優(yōu)異的硅有機化合物。 生產(chǎn)三氯氫硅的主要副產(chǎn)品四氯化硅也是制造有機硅的主要原料，它的制成品有硅酸酯、有機硅油、高溫絕緣漆、有機硅樹脂、硅橡膠和耐熱墊襯材料等。高純的四氯化硅還是制造高純二氧化硅、無機硅化合物、石英纖維以及光導纖維的重要原料 1.2 三氯氫硅市場分析國內(nèi)三氯氫硅這幾年發(fā)展速度，增長較快。隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，尤其是精細化工、有機硅產(chǎn)業(yè)、電子產(chǎn)品、光纖通訊等行業(yè)的快速發(fā)展，為三氯氫硅的生產(chǎn)和下游產(chǎn)品的開發(fā)提供了巨大的市場空間和機遇。隨著我國有機硅產(chǎn)

17、業(yè)的增長，隨著太陽能電池行業(yè)的飛速發(fā)展，對三氯氫硅的需求量迅速增加。各地紛紛擴建三氯氫硅項目。中國太陽能學會秘書長孟憲淦介紹，國外對光伏產(chǎn)業(yè)的扶持體現(xiàn)在政策支持上，德國、美國、日本的政策指引最為有效，通過立法、購電補償、稅收抵扣、投資補貼等方面幫助光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而我國目前尚未啟動光伏產(chǎn)業(yè)政策，因此“兩頭在外”的中國光伏產(chǎn)業(yè)必須在國外的供需不平衡中尋找生存空間。5年以后，實際可以利用的材料將為行業(yè)提供100GW的電池產(chǎn)能，所以到了2012年，多晶硅產(chǎn)能提高達到高峰。如果能夠改進和開發(fā)新的三氯氫硅生產(chǎn)技術，將取得原本依賴進口的巨大的國內(nèi)市場。1.3 產(chǎn)品價格分析本項目根據(jù)成本、產(chǎn)品性能、市場容量

18、和我國現(xiàn)有三氯氫硅市場價格定位等綜合因素，初步定價為：三氯氫硅：10000元/噸；四氯化硅：（暫不計價）付產(chǎn)鹽酸：少量，價值較低，暫不計價。第二章 三氯氫硅的生產(chǎn)工藝2.1 硅氫氯化法 該方法是用冶金級硅粉或硅鐵、硅銅作原料與HCl氣體反應，可使用Cu或Fe基催化劑，反應在200-800和0.05-3MPa下進行，反應式如下：    2Si+7HClHSiCl3 +SiCl4 +3H2   (1)   該反應所用反應器經(jīng)歷了從固定床、攪拌床到流化床的發(fā)展過程，工藝也從間歇發(fā)展到連續(xù)。反應器由碳鋼制成，預先將Si粒子加入反應器，加熱至所需溫度后，

19、從底部連續(xù)通入HCl氣體，產(chǎn)物及未反應原料被連續(xù)輸出，經(jīng)除塵、精制后，用于生產(chǎn)高純多晶硅或高純硅烷。    上述反應是放熱反應，反應熱為141.8 kJ/mol。升高溫度有利于提高反應速率，但同時導致HSiCl3的選擇性下降。通過優(yōu)化反應溫度，可明顯提高HSiCl3的選擇率，例如在300-425和2-5kPa條件下使Si與HCl反應，產(chǎn)物以600-1000kg/h連續(xù)輸出，HSiCl3的選擇率高達80%-88%，副產(chǎn)物包括質量分數(shù)1%-2% H2SiCl2和1%-4%縮聚物，其余為SiCl4。    HCl氣體中的水分對HSiCl3收率有很大影響，因此必

20、須嚴格干燥。Si與HCl生成HSiCl3的反應是零級反應，使用純度大于99.99%的Si作原料時，HSiCl3的收率較低。Anderson等在一個微型反應器中用不同級別的Si作原料研究了上述反應，結果表明，冶金級Si原料中所含雜質Al對反應有催化作用，可使反應溫度降低，HSiCl3收率提高。此外，Anderson和Hoel等研究還發(fā)現(xiàn)，Si原料中Cr和Mn的含量對上述反應有明顯的影響。Cr對HSiCl3的選擇性有正面影響，當原料中含有質量分數(shù)(3-10 00)×10-5的Cr時，HSiCl3的選擇性可提高15%-20%。但原料中的Mn卻對Si的反應性和HSiCl3的選擇性有負面影響，

21、因此應將其質量分數(shù)降至1×10-4以下。2.2  SiCl4H2還原法    該方法是使SiCl4在Cu或Fe基催化劑存在下與Si和H2于400-800和2-4 MPa條件下反應，n(H2)/n(SiCl4)0.6-2，反應式如下：    3SiCl4 +2H2 +Si4HSiCl3   (2)    該反應為平衡反應，為提高HSiCl3收率，優(yōu)選在有HCl存在下進行，n(HCl)/n(SiCl4)0.5-1。原料Si采用冶金級產(chǎn)品，通過預活化除去表面的氧化物后，可進一步提高HSiCl

22、3的收率。    反應器采用流化床，為減少其磨損和腐蝕，其內(nèi)部可用Cr質量分數(shù)5%、Fe質量分數(shù)<4%、其他元素質量分數(shù)在0-10%的NiCrMo合金制成，典型的牌號有Inconel® 617，Inconel® 65，Alloy® 59，Alloy® T21等。通過在反應器中設置一系列水平擋板，可促進氣體的再分布，加強氣固接觸，使HSiCl3收率增加5%-8%。此外，該擋板還有助于減緩反應器的磨損和腐蝕，有利于延長反應器的壽命。通常利用外部供熱裝置向反應器內(nèi)部供熱，若采用頻率1 000-1 500MHz的微波加熱，可在不使用催化

23、劑條件下，降低能耗并提高HSiCl3的收率。 在用上述方法生產(chǎn)HSiCl3時遇到的最大問題是催化劑的夾帶流失和催化劑與Si粒子發(fā)生結塊破壞流態(tài)化。第三章 工藝方案和反應器型式的確定3.1 三氯氫硅生產(chǎn)工藝本次設計采用硅氫氯化法，采用該工藝方法的原因， 該方法原料易得，反應條件較為簡單，轉化率比較高，滿足我們設計要求。該反應所用反應器經(jīng)歷了從固定床、攪拌床到流化床的發(fā)展過程，工藝也從間歇發(fā)展到連續(xù)。反應器由碳鋼制成，預先將Si粒子加入反應器，加熱至所需溫度后，從底部連續(xù)通入HCl氣體，產(chǎn)物及未反應原料被連續(xù)輸出，經(jīng)除塵、精制后，用于生產(chǎn)高純多晶硅或高純硅烷。同時這種方法的產(chǎn)物純度比較高流程圖如下

24、： 該工藝流程主要有已下幾個環(huán)節(jié)，首先通入單質硅在280300與HCI反應后得分離回收多余的反應物，然后再高溫下和氫氣反應得到到純度較高的硅單質，加熱至所需溫度后，從底部連續(xù)通入HCl氣體，產(chǎn)物及未反應原料被連續(xù)輸出，經(jīng)除塵、精制后，用于生產(chǎn)高純多晶硅或高純硅烷。這樣得到的多晶硅純度較高，可以滿足工藝要求的單質硅，純度較高，再通入反應器，進行工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)。3.2 反應器類型3.2.1流化床反應器 流化床反應器是一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運動狀態(tài)，并進行氣固相反應過程或液固相反應過程的反應器。在用于氣固系統(tǒng)時，又稱沸騰床反應器。流化床反應器在現(xiàn)代工業(yè)中的早期應用為20

25、世紀20年代出現(xiàn)的粉煤氣化的溫克勒爐（見煤氣化爐）；但現(xiàn)代流化反應技術的開拓，是以40年代石油催化裂化為代表的。目前，流化床反應器已在化工、石油、冶金、核工業(yè)等部門得到廣泛應用。 流化床反應器的結構有兩種形式：有固體物料連續(xù)進料和出料裝置，用于固相加工過程或催化劑迅速失活的流體相加工過程。例如催化裂化過程，催化劑在幾分鐘內(nèi)即顯著失活，須用上述裝置不斷予以分離后進行再生。無固體物料連續(xù)進料和出料裝置，用于固體顆粒性狀在相當長時間（如半年或一年）內(nèi)，不發(fā)生明顯變化的反應過程。 與固定床反應器相比，流化床反應器的優(yōu)點是：可以實現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；流體和顆粒的運動使床層具有良好的傳熱性能，床層

26、內(nèi)部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于強放熱反應；便于進行催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)操作，適于催化劑失活速率高的過程的進行，石油餾分催化流化床裂化的迅速發(fā)展就是這一方面的典型例子。然而，由于流態(tài)化技術的固有特性以及流化過程影響因素的多樣性，對于反應器來說，流化床又存在很明顯的局限性：由于固體顆粒和氣泡在連續(xù)流動過程中的劇烈循環(huán)和攪動，無論氣相或固相都存在著相當廣的停留時間分布，導致不適當?shù)漠a(chǎn)品分布，降低了目的產(chǎn)物的收率；反應物以氣泡形式通過床層，減少了氣-固相之間的接觸機會，降低了反應轉化率；由于固體催化劑在流動過程中的劇烈撞擊和摩擦，使催化劑加速粉化，加上床層頂部氣泡的爆裂和高速運動、大量細粒催

27、化劑的帶出，造成明顯的催化劑流失；床層內(nèi)的復雜流體力學、傳遞現(xiàn)象，使過程處于非定常條件下，難以揭示其統(tǒng)一的規(guī)律，也難以脫離經(jīng)驗放大、經(jīng)驗操作。近年來，細顆粒和高氣速的湍流流化床及高速流化床均已有工業(yè)應用。在氣速高于顆粒夾帶速度的條件下，通過固體的循環(huán)以維持床層，由于強化了氣固兩相間的接觸，特別有利于相際傳質阻力居重要地位的情況。但另一方面由于大量的固體顆粒被氣體夾帶而出，需要進行分離并再循環(huán)返回床層，因此，對氣固分離的要求也就很高了。3.2.2 固定床反應器 又稱填充床反應器，裝填有固體催化劑或固體反應物用以實現(xiàn)多相反應過程的一種反應器。固體物通常呈顆粒狀，粒徑215mm左右，堆積成一定高度（

28、或厚度）的床層。床層靜止不動，流體通過床層進行反應。它與流化床反應器及移動床反應器的區(qū)別在于固體顆粒處于靜止狀態(tài)。固定床反應器主要用于實現(xiàn)氣固相催化反應，如氨合成塔、二氧化硫接觸氧化器、烴類蒸汽轉化爐等。用于氣固相或液固相非催化反應時，床層則填裝固體反應物。涓流床反應器也可歸屬于固定床反應器，氣、液相并流向下通過床層，呈氣液固相接觸。 固定床反應器的優(yōu)點是：返混小，流體同催化劑可進行有效接觸，當反應伴有串聯(lián)副反應時可得較高選擇性。催化劑機械損耗小。結構簡單。固定床反應器的缺點是：傳熱差，反應放熱量很大時，即使是列管式反應器也可能出現(xiàn)飛溫（反應溫度失去控制，急劇上升，超過允許范圍）。操作過程中催

29、化劑不能更換，催化劑需要頻繁再生的反應一般不宜使用，常代之以流化床反應器或移動床反應器。 固定床反應器中的催化劑不限于顆粒狀，網(wǎng)狀催化劑早已應用于工業(yè)上。目前，蜂窩狀、纖維狀催化劑也已被廣泛使用。3.2.2 管式反應器 一種呈管狀、長徑比很大的連續(xù)操作反應器。這種反應器可以很長，如丙烯二聚的反應器管長以公里計。反應器的結構可以是單管，也可以是多管并聯(lián)；可以是空管，如管式裂解爐，也可以是在管內(nèi)填充顆粒狀催化劑的填充管，以進行多相催化反應，如列管式固定床反應器。通常，反應物流處于湍流狀態(tài)時，空管的長徑比大于50；填充段長與粒徑之比大于100(氣體)或200（液體），物料的流動可近似地視為平推流（見

30、流動模型） 管式反應器返混小，因而容積效率（單位容積生產(chǎn)能力）高，對要求轉化率較高或有串聯(lián)副反應的場合尤為適用。此外，管式反應器可實現(xiàn)分段溫度控制。其主要缺點是，反應速率很低時所需管道過長，工業(yè)上不易實現(xiàn)。 管式反應器與釜式反應器還是有差異的，至于是否可以換回還要看你的反應的工藝要求和反應過程如何，一般的說，管式反應器屬于平推流反應器，釜式反應器屬于全混流反應器，你的反應過程對平推流和全混流的反應有無具體的要求？管式反應器的停留時間一般要短一些，而釜式反應器的停留時間一般要長一些，從移走反應熱來說，管式反應器要難一些，而釜式反應器容易一些，可以在釜外設夾套或釜內(nèi)設盤管解決，你的這種情況，能否可

31、以考慮管式加釜的混合反應進行，即釜式反應器底部出口物料通過外循環(huán)進入管式反應器再返回到釜式反應器，可以在管式反應器后設置外循環(huán)冷卻器來控制溫度，反應原料從管式反應器的進口或外循環(huán)泵的進口進入，反應完成后的物料從釜式反應器的上部溢流出來，這樣兩種反應器都用了進去。3.3 反應器選擇 反應器的選擇是一個很重要的環(huán)節(jié)，它決定了生產(chǎn)工藝的條件能否滿足，經(jīng)過計算選擇了流化床反應器的優(yōu)點，流化床的優(yōu)點如下：可以實現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；流體和顆粒的運動使床層具有良好的傳熱性能，床層內(nèi)部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于強放熱反應；便于進行催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)操作，適于催化劑失活速率高的過程的進行，石

32、油餾分催化流化床裂化的迅速發(fā)展就是這一方面的典型例子。在現(xiàn)代化工生產(chǎn)過程中流化床反應器被用的越來越為廣泛。第四章 物料衡算與熱量衡算4.1 總論 本設計52000t/a 項目使用 HCl+Si 在流化床中合成 SiHCl3 。在已確定化學生產(chǎn)工藝和流程后，通過對整個生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)車間，以及部分重要的生產(chǎn)單元進行物料衡算計算出主、副產(chǎn)品的產(chǎn)量，原材料的消耗定額、“三廢”排放量及組成，從而定量地評述初步設計所選擇的工藝路線、生產(chǎn)方法及工藝流程在經(jīng)濟上是否合理，技術上是否先進。同時，在全工藝中伴隨著物料從一個體系或單元進入另一個體系或單元，在發(fā)生質量傳遞的同時也伴隨著能量的消耗、釋放和轉化。其中的能

33、量變換數(shù)量關系可以從能量衡算求得，可以由此確定熱負荷。再根據(jù)傳熱設備的熱負荷大小、所處理物料的性質及工藝要求選擇恰當?shù)脑O備。總之，通過物料與能量衡算，可以為后續(xù)設計工作提供主要依據(jù)。 4.2物料衡算 物料衡算是根據(jù)質量守恒定律，利用某進出化工過程中某些已知物流的流量和組成，通過建立有關物料的平衡式和約束式，求出其他未知物流的流量和組成的過程。系統(tǒng)中物料衡算一般表達式為： 系統(tǒng)中的積累 = 輸入- 輸出 + 生成 - 消耗 式中，生成或消耗項是由于化學反應而生成或消耗的量；積累量可以是正值，也可以是負值，當系統(tǒng)中積累量不為零時稱為非穩(wěn)定狀態(tài)過程；積累量為零時，稱為穩(wěn)定狀態(tài)過程。穩(wěn)定狀態(tài)過程時，可

34、以簡化為：輸入 = 輸出 - 生成 + 消耗對無化學反應的穩(wěn)定過程，又可表示為： 輸入 = 輸出 工程依據(jù)化工設計中關于熱量衡算的基本思想和要求，遵循基本規(guī)范與實際工藝相結合的原則，進行熱量衡算書的編制。其中主要依據(jù)能量平衡方程： Qin 表示輸入設備熱量的總和；Qout 表示輸出設備熱量的總和； Ql 表示損失熱量的總和。 對于連續(xù)系統(tǒng)： Q設備的熱負荷； W 輸入系統(tǒng)的機械能； å Hout 離開設備的各物料焓之和； å Hin 進入設備的各物料焓之和。計算基準溫度及熱力學數(shù)據(jù) 由于在編制熱量衡算書時借助于計算機輔助模擬流程設計文件 Aspen-plus，因而計算基準溫

35、度及熱力學數(shù)據(jù)直接采用軟件內(nèi)嵌的物性數(shù)據(jù)庫。物料衡算包括總質量衡算、組分衡算和元素衡算。各種衡算方法的適用情況，如表 4-1 所示。 表 4-1 物料橫算式適用范圍類別 物料衡算形式 無化學反應 有化學反應 總衡算式 總質量衡算式 適用 適用 總物質的量衡算式 適用 不適用 組分衡算式 組分質量衡算式 適用 不適用 組分物質的量橫算式 適用 不適用 元素原子衡算式 元素原子質量衡算式 適用 適用 元素原子物質的量衡算式 適用 適用 由于系統(tǒng)中存在化學反應，我們主要采用總質量衡算的的衡算方法，同時列出每種物料組分的質量流量便于查找和計算。 4.3 總項目核算 4.3.1 物料衡算 由于混合物中各

36、物質沸點相差很大，采用清晰分割法，為輕關鍵組分，為重關鍵組分，為輕組分，為重組分，該設計中假定和為非分配組分。因此精餾塔塔頂產(chǎn)物中，有99.8%的，0.2%的和，由于含量極低，全流程物料衡算中近似當作零來處理。根據(jù)：收率=轉化率x選擇性，得出轉化率的范圍90%-100%，本次設計取的轉化率為96%。根據(jù)的年產(chǎn)量為52000噸，每年工作時間為8000小時，則質量流率為：精餾塔塔頂摩爾流率為：又精餾塔頂出口三氯氫硅所占質量百分比為99.8%，則四氯化硅與雜質之和所占質量比為0.2%，其質量流率為：精餾塔塔頂摩爾流率大約為：參與反應的Si的摩爾流率：參與反應的Si的質量流率為：由硅的單程轉化率為18

37、%可得，硅的總摩爾流率為：則總的硅質量流率為7545.28kg/h。由原料硅粉規(guī)格可知，硅粉中硅的質量分數(shù)為99.2%，原料硅粉的質量流率為：由反應過程中的氯元素守恒可得，參與反應的HCl中的氯摩爾數(shù)應等于生成物中的氯的摩爾數(shù)，參與反應的HCl摩爾流率為：則HCl的質量流率為：由原料HCl規(guī)格可知，原料HCl中HCl的質量分數(shù)為98.7%，故原料HCl質量流率為： 根據(jù)氫守恒計算反應生成氫氣的摩爾流率為 反應器出口SiCl4的摩爾流率為 穩(wěn)態(tài)時Si粉進料的摩爾流率為 穩(wěn)態(tài)時HCl氣體進料的摩爾流率為 4.3.2 熱量衡算 工藝流程 1.反應器進料口硅粉總熱量 2.反應器進料口氯化氫的總熱量 3

38、.反應器出口總熱量 4. 回流液總熱量 同理可得： 5.反應的焓值反應器中發(fā)生如下幾個反應： 查閱相關資料知上述反應的反應熱為，以參與反應的Si為基準，可算出：6.熱損失 取，則：7.熱負荷 圖 工藝采用硅氫氯化法生產(chǎn)三氯氫硅，其合成工段流程圖詳見附圖1。 4.3.3 物料參數(shù)及物料概況 三氯氫硅工藝相關物料參數(shù)見表4-2。 表4-2 物性參數(shù) 物質 Si H2 Cl2 HCl SiHCl3 SiCl4 相對分子質量 28.086 2.016 70.906 36.461 135.453 169.898 熔點/ 1415 -259.18 -101 -114.18 -128.2 -68.85 沸點

39、/ 2355 -252.87 -34.6 -85 31.8 57.65 密度/g·cm3 2.329 0.088g/L 3.21 1.6 1.331 1.5 臨界溫度/K 269.6 33.19 417.15 324.7 479.1 508.1 物質 Si H2 Cl2 HCl SiHCl3 SiCl4 臨界壓力/MPa 486 130 831 3.59 臨界壓縮因子 0.305 0.249 0.277 沸點/kJ·mol-1 0.9 16.15 27.53 3103級硅粉主要成分：Si含量：>99.2%；Fe含量：0.3%；Al含量0.1%；Ca含量：0.03%；P

40、含量：0.005%表 4-3 原料硅粉規(guī)格組分 質量分數(shù)% Si 99.2 H2O 0.28 雜質 0.54 合計 100 表 4-4 原料氯化氫規(guī)格組分 質量分數(shù)% HCl 98.7 Cl2 1 H2O 0.3 合計 100 第五章 流化床反應器設計5.1 流化床反應器的工藝設計 5.1.1 設計參數(shù) 本設計采用 3103 級金屬硅，硅粉的粒徑 dp：100150m，計算中取 dp=125m。氯化氫氣體黏度 =2.8×10-5m·s-1，氯化氫氣體在反應溫度和壓力下的密度為： 氯化氫氣體在反應溫度和壓力下的導熱系數(shù) =0.029w/(m.k)。其他設計參數(shù)詳見表 5-1：

41、 表 5-1 流化床設計工藝參數(shù) 硅粉 粒徑 dp/m 密度 p/(kg/m3) 比熱 CP/(kJ/kg·k) 質量流量/(kg/h) 1.25×10-4 2329 0.852 335.23氯化氫 粘度 /(Pa·s) 密度 /(kg/m3) 比熱 C/(kJ/kg·k) 質量流量/(kg/h) 2.8×10-5 1.15 0.815 1313.908 5.1.2 流化床反應器工藝設計計算 5.1.2.1 臨界流化速度 umf 1 當流體自下而上通過固體顆粒床層，達到一定速度時，固體顆粒產(chǎn)生相對運動，即為流態(tài)化。顆粒開始流動的最小速度稱為臨界

42、流化速度，記為 umf 。 對于小顆粒 Rep<20 時：對于大顆粒 Rep>1000 時：式中 dp顆粒平均直徑，m p顆粒密度，kg/m3 流體密度，kg/（m·s） 流體粘度，Pa·s 假設本設計顆粒的雷諾數(shù) Rep<20，計算得：驗算： 所以該假設計算的臨界流化速度符合要求。5.1.2.2 最大流化速度 ut 2 最大流化速度 ut 亦稱顆粒帶出速度。顆粒的帶出速度也等于粒子的自由沉 降速度，通過顆粒沉降速度的計算可以得到最大流化速度：， 2 Rep 500，500 Rep 2×105式中dp顆粒平均直徑，m p顆粒密度，kg/m3 流體

43、密度，kg/（m·s） 流體粘度，Pa·s 為了保證反應的進行和減少顆粒的帶出量，以最小顆粒的粒徑來算帶出速度，即最大流化速度。假設最大流化速度時的雷諾數(shù)為 2 Rep 500，計算得：驗算： ，2Rep 500所以該假設計算的最大流化速度符合要求。 5.1.2.3 流化床操作速度 u 顆粒的臨界流化速度和最大流化速度，決定了流化床操作速度的范圍，流化床反應器通常在比臨界流化速度高的流速下操作。當流化床反應器在稍高于臨界流化速度下操作時，可以減少顆粒間的磨損，降低能耗。但在低氣速操作時，造成床層傳熱和傳質性能較差。只有當反應速度較低、熱效應不大、對傳熱要求不高的反應過程才能

44、用較低的操作速度。相反，提高流化床操作速度可以增強顆粒循環(huán)流動，促進床層的傳熱和傳質性能，改善流化質量。 操作速度 ut 和臨界流化速度 umf 之比稱為流化數(shù) K，即取 K=28【3】，則流化床操作速度為: 5.1.2.4 起始鼓泡速度 umb 當流體氣速超過臨界流化速度 umf 后，床層開始流態(tài)化。當氣速進一步增加，床層內(nèi)可出現(xiàn)氣泡，此時床層高度會下降，出現(xiàn)氣泡的最小速度稱為起始鼓泡速度 umb。對于氣體大顆粒系統(tǒng)，umb 與 umf 一致，對于細粒子系統(tǒng)，umb 與 umf 有顯著的差別，umb 的關聯(lián)式有： 所以代入數(shù)據(jù)有：則起始鼓泡速度 umb 為：5.1.2.5 床層直徑 D 氯化

45、氫氣體體積流量：因本次設計流化床的數(shù)目為4套, 故流量為： 流化層面積： 流化段直徑：，圓整為D=1.7m將圓整后的D=1.6m到原公式得實際操作速度5.1.2.6 擴大段直徑 為了滿足分離的要求和減少分離器的負荷，因此應滿足混合氣出口所夾帶的顆粒直徑盡量小。由于固體顆粒在流化過程中有粒子間的相互碰撞和粒子與器壁和內(nèi)部構件的碰撞而破粹，故粒子間的最小顆粒直徑有所減少。 因此取要求反應器帶出的塵粒粒徑不大于80m。此粒子的帶出速度為：先假設顆粒沉降屬于滯留區(qū)，即雷諾數(shù) Re<2，其沉降速度用斯托克公式計算，即： 驗算: 即結果在假設的范圍內(nèi)，無需再修正。因為有擴大段氣體的體積流量與濃相段的

46、體積流量相差不大，故設計時按體積流量不變。所以擴大段直徑為：若根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗取擴大段的氣速為操作氣速的一半4，則有： 所以有對應的擴大段直徑為：由上所得，為保證生產(chǎn)滿足生產(chǎn)要求擴大段直徑，圓整為：D1=3.2m。5.1.2.7 床層膨脹比 R由于 u>umb 的氣固流化床,由于氣流并非均勻地流過床層,一部分氣體形成氣泡經(jīng)床層短路益出,粒子被分成許多群體作湍流運動,床層結構不均勻,一般均屬于集式流化床設計所選用的硅粉粒徑為 A 區(qū)粒子。 由 Stewart 判據(jù)得： 即流化床內(nèi)流化為鼓泡流化。所以在流化過程中氣泡上升到的最大穩(wěn)定氣泡直徑為 dbmax： 即床層不會出現(xiàn)節(jié)涌。此時床層膨脹比 R

47、: 5.1.2.8 空隙率 f 由床層膨脹比 ， 得, 本設計中取 mf =0.5,則5.1.2.9 流化床高度 臨界流化床層高度 Hmf 由化學動力學和操作特點得物料的氣固接觸時間為 =8s，則： 流化床層高度 Hf 分離高度 TDH 由 D=1.8m，u=0.2163m/s，查得TDH/D= 0.7。則 THD=1.4m 擴大段高度 H0 由生產(chǎn)經(jīng)驗取 H0 = D1 = 3.2m 。 錐底高度 h1 錐底：一般錐角為 90°或 60°，本設計中流化床錐角為 90°，該封頭為公稱直徑 1800mm 的折邊錐形封頭，按照標準，其高度為:H=1037mm。 橢圓形

48、封頭高度 h2 由以上計算，選用公稱直徑 D1=3.2m 的橢圓形封頭，按照規(guī)定其厚度為20mm，則其高度為 ：過渡段的高度 流化床反應段與擴大段之間為過渡段，為焊接強度的要求，取過渡段錐角度為 a=158º。根據(jù)濃相段與擴大段直徑有：所以 H5=1.8m流化床反應器總高度 H圓整為 H=11.3m5.1.2.10 流化床床層壓降P由流化床的基本現(xiàn)象可知，當流體速度達到臨界流化速度時，床層開始膨脹，床層壓降將保持恒定，即: 5.1.2.11 流化床反應器中的傳熱 流化床系統(tǒng)的傳熱過程可分為三部分：固體顆粒間的傳熱、氣體與固體顆粒間的給熱、床層和器壁或換熱器壁間的給熱。其中固體顆粒間的

49、傳熱在傳熱過程中不起控制作用，設計中將不予考慮。 流體與顆粒間的傳熱 顆粒在流體中運動的雷諾數(shù)為： 固體在流體中的普朗克常數(shù)為： 顆粒在流體中的努塞爾數(shù)為：所以有流體與顆粒見的傳熱系數(shù)為：流體與器壁的傳熱流態(tài)化效率: 又因為有床層膨脹比為 R=1.2527，所以有顆粒在流體中的努塞爾數(shù)為：所以流體與顆粒間的傳熱系數(shù)為：流化床層與浸沒管的傳熱 本設計采用垂直管束換熱器，換熱管平均徑向位置 rR=0.6，查得CR=1.65，由此可得： 流體與浸沒管之間的努塞爾數(shù)為： 流體與浸沒管之間的傳熱系數(shù)為：5.1.3 流化床反應器工藝設計數(shù)據(jù)匯總由以上流化床反應器工藝設計計算數(shù)據(jù)匯總得表5-2。 表 5-2

50、 流化床反應器工藝設計數(shù)據(jù)臨界流化速度 umf 7.7233×10-3m·s-1 臨界流化床高 Hmf 3.4600m 最大流化速度 ut 0.8254 m·s-1 流化床層高度 Hf 2.81m 流化床操作速度 u 0.3174m·s-1 分離高度 TDH 1.4m 流化數(shù) K 28 擴大段高度 H0 3.2m 起始鼓泡速度 umb 9.0407×10-3m·s-1 錐底高度 h 1037mm 氣體體積流量 V 0.3174m3·s-1 橢圓封頭高度和 h 1.02m 流化層面積 A 2.1245m2 總高度 H 11.3

51、m 流化段直徑 D 1.8m 流化床層壓降 3.9507×104Pa 擴大段直徑 D1 3.2m 流體與顆粒間的傳熱 p 7.6094W/(m2·K) 床層膨脹比 R 1.1716 流化床與器壁的傳熱 343.244W/(m2·K) 空隙率 f 0.5732流化床層與浸沒管的傳熱 2009.6W/(m2·K) 5.2 流化床內(nèi)部構件的設計 5.2.1 換熱器 流化床反應器的傳熱主要是床層與壁面及床層與設置在床層中的換熱器壁面間的傳熱，設計流化床反應器的主要任務之一就是確定換熱所需的傳熱面積。因此分別采用半圓管夾套換熱器和列管換熱器。 已知該工藝的換熱介質采用的是導熱油。 5.2.1.1 列管換熱器的設計 本設計中采用的是列管式石墨換熱器，其導熱系數(shù)為w=129W/(K·m)，石墨管的規(guī)格為25×3.0mm。導熱油的物性及操作參數(shù)見表5-3。表 5-3 操作參數(shù)及導熱油的物理性質進口溫度 T1/ 出口溫度 T2/ 床層溫度 T/ 定性溫度 t/ 密度 /kg/m3 200 250 300 225 892 比熱 Cp/(kJ/(k