喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請(qǐng)放心下載，，有疑問(wèn)咨詢(xún)QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請(qǐng)放心下載，，有疑問(wèn)咨詢(xún)QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 年產(chǎn)7萬(wàn)噸丙烯酸項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)——合成工段工藝設(shè)計(jì) 論文題目：年產(chǎn)7萬(wàn)噸丙烯腈項(xiàng)目初步設(shè)計(jì) ——合成工段工藝設(shè)計(jì) 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 專(zhuān) 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 完成時(shí)間： 年產(chǎn)7萬(wàn)噸丙烯酸項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)——合成工段工藝設(shè)計(jì) 摘 要 本設(shè)計(jì)為年產(chǎn)7萬(wàn)噸丙烯腈項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)合成工段的工藝設(shè)計(jì)。本文在查閱大量的文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，決定了由Sohio工藝生產(chǎn)丙烯腈的工藝方法以及各設(shè)備的操作條件，確定了以丙烯直接氨氧化生成丙烯腈的工藝合成方法。應(yīng)用化工流程模擬軟件Aspen Plus，對(duì)丙烯腈反應(yīng)工段的工藝流程進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到了反應(yīng)中的物料和熱量等數(shù)據(jù)。在這基礎(chǔ)上對(duì)泵、換熱器等設(shè)備進(jìn)行了工藝選型以及對(duì)反應(yīng)所用到的流化床反應(yīng)器進(jìn)行計(jì)算與選型，繪制了反應(yīng)器設(shè)備設(shè)計(jì)圖，平面布置圖，物料流程圖，帶控制點(diǎn)的工藝流程圖，完成了對(duì)整個(gè)丙烯腈合成工段的初步工藝設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞： 丙烯腈； 氨氧化法； 合成； 工藝設(shè)計(jì) V Abstract This design is the process design of the synthetic section of the preliminary design of 70 thousand tons of acrylonitrile project. Based on lots of literatures, this design decided to use the Sohio process to produce acrylonitrile and the oprating conditions of the equipments were acquired. The process to produce acrylonitrile is to use propylene direct ammoxidation. By using the chemical process simulation software Aspen Plus, the process flow of acrylonitrile reaction section was simulated, and the material and heat data in the reaction were obtained. On the basis of the simulation result, this design had chosen the pump, heat exchanger and other equipments such as the fluidized bed reactor used in the reaction. Besides,the design of the reactor equipment,the layout, the material flow diagram and the process flow chart with control points were completed, the preliminary design of the whole process of acrylonitrile synthesis section was done. Key words: acrylonitrile; ammonia oxidation process; synthesis; process desig 目錄 前 言 1 第1章 文獻(xiàn)綜述 2 1.1丙烯腈簡(jiǎn)介 2 1.1.1 丙烯腈的物理性質(zhì) 2 1.1.2 產(chǎn)品的化學(xué)性質(zhì) 3 1.1.3 市場(chǎng)預(yù)測(cè) 3 1.2 生產(chǎn)方案 5 1.2.1 生產(chǎn)方案和生產(chǎn)規(guī)模 5 1.2.2 產(chǎn)品質(zhì)量 5 1.3 工藝技術(shù)方案的選擇 6 1.3.1 工藝路線(xiàn) 7 1.3.2 丙烯氨氧化成丙烯腈的合成工藝 7 1.3.3 本設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容 10 第2章 流程模擬物料及熱量衡算 11 2.1 生產(chǎn)流程模擬 11 2.2 物料及熱量衡算 11 2.2.1 流化床反應(yīng)器R0101模擬及結(jié)果 11 2.2.2 氨吸收塔T0101模擬及結(jié)果 16 3.1 流化床反應(yīng)器（R0101）設(shè)計(jì) 19 3.1.1 反應(yīng)器概述 19 3.1.2 反應(yīng)器選型 19 3.1.3 催化劑型號(hào)選取 20 3.1.4 反應(yīng)器反應(yīng)條件 20 3.1.5 流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算 21 3.2 換熱器E0101選型 27 3.2.1 換熱器的類(lèi)型 27 3.2.2 換熱器的選擇 27 3.3 泵選型 29 3.3.1 本設(shè)計(jì)所需泵 29 3.3.2 用智能選泵系統(tǒng)對(duì)泵選型 29 3.4 相關(guān)塔設(shè)備初步設(shè)計(jì) 32 3.4.1 塔設(shè)備初步計(jì)算與選型 32 第4章 設(shè)備布置 38 結(jié) 論 39 謝 辭 40 參考文獻(xiàn) 41 附錄 42 前 言 丙烯腈是三大合成材料—合成纖維、合成橡膠、合成塑料的基礎(chǔ)原料， 使得丙烯腈的地位逐年提高，所以丙烯腈生產(chǎn)及其深加工日益受到人們的重視。丙烯腈的生產(chǎn)方式有很多種，其中利用丙烯氨氧化生產(chǎn)丙烯腈是丙烯腈生產(chǎn)的主要方式之一。這種方法設(shè)備簡(jiǎn)單，原料易得。反應(yīng)所用到的丙烯是重要的石油化工基礎(chǔ)原料，因此研究丙烯腈生產(chǎn)過(guò)程，提高丙烯腈產(chǎn)品質(zhì)量，降低丙烯腈原料消耗就顯得十分重要了。 丙烯氨氧化生產(chǎn)丙烯腈的工藝方法有很多種，其中Sohio工藝應(yīng)用最廣泛也最受大家所青睞，這種方法使丙烯腈產(chǎn)量大幅提高，生產(chǎn)所需成本下降，也促進(jìn)了以丙烯腈為原料的腈綸行業(yè)的發(fā)展。 本文主要是對(duì)丙烯氨氧化生產(chǎn)丙烯腈過(guò)程的合成工段進(jìn)行設(shè)計(jì)。 第1章 文獻(xiàn)綜述 1.1丙烯腈簡(jiǎn)介 丙烯腈，英文名Acrylonitrile簡(jiǎn)稱(chēng)為AN，是三大合成材料—合成纖維、合成橡膠、合成塑料的基礎(chǔ)原料[1]。具有良好的耐寒性 、耐油性、耐磨性和電絕緣性能；還可以通過(guò)電解加氫偶聯(lián)制的辦法獲得己二腈，由己二腈加氫的工藝又可制成作為尼龍66 的材料己二胺[2-6]。這些功能使得丙烯腈在市場(chǎng)上的地位越來(lái)越高，丙烯腈的需求量也越來(lái)越多，因此丙烯腈的需求量也越來(lái)越多。 我國(guó)丙烯腈的總需求量以每年大約10 .8%的速率遞增，但是我國(guó)現(xiàn)有的丙烯腈生產(chǎn)能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)的需求，仍需要大量進(jìn)口才能解決問(wèn)題。因此，加大對(duì)丙烯腈生產(chǎn)工藝技術(shù)和催化劑體系的研究和開(kāi)發(fā)力度，不斷提升我國(guó)丙烯腈生產(chǎn)的技術(shù)水平，是解決我國(guó)丙烯腈供需平衡的關(guān)鍵之處。 1960年美國(guó) Sohio 公司(現(xiàn)歸屬 BP 公司)創(chuàng)始并發(fā)展了丙烯氨氧化法(又稱(chēng)為Sohio 法)，這種方法簡(jiǎn)單高效，故很快在全世界得到推廣。以丙烯和氨為材料，通過(guò)氨氧化反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)丙烯腈。丙烯氨氧化反應(yīng)式為 CH 3CH= CH 2 +NH3 + 3/2O2 →CH2CHCN +3H2O 式（1.1） 1.1.1 丙烯腈的物理性質(zhì) 丙烯腈合成項(xiàng)目主要原料來(lái)自于石油煉化所產(chǎn)生的廉價(jià)C3H8氣體反應(yīng)所產(chǎn)生的C3H6和NH3，產(chǎn)物是丙烯腈和水蒸氣。 表1.1 丙烯腈的物理性質(zhì)[7] 氣味 熔點(diǎn)（K） 沸點(diǎn)（K） 臨界溫度（℃） 閃點(diǎn)（℃） CAS號(hào) 燃點(diǎn)（℃） 生成熱（25℃） 辛辣氣味 -83.5 77.3 91.61 0 115-07-1 48.1 151 丙烯腈是一種無(wú)色有刺激性氣味且易燃的液體。丙烯腈可溶于苯、丁酮、四氯化碳、乙醚等有機(jī)溶劑且與水互溶。遇到明火、高溫?zé)崛菀滓鹑紵⒎懦鲇卸練怏w。因此在生產(chǎn)、貯存和運(yùn)輸過(guò)程中,必須要有嚴(yán)格的安全防護(hù)措施。 1.1.2 產(chǎn)品的化學(xué)性質(zhì) 丙烯腈的化學(xué)性質(zhì)：易燃且丙烯腈的與空氣的混合蒸氣可形成爆炸性混合氣體。遇明火或者在高溫?zé)岬臈l件下易引起燃燒，并放出有毒氣體。與氧化劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、溴等反應(yīng)強(qiáng)烈。在高溫下環(huán)境下，能發(fā)生聚合反應(yīng)放出大量的熱，使容器發(fā)生破碎。 1.1.3 市場(chǎng)預(yù)測(cè) 2015年，全球丙烯腈產(chǎn)能為646.4萬(wàn)噸每年，消費(fèi)量為506.7萬(wàn)噸，生產(chǎn)和消費(fèi)主要集中在亞洲、北美及歐美，其中亞洲的產(chǎn)能和消費(fèi)量分別可以占全球的53.4％和62.6％[8]。2012年我國(guó)丙烯腈產(chǎn)能為127.7萬(wàn)噸每年，表觀消費(fèi)量可達(dá)到175.5萬(wàn)噸[9-11]，這些主要是用于生產(chǎn)腈綸、ABS樹(shù)脂等。雖然這些年我國(guó)丙烯腈市場(chǎng)新建和擴(kuò)建項(xiàng)目較多，產(chǎn)能增進(jìn)將維持較高水平，但是這還是無(wú)法彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)丙烯腈的需求這一巨大的缺口。預(yù)計(jì)到2017年，我國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的丙烯腈還是無(wú)法滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)所需。 表1.2 國(guó)內(nèi)丙烯腈行業(yè)發(fā)展與預(yù)測(cè) 年份 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017（預(yù)測(cè)） 開(kāi)工率 1265 1286 1286 1419 1600 2033 ~2400 產(chǎn)量 1010 1069 1149 1250 1350 1600 ~1800 出口量 446 542 555 540 500 350 300 需求增長(zhǎng) 1.04 10.65 5.77 5.05 3-5 3-5 3-5 華東地區(qū)是國(guó)內(nèi)丙烯腈需求量最大的地區(qū)，約占國(guó)內(nèi)丙烯腈總需求量的64％，全國(guó)的缺口量也基本集中在華東地區(qū)，2016年江浙兩省進(jìn)口量約占全國(guó)總進(jìn)口量的89％，而且未來(lái)需求增長(zhǎng)速度較快，缺口持續(xù)在380kt/a左右。 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)丙烯腈的工廠(chǎng)主要分布在東北和華東這兩個(gè)地區(qū)，分別占全國(guó)總產(chǎn)能的49.6％和47.9％.西北地區(qū)的蘭化裝置只占總產(chǎn)能的2.5％，除了上海賽科是合資外，其余8家均歸屬于中石化和中石油旗下。 表1.3 丙烯腈產(chǎn)量統(tǒng)計(jì) 生產(chǎn)廠(chǎng)家名稱(chēng) 生產(chǎn)能力/ (kt·a-1) 占世界總產(chǎn) 能的比例/% 英力士（Ineos） 旭化成化學(xué)公司 美國(guó)Ascend性能材料公司 美國(guó)首諾科特玻璃功能膜公司 吉林石化公司 中國(guó)臺(tái)灣塑料工業(yè)股份有限公司 上海賽科有限公司 荷蘭帝斯曼（DSM）公司 韓國(guó)泰光（Tae Kwang）產(chǎn)業(yè)公司 1355 1120 522 490 420 320 260 245 290 20.12 16.64 7.75 10.80 7.28 4.75 3.86 3.64 4.31 截止2016年年底，中國(guó)有10家丙烯腈生產(chǎn)公司，共計(jì)13套丙烯腈生產(chǎn)裝置。但國(guó)內(nèi)丙烯腈還是處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。 生世界丙烯腈的消費(fèi)總量80％用于睛綸和ABS樹(shù)脂的合成，其中腈綸約占50％，而ABS占30％，其他的用途約占20％，而在亞洲和歐洲市場(chǎng)，合成腈綸所消耗的的丙烯睛量已超過(guò)總消費(fèi)量的50%。如2016年全球的丙烯腈市場(chǎng)消費(fèi)比例支撐臺(tái)面的分別是ABS 樹(shù)脂、腈綸和丙烯酰胺，其分別消耗丙烯腈約165.1萬(wàn)噸、200.3萬(wàn)噸和41 .2萬(wàn)噸，所占之比例分別為約32.2% 、39.0%和8.0%。這些很醒目的數(shù)據(jù)告訴我們目前中國(guó)市場(chǎng)對(duì)于丙烯腈的短缺。但是近年來(lái)用于ABS樹(shù)脂項(xiàng)目上的丙烯腈消費(fèi)比例不斷上升，而腈綸對(duì)丙烯腈的需求卻呈現(xiàn)出負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年中，腈綸的消費(fèi)趨勢(shì)仍將持續(xù)。2015年和2017年世界丙烯腈消費(fèi)結(jié)構(gòu)情況及預(yù)測(cè)見(jiàn)圖1.1和圖1.2。 圖1.1 2015年世界丙烯腈消費(fèi)結(jié)構(gòu)情況 圖1.2 2017年世界丙烯腈消消費(fèi)構(gòu)情況 1.2 生產(chǎn)方案 1.2.1 生產(chǎn)方案和生產(chǎn)規(guī)模 近年來(lái)由于丙烯資源的不充裕，以致BP 、旭化成 、三菱、BOC 、日東 、BASF等公司必須致力于對(duì)丙烷氨氧化催化劑及其相關(guān)工藝的開(kāi)發(fā)來(lái)適應(yīng)市場(chǎng)的需求。以丙烯和混合空氣為材料，通過(guò)氨氧化催化反應(yīng)來(lái)直接生產(chǎn)丙烯腈是目前乃至今后丙烯腈的最優(yōu)生產(chǎn)方法。其中以用Sohio法生產(chǎn)的方式最多，現(xiàn)今全球95％以上的丙烯腈生產(chǎn)公司都采用 Sohio 法來(lái)生產(chǎn)丙烯腈。 這種方法可以使丙烯腈的產(chǎn)量大幅提高而且生產(chǎn)價(jià)格下降，較方便的生產(chǎn)丙烯腈也促進(jìn)了以丙烯腈為原料的腈綸行業(yè)的發(fā)展。 本文將采用Sohio 工藝直接用丙烯氨氧化為丙烯腈的工藝方法。丙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于93％，丙烯、肥料級(jí)氨及空氣按物質(zhì)的量比為1:1.08:10.95，按照這個(gè)比例將原料送入流化床催化反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)。 1.2.2 產(chǎn)品質(zhì)量 根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)7萬(wàn)噸丙烯腈項(xiàng)目。計(jì)劃生產(chǎn)天數(shù)為300天，共計(jì)7200小時(shí)。其他兩個(gè)月用于裝置維修和工廠(chǎng)人員休息。 1.3 工藝技術(shù)方案的選擇 傳統(tǒng)生產(chǎn)丙烯腈的方法[12-14]： 1. 乙醛法 用氫氰酸、乙醛反應(yīng)生成丙烯腈 CH2CHO+HCN→CH2CH2CNOH 式（1.2） CH2CH2CNOH→CH2=CHCN+H2O 式（1.3） 2. 乙炔法 用氫氰酸、乙炔反應(yīng)生成丙烯腈 C2H2+HCN→CH2=CHCN 式（1.4） 幾種傳統(tǒng)方法都需要?dú)淝杷徇@一劇毒且難以運(yùn)輸和儲(chǔ)存的藥品為原料，且反應(yīng)的副產(chǎn)物多，導(dǎo)致AN精制困難，所以逐漸被現(xiàn)代生產(chǎn)所淘汰。 現(xiàn)代生產(chǎn)丙烯腈的方法： 直接用丙烯氨氧化為丙烯腈的工藝方法，該工藝進(jìn)料為丙烯和氨，產(chǎn)品單一(主要是丙烯腈)，副產(chǎn)品有丙烯酸、丙烯醛、乙腈等。操作條件較為簡(jiǎn)單，丙烯和氨及空氣中的氧氣在反應(yīng)器中的催化劑作用下生產(chǎn)丙烯腈和相關(guān)副產(chǎn)品。 生成乙腈的反應(yīng)式 3/2CH2=CHCH3+NH3+O2 →CH3CN+2H2O 式（1.5） 生成丙烯酸的反應(yīng)式 CH2=CHCH3+3/2O2→CH2=CHCOOH+H2O 式（1.6） 生成丙烯醛的反應(yīng)式 CH2=CHCH3+O2→CH2=CHCHO+H2O 式（1.7） 以單烴為材料來(lái)制備丙烯腈的生產(chǎn)工藝主要有丙烷直接氨氧化工藝、丙烯直接氨氧化工藝和丙烷脫氫后再進(jìn)行丙烯氨氧化工藝等工藝方法。雖然丙烷比丙烯要便宜很多而且丙烷的資源較為豐富，但是由于丙烷很難活化，這導(dǎo)致其需要比較苛刻的操作條件和活性、選擇性及穩(wěn)定性均很高的催化劑來(lái)催化。這給生產(chǎn)帶來(lái)了諸多麻煩。而且丙烯腈的穩(wěn)定性較丙烷要差, 在工藝條件下容易生成不需要的碳氧化物和氮氧化物等副產(chǎn)物。這就給丙烷直接制備丙烯腈帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。所以本次設(shè)計(jì)決定直接用丙烯氨氧化法制備丙烯腈的工藝方法。 1.3.1 工藝路線(xiàn) 用Sohio法制備丙烯腈與其他丙烯氨化制備丙烯腈工藝相比，具有易反應(yīng)，收率高，反應(yīng)雜質(zhì)少，能用稍微簡(jiǎn)單的方法來(lái)精制等優(yōu)點(diǎn)，因此受到全世界丙烯腈生產(chǎn)公司的格外重視與青睞。世界上95％的丙烯腈生產(chǎn)公司均采用Sohio技術(shù)來(lái)生產(chǎn)丙烯腈，在美國(guó)日本更是夸張的全部采用此種方法來(lái)生產(chǎn)丙烯腈。 使用MS（微球型)催化劑，在流化床反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)。原料丙烯的轉(zhuǎn)化率可以高達(dá)95-98％,反應(yīng)條件根據(jù)反應(yīng)器構(gòu)造、使用的催化劑類(lèi)型和AN產(chǎn)量等條件加以選擇調(diào)整，一般的反應(yīng)條件下原料氣的組成(摩爾比)比例為 C3H6:NH3:空氣=1:1.0-1.2:10-12反應(yīng)溫度范圍是400-500 ℃。 1.3.2 丙烯氨氧化成丙烯腈的合成工藝[15-16] 丙烯和氨在內(nèi)徑為7mm長(zhǎng)30m的提升管反應(yīng)器中在以鉬鉍-三氧化二鋁為催化劑的條件下氨氧化為丙烯腈，鉬鉍-三氧化二鋁催化劑用于熱態(tài)實(shí)驗(yàn)。為了獲得具有代表性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該催化劑是從商業(yè)TFB反應(yīng)堆中獲得的。催化劑使用數(shù)月后，催化劑的活性將達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 圖1.3為反應(yīng)所用到的循環(huán)流化床反應(yīng)器[17]，它包括一個(gè)提升管反應(yīng)器、分離器、電加熱流化床浴和內(nèi)徑為7mm、長(zhǎng)為3m的螺旋輪再生器。長(zhǎng)管可以同時(shí)示保證高流速（大于3m/s）和足夠的氣體停留時(shí)間。螺旋式安裝在一個(gè)流化床加熱管，以保持提升管反應(yīng)器的等溫條件。螺旋管的抗水平傾角約為5°，該流化床加熱浴的溫度波動(dòng)控制在1K。側(cè)進(jìn)料口設(shè)立在10m處，從喂入口檢查空氣分級(jí)進(jìn)給情況。 反應(yīng)物空氣管置于流化床浴預(yù)熱反應(yīng)物空氣中，然后空氣順著注射器進(jìn)入蓄熱室底部流化催化劑顆粒中。在噴射器中，反應(yīng)物空氣和催化劑顆粒與丙烯和氨混合到立管上。噴射器底部的二次空氣流量控制著催化劑的載量。在立管中催化劑顆粒的催化作用下發(fā)生丙烯氨氧化反應(yīng)，然后分離氣體在分離器和存儲(chǔ)在一個(gè)催化劑收集器里。催化劑顆粒返回批量再生器的再生空氣。從分離器的氣體產(chǎn)物去發(fā)泄或吸收系統(tǒng)分析燃燒室。 圖1.3 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模高密度循環(huán)流化床反應(yīng)器示意圖 從乙烯廠(chǎng)或者煉油廠(chǎng)通過(guò)管道將液態(tài)的丙烯從丙烯儲(chǔ)存罐中運(yùn)輸出來(lái)。丙烯儲(chǔ)存罐設(shè)有噴淋水系統(tǒng)，可以維持儲(chǔ)罐里的溫度在一定范圍內(nèi)。并且需保證夏季丙烯儲(chǔ)存罐的壓力不超過(guò)1.1MPa。 液態(tài)氨從合成氨裝置中通過(guò)管道運(yùn)輸裝置運(yùn)輸?shù)揭喊眱?chǔ)罐中，為了防止超壓狀況的發(fā)生，液氨儲(chǔ)存罐也設(shè)有噴淋水裝置，以保證液氨儲(chǔ)存罐壓力大于0.9MPa，從而保證能給反應(yīng)系統(tǒng)正常供給液氨。 液態(tài)丙烯在壓力差的作用下進(jìn)入到丙烯蒸發(fā)器，在丙烯蒸發(fā)器中通過(guò)與系統(tǒng)的貧水換熱使丙烯汽化。然后通過(guò)加熱、壓力調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)等措施后與氨按一定比例送入反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)。液態(tài)氨在壓力差的作用下進(jìn)入到氨蒸發(fā)器，在氨蒸發(fā)器中通過(guò)與系統(tǒng)的貧水換熱使液氨氣化。然后通過(guò)補(bǔ)沫、加熱、壓力調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)等措施后再按一定比例送入反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)。 丙烯腈裝置產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)的空壓機(jī)將空氣壓縮后，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)后與丙烯按一定比例送入反應(yīng)器反應(yīng)。 將丙烯和氨混合后，通入到丙烯氨分布器中，丙烯腈反應(yīng)器為流化床反應(yīng)器。丙烯氨分布器有1355個(gè)分布孔，將丙烯氨均勻的分布在反應(yīng)器內(nèi)，空氣通過(guò)空氣分布板進(jìn)入反應(yīng)器中，空氣分布板有1355個(gè)空氣分布孔，這是與丙烯氨分布器一一對(duì)應(yīng)的，使得丙烯氨混合氣體與空氣充分接觸到。反應(yīng)器內(nèi)有64個(gè)撤熱水管線(xiàn)，均勻分布在反應(yīng)器內(nèi)，撤熱水管線(xiàn)的作用一是及時(shí)撤走反應(yīng)放熱，使反應(yīng)能順利進(jìn)行，二是使反應(yīng)器的催化劑均勻分布從而使流化狀態(tài)更好，三是產(chǎn)生4.0MPa蒸汽驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)。 圖1.4 丙烯腈工藝流程圖 反應(yīng)器中還設(shè)有30個(gè)旋風(fēng)分離器用來(lái)分離催化劑，旋風(fēng)分離器分為10組使反應(yīng)氣體與催化劑分離。2、3級(jí)旋風(fēng)分離器設(shè)有料腿反吹風(fēng)，防止料腿堵塞。反應(yīng)氣體的線(xiàn)速度，料腿反吹風(fēng)的大小都能影響到旋風(fēng)分離器的分離效果。反應(yīng)過(guò)程中尤其要控制反應(yīng)的線(xiàn)速度。當(dāng)線(xiàn)速度超過(guò)0.76m/s時(shí)催化劑極易跑損，反應(yīng)氣體經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器分離后進(jìn)入反應(yīng)器上面的集氣室內(nèi)。然后反應(yīng)氣體與一臺(tái)帶有膨脹節(jié)的換熱器與鍋爐給水換熱后進(jìn)入急冷塔。 圖1.5 系統(tǒng)水平衡圖 回收塔蒸出的組分進(jìn)到一個(gè)分層器中。在分層器中由于溶解度的關(guān)系，大部分丙烯腈中的水分層而出，分出的水返回回收塔。而丙烯腈則進(jìn)入脫氫氰酸塔。 1.3.3 本設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容 本設(shè)計(jì)為年產(chǎn)7萬(wàn)噸丙烯制備丙烯腈項(xiàng)目，本文在查閱有關(guān)文獻(xiàn)后決定了由Sohio工藝生產(chǎn)丙烯腈的工藝方法以及明確了各設(shè)備的操作條件，確定了以丙烯直接氨氧化生成丙烯腈的工藝合成方法。應(yīng)用化工流程模擬軟件Aspen Plus，對(duì)丙烯腈反應(yīng)工段的工藝流程進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到了反應(yīng)中的物料和熱量等數(shù)據(jù)。在這基礎(chǔ)上對(duì)泵、換熱器等設(shè)備進(jìn)行了初步工藝選型以及對(duì)反應(yīng)所用到的流化床反應(yīng)器進(jìn)行計(jì)算與選型，繪制了反應(yīng)器設(shè)備設(shè)計(jì)圖，平面布置圖，物料流程圖，帶控制點(diǎn)的工藝流程圖。 第2章 流程模擬物料及熱量衡算 2.1 生產(chǎn)流程模擬 丙烯氨氧化法生產(chǎn)丙烯腈的物料方框流程圖如圖2.1所示。 圖2.1 丙烯腈生產(chǎn)的物料方框流程圖 丙烯氨氧化生產(chǎn)丙烯腈的大致流程為：丙烯和氨分別從儲(chǔ)罐中經(jīng)過(guò)換熱蒸發(fā)為氣體，與此同時(shí)一旁的空氣經(jīng)過(guò)空氣壓縮機(jī)壓縮，三股氣體在混合器中匯合?；旌虾笠黄鹚腿敕磻?yīng)器的底部。為節(jié)約能源在反應(yīng)器后面接有一個(gè)換熱器進(jìn)行換熱，換熱后的混合物料會(huì)進(jìn)入氨吸收塔的底部，與此同時(shí)由氨吸收塔的塔頂通入硫酸溶液用于吸收混合物料中未反應(yīng)完全的氨。丙烯腈的粗產(chǎn)品會(huì)從塔底流出，送于后續(xù)的丙烯腈精致工段。 2.2 物料及熱量衡算 2.2.1 流化床反應(yīng)器R0101模擬及結(jié)果 1. 丙烯氨氧化反應(yīng)機(jī)理與動(dòng)力學(xué) 在流化床反應(yīng)器R0101中發(fā)生的主反應(yīng)為： CH3CH=CH2+NH3+O2→CH2=CHCN+H2O 式（2.1） 同時(shí)還發(fā)生以下的主要副反應(yīng)： CH3CH=CH2+3NH3+3O2→3HCN+6H2O 式（2.2） CH3CH=CH2+NH3+O2→CH2=CN+3H2O 式（2.3） CH3CH=CH2 +O2→3CO2+3H2O 式（2.4） CH3CH=CH2+3O2→3CO+3H2O 式（2.5） 動(dòng)力學(xué)研究表明，在體系中氨和氧濃度不低于丙烯氨氧化反應(yīng)的理論值時(shí)，丙烯氨氧化反應(yīng)對(duì)丙烯為一級(jí)反應(yīng)，對(duì)氨和氧為零級(jí)反應(yīng)，即： 丙烯 式（2.6） 其中 （Mo-Bi-O催化劑） 式（2.7） 2. 丙烯氨氧化反應(yīng)的影響因素 （1）丙烯與氨接觸時(shí)間 增加接觸時(shí)間，產(chǎn)率開(kāi)始時(shí)顯著增加達(dá)到最大值后再逐漸減小，但CO x和HCN的產(chǎn)率不斷增加，表明AN在長(zhǎng)時(shí)間接觸下進(jìn)一步氧化為HCN和CO x。ACN為中間產(chǎn)物，它嚴(yán)重影響氣體返混降低選擇性和收率。所以通過(guò)適當(dāng)增加接觸時(shí)間的方法可以提高丙烯的轉(zhuǎn)化率，而副產(chǎn)物乙腈、氫氰酸的生成量在反應(yīng)達(dá)到一定溫度后便不再增加。因此，可相應(yīng)提高丙烯腈的單程收率。但是過(guò)分延長(zhǎng)接觸時(shí)間，一方面會(huì)使丙烯腈深度氧化造成生成二氧化碳的量增加，降低其收率；同時(shí)，由于氧的過(guò)分消耗，容易使催化劑由氧化態(tài)變?yōu)檫€原態(tài)，長(zhǎng)期缺氧會(huì)降低催化劑活性和使用壽命，這給催化劑的要求帶來(lái)不小的難度；另外，接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，降低了設(shè)備的生產(chǎn)能力。適宜的停留時(shí)間與催化劑的活性、選擇性及反應(yīng)器的類(lèi)型和反應(yīng)溫度均有關(guān)。如圖2.2所示。 圖2.2隨著接觸時(shí)間的產(chǎn)品產(chǎn)量的變化：P = 0.10mpa，T = 718k （2）反應(yīng)溫度 圖2.3為溫度對(duì)產(chǎn)量的影響圖。在708–718k范圍可以達(dá)到最高產(chǎn)量。在較低的溫度下，由于反應(yīng)速率慢使得轉(zhuǎn)化率低，因此產(chǎn)量低；在較高的溫度下，氧化導(dǎo)致產(chǎn)量下降。另一方面，隨著反應(yīng)溫度的升高，CO X產(chǎn)量穩(wěn)步增加。HCN產(chǎn)率隨溫度變化不明顯。 圖2.3 隨著反應(yīng)溫度的產(chǎn)品產(chǎn)量的變化 （3）反應(yīng)壓力 丙烯氨氧化反應(yīng)的主、副反應(yīng)平衡常數(shù)很大，因此熱力學(xué)上為不可逆，壓力的變化只對(duì)反映動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生影響。加壓能提高丙烯濃度，增大反應(yīng)速率，提高設(shè)備的生產(chǎn)能力，但研究表明，增大反應(yīng)壓力，會(huì)是選擇性下降，導(dǎo)致丙烯腈收率下降，因此丙烯氨氧化反應(yīng)不宜在加壓下進(jìn)行，反應(yīng)壓力可接近常壓。 3. 丙烯腈生產(chǎn)模擬流程 反應(yīng)器R0101的模擬流程圖見(jiàn)下圖2.4所示。 圖 2.4 合成反應(yīng)段流程模擬 丙烯氨氧化反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，故反應(yīng)所需的溫度較高，催化劑適宜活性溫度范圍比較狹窄，因此工業(yè)上一般采用流化床反應(yīng)器來(lái)進(jìn)行反應(yīng)，以便于及時(shí)排出熱量來(lái)解決這一問(wèn)題。盡管近年來(lái)新型流化床反應(yīng)器的研究一直在進(jìn)行，以達(dá)到減少返混、提高單程收率和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的目標(biāo)，但目前工業(yè)上使用Sohio流化床技術(shù)仍然是最主流的。流化床反應(yīng)器的目的是將經(jīng)過(guò)換熱蒸發(fā)的原料丙烯、氨和空氣在流化床反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生氨氧化反應(yīng)生成丙烯腈及其一些副反應(yīng)。為降低能耗，特將原料空氣與反應(yīng)器出口氣體在E0101進(jìn)行換熱操作，既對(duì)原料空氣進(jìn)行升溫以便于減少反應(yīng)器中的加熱反應(yīng)能耗，又降低了反應(yīng)器出口氣體溫度，以便于后續(xù)的吸收操作。 反應(yīng)器的有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2.1。 表1.1 反應(yīng)器的有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù) 項(xiàng)目 內(nèi)容 生產(chǎn)能力 100kt/a 反應(yīng)器類(lèi)型 流化床反應(yīng)器 原料 丙烯、液氨；丙烯:液氨:空氣=1:1.08:10.95 工藝條件 反應(yīng)器溫度470℃，反應(yīng)壓力2bar 轉(zhuǎn)化率 丙烯94.2% 4. 物料及能量衡算 流化床反應(yīng)器R0101模擬的物料衡算的結(jié)果表2.2所示。 表2.2 反應(yīng)器R0101物料衡算數(shù)據(jù) 流入物料0101（丙烯） 流入物料0102（氨） 流入物料0103（空氣） 溫度 ℃ 25 25.1 183.8 壓力 bar 6 5 3.5 氣相分率 1.00 1.00 1.00 質(zhì)量流量 kg/hr 14060 6116.05 105576 流入的總質(zhì)量流量為14060+6116.05+105576=125752.05kg/hr 流出的總質(zhì)量流量為 125752kg/hr 流入的總流量與流出的總流量是相等的。 流化床反應(yīng)器R0101模擬的能量衡算的結(jié)果表2.3所示： 表2.3 反應(yīng)器R0101能量衡算數(shù)據(jù) 流入物料0101（丙烯） 流入物料0102（氨） 流入物料0103（空氣） 焓 Gcal/hr 0.379 -5.684 4.07 流入物料的總能量為 0.379-5.684+4.07=-1.235Gcal/hr 然后包括反應(yīng)器的能量 -1.235-27.1529=-28.3879Gcal/hr 流出物料的總能量為 -28.389Gcal/hr 流入物料總能量與流出物料總能量相等。 2.2.2 氨吸收塔T0101模擬及結(jié)果 從反應(yīng)器出來(lái)的合成氣體經(jīng)過(guò)E0101換熱降溫之后，由于丙烯氨氧化反應(yīng)并不能反應(yīng)完全，即從反應(yīng)器出來(lái)的合成氣體中必定含有未反應(yīng)完的氨氣，氨氣遇水會(huì)形成氨水使體系呈現(xiàn)堿性環(huán)境，這對(duì)后續(xù)的精制工段會(huì)帶來(lái)十分巨大的影響。而且本著節(jié)約、綠色化學(xué)的生產(chǎn)理念，應(yīng)該將氨氣盡量回收來(lái)用作其他用途，以達(dá)到原料的最大利用率。所以在換熱器后面設(shè)計(jì)一座氨吸收塔，用30%wt的硫酸水溶液作為吸收劑來(lái)吸收多余的氨，在吸收塔塔底會(huì)生成硫酸銨溶液，其可以作為農(nóng)業(yè)肥料，達(dá)到資源回收再利用的目的。未吸收完的氨氣會(huì)從塔頂流出。 其Aspen模擬流程圖見(jiàn)圖2.5所示。 圖2.5 氨吸收塔流程模擬圖 圖中0112號(hào)線(xiàn)即為硫酸溶液，從塔頂加入到吸收塔，而合成氣體則從塔底進(jìn)入。以此來(lái)形成逆流吸收操作，以最大的吸收推動(dòng)力完成吸收操作，力求盡可能吸收合成氣體中未反應(yīng)完全的氨氣，并將整個(gè)合成氣體的體系pH調(diào)節(jié)至酸性環(huán)境，以便于后續(xù)的水吸收操作和丙烯腈精制操作。模擬條件為：保溫常壓下操作，理論塔板數(shù)為6塊。硫酸溶液和合成氣體分別于第1塊板上方和第6塊板下方進(jìn)料。 吸收塔的物料衡算結(jié)果如表2.4所示。 表2.4氨吸收塔T0101物料衡算數(shù)據(jù) 流入物料0109（混合物料） 流入物料0112（硫酸） 流出物料0110（粗丙烯腈） 流出物料0111（廢氣） 溫度 ℃ 25.00 25.00 31.9 24.5 壓力 bar 1.00 1.00 0.90 0.90 氣相分率 0.737 0.00 1.00 0.00 質(zhì)量流量 kg/hr 125752 9263.17 94653.8 40361.4 總質(zhì)量流量 kg/hr 135015.17 135015.2 流入的總流量與流出的總流量是相等的。 氨吸收塔的能量守恒結(jié)果如表2.5所示。 表2.5 氨中和塔T0101熱量衡算數(shù)據(jù) 流入物料0109（混合物料） 流入物料0112（硫酸） 流出物料0110（粗丙烯腈） 流出物料0111（廢氣） 焓 Gcal/hr -57.392 -21.863 -2.363 -76.891 流入物料的總能量為 -57.392-21.863=-79.255 Gcal/hr 流出物料的總能量為 -2.363-76.891=-79.254 Gcal/hr 流入物料總能量與流出物料總能量相等。 總的Aspen模擬數(shù)據(jù)如表2.6所示，包括進(jìn)入物流號(hào)0101、0102、0103、0112等，以及排出物料號(hào)0110和0111。 表2.6 Aspen的總流程模擬數(shù)據(jù) 第3章 設(shè)備設(shè)計(jì)及其選型 3.1 流化床反應(yīng)器（R0101）設(shè)計(jì) 3.1.1 反應(yīng)器概述 反應(yīng)器是化工生產(chǎn)過(guò)程中特別是反應(yīng)工段中必不可少的核心設(shè)備之一?；ぜ夹g(shù)過(guò)程開(kāi)發(fā)與研究的成功與否在很大程度上取決于反應(yīng)器內(nèi)流體的溫度、濃度、停留時(shí)間及溫度分布、停留時(shí)間分布的控制水平和控制能力。因此對(duì)于反應(yīng)器的設(shè)計(jì)在化工設(shè)計(jì)中往往占有重要的地位。 本項(xiàng)目為丙烯直接氨氧化法制丙烯腈項(xiàng)目，是以丙烯、氨氣和混合空氣為原料，在高溫低壓條件下，使一分子丙烯、一分子氨氣和一點(diǎn)五分子氧氣發(fā)生反應(yīng)，結(jié)果生成丙烯腈和水，用C-49型催化劑來(lái)大大提高了丙烯的利用率。 3.1.2 反應(yīng)器選型 化工生產(chǎn)中所用到的反應(yīng)器基本上可以分為釜式反應(yīng)器、管式反應(yīng)器、固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器四種。 流化床反應(yīng)器由于可采用細(xì)粉顆粒，并在懸浮狀態(tài)下與流體接觸，流固相界面積大這使得流化床反應(yīng)器有利于非均相反應(yīng)的進(jìn)行，大大提高了催化劑的利用率。 但是流化床反應(yīng)器在生產(chǎn)時(shí)氣體流動(dòng)狀態(tài)與活塞流偏離較大，氣流與床層顆粒發(fā)生返混，以致在床層軸向沒(méi)有溫度差及濃度差。加之氣體可能成大氣泡狀態(tài)通過(guò)床層，使氣固接觸不良，使反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率降低。 雖然流化床反應(yīng)器存在著上述缺點(diǎn)，但優(yōu)點(diǎn)是主要的。流態(tài)化操作總的經(jīng)濟(jì)效果是有利的，特別是傳熱和傳質(zhì)速率快、床層溫度均勻、操作穩(wěn)定的突出優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于熱效應(yīng)很大的大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程特別有利。綜和上面四種反應(yīng)器的特點(diǎn)，我們選擇流化床反應(yīng)器作為本次設(shè)計(jì)的反應(yīng)器。圖3.1為流化床反應(yīng)器的簡(jiǎn)略圖。 圖3.1 流化床反應(yīng)器簡(jiǎn)略圖 3.1.3 催化劑型號(hào)選取 Mo-Bi系催化劑在當(dāng)今丙烯腈催化劑中占據(jù)主導(dǎo)地位，目前C-41、C-49、NS-733B催化劑在世界各地應(yīng)用十分普遍。 兩種新型催化劑與C-41相比的主要優(yōu)點(diǎn)是丙烯單耗低。由于這兩種催化劑 所用的空氣比例均高于C -41，因此反應(yīng)器生產(chǎn)能力增長(zhǎng)不大。但是由于AN生產(chǎn)成本構(gòu)成中，原料丙烯占很大比例（約60%），因此換用C-49和NS -733 B 仍 有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 NS-733B的特點(diǎn)是副產(chǎn)物ACN和ACL量很小，大大低于C-41。NS-733B催化劑使用時(shí)ACL生成量很低，對(duì)設(shè)備污染將比C-41和C-49有明顯減輕，這是其一大優(yōu)點(diǎn)。因此如果不準(zhǔn)備回收ACN，或者AN裝置較小回收ACN不經(jīng)濟(jì)時(shí)，可采用NS-733B；反之，如果生產(chǎn)規(guī)模在5萬(wàn)噸以上，而又要求回收ACN時(shí)則可考慮選用C-49。 3.1.4 反應(yīng)器反應(yīng)條件 由于本反應(yīng)所需催化劑為C-49所確定的反應(yīng)工藝條件為反應(yīng)溫度在440~480℃，本次設(shè)計(jì)反應(yīng)器反應(yīng)溫度為470℃。反應(yīng)接觸時(shí)間為7s到12s之間，本次設(shè)計(jì)接觸時(shí)間為10s。反應(yīng)進(jìn)料比為摩爾比C3H6：NH3：空氣=1：1.08:10.95。 反應(yīng)壓力對(duì)反應(yīng)的影響：由于本反應(yīng)是體積減小的反應(yīng)，壓力減小有利于負(fù)反應(yīng)的進(jìn)行，但由于催化劑的要求反應(yīng)壓力不能過(guò)低，則本工藝選擇反應(yīng)壓力為2個(gè)大氣壓進(jìn)行反應(yīng)。 3.1.5 流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算 1. 計(jì)算依據(jù)? 在流化床出口處的氣體流量4535.95kmol/h；入口處的氣體流量為4352.67kmol/h。?氣體進(jìn)口壓力為2bar；出口壓力為2bar。反應(yīng)器中的反應(yīng)溫度為470℃，氣體離開(kāi)稀相段的溫度為360℃?。物料的接觸時(shí)間為10s。 2. 流化床的基本參數(shù) 反應(yīng)氣相數(shù)據(jù)：密度 黏度 催化劑C-49相關(guān)數(shù)據(jù)：密度 顆粒平均粒徑 1）起始流化速度計(jì)算 當(dāng)流體流過(guò)顆粒床層的阻力等于床層顆粒重量時(shí)，床層中的顆粒開(kāi)始流動(dòng)起來(lái)，此時(shí)流體的流速稱(chēng)為起始化速度，記作。起始流化速度僅與流體和顆粒的物性有關(guān)。其計(jì)算公式如下式所示： 對(duì)于小的顆粒 式（3.1） 對(duì)于大的顆粒 式（3.2） 式中：為顆粒的平均粒徑； ，分別為顆粒和氣相的密度；為氣相的黏度 假設(shè)顆粒的雷諾數(shù)＜20，即為小的顆粒。將已知數(shù)據(jù)代入公式（3.1）： 校核雷諾數(shù)： ＜20 符合要求。 將帶入費(fèi)魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)公式作為判斷流化形式的依據(jù)：若為散式流化則＜0.3，若為聚式流化則＞0.3。 代入已知數(shù)據(jù)求得 根據(jù)判別式可知流化形式為散式流化。 2）帶出速度計(jì)算 床內(nèi)流體的速度等于顆粒在流體中的自由沉降速度（即顆粒的重力等于流體對(duì)顆粒的曳力）時(shí)，顆粒開(kāi)始從床內(nèi)帶出，此時(shí)流體的速度成為顆粒的帶出速度，其最大氣速不能大于床層最小顆粒的帶出速度，其計(jì)算公式如下式所示： 式（3.3） 當(dāng)＜0.4時(shí)， 式（3.4） 當(dāng)0.4＜＜500時(shí)， 式（3.5） 當(dāng)＞500時(shí)， 式（3.6） 流化床操作時(shí)不希望夾帶，床內(nèi)的最大起訴不能超過(guò)床層平均粒徑顆粒的帶出速度，故同樣使用上面的粒徑0.05mm計(jì)算帶出速度。 因?yàn)榱黧w的雷諾數(shù)為3.9×10-4<0.4，所以選擇式3.4進(jìn)行計(jì)算。將已知數(shù)據(jù)代入可以求得 核算雷諾數(shù)： ＜0.4 3）流化床操作氣速 如上所述，已知顆粒的臨界流化速度和催化劑的最小顆粒的帶出速度，對(duì)于采用高流化速度，其流化數(shù)（流化數(shù)=氣體表觀速度/臨界流化速度）可以選擇300~1500，本裝置設(shè)計(jì)使用流化數(shù)為1200，帶入計(jì)算 故本裝置的操作氣速為。本方案取操作氣速0.7m/s。 為防止副反應(yīng)的進(jìn)行，本流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)密相段和稀相段兩段，現(xiàn)在分別對(duì)其直徑進(jìn)行核算。 2. 流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 1）密相段直徑的確定 當(dāng)生產(chǎn)能力(單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)氣體積流量V)給定后，根據(jù)過(guò)程特點(diǎn)選定的流化數(shù) (或)，則床層的殼體直徑可以由下式給出 即 式（4.7） 計(jì)算所得的，再根據(jù)設(shè)備的公稱(chēng)直徑標(biāo)準(zhǔn)加以圓整。 本流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)處理能力為116944.0006體積流量的丙烯、氨和空氣的混合氣體。根據(jù)式（4.7）計(jì)算有 DT=8.04m 圓整后，流化床反應(yīng)器密相段的公稱(chēng)直徑DN=8m。 2）稀相段直徑的確定 在該反應(yīng)器中，擴(kuò)大反應(yīng)器的體積，可以減緩催化劑結(jié)焦，以及抑制副反應(yīng)的生產(chǎn)，本廠(chǎng)設(shè)計(jì)稀相段流化數(shù)為800，計(jì)算過(guò)程如下： DT=9.84m 圓整后，流化床反應(yīng)器密相段的公稱(chēng)直徑DN=10m。 3）流化床床高 床高分為三個(gè)部分，即反應(yīng)段，擴(kuò)大段，以及錐形高度。原料混合氣處理量為M=125752.05kg/h，由于原料處理量比較大，所以本設(shè)計(jì)決定采用四臺(tái)反應(yīng)器并聯(lián)的方式生產(chǎn)。 由上節(jié)催化劑內(nèi)容知，C-49型丙烯腈催化劑的質(zhì)量空速適宜值為0.084h-1，則催化劑的量為125752.05/0.084=1497048.214kg。催化劑的裝填密度為1150，所以靜床高度的為 。流化時(shí)的流化比取2，因此床層高度。擴(kuò)大段高度取擴(kuò)大段直徑的二分之一，H2=5m。反應(yīng)段與擴(kuò)大段之間的過(guò)渡部分過(guò)度角為120°，有三角函數(shù)計(jì)算出過(guò)渡高度。錐形段取錐底角為60°，取錐高為。反應(yīng)器上部橢圓封頭高度取直徑的四分之一，即，加上封頭直邊高度為25mm。由此可得，流化床總高。其長(zhǎng)徑比為24.8/8=3.1。 4）床層的壓降 流化床在正常操作時(shí)具有恒定的壓降，其壓降計(jì)算公式為 5）流化床壁厚 流化床反應(yīng)器的操作溫度為470℃，操作壓力為2bar，設(shè)計(jì)溫度為490℃，設(shè)計(jì)壓力為2bar。由于溫度較高，因此選擇0Cr18Ni9材料，該種材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力為100MPa，流化床采用雙面對(duì)接焊，局部無(wú)損探傷，取流化床焊接接頭系數(shù)為，壁厚的附加量取。流化床壁厚為： 考慮到流化床較高，風(fēng)載荷有一定影響，取反應(yīng)器的設(shè)計(jì)壁厚為8mm，流化床床體的有效厚度為。 筒體的應(yīng)力按下式進(jìn)行計(jì)算 許用應(yīng)力＞78MPa，應(yīng)力校核合格。 對(duì)于擴(kuò)大段， 考慮到擴(kuò)大段，經(jīng)過(guò)過(guò)渡段壓力略有減小，并且擴(kuò)大段溫度較低，因此均選取擴(kuò)大段、過(guò)渡段壁厚為6mm。 錐形段階段為反應(yīng)氣體的預(yù)分布階段，未發(fā)生反應(yīng)，溫度較低直徑較小，因此壁厚更小，但為考慮選材與安裝的方便性，其壁厚也選取為6mm。 6）反應(yīng)體積的計(jì)算 反應(yīng)體積=停留時(shí)間×體積流率 該反應(yīng)器的停留時(shí)間為10s，物流的體積流率V=32.48，由此可得： 反應(yīng)體積32.48×10=324.8m3 結(jié)合考慮工業(yè)適宜的操作氣速范圍為0.5-0.8m/s。本方案取操作氣速0.7m/s。 該體積為催化劑的體積，取催化劑的填裝空隙率為0.38，由此可得反應(yīng)器的體積Vo=324.8/(1-0.38)=523.87m3 7）裙座 裙座的厚度按經(jīng)驗(yàn)選取為20mm，由于錐形段的影響，所以高度為8500mm。 8）水壓試驗(yàn)及強(qiáng)度校核 水壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力有，，取兩者中較大值，即。 水壓試驗(yàn)時(shí)壁內(nèi)壓力為 已知0Cr18Ni9材料在常溫下的屈服強(qiáng)度為，計(jì)算可以知道水壓試驗(yàn)時(shí)筒體壁內(nèi)壓力小于，水壓試驗(yàn)安全。 3. 旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)和操作 在流化床反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)有旋風(fēng)分離器用于分離。由于內(nèi)旋風(fēng)分離器具有不需保溫、配管量少、設(shè)備緊湊、被捕集粉塵易于返回的優(yōu)點(diǎn)，因此本反應(yīng)器采用內(nèi)旋風(fēng)分離器。 影響旋風(fēng)分離器工作的因素較多，其中最主要的影響因素是物系的性質(zhì)及操作的條件。一般來(lái)說(shuō)，選擇顆粒密度大、粒徑大的物料，提高進(jìn)口氣速及增加濃度等均有利于分離的進(jìn)行。PV型旋風(fēng)分離器示意圖如圖3.2所示。 圖3.2 PV型旋風(fēng)分離器示意圖 3.2 換熱器E0101選型 3.2.1 換熱器的類(lèi)型 本次設(shè)計(jì)需要用到丙烯過(guò)熱器、氨過(guò)熱器、反應(yīng)器出口換熱器等換熱器。此處以反應(yīng)器出口換熱器為例對(duì)換熱器進(jìn)行選型。通過(guò)綜合考慮本次設(shè)計(jì)任務(wù)及制造、經(jīng)濟(jì)等個(gè)方面，本次設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上主要采用固定管板換熱器。 3.2.2 換熱器的選擇 由Aspen模擬軟件查得換熱器的熱負(fù)荷：QA=33730KW 本次換熱器選型采用的冷凝水初始溫度為25℃，出口溫度為80℃。冷凝水的CP=4.18KJ/(Kg·℃)則 WC=33730×103×36004.18×103×(85-20) =52729.44kg/h 對(duì)數(shù)平均溫差： ?tm1=?t2-?t1ln?t2?t1=743.1-298.1-(80-25)ln743.1-298.180-25=186.5 ℃ 而P=t2-t1T1-t1=55469.95-25=0.12 R=T1-T2t2-t1=44555=8.09 由化工原理教材中的知識(shí)可以知道ф=0.96，所以 ?tm2=φ?tm1=0.96×186.5=179.04 初選換熱器規(guī)格，根據(jù)兩流體的情況，假設(shè)K=300W/(m2?℃) S=QK ?tm1=33730000300×179,04=627.98m2 換熱器規(guī)格選擇 （1）管徑 管子的尺寸大小和其形狀均對(duì)傳熱有很大影響。當(dāng)采用較小的管徑時(shí)，換熱器單位體積的換熱面積較大，這樣的設(shè)備較為緊湊，單位傳熱面積的金屬消耗量少，傳熱系數(shù)也高。但這給管子的制造帶來(lái)了難度，而且小內(nèi)徑的管子容易結(jié)垢，不利于清洗。但是內(nèi)徑較小的管子可以承受更大的壓力，而管壁較薄的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有利傳熱；所以，在管程結(jié)垢不是很?chē)?yán)重，而且允許壓力降較高的情況下，采用規(guī)格為Φ19mm×2mm 的管子是合理的。 （2）排列形式 因?yàn)闅こ淌羌儍舻囊喊保瑳](méi)有污垢，所以本設(shè)計(jì)選用最佳的正三角形排列形式。這樣有利于對(duì)管外的機(jī)械進(jìn)行清洗。 （3）管間中心距 換熱管中心要保證管子與管板連接時(shí)，管橋有足夠的強(qiáng)度和剛度。管間在清洗時(shí)還要留有進(jìn)行清洗的通道。換熱管中心距一般不小于1.25倍的換熱管外徑，常用的換熱管中心距表3.1所示： 表3.1 常用的換熱管中心距 換熱管外徑/mm 2 4 9 5 2 8 5 7 換熱管中心管/mm 6 9 5 2 0 8 7 2 本設(shè)計(jì)所用換熱管外徑為2mm，因此所用的換熱管中心距為6mm。 （4）管長(zhǎng) 在滿(mǎn)足換熱面積和設(shè)計(jì)要求的條件下，盡量選用管長(zhǎng)較短的管子，這樣可以降低反應(yīng)所需的壓降，使生產(chǎn)更為簡(jiǎn)便。 系列標(biāo)準(zhǔn)鋼管長(zhǎng)度有：1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.5m、6.0m、7.5m、9m和12m。本設(shè)計(jì)選用4.5m管長(zhǎng)。 根據(jù)JB/T4715-92《固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)》對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行圓整，并且考慮到熱損失等，換熱器面積選有余量。選定換熱器基本參數(shù)如下：公稱(chēng)直徑為1000mm，換熱管長(zhǎng)度為4500mm，管程數(shù)N=4，殼程數(shù)N=1，公稱(chēng)壓力1.0Mpa，換熱面積為627.98m2，換熱管規(guī)格為φ19mm×2mm，管子根數(shù)n=1186根，中間排管數(shù)39根。 3.3 泵選型 3.3.1 本設(shè)計(jì)所需泵 本次設(shè)計(jì)用到了四種泵類(lèi)型，在輸送硫酸到吸收塔用到的硫酸輸送泵，冷卻泵，吸收塔釜液從釜底排出時(shí)用到的吸收塔釜液泵以及用于塔頂排出廢氣時(shí)用到的廢氣真空泵。 3.3.2 用智能選泵系統(tǒng)對(duì)泵選型 由需要吸收氨的量可以確定所需的硫酸量，在向吸收塔通入30%的硫酸溶液時(shí)需要用到硫酸輸送泵。 本次選泵利用選泵軟件“智能選泵系統(tǒng)”軟件對(duì)所有的泵進(jìn)行合理選擇?，F(xiàn)以選取硫酸輸送泵為例做出選型過(guò)程。在前文已經(jīng)知道硫酸溶液中硫酸和水的質(zhì)量流量分別為7125.474kg/h和2137.693kg/h。根據(jù)計(jì)算可以得到硫酸輸送泵的流量為2.224L/s，取揚(yáng)程為8m，精度取90%，由智能選泵系統(tǒng)得到的結(jié)果如下面幾張圖所示。 圖3.3 智能選泵系統(tǒng)選擇界面 圖3.4 選取泵的基本資料 圖3.5 選取泵的安裝尺寸圖 圖3.6 選取泵的工作曲線(xiàn) 從上面的軟件顯示我們可以得到泵(P103A/B)的性能參數(shù)如表3.2所示： 表3.2 硫酸輸送泵性能參數(shù)一覽表 泵性能參數(shù) 名稱(chēng) 取值 單位 流量 2.224 L/s 揚(yáng)程 8 m 效率 40.8 ％ 電動(dòng)機(jī)功率 1.5 kW 軸功率 0.45 kW 轉(zhuǎn)速 1450 r/min 公司 蘭州水泵總廠(chǎng) 型號(hào) IH65-50-160 3.4 相關(guān)塔設(shè)備初步設(shè)計(jì) 3.4.1 塔設(shè)備初步計(jì)算與選型 對(duì)吸收塔T0101進(jìn)行選型，使用Aspen Plus進(jìn)行簡(jiǎn)單的塔設(shè)備計(jì)算選型。在Aspen 塔T0101的下方，找到Tray Sizing選項(xiàng)，因?yàn)橐阎O(shè)備具體參數(shù)，所以輸入物料由第2塊板進(jìn)入由6塊板流出，并設(shè)定板間距為0.6m。具體設(shè)定輸入值如圖3.7。 圖3.7 Tray Sizing中進(jìn)行對(duì)塔T0101初步設(shè)定 設(shè)定完畢后，即進(jìn)行對(duì)設(shè)定數(shù)據(jù)的模擬，可以得到以下的運(yùn)行結(jié)果如圖3.8。 圖3.8 塔T0101初步設(shè)定參數(shù)運(yùn)行結(jié)果 在Tray Sizing的Results中我們可以得到，所設(shè)計(jì)的塔T0101的直徑在3.45m左右，為了下面對(duì)塔進(jìn)行校核，因此此處選取3.5m。 在選取完塔的直徑后，我們進(jìn)行對(duì)塔的校核。在Tray Rating界面下，我們將已經(jīng)得到的塔直徑參數(shù)輸入，其他相同數(shù)據(jù)設(shè)定值不變，在溢流堰高度設(shè)定值處，將其設(shè)定為50mm。設(shè)定數(shù)據(jù)輸入圖如圖3.9所示。 圖3.9 塔T0101塔徑校核 在Specs界面設(shè)定完畢后，點(diǎn)擊Layout進(jìn)入下一設(shè)定界面。我們?cè)赩alve tray處選定Valve type V-1，輸入?yún)?shù)如圖3.10下所示。 圖3.10 塔T0101塔徑校核參數(shù) 即進(jìn)行對(duì)設(shè)定數(shù)據(jù)的模擬，可以得到以下的運(yùn)行結(jié)果圖，結(jié)果如圖3.11所示。 圖3.11 塔T0101塔徑校核運(yùn)行數(shù)據(jù)表 由上可知水吸收塔T0101的塔徑為D=3.5m，還需塔高，所以下面進(jìn)行對(duì)塔高的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算： （1）塔板總高度 （2） 塔頂空間高度 （3） 最后一塊板到塔底的距離 進(jìn)氣管頂部到最后一塊板的距離 進(jìn)氣管管徑 進(jìn)氣管底部到塔釜面的距離 所以 （4）裙座高度 圓整得5m （5）封頭高度 （6）開(kāi)孔高度 所以塔高： 3.5 設(shè)備一覽表 將前文設(shè)計(jì)計(jì)算的流化床反應(yīng)器數(shù)據(jù)，換熱器、泵以及氨吸收塔的選型情況列在如下的表格上。包括表3.3的流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，表3.4換熱器選型一覽表，表3.5泵選型一覽表以及表3.6吸收塔選型一覽表。 表3.3 流化床反應(yīng)器R0101設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果 序號(hào) 項(xiàng)目 數(shù)值 1 操作溫度 ℃ 470 2 設(shè)計(jì)溫度 ℃ 134.3 3 密相段流化數(shù) 1200 4 氣速 m/s 0.7 5 密相段直徑 m 8 6 稀相段流化數(shù) 800 7 稀相段直徑 m 10 8 高度 m 24.8 9 床層壓降 KPa 24.555 10 反應(yīng)器材料 0Cr18Ni9 11 壁厚 mm 6.5 12 反應(yīng)器體積 m3 523.87 13 裙座 mm 20 14 處理量 kg/h 125752.05 15 催化劑類(lèi)型 C-49 1