物料与能量衡算说明书(编辑修改稿)

物料与能量衡算说明书(编辑修改稿)内容摘要：

流化床反应器的优点 流化床内的固体粒子像流体一样运动，由于流态化的特殊运动形式，使这种反应器具有如下优点： 由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大（可高达3280~16400m2/m3），有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。 由于颗粒在床内混合激烈，使颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致，床层与内浸换热表面间的传热系数很高 [200～ 400W/（ m2/K） ]，全床热容量大，热稳定性高，这些都有利于强放热反应的等温操作。 这是许多工艺过程的反应装置选择流化床的重要 原因之一。 流化床内的颗粒群有类似流体的性质，可以大量地从装置中移出、引入，并可以在两个流化床之间大量循环。 这使得一些反应 —再生、吸热 —放热、正反应 —逆反应等反应耦合过程和反应 —分离耦合过程得以实现。 使得易失活催化剂能在工程中使用。 流体与颗粒之间传热、传质速率也较其它接触方式为高。 由于流 —固体系中孔隙率的变化可以引起颗粒曳力系数的大幅度变化，以致在很宽的范围内均能形成较浓密的床层。 所以流态化技术的操作弹性范围宽，单位设备生产能力大，设备结构简单、造价低，符合现代化大生产的需要。 2020 第七届“中国石化 三井化学杯”全国大学生化工设计竞赛 25 流化床反应器的缺点 ： 气 体流动状态与活塞流偏离较大，气流与床层颗粒发生返混，以致在床层轴向没有温度差及浓度差。 加之气体可能成大气泡状态通过床层，使气固接触不良，使反应的转化率降低。 因此流化床一般达不到固定床的转化率。 催化剂颗粒间相互剧烈碰撞，造成催化剂的损失和除尘的困难。 由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的磨损严重。 虽然流化床反应器存在着上述缺点，但优点是主要的。 流态化操作总的经济效果是有利的，特别是传热和传质速率快、床层温度均匀、操作稳定的突出优点，对于热效应很大的大规模生产过程特别有利。 综上所述，流化床反应器比较适用于 下述过程：热效应很大的放热或吸热过程；要求有均一的催化剂温度和需要精确控制温度的反应；催化剂寿命比较短，操作较短时间就需更换（或活化）的反应；有爆炸危险的反应，某些能够比较安全地在高浓度下操作的氧化反应，可以提高生产能力，减少分离和精制的负担。 流化床反应器一般不适用如下情况：要求高转化率的反应；要求催化剂层有温度分布的反应。 综上所述，通过固定床反应器和流化床反应器的全面比较，结合我队的设计要求，我们选择了固定床管板式反应器作为我们的环氧丙烷环氧化反应器。 与物性相关的反应因素： 产物概述 环氧丙烷 (PropyleneOxide， 简称 PO） ， 又名甲基环氧乙烷或氧化丙烯 ， 是无色、具有醚类气味的易燃液体。 分子式 ： C3H6O， 分子量 ： ； 熔点 ； 沸点 ℃ ；相对密度 ； 折射率 ； 闪点 37℃。 与水部分互溶 ， 与乙醇、乙醚等互溶。 化学性质活泼 ， 其蒸气在空气中能自燃或爆炸。 环氧丙烷是除了聚丙烯和丙烯腈以外的第三大丙烯衍生物 ， 是重要的基本有机化工原料。 主要用于聚醚多元醇、非离子表面活性剂、碳酸丙烯酯和丙二醇的生产。 是精细化工产品的重要原料 ， 广泛应用于汽车、建筑、食品 、烟草、医药及化妆品等行业。 目前国外环氧丙烷生产技术主要有 ： 氯醇法 ， 乙苯共氧化法 (PO/SM法 ） ， 异丁烷2020 第七届“中国石化 三井化学杯”全国大学生化工设计竞赛 26 共氧化法 (PO/TAB法 ） ， 异丙苯氧化法 (CHP法 ） ， 过氧化氢直接氧化法 (HPPO法 ） ， 氧气直接氧化法。 其中氯醇法 ， PO/SM法 ， PO/TAB法 ， CHP法 ， HPPO法已经实现工业化 ；氧气直接氧化法正处于实验阶段。 氯醇法、共氧化法、异丙苯法、过氧化氢法技术优缺点对比 氯醇法、共氧化法、异丙苯法、过氧化氢法技术优缺点对比见表 22。 表 22 氯醇法、共氧化法、异丙苯法、过氧化氢法技术优缺点对 比 生产工艺 优点 缺点 氯醇法 1） 工艺成熟 ， 流程简单 ； 2） 操作负荷弹性大 ； 3） 选择性好 ； 4） 对原料丙烯的纯度要求不高 ； 5） 安全性高； 6） 投资少 ； 7） 有成本竞争力。 1） 水耗大 2） 产生大量废水及废渣 (每生产 1t环氧丙烷产生 40~ 50t含氯化物废水和 ）； 3） ） 消耗大量氯气和石灰原料，污染环境 ； 4）产生的次氯酸对设备的腐蚀严重。 共氧化法(PO/SM法 ）(PO/TBA法 ） 1） 共氧化法克服了氯醇法腐蚀废水量大缺点 ； 2） 产品成本低 (联产品分摊成本 ）； 3） 环境污染小。 1） 原料品种多 ； 工艺 流程长 ： 3） 丙烯纯度要求高 ； 4） 工艺操作压力高 ；5） 设备造价高 (设备材质多采用合金钢 ）； 6） 联产 2.~ 叔丁醇 ， 受市场因素制约 ； 7） 废水含 COD高。 2020 第七届“中国石化 三井化学杯”全国大学生化工设计竞赛 27 异丙苯氧化法(CHP法 ） 与氯醇法相比 : 不需要氯气 ， 减少了设备腐蚀 ； 1） 废水量少。 与共氧法相比 : 2） 无副产品 (使用异丙苯替代了乙苯 ， 异丙苯循环使用 ）； 3） 不联产苯乙烯 ， 无需辅加设备 ； 4） 装置投资少 (比共氧化法低 1/3）。 生产过程中产生大量 A甲基苯乙烯 ，增加循环回收装置。 过氧化氢氧化法(HPPO法 ） 1） 工艺流程简单 ； 2） 产品收率高 ，无副产品 ； 3） 无污染 ， 属清洁工艺。 通过几种生成环氧丙烷的工业方法，经综合考虑我们选择了工艺流程简单，产品收率高，无副产品无污染的过氧化氢氧化法生成环氧丙烷工艺。 原料、辅助原料、产品的主要技术规格 表 23主要工艺物料消耗与规格 名称 规格 用量 丙烯 工业级 23万 t/a 双氧水 工业级 18万 t/a 甲醇 工业级 640t/a 氢气 纯氢气 t/a 原辅料规格及消耗配比 表 24原辅料规格及消耗配比 2020 第七届“中国石化 三井化学杯”全国大学生化工设计竞赛 28 产品质量标准 25产品规格等级 项目 指标 优等品 一等品 合格 水分质量分数 /% 醛质量分数 /% 环氧乙烷质量分数 /% （根据 GB144912020） 产品外观要求 ： 透明液体，无可见机械杂质 工业用环氧丙烷应 按 GB144912020符合表 26规格要求 表 26产品 技术要求 项目 指标 优等品 一等品 合格 色度（铂 钴色号） /号 ≤ 5 10 20 酸度质量分数（以乙酸计算） ≤ 环氧丙烷主要用与聚醚多元醇的生产和丙二醇和一些非离子表面活性剂这些靖西化工产品，所以对于环氧丙烷的规格要求就要严格的多，我们在项目生产中会严格把持产品的纯度和质量。 名称 原辅料 规格 配比 原料 双氧水 工业级 原料 丙烯 工业级 原料 丙烷 工业级 原料 甲醇 工业级 2020 第七届“中国石化 三井化学杯”全国大学生化工设计竞赛 29 反应工段的具体计算 以环氧丙烷环氧化第一工段反应器设计为例详细计算设计。 设计要求： 一、 工艺条件 ： 一条 工艺路线由第一工段两个并联反应器，第二工段一反应器完成年产 15 万吨环氧丙烷的生产任务，两条工艺路线完成年产 30万吨的生产任务。 表 27生产计划任务书 生产能力 /年（环氧丙烷） 年工作日 300天 原料组成 11%丙烯， %丙烷， 13%水 ， %双氧水， %甲醇，%氨（摩尔分数，下同） 产品组成 %丙烯， %丙烷， %水， %双氧水， % 甲醇，丙二醇甲醚及丙二醇混合副产物 %， %环氧丙烷 操作压力 操作温度 50℃ 三 、设计内容 ，绘出流程 示意图。 基础数据的查取及估算，工艺过程的物料衡算及热量衡算，填料质量的计算，动力学方程的确定等。 塔径，塔高，进出口接管，法兰等。 : 料液泵设计计算：流程计算及选型。 本工艺是在压力为 ，温度为 50℃ 下，在 TS1上进行的等温液固相催化反应。 2020 第七届“中国石化 三井化学杯”全国大学生化工设计竞赛 30 催化反应过程的物料衡算 计算用原始数据 此处所选的 8原始数据均为年产 30万吨环氧丙烷的中间试验数据。 进入反应器时，甲醇含量约为 %，丙烯含量约为 %（摩尔分数）。 化学反应 主反应： 2104OHCH63OH63 OHCOHCHC 322    平行反应： 283226321043632632263OHCOHOHCOHCOHCHOHCOHOHCOHHC 表 28 反应中涉及到的物质的相对分子质量 CH3OH H2O2 C3H6 C3H8 H2O C3H6O 32 34 42 44 18 58 3 物料衡算过程 催化合成甲醛过程是一个连续流动反应，在定态下，其物料衡算基本公式： 某 组组 分反 应 消耗某 组组 分流出某 组组 分流入 。 本工艺计算以生产 30万吨甲醛，按 300天计，工业级别的甲醛质量分数为 96%。 则每小时一个反应器生产工业级别的环氧丙烷的质量： hkghkg /  其物质的量为 ： hk m o lhkg / 并以其为基准。 反应器进口物料的计算 根据表 3，表 5中各组分的数据计算可得： 2020 第七届“中国石化 三井化学杯”全国大学生化工设计竞赛 31 纯甲醇的物质的量 ： 10133kmol/h 水物质的量： 丙烯： 丙烷： 双 氧水： 表 29原料液的组成及含量 反应器出口物料的计算 甲醇的物质的量： 10133kmol/h 生成环氧丙烷的物质的量： 水的物质的量： 未反应的双氧水的物质的量 ： 丙烯的物质的量： 1184kmol/h 丙烷的物质的量： 丙二醇甲醚的物质的量： 表 210反应器出口主要组成及含量 物质 摩尔分数 (%） 物质的量（ kmol/h） CH3OH 84 10133 C3H6O H2O 物质 摩尔分数 (%） 物质的量（ kmol/h） CH3OH 10133 H2O2 H2O C3H6 C3H8 NH3 2020 第七届“中国石化 三井化学杯”全国大学生化工设计竞赛 32 H2O2 C4H10O2 C3H8O2 NH3 C3H6 1184 转 化率 : 双氧水： %96%1003 6 2 . 6 51 4 . %100  双氧水进料量双氧水反应量x 环氧丙烷收率： %96%1003 6 2 . 6 53 4 8 . 1 3 3%100  双氧水进料量 水物质的量生成环氧丙烷消耗双氧Y 合成过程环氧丙烷的热量衡算 热量衡算过程以 ℃ ，。 反应液体于 ℃ ，常压下进入反应器，在催化剂作用下进行 ℃ 恒温反应。 反应器出口气体以 ℃ ， 离开反应器。 总的热量衡算式为： Q 输出输入。 各物质热流量的计算 每个组分的在 ℃ 下的焓值： 表 211各物质平均温度为 ℃ 的焓值 物质 C3H8 C3H6 H2O 焓值 (KJ/Kmol） 物质 CH3OH C3H6O H2O2 NH3 焓值 (KJ/Kmol） 186060 热流量的计算 计算焓热量是时在等温条件下反应的参考态： ℃ ， : hkJHnQi ii /105 0 9  2020 第七届“中国石化 三井化学杯”全国大学生化工设计竞赛 33 hkJHnQ ooo / 9  由 HQ  得， hkJQi O / 7 即为了维持反应器内温度为 ℃ ，应每小时从反应器移走  的热量。 催化剂容积的计算 催化剂用量的计算 合成环氧丙烷的反应是一个气固相催化反应，催化剂的用量需要根据反应工程上通过单位催化剂列物料衡算的动力学方程才能得出。 合成环氧丙烷的动力学方程为： 53 28 6e x )/12 08 0e x p( 22 POOHM CRTCRTr  其中： PO—环氧丙烷 式中： )/( Km olJR  ，  ℃T 各物质摩尔分数的计算： 合成环氧丙烷的反应在双氧水转化率为 84%时到达平衡，达平衡时双氧水的摩尔浓度为： 30 / mkmo lC OH   AOHOH XCC  12222 0 A。