[能源化工]年产10万吨丙烯酸工艺设计

[能源化工]年产10万吨丙烯酸工艺设计内容摘要：

度变化，系统与外界交换的热量， kJ； Q2由于物料发生各种变化（化学变化、相变、溶解、混合等），系统与外界交换的热量（吸热为正、放热为负）， kJ； Q3由于设备温度变化，系统与外界交换的热量（设备升温为正、降温为负）， kJ； Q4设备向外界环境散失的热量（操作温度高于环境温度为正、低于环境温度为负）， kJ。 上式也可以写成如下形式： qT =q1+q2+q3+q4 （ kJ/h） 热量衡算式中各参数计算方法 [28] q1 的计算：认为反应 器 内压力不变，即整个过程为恒压变化过程 dTCwq TT P 121 q2 的计算： Hrq 2 （标准化学反应热） q3 的计算：对于连续操作，由于操作过程是在定态条件下进行的，物料温度与设备温度都不随时间变化，此时 q3=0。 q4 的计算：设备温度高于环境温度时， q4＞ 0，设备操作温度低于环境温度时， q4＜ 0。 在实际操作中，若设备有保温层，为简化计算，常取热损失速率为总速率的 10%。 计算 主要对 一段、二段氧化反应器以及冷却器 进行热量衡算 ； 第一反应器进料温度为 250℃ ，反应温度为 325℃ ； 第二反应 器进料温度 210℃ ，反应温度 260℃。 氧化反应器 热量衡算 第一氧化反应器 热量衡算 （ 1） q1 的计算： TCpwTCpwqqq   )250()325(1 ℃℃ 进料出料进料出料 q 出料 =(+++ ) (32525)= kJ/h 第 15 页 共 35 页 q 进料 =(+ +)(250 25)= kJ/h q1= q 出料 － q 进料 ==107 kJ/h （ 2） q2 的计算 ： Hrq 2 =1000－ (－ )1000= = 107 kJ/h （ 3） q3 的计算 ： 对于连续操作，由于操作过程是在定态条件下进行的，物料温度与设备温度都不随时间变化，所以 q3=0 （ 4） q4 的计算： 常取热损失速率为总速率的 10%； q4=10%(107+107)= 106 kJ/h （ 5） qT 的计算： qT =q1+q2 +q4 =107+107+106 = 107 kJ/h （ 6）计算设备热负荷和 熔盐 消耗量： 氧化 反应是连续操作过程，所以设备热负荷应当等 于 qT，为 107 kJ/h 熔盐（ 55%KNO3+45%NaNO2） ， 进口温度 275℃ ，出口温度为 280℃ 其比热为 55%+45%=℃ = kJ/kg℃ 熔盐对管壁给热系数 α可取 2717 kJ/(m2h℃ ) 所以 67 )2 7 52 8 0(5 7  hGkg/h （ 7）电能消耗量的计算： 据公式3600TqE， η为用电设备的电功功率（一般取 ~），设计取 ；所以 kwE 1 3 1 7 6 0 0 7  第二氧化反应器的 热量衡算 方法同第一反应器，其计算结果如表 所示。 第 16 页 共 35 页 表 第一氧化反应器、第二氧化反应器热量衡算表 系统与外界交换的热量 第一氧化反应器 第二氧化反应器 q1/(kJ/h) 107 105 q2/(kJ/h) 107 107 q4/(kJ/h) 106 106 qT/(kJ/h) 107 107 Gh/(kg/h) 106 106 E/kw 13179 16173 冷却器的 热量衡算 计算依据 进口温度： 275℃ ；出口温度： 280℃ 冷却 剂： 熔盐 ，其冷凝热为 2717 kJ/kg 热衡算求 冷取器 的热负荷和 熔盐的 用量，冷损失按 10%计 算 需要 熔盐 提供的热量： Q=[(+++ )(325260) ]=106 kJ/h 加热 熔盐 用量 ： W= Q/2717= 动力消耗综合表 动力消耗综合表如表 所示 ： 表 动力消耗综合表 序号 物料名称 单位 每吨产品消耗量 每小时消耗量 每年消耗量 1 熔盐 t 35 104 2 蒸 气 t 30 107 3 电 kwh 400 13179 108 4 锅炉用 水 t 9 15000 108 第 17 页 共 35 页 5 设备的工艺设计 主体设备工艺设计 氧化反应器的设计计算 [29] 常用的氧化反应器有搅拌式氧化器和气固氧化反应器，搅拌式氧化器主要用于使用化学氧化剂的液相氧化过程，而气固氧化反应器是以空气 — 物料气体或氧化 —物料气体通过固体催化剂接触而反应的过程，这类反应器通常以气固流化床和气固固定床为多，在工业生产中广泛使用。 本设计采用列 管式固定床氧化反应器，此类反应器为列管式结构，传热面积大，有利于强放热反应。 计算催化剂床层体积、直径及高度 对于第一反应器： 床层体积： 32 7 7 0 . 2 3 2 2 . 4 4 2 . 81450VVS V V mV S V     气 气床床 床层直径： 24 4 2 7 7 0 . 2 3 2 2 . 4 4 . 73 6 0 0 3 6 0 0 1vD D mu     其中 u 为空床操作气速，取 1m/s； 催化剂平均粒径取 5mm，床层孔隙率 ε取 ； 床层高度：224 2 . 8 4 . 7 5( 1 0 . 4 8 ) 0 . 7 8 5 4 . 7( 1 ) 4VL L mD     床 经圆整，取 同理，对于第二反应器： 床层体积： 33 4 0 8 . 0 3 2 2 . 4 4 6 . 2 71650VVS V V mV S V     气 气床床 床层直径： 24 4 3 4 0 8 . 0 3 2 2 . 4 5 . 23 6 0 0 3 6 0 0 1vD D mu     其中 u 为空床操作气速，取 1m/s； 催化剂平均粒径取 5mm，床层孔隙率 ε取 ； 第 18 页 共 35 页 床层高度：224 6 . 2 7 4 . 1 9( 1 0 . 4 8 ) 0 . 7 8 5 5 . 2( 1 ) 4VL L mD     床 经圆整，取 反应器管数 n 给定管子 φ 30 ，故管内径 dt 为 25mm，即为 米；管长为 5 米，催化剂充填高度 L为 米。 因此224 2 .8 181740 .7 8 5 0 .0 2 5 4 .84 tVnndL   床 同理，对于第二反应器：22 224550. 7 85 0. 0 25 4. 24 tVnndL   床 反应器 材料： 由于丙烯酸具有较强的腐蚀性，本设计 选用 经过钝化处理的碳钢材质 Q235A，接管材料选用 20 号钢。 核算换热面积 该反应是放热反应，需要移走热量，床层是被冷却的，因此床层对壁总给热系数按下式计算： 床层被冷却时， . 5 ( ) e x p ( 4 . 6 )f p pt ttd G ddd  式中 f —— 流体导热系数， kJm1h1℃ 1； G —— 表观质量流速， kgm2h1；  —— 流体粘度 ， Pas ； pd —— 催化剂粒径； td —— 列管内径 总进料量： m=+ +=5 51 . 3 1 6 1 . 6 1 2 . 8 1 . 8 1 0 . 9 8 1 0 1 . 7 3 7 1 01 . 3 1 6 1 2 . 8 1 P a s         混 （ ） 3 31 . 3 1 6 8 5 . 7 1 2 . 8 5 2 . 1 5 4 . 9 1 0 5 5 . 2 1 1 0 /( )1 . 3 1 6 1 2 . 8 1f k J m h         （ ） ℃ 31. 3 16 1. 91 4 12 .8 1. 29 3 1. 00 1. 32 8 /1. 3 16 12 .8 1 k g m    混 212813 929 8 /178 35 ( )4G k g m h   第 19 页 共 35 页 50 . 0 0 5 9 2 9 8 7 4 3 . 4 61 . 7 3 7 1 0 3 6 0 0pedGR    床层对壁总给热系数： 3 0 . 7 25 5 . 2 1 1 0 0 . 0 0 53 . 5 7 4 3 . 4 6 e x p ( 4 . 6 ) 3 1 5 . 1 2 /0 . 0 2 5 0 . 0 2 5t k J m h       ℃ 总传热系数：20111 tttmK dddd       垢壁钢 垢 查得碳钢管的导热系数为 λ=(mh℃ ) 251 282 .37 /1 1 25 025 25 8 10315 .12 271 7 3 167 .5 275K k J m h        ℃ 整个反应器床层可近似视为等温，为 325℃，则传热推动力为： ( 325 275 ) ( 325 280)      ℃ 需要传热面积： 7 23 . 8 8 6 1 0 2 8 9 7 . 2 82 8 2 . 3 7 4 7 . 5c mQA A mKt    需 需 实际传热面积为 23 . 1 4 0 . 0 2 5 4 . 8 1 8 1 7 4 6 8 4 7 . 9 6tA d L n A m      实 实 AA需实 ＞ ，故能满足传热要求。 反应床层压力降的计算 修正雷诺数： 11( ) 7 4 3 . 4 6 ( ) 1 4 2 9 . 7 3 1 0 0 01 1 0 . 4 8peM dGR     ＞ 固定床压降计算公式为 223 2 3( 1 ) 115 0 1. 75 fs c s cuPuL d g d g     当 1000eMR ＞ 时，为充分湍流，计算压降时可以略去第一项，因此 2 233111 . 7 5 ( ) 1 . 7 5 ( )fs c s fu GP L Ld g d       23( 9 2 9 8 / 3 6 0 0 ) 1 0 . 4 81 . 7 5 ( ) 4 . 8 3 9 6 7 9 3 9 . 6 7 90 . 0 0 5 1 . 3 2 8 0 . 4 8P P a k P a       第二氧化反应器的计算方法与第一氧化反应器的计算方法相同。 第 20 页 共 35 页 第一、第二氧化反应器的各数值如表 所示： 表 第一、第二氧化反应器换热面积核算及床层压力降值 项目 第一氧化反应器 第二氧化反应器 床层对壁总给热系数 2 1 1/t kJ m h     ℃ 总传热系数 2 1 1/K kJ m h    ℃ 需要传热面积 2/Am需 实际传热面积 2/Am实 床层压力降 /P kPa 反应器零部件选用与设计 （ 1）容器法兰：选用 JB470292 乙型平焊法兰，公称压力 ，公称直径DN3200；法兰材料选用 20（锻），质量为 kg；螺栓材料选用 40Cr；螺母材料选用 35，凹凸密封面，配 60 个 M24 螺栓。 （ 2）人孔：选用 JB58079 回孔盖人孔，公称压力 Pg10，公称直径 Dg500，采用一类材料， A 型密封面，人孔标记为 AIPg10Dg500JB58079。 （ 3）视镜：选用 2 个 HGJ50186Pg10Dg1。