反應(yīng)工程課程設(shè)計(jì)

1、0課程設(shè)計(jì)(論文)題 目 名 稱 年產(chǎn)4500噸聚氯乙烯的反應(yīng)器設(shè)計(jì) 課 程 名 稱 化學(xué)反應(yīng)工程課程設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 李林 學(xué) 號(hào) 1340902005 系 、專 業(yè) 生化系2013級(jí)化學(xué)工程與工藝 指 導(dǎo) 教 師 戴云信 2016 年 6月 20 日 目 錄化學(xué)反應(yīng)工程課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2概 述41.工藝設(shè)計(jì)計(jì)算51.1設(shè)計(jì)依據(jù)51.2設(shè)計(jì)方案51.3工藝計(jì)算51.4設(shè)計(jì)方案的選擇91.5工藝流程圖92.熱量衡算102.1熱量衡算總式102.2每摩爾各種物值在不同條件下的值102.3各種氣相物質(zhì)的參數(shù)如下表112.4每摩爾物質(zhì)在80下的焓值112.5總能量衡算122.6 換熱設(shè)計(jì)132.7

2、 水蒸氣的用量133.設(shè)備設(shè)計(jì)與選型133.1 反應(yīng)釜體及夾套的設(shè)計(jì)計(jì)算133.2 攪拌器設(shè)計(jì)173.3 夾套式反應(yīng)釜附屬裝置的確定18參考文獻(xiàn)21總 結(jié)22致謝232012級(jí)化學(xué)工程與工藝專業(yè)化學(xué)反應(yīng)工程課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)項(xiàng)目年產(chǎn)4500噸聚氯乙烯的反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 二、設(shè)計(jì)條件1、 生產(chǎn)規(guī)模4500 噸/年2、 生產(chǎn)時(shí)間：連續(xù)生產(chǎn)8000小時(shí)/年，間隙生產(chǎn)6000小時(shí)/年3、 物料損耗：按5%計(jì)算4、 乙炔的轉(zhuǎn)化率：98%，其中副反應(yīng)占1%。三、反應(yīng)條件反應(yīng)在等溫下進(jìn)行，反應(yīng)溫度為180，以活性炭為載體的氯化高汞為催化劑，進(jìn)行氣固相催化反應(yīng)，催化劑的生產(chǎn)能力為70kg氯乙烯/M3.h, 催

3、化劑使用壽命為一年。四、設(shè)計(jì)要求1、 反應(yīng)器選型及方案設(shè)計(jì)對(duì)所有的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，最后確定本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案。 2、反應(yīng)部分的流程設(shè)計(jì)（畫出反應(yīng)部分的流程圖） 3、反應(yīng)器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算生產(chǎn)線數(shù)，反應(yīng)器個(gè)數(shù)， 反應(yīng)器體積。反應(yīng)器的物料和熱量衡算 4、攪拌器的設(shè)計(jì)對(duì)攪拌器進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)計(jì)算。 5、畫出反應(yīng)器的裝配圖圖面應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表,設(shè)備管口方位圖。 6、設(shè)計(jì)計(jì)算說明書內(nèi)容 設(shè)計(jì)任務(wù)書； 目錄； 設(shè)計(jì)方案比較； 工藝流程圖設(shè)計(jì)； 反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 攪拌器的設(shè)計(jì)； 設(shè)備裝配圖；設(shè)計(jì)總結(jié)； 參考資料。7、繪制主要設(shè)備的裝配圖。 用A3圖紙繪制主要設(shè)備裝配圖（圖面應(yīng)包括設(shè)備主

4、要視圖、局部視圖等，并配備明細(xì)表、管口表、技術(shù)特性表、技術(shù)要求,設(shè)備管口方位圖等），要求采用CAD制圖。 指導(dǎo)老師：戴云信2015年6月16日 概 述此次課程設(shè)計(jì)，是結(jié)合化學(xué)反應(yīng)工程這門課程的內(nèi)容及特點(diǎn)所進(jìn)行的一次模擬設(shè)計(jì)。它結(jié)合實(shí)際進(jìn)行計(jì)算，對(duì)我們理解理論知識(shí)有很大的幫助。同時(shí)，通過做課程設(shè)計(jì)，我們不僅熟練了所給課題的設(shè)計(jì)計(jì)算，而且通過分析課題、查閱資料、方案比較等一系列相關(guān)運(yùn)作，讓我們對(duì)工藝設(shè)計(jì)有了初步的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)過程中解決所遇難題，對(duì)我們養(yǎng)成獨(dú)立思考、態(tài)度嚴(yán)整的工作作風(fēng)有極大的幫助，并為我們以后從事這個(gè)行業(yè)做好鋪墊。本次課程設(shè)計(jì)為年產(chǎn)4500噸聚氯乙烯的反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，是結(jié)合化學(xué)反應(yīng)

5、工程這門課程的內(nèi)容及特點(diǎn)所進(jìn)行的一次模擬設(shè)計(jì)。它結(jié)合實(shí)際進(jìn)行計(jì)算，對(duì)我們理解理論知識(shí)有很大的幫助。同時(shí)，通過做課程設(shè)計(jì)，我們不僅熟練了所給課題的設(shè)計(jì)計(jì)算，而且通過分析課題、查閱資料、方案比較等一系列相關(guān)運(yùn)作，讓我們對(duì)工藝設(shè)計(jì)有了初步的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)過程中解決所遇難題，對(duì)我們養(yǎng)成獨(dú)立思考、態(tài)度嚴(yán)整的工作作風(fēng)有極大的幫助，并為我們以后從事這個(gè)行業(yè)做好鋪墊。通過此次課程設(shè)計(jì)，相信同學(xué)們?cè)趥€(gè)方面都會(huì)有很大的提高。 本設(shè)計(jì)包括：方案討論、設(shè)備設(shè)計(jì)，工藝流程等內(nèi)容，涵蓋了化學(xué)反應(yīng)工程的基本知識(shí)，對(duì)我們進(jìn)一步掌握課本知識(shí)很有益處。同時(shí)，對(duì)機(jī)械基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和CAD制圖的掌握都有明顯的幫助，因此，反應(yīng)工程課程設(shè)計(jì)

6、是提高學(xué)生實(shí)際工作能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)聚氯乙烯的生產(chǎn)工藝是有機(jī)工業(yè)中較成熟的一個(gè)工藝。盡管現(xiàn)在研制出不同的催化劑合成新工藝，但設(shè)計(jì)以硫酸作為催化劑的傳統(tǒng)工藝是很有必要的。酯化反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本要求是滿足傳質(zhì)和傳熱要求。因此需要設(shè)計(jì)攪拌器。另外，反應(yīng)器要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，抗腐蝕能力；結(jié)構(gòu)要合理，便于制造、安裝和檢修；經(jīng)濟(jì)上要合理，設(shè)備全壽命期的總投資要少。氯乙烯的主要生產(chǎn)方法乙烯直接氯化法(1)乙烯低溫氯化：先向乙烯通氯，在三氯化鐵存在下制取二氯乙烷，在堿的醇溶液中，二氯乙烷再脫氯化氫制取氯乙烯。此法是最古老的方法，其缺點(diǎn)是：間歇生產(chǎn)，同時(shí)要消耗大量的堿和乙醇，副產(chǎn)氯化氫以氯化鈉的形式消耗。(2)乙

7、烯高溫氯化法：此法為法國開發(fā)的Cldoe法，于1970工業(yè)化。此法以乙烯、氯氣為原料經(jīng)高溫氯化生產(chǎn)氯乙烯，同時(shí)富產(chǎn)多種氯代烴溶劑。整個(gè)過程沒有二氯乙烷裂解程序。據(jù)稱，總收率按碳。計(jì)為945，輔助費(fèi)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廣泛采用生產(chǎn)氯乙烯的方法，是美國DoW化學(xué)公司于1958年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。該法以三氯化鐵為催化劑，將乙烯直接液相氯化合成二氯乙烷，二氧乙烷經(jīng)精制后再裂解制得氯乙烯，副產(chǎn)氯化氫再與乙烯和空氣，通過載于氧化鋁上的氧化銅催化劑進(jìn)行氧氯化反應(yīng)得l，2一二氯乙烷，此時(shí)，乙烯的化率達(dá)997，二氯乙烷的選擇性為998；二氯乙烷經(jīng)精制后在500、2.0-2.

8、525MPa壓力下，于管式爐內(nèi)裂解生成氯乙烯和氯化氫；二氯乙烷的轉(zhuǎn)化率達(dá)57，氯乙烯的選擇性為99；再經(jīng)精制得產(chǎn)品氯乙烯。2.1.3乙烷直接氧氯化制氯乙烯隨著石油資源的日益減少和石油價(jià)格的上升，由石油加工而來的乙烯原料價(jià)格將會(huì)不斷攀升，傳統(tǒng)的乙烯氧氯化生產(chǎn)氯乙烯的成本也將不斷升高。從氯乙烯合成工藝上來說，傳統(tǒng)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，工藝路線較長，設(shè)備投資較多，因此，世界各大化學(xué)公司如BF洲ch公司、盂山都公司及比利時(shí)的EvC公司等，都一直在研究開發(fā)乙烷一步法制氯乙烯的技術(shù)，以此來降低生產(chǎn)成本，但此技術(shù)的關(guān)鍵是必須開發(fā)出高穩(wěn)定性及高活性的催化劑。2.1.

9、4乙炔法制氯乙烯乙炔法是目前我國生產(chǎn)氯乙烯的主要方法，在我國聚氯乙烯的生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位。乙炔法氯乙烯工藝流程較短,技術(shù)較成熟。本設(shè)計(jì)中采用的是乙炔法。主反應(yīng)：C2H2 + HCL CH2CHCl +124.8KJ/mol副反應(yīng)：C2H2 + 2 HCL CH2ClCH2Cl +120.0 KJ/mol1.工藝設(shè)計(jì)計(jì)算1.1設(shè)計(jì)依據(jù)聚氯乙烯生產(chǎn)設(shè)計(jì)任務(wù)書1.2 設(shè)計(jì)方案對(duì)于聚氯乙烯的生產(chǎn)既可以采用流化床生產(chǎn)，也可以采用固定床生產(chǎn)。由于聚氯乙烯的生產(chǎn)溫度不是很高，而催化劑壽命要求較長，綜合考慮選擇選擇固定床反應(yīng)器進(jìn)行生產(chǎn)。1.3 工藝計(jì)算1.3.1 固定床進(jìn)料(1) 流量的計(jì)算表1.1 物料物性

10、參數(shù)1名稱密度（100oC）熔點(diǎn)/oC沸點(diǎn)/oC黏度/mPa.s百分含量乙炔0.6208-80.8-840.4598%氯化氫1639-114.2-84.80.5298%氯乙烯0.894-159.7-13.90.2598%化學(xué)反應(yīng)方程式：氯乙烯的相對(duì)分子質(zhì)量為62.5，所以要求的生產(chǎn)流量為F氯乙烯=乙炔的流量乙炔采用工業(yè)二級(jí)品（含量98%），乙炔與氯乙烯的物質(zhì)的量比為1:1，乙酸的轉(zhuǎn)化率為98%,物料損失以5%計(jì)， 則乙炔的進(jìn)料量 F乙炔= 氯化氫的流量氯化氫與乙炔的摩爾配比為1.1：1，則氯化氫的進(jìn)料量為F氯化氫=1.19.817 = 10.7987 kmol/h總物料量流量：F= F氯化氫+

11、F乙炔 = 10.7987+9.817 = 20.6157 kmol/h則有原料氣氯化氫含量： 原料氣中乙炔含量 ：產(chǎn)物中各組分的含量： 總物料的質(zhì)量流量如下計(jì)算， W總=FAMA+F乙M乙 =則有其體積流量為： 表1.3物料進(jìn)料量表 .名稱乙炔氯化氫流量kmol/h9.81710.7987(2) 反應(yīng)體積及反應(yīng)時(shí)間計(jì)算乙炔與氯化氫反應(yīng)制氯乙烯的動(dòng)力學(xué)方程為程： 又因?yàn)榇呋瘎┑纳a(chǎn)能力為70kg氯乙烯/m3h，有，可有催化劑的用量為：解得：則催化劑用量為3.646m31.4 反應(yīng)器基本尺寸及列管的根數(shù)1.4.1列管根數(shù)得確定根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)管長一般選擇3m長的管束，管徑查資料選得的管束，則有每根管

12、子的體積為：一般的，管束中催化劑得裝填量為管子體積的97%，則有管數(shù)為：圓整后得，管束為1.4.2筒體直徑的計(jì)算 1、管束采取脹接則管中心距t=1.4do=，最外列管中心距筒壁，取2、管子的排布采取正三角形排布，則中心線上布管數(shù)： 圓整后得3、筒體直徑的計(jì)算： 圓整后取 反應(yīng)器得規(guī)格為的反應(yīng)器內(nèi)由620根的列管。1.5壓力降的校核由化學(xué)反應(yīng)工程12可查得如下計(jì)算公式 式中：床層壓力降，Pa；H催化床層高度，m；G質(zhì)量流量，kg/m2s；氣體密度，kg/m3；g重力加速度，m/s2；固定床空隙率；催化劑顆粒當(dāng)量直徑，m；氣體粘度，Pas和kg/ms。（1）平均密度 （2）質(zhì)量流量G：（3）當(dāng)量直

13、徑dp本次設(shè)計(jì)所選用的催化劑為圓柱狀，3 mm6 mm，則其當(dāng)量直徑為：（4）平均黏度m及壓降P由附錄一黏度系數(shù)表，運(yùn)用內(nèi)插法可得：表5-2 各組分的粘度系數(shù) (/Pas)溫度組分C2H2HC1H2ON2CH2CHC1C2H4C12CH3CHO353.15K383.15K120.55129.75172.51187.14355258.9198.52210.15122.70132.80110.45120.01102.78111.21則可計(jì)算出混合氣體的平均黏度：空隙率取0.5，則可得 1.6熱量衡算及傳熱面積的校核 1、熱量衡算反應(yīng)溫度180 ，進(jìn)料溫度80 ，轉(zhuǎn)化后溫度110 ；用熱水做冷卻介質(zhì)

14、，進(jìn)口水溫97 ，出口水溫102 ，不計(jì)熱損失，導(dǎo)出液對(duì)管壁的傳熱系數(shù)為：650 W/m2K。 設(shè)原料氣帶入的熱量為，反應(yīng)熱，反應(yīng)器出料帶出的熱量，反應(yīng)器撤走的熱量9。當(dāng)忽略熱損失時(shí)，有 表4-6 各組分的比熱容溫度組分C2H2HC1H2OCH2CHC1353.15 K383.15 K47.95549.28729.13529.15075.51076.19460.20963.4001.6.1熱量衡算 （1）原料氣帶入的熱量 原料氣的入口溫度為353.15 K，以273.15 K為基準(zhǔn)溫度，則 (4-5) 計(jì)算結(jié)果列于表4-7中原料氣中各組分的比熱容的計(jì)算組分C2H2HC147.95529.135

15、0.47630.512422.84114.9288 由上述公式可得 （2）反應(yīng)熱在操作條件下，主副反應(yīng)的熱效應(yīng)分別為 主反應(yīng) 副反應(yīng) 則主反應(yīng)的放熱量為： 則副反應(yīng)的放熱量為： 則可計(jì)算得到反應(yīng)總熱量： （3）轉(zhuǎn)化后的氣體帶出的熱量表4-8 轉(zhuǎn)化后各組分的比熱容組分C2H2HC1H2OC2H3C149.329.276.263.40.2040.2550.00050.51910.17.420.03832.92 轉(zhuǎn)化后氣體帶出的溫度為383.15 K，以273.15 K為基準(zhǔn)溫度，則由上述公式可得 （4) 反應(yīng)器的撤熱量 可得反應(yīng)器的撤熱量：（5）換熱介質(zhì)用量的確定及換熱面積的校核換熱介質(zhì)與物料采用

16、逆流換熱操作增強(qiáng)換熱效率，用熱水做冷卻介質(zhì)，進(jìn)口水溫90 ，出口水溫105，不計(jì)熱損失，導(dǎo)出液對(duì)管壁的傳熱系數(shù)為：650 W/m2K。 換熱介質(zhì)的用量可用以下公式計(jì)算：上式中： m:冷卻介質(zhì)的用量，kg/h cp：換熱介質(zhì)的比熱容 ：換熱器兩端溫差的對(duì)數(shù)平均值則有將數(shù)據(jù)帶入上述方程：解得：又由傳熱總速率方程式：則有 即有由管束規(guī)格及列管根數(shù)計(jì)算出實(shí)際換熱面積A實(shí)1.5 工藝流程圖 根據(jù)設(shè)計(jì)方案由CAD作出其反應(yīng)流程圖如下圖1.1 反應(yīng)過程的工藝流程圖2.設(shè)備設(shè)計(jì)與選型2.1 筒體厚度 根據(jù)筒體得標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選取的標(biāo)準(zhǔn)筒體2.2 橢圓形封頭橢圓形封頭與圓筒厚度相等，即10mm ，JB/T4737-2

17、0072.3 壓力容器法蘭(甲型)根據(jù)操作壓力選取甲型法蘭2.4 膨脹節(jié)由于,所以不需要設(shè)置膨脹節(jié)。2.5 支座選取2.5設(shè)備材料 根據(jù)設(shè)備的工作條件，可選擇Q235A作為釜體及夾套材料，由附表62查得所選材料許用應(yīng)力為：100 = 113 MPa（2）設(shè)備的壁厚計(jì)算 釜體筒體壁厚計(jì)算 內(nèi)壓設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)工作條件，可選取P=0.2MPa為設(shè)計(jì)內(nèi)壓。 根據(jù)式（10-12）2筒體的設(shè)計(jì)厚度： 4.2mm 式中：d 圓筒設(shè)計(jì)厚度，mm ；Di 圓筒內(nèi)徑 ，mm ；P 內(nèi)壓設(shè)計(jì)壓力，MPa ； 焊接接頭系數(shù)，考慮到夾套的焊接取0.8（表10-92）；C2 腐蝕裕量，取 2 mm ；t材料許用應(yīng)力：100

18、 = 113 MPa ?？紤]到鋼板負(fù)偏差，初選C1 = 0.6 mm （表10-101）。 所以，內(nèi)壓計(jì)算筒體壁厚：4.2 + 0.6 = 4.8mm外壓設(shè)計(jì)計(jì)算按承受0.25MPa 的外壓設(shè)計(jì)設(shè)筒體的設(shè)計(jì)壁厚 = 7 mm ，并決定L/Do ；Do/ 之值：Do筒體外徑，Do = Di + 2d =2000 +27 =2014 mm；L 筒體計(jì)算長度，L = H2 +h = 3000+400 =3200 mm （h為封頭的曲面高度），則：L/Do = 1.59，Do/ = 287.7，由圖10-152查得A = 0.00045，由圖10-172查得 B = 80 MPa ，則許用外壓為：P

19、= = = 0.28 MPa0.25 MPa ?？梢姡?= 7 mm 滿足0.25 MPa 外壓穩(wěn)定要求，考慮壁厚附加量C = C1 + C2 = 0.6 + 2 = 2.6 mm 后，筒體壁厚 n = + C = 7 +2.6 = 9.6 mm ，圓整到標(biāo)準(zhǔn)鋼板規(guī)格，n 取 10 mm 。綜合外壓與內(nèi)壓的設(shè)計(jì)計(jì)算，釜體的筒體壁厚為10mm，經(jīng)計(jì)算校核，滿足設(shè)備安全要求。釜體封頭壁厚計(jì)算按內(nèi)壓計(jì)算：S封 = P = 0.2MPa, Di = 2000mm, = 0.8, t = 113Mpa, C = 0.6+2 = 2.6mm,代入得 S封= 8.4mm.因?yàn)楦w的筒體S筒釜= 10mm，考

20、慮到封頭與筒體的焊接方便，取封頭與筒體厚S封頭= 10mm經(jīng)采用圖解法外壓校核，由于PPT ，外壓穩(wěn)定安全，故用S封筒= 10 mm。 2.6接管及其法蘭選擇(1)冷卻水進(jìn)口管：1084，L=200mm，10號(hào)鋼 法蘭：PN0.6 DN100 HG 20592-97(2)冷卻水出口管：573.5，L=150 mm，無縫鋼管 法蘭：PN0.6 DN50 HG 20592-97 (3) 乙炔進(jìn)料管 管徑根據(jù)管子規(guī)格圓整選用的無縫鋼管，L=150mm法蘭：PN0.25 DN40 HG 20592-97(4) 氯化氫醇進(jìn)料管 管徑 根據(jù)管子規(guī)格圓整選用的無縫鋼管，L=200mm法蘭：PN0.25 DN

21、65 HG 20592-97(5) 出料管 出料總質(zhì)量流量 因密度，則體積流量為 由表1-14得，因進(jìn)料黏度低，選取管道中流速則管徑根據(jù)規(guī)格選取65010的無縫鋼管。 法蘭：PN0.6 DN80 HG 20592-97(6) 溫度計(jì)接管：452.5，L=100mm，無縫鋼管 法蘭：PN0.25 DN40 HG 20592-97(7) 不凝氣體排出管：323.5，L=100 mm，無縫鋼管 法蘭：PN0.6 DN25 HG 20592-97(8) 壓料管：573.5，L=200 mm，無縫鋼管 法蘭：PN0.25 DN50 HG 20592-97(9) 壓料管套管：1084，L=200 mm，10號(hào)鋼 法蘭：PN0.25 DN100 HG 20592-97參考文獻(xiàn)：1陳甘棠主編化學(xué)反應(yīng)工程第三版化學(xué)工業(yè)出版社，20142董大勤主編化工機(jī)械基礎(chǔ)第四版. 化學(xué)工業(yè)出版社，20133李平主編.化工工藝制圖.化學(xué)工業(yè)出版社，20124實(shí)用化學(xué)手冊(cè)科學(xué)出版社總 結(jié)這次課程設(shè)計(jì)，經(jīng)過三周時(shí)間，已經(jīng)基本完成。在這次課程設(shè)計(jì)中遇到的難題，自己也通過各種學(xué)習(xí)途徑有了解決?？吹竭@份設(shè)計(jì)書能在預(yù)期內(nèi)順利完成，真的感到十分欣慰。同時(shí)，也享有付出就有收獲的喜悅。我相信，只有努力過，才會(huì)擁有成功的機(jī)會(huì)。乙酸乙酯的反應(yīng)是一個(gè)成熟的有機(jī)工藝過程。在方案選擇過程中，它