醋酸乙烯合成反应器课程设计（文档）

1、xx大学xx学院专业课程设计说明书题 目： 年产xx万吨醋酸乙烯合成反应器设计专 业： xxxxxx 学 号： xxxxx 姓 名： xxx 指导教师： xxx 完成日期： 2021年x月xx日 xx大学xx学院专业课程设计任务书设计题目： 年产xx万吨醋酸乙烯合成反应器设计 学号： xxxxx 姓名： xxxx 专业： xxxx 指导教师： xxx 系主任： xxx 一、主要内容及基本要求 1、设计任务及操作条件 （1）设计任务：生产量为9.5万吨/年；生产周期300×24=7200小时/年；反应器进料组成：乙炔3511.6、醋酸乙烯9788.16、水212.784、乙酸酐15.9

2、139、乙醛1.71E-18、乙酸乙烯19.0217、丁烯醛1.6933、丙酮1.94E-07、二氧化碳1.64651（质量流量kg/hr）；要求主产品纯度达优等品99.8%，副产1000吨/年纯度为0.998的乙醛 。 （2）操作条件：进料温度为141.9；反应温度为180；反应压力为4bar；反应器进、出口气相分率为1；反应进口流量V0=9442.56m3/h；反应器类型：列管式固定床反应器；催化剂：乙酸锌-活性炭催化剂，催化剂密度为580Kg/m3；床层孔隙率B为0.4。 2、主要内容 1）设计方案的确定及流程说明；2）流程模拟与操作条件优化；3）物料衡算和能量衡算；4）反应器选型；5）

3、反应器工艺尺寸的计算；6）绘制反应器设备结构图；7）工艺流程图纸绘制；8）车间平立面布置图以及主体设备装配图；9）对本设计的评述和心得。 二、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1集中学习、文献调研、确定方案并进行论证2单元设备设计，完成单元设备条件图3工艺设计，完成工艺流程图4车间设计，完成车间布置图5初稿修改，绘制完善并整理出最终设计材料三、应收集的资料及主要参考文献1 柴诚敬，张国亮等. 化工流体流动与传热（第二版）M. 化学工业,2007. 2 贾绍义，柴诚敬等. 化工传质与分离过程（第二版）M. 化学工业2007. 3 柴诚敬, 贾绍义等. 化工原理课程设计M. 高等教育出版社, 2

4、015. 4 朱炳辰. 化学反应工程（第五版）M. 化学工业出版社，2012. 5 梁志武，陈声宗等. 化工设计（第四版）M.化学工业出版社，2015. 6 刘光启, 马连湘, 刘杰. 化学化工物性数据手册(有机卷)M. 化学工业出版社,2002, 5:299-306.7 刘光启, 马连湘, 刘杰. 化学化工物性数据手册(无机卷)M. 化学工业出版社,2002, 5:299-306 8 黄燕青,陈辉.醋酸乙烯生产工艺对比J.山东化工,2020,49(13):57-60. 9 林晓.天然气乙炔法醋酸乙烯装置主要设备设计及优化J.石油化工设备技术,2014,35(04):10-14+6. 10 潘

5、鸣. 乙炔法制醋酸乙烯分离过程模拟及优化研究D.华东理工大学,2010. 11 聂颖.乙炔法合成醋酸乙烯技术研究进展J.乙醛醋酸化工,2015(09):11-15. 目录第一章 前言51.1 设计概述51.1.1 设计题目51.1.2 设计背景51.1.3 设计条件51.1.4 设计内容51.2 设计原理6第二章 工艺方案72.1 工艺技术方案的选择72.2 全厂总流程简介82.2 工艺流程叙述82.2.1 原料预处理及VAC合成工段82.2.2乙炔回收工段92.2.3乙醛回收工段102.2.4热泵精馏工段112.2.5 VAC精制工段112.3 T0503醋酸乙烯精制塔优化122.3.1 确

6、定塔板数132.3.2 确定进料位置132.3.3 确定溜出比14第三章 VAC合成反应器的工艺设计153.1 反应器类型153.1.1 固定床反应器153.1.2流化床反应器163.1.3 反应器类型的确定163.1.4 VAC合成反应器设备装配图173.2 设计过程173.2.1 设计条件173.2.2 催化剂床层计算203.2.3 传热面积的计算203.2.4 列管尺寸的计算213.2.5 核算换热面积213.2.6 空管流速223.3 反应器筒体直径223.4 反应器高度223.5 筒体和封头壁厚223.5.1 反应器筒体壁厚的设计223.5.2 筒体封头设计233.5.3 反应器附件

7、设计243.6 反应器床层压降26第四章 工艺流程图的绘制274.1 工艺流程图（PFD）的绘制274.2 带控制点的工艺流程图（PID）的绘制27第五章 车间布置设计285.1 总述285.1.1 设计的基本依据285.1.2 车间布置理念285.2 车间的平立面布置28第六章 结论与致谢29参考文献30第一章 前言1.1 设计概述1.1.1 设计题目年产xx万吨醋酸乙烯合成反应器设计1.1.2 设计背景本项目以乙炔与醋酸为主要生产原料年产xx万吨醋酸乙烯，产品纯度达到优等品99.8%，副产1000吨/年纯度为0.998的乙醛。1.1.3 设计条件1.主要原材料、辅助材料和燃料表1-1主要原

8、材料、辅助材料和燃料来源表项目名称数量运输方式来源原料乙炔30813.4t/a管道中石化四川维尼纶厂乙酸74610.7t/a运输车重庆鑫富化工有限公司辅助材料醋酸锌/活化碳催化剂4.9t/a运输车中石化上海石油化工股份有限公司空气（104m3/a）6067.48管道重庆长寿区工业园区工艺软水（104t/a）10.25管道重庆长寿区工业园区燃料燃气（104m3/a）244.23管道重庆长寿区工业园区2.生产能力：年开工时间7200小时，其中醋酸乙烯年产9.5万吨，副产乙醛1000吨/年；3.反应条件：进料温度为141.9，反应温度为180，反应压力为4bar。1.1.4 设计内容1.运用Aspe

9、n Plus完成工艺流程搭建以及设备操作条件优化；2.运用Aspen Plus导出相关物性和流股数据完成反应器设备选型及工艺尺寸设计；3.运用AutoCAD绘制工艺流程图（PFD）、带控制节点的工艺流程图（PID）以及典型设备装配图；4. 运用AutoCAD对醋酸乙烯合成及分离工段进行车间布置设计并完成车间平立面布置图的绘制。1.2 设计原理反应器是化工生产过程中一系列设备中的核心设备。化工技术过程开发的成功与否很大程度上取决于反应器内流体的温度、浓度、停留时间及温度分布、停留时间分布的控制水平和控制能力。化工生产的工艺过程决定了反应器的结构型式，反应器的结构型式对工艺过程又有一个促进和完善的

10、作用，同时反应器的结构型式在某种程度上也决定着产品的质量和性能。因此，化学反应器的选型、设计计算和选择最优化的操作条件是化工生产中极为重要的课题。本设计中，我们选用列管式固定床反应器进行醋酸乙烯的合成反应，其中原料为乙炔和醋酸，主产品醋酸乙烯，副产品乙醛。第二章 工艺方案本项目为中石化年产xx万吨醋酸乙烯项目，利用来总厂的乙炔和醋酸为主要工业原料，包括原料预处理及合成VAC工段、乙炔回收工段、乙醛回收工段、热泵精馏工段和醋酸乙烯精制五个主要工段。2.1 工艺技术方案的选择目前，醋酸乙烯的工业生产方法有电石乙炔法（Wacker技术）、天然气乙炔法（Borden技术）、乙烯气相法，其中乙烯气相法中

11、的塞拉尼斯固定床乙烯工艺（Vantage工艺）和美国石油公司（BP）的Leap流化床工艺是目前比较成熟先进的醋酸乙烯生产技术，占全世界总生产能力的70%以上。我国由于具有煤炭资源丰富，石油资源相对贫乏的能源结构，决定了我国醋酸乙烯生产以乙炔法为主，约占我国生产能力的80%左右。另外，在我国石油资源相对比较充足的地方，也有采用乙烯法生产的厂家。表2-1各工艺路线技术指标比较项 目电石法天然气法Bayer法USI法工艺路线流程长，工艺复杂，副产物多，技术成熟工艺方法相对简单，自产醋酸，乙炔回收率高，热能充分利用工艺流程较前两者复杂，操作条件苛刻工艺流程与Bayer法基本一致，操作环境的缓和单程转化

12、率（以HAC计）30%-40%60%-70%20%-30%20%-30%环保性污染严重污染较小污染程度居中污染程度居中本质安全较安全较安全因操作条件苛刻，较较危险较安全能耗能耗大能耗较低能耗较低能耗较Bayer 法大催化剂性能寿命短需常更换廉价易得催化剂活性高寿命短催化剂活性较低寿命较Bayer法长我国能源结构富煤缺气少油的现状决定了我国醋酸乙烯的生产以电石乙炔法为主，该工艺方法存在着众所周知的环境污染问题,同时其能耗较高。同时，为响应中国制造2025指出的方针，坚持绿色发展，以创新驱动,全面推行清洁生产，因此，本设计拟选择天然气乙炔法合成醋酸乙烯工艺路线的原料预处理及VAC合成工段和VAC精

13、制工段为对象，对R0101VAC合成反应器进行设计。2.2 全厂总流程简介本工艺包括原料预处理及合成VAC工段、乙炔回收工段、乙醛回收工段、热泵精馏工段和醋酸乙烯精制五个主要工段。原料预处理工段主要是将原料乙炔及醋酸进行预处理达到反应要求，反应生成醋酸乙烯。乙炔回收工段主要任务是将反应后的产物中未充分反应的乙炔分离开来，分离的醋酸乙烯进入下一个分离工段。乙醛回收工段是将副产物乙醛醋酸乙烯分离，同时得到纯度为0.998乙醛。热泵精馏工段主要任务是将来自乙醛回收工段的物料中的醋酸与醋酸乙烯进行粗分离，得到纯度0.975的醋酸乙烯，同时将回收的醋酸循环加入至反应器中，节约资源。醋酸乙烯精制工段是将物

14、料中通过水与醋酸乙烯分相将少量的水与醋酸乙烯分离，得到纯度为0.998的醋酸乙烯，同时回收高纯度的醋酸。全厂的工艺总流程简图如下图2-1所示：图2-1 全流程简图2.2 工艺流程叙述2.2.1 原料预处理及VAC合成工段原料预处理及VAC合成工段主要包括原料气的加热加压及反应两个部分，乙炔与醋酸经过加热之后依次进入主副反应器R0101、R0102，在常压、180下经醋酸锌/活化碳催化反应生成了主产物醋酸乙烯及副产物乙醛、丁烯醛、丙酮、二氧化碳等，同未反应的原料乙炔、醋酸进入后续的分离程序。图2-2 原料预处理及VAC合成工段流程图以下为涉及的反应方程式：主反应：C2H2+CH3COOHCH3C

15、OOCHCH2副反应:(1)生成乙醛乙炔与水反应：C2H2+H2OCH3CHO(2)生成丁烯醛乙炔与乙醛反应CHCH+CH3CHOCH3CH=CHCHO乙醛生成CH3CHOCH3CH=CHCHO+H2O(3)生成丙酮、二氧化碳2CH3COOHCH3COCH3+CO2+H2O2.2.2乙炔回收工段图2-3乙炔回收工段流程图丙烷分离工段主要包括脱气塔，第一洗涤塔，第二洗涤塔。经降温至45.5后的物料在第6块塔板进料进入脱气塔T0201内回收乙炔气体。塔顶物0203主要含有乙炔以及少量的乙醛和醋酸乙烯等，该物流经冷凝器冷凝后进入到第一洗涤塔T0202进行酸洗处理。物流0515为粗HAC溶液，来自于第

16、四工段脱醋酸塔塔釜物流，该物流在第一洗涤塔塔顶喷淋，用于吸收乙炔中的乙醛和醋酸乙烯。塔釜物流0206经循环泵回流到脱气塔顶部，塔顶物流0207排出的乙炔含有少量的醋酸乙烯蒸汽，进入到第二洗涤塔T0203进一步进行水洗。物流0209为二级脱盐水，用二级脱盐水进一步吸收物流0207中的醋酸。第二洗涤塔塔顶排出的乙炔气体通过气液分离器除去液滴，除液滴后的乙炔气体物流0211纯度达到91.4%，送往后续的分子筛脱水回收系统。第二洗涤塔塔釜物流0213以及气液分离器液相物流0212送往废液处理。脱气塔塔釜物流主要含有醋酸乙烯、醋酸、乙醛以及少量丁烯醛等，物流0217进入到进入下一工段乙醛回收工段回收乙醛

17、。2.2.3乙醛回收工段图2-4乙醛回收工段流程图乙醛回收工段主要包括脱乙醛塔，萃取塔和乙醛精制塔。来自脱气系统中的粗醋酸乙烯物流0301主要含有醋酸乙烯、醋酸以及乙醛，进入到脱乙醛塔T0301。脱乙醛塔塔顶采出物流0302温度为50，压力1.06bar主要含有乙醛以及醋酸乙烯，乙醛与醋酸乙烯未充分分离，继续冷却加压至7、1.25bar进入萃取塔T0302进一步分离。萃取塔萃取温度为4，采用纯净水作为萃取剂，作为连续相的萃取水物流0305从塔顶进入萃取塔与分散相的乙醛醋酸乙烯物流进行逆流接触，萃取出醋酸乙烯中的乙醛。萃取塔塔顶出来的物流0307主要含醋酸乙烯，送往后续热泵精馏工段继续处理，塔釜

18、物流0308加压至1.25bar送往乙醛精制塔T0303进一步精制回收乙醛。乙醛精制塔塔顶物流0311为纯度0.998的乙醛，为本项目的副产品，塔釜物流0317主要含有水，可以进行回收利用。脱乙醛塔及萃取塔塔顶物流混合后送往热泵精馏工段进一步分离。2.2.4热泵精馏工段图2-5热泵精馏工段流程图热泵精馏工段主要包括粗分塔和脱醋酸塔。 粗分塔采用热泵精馏对醋酸、醋酸乙烯进行预分离。热泵精馏的出发点是提高精馏过程中一部分能量的等级，用于自身的再沸器。热泵精馏尤其适用于低沸点物质的精馏，即塔顶气相需要用冷冻水或其他制冷剂冷凝的系统，通常不用于多组分精馏或相对挥发度较大的系统。根据热泵所消耗的外界能量

19、不同，热泵精馏分为蒸汽压缩式热泵精馏和吸收式热泵精馏，前者根据压缩机工质的不同分为塔顶蒸汽直接压缩式、塔底闪蒸式和间接式三种类型。2.2.5 VAC精制工段VAC精制工段工段主要包括脱丁烯醛塔，VAC精制单元，醋酸精制塔来自第四工段的物流0505主要含有醋酸乙烯及少量的和水，输送到醋酸乙烯精馏塔进行加料。醋酸乙烯精馏塔T0502主要是进一步精制醋酸乙烯，提高醋酸乙烯纯度得到合格的醋酸乙烯产品。由于醋酸乙烯与水共沸，但课分层，醋酸精制单元采用倾晰器将水与醋酸乙烯分层进行分离。醋酸乙烯精馏塔塔顶采出气相物流0506，经冷凝器冷凝至20，冷凝器出口物流0507进入倾晰器分层槽，在20常压下分层下层水

20、相0508送往乙醛水槽，上层液0509物流为醋酸乙烯回流至醋酸乙烯塔内，塔釜釜液物流0510为纯度0.998的醋酸乙烯。图2-6 VAC精制工段醋酸精馏塔T0501用于精馏醋酸，除去醋酸中的丁烯醛等组分。醋酸精馏塔塔顶采出物流0502进入到VAC精制塔进行回收，经过冷凝后送往合成工段使用，塔釜物流一部分送往至第二工段的第一洗涤塔塔进行酸洗，一部分送往至反应器继续进行反应，减少物料消耗。2.3 T0503醋酸乙烯精制塔优化从脱丁烯醛塔分离出来的醋酸乙烯还含有少量的乙醛及水，为了达到醋酸乙烯产品的质量指标，粗醋酸乙烯进一步进入到醋酸乙烯精馏塔进行精制。醋酸乙烯产品从醋酸乙烯精馏塔侧线中气相采出。在

21、其他条件不变的情况下，利用Aspenplus灵敏度分析功能，在保证分离要求的前提下，尽量减少设备费用和操作费用。2.3.1 确定塔板数在进料状况、进料位置和馏出比不变的情况下，考察了塔板数对分离效果的影响。图2-7 塔板数对分离效果的影响由图可知，随着理论板数的增加，脱醋酸塔塔顶物流中醋酸乙烯质量分数不断增加，当理论板数大于30块时，理论板数的增加对塔顶物流中醋酸乙烯的质量分数的影响不明显，并且理论板数的增加会增加塔的设备成本。综合考虑，第一洗涤塔的理论板数选取为31块。2.3.2 确定进料位置在进料状况、进料位置和馏出比不变的情况下，考察了进料位置对分离效果的影响。图4-32 进料位置对塔釜

22、醋酸乙烯纯度的影响由图可知，随着进料位置的不断下移，塔定物流中醋酸乙烯质量分数呈现先增加后逐渐减少的趋势，当进料位置在第20时，塔顶物流的醋酸乙烯质量分数达到分离要求，综合考虑最佳进料位置可以取第20块板。2.3.3 确定溜出比在此利用软件中的灵敏度分析功能，以馏出比为自变量，分离效果及再沸器能耗为因变量做分析，得到下图：图4-34 馏出比对塔釜醋酸乙烯纯度及再沸器能耗能耗的影响由图可知，随着馏出比的增加，塔釜物流中的醋酸乙烯质量分数不断增加，可知馏出比的增加对醋酸乙烯精制精馏塔的分离有利。当回流比大于0.210时，馏出比对塔釜物流中的醋酸乙烯质量分数的影响不是很明显，而且一味增大馏出比会增加

23、塔釜再沸器的热负荷，增加能耗。综合考虑到分离要求和能耗确定馏出比为0.210。第三章 VAC合成反应器的工艺设计3.1 反应器类型3.1.1 固定床反应器固定床反应器又称填充床反应器，是一种装填有固体催化剂用以实现多相反应的反应器。固体催化剂通常呈颗粒状，粒径 215 mm，堆积成一定高度（或厚度）的床层，床层静止不动，流体通过床层进行反应。目前我国的固定床反应器技术比较成熟，主要用于气固相催化反应，反应器包括氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等设备。固定床反应器有如下优点：可以严格控制停留时间，温度分布可以适当调节，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性；

24、反应速率较快，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力；催化剂机械损耗小；结构简单。但另一方面，固定床反应器：传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）；操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。固定床反应器有3种基本形式。轴向绝热式：流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。径向绝热式：流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动形式，床层与外界不发生热交换。与轴向绝热式反应器相比，径向绝热式反应器中流体流动的距离较短，流道截面积较大，流体的压力降较小，

25、但结构较复杂。轴向绝热式固定床反应器和径向绝热式固定床反应器都属绝热反应器，适用于反应热效应不大，或反应系统能够承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。列管式固定床反应器：由多根反应管并联构成，适用于热效应较大的反应。此外尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。例如：当反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热式固定床反应器串联成多级绝热式固定床反应器，在反应器之间设置换热器或补充物料以调节温度，以便在接近最佳温度条件下操作。3.1.2流化床反应器流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态时进行气固相或液固相反应过程的反应器。流

26、态化技术之所以得到如此广泛的应用，是因为流化床反应器有以下突出优点：可以实现固体物料的连续输入和输出，这对于催化剂迅速失活而需随时再生的过程来说正是能否实现大规模连续生产的关键。此外，单纯作为颗粒的输送手段，在各行业中也得到广泛应用；流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于放热反应 ；由于颗粒细，可以消除内扩散阻力，能充分发挥催化剂的效能。但流化床反应器也有一些缺点：气流状况不均，不少气体以气泡状态经过床层，气固两相接触不够有效，在要求达到高转化率时这种状况更为不利。颗粒运动基本上是全混式，因此停留时间不一。在以颗粒为加工对象时，可影响产品质量的均一

27、性，且转化率不高。另外粒子的全混也造成气体的部分返混，影响反应速率和造成副反应的增加。颗粒的磨损和带出造成催化剂的损失，并要有旋风分离器等颗粒回收系统。因此，是否选用流化态的方式，确定怎样的操作条件，都应当是在考虑了上述这些优缺点，并结合反应的动力学特性加以斟酌后才能正确决定的。3.1.3 反应器类型的确定VAC合成反应为气固反应，反应的热效应较大，且该反应对温度控制的要求较高，因此反应过程中床层温度最好分布均匀。所以本反应选择列管式固定床反应器，管内填装固体颗粒催化剂，管外走换热介质，该反应器具有的优点有：传热较好，管内温度较易控制。催化剂机械磨损小。操作方便，操作弹性大。列管式固定床反应器

28、示意图如下，本反应中反应物物均为气体，催化剂为固体，此模型为拟均相模型；对于实际的工业固定床反应器，尤其是列管式床层，其床层高度都可以满足L>100dp的条件，因此也都可以认为床层轴向返混的影响可以忽略，即可以将固定床床层进一步简化为拟均相的柱塞流反应器，从而得到简化的拟均相一维模型。本反应为强放热反应，虽然列管式固定床反应器可以通过管壁与壳程的换热介质换热，但由于热量的生成速率与移走速率之间存在差异，使得反应温度沿轴向存在分布。为防止“热点”温度的出现对反应器的效率和催化剂的活性寿命产生不利影响，避免“飞温”现象的发生是本反应器设计所考虑的关键问题之一。本反应器设计采用实用新型专利：一

29、种适用于强放热反应的列管式固定床反应器(专利号：ZL201721694674.1) ,其结构示意图见图2-2 ，基于化学反应的放热与床层温度的关系是非线性的，而应用于移热过程的冷却规律是线性的，两者结合使得固定床反应器中的床层温度呈现非线性分布，具体表现为床层中上段容易出现“热点”温度和多态行为。根据放热反应特性，通过不同段反应器催化剂装填量不同，并保持催化剂床层物理结构、化学性质的一致性，使得列管反应器中的反应放热与床层温度呈非线性分布，最终实现床温温度的均一性。图3-1 反应器结构设计图本反应器是适用于强放热反应的列管式固定床反应器，本新型列管式固定床反应器与传统列管式固定床反应器相比，具

30、有以下优点：管程与壳程的传热效果好，反应器径向和轴向温度梯度小，床层利用率高，产能得到大幅提高，主要适用于强放热反应体系。3.1.4 VAC合成反应器设备装配图见附录一：VAC合成反应器设备装配图3.2 设计过程3.2.1 设计条件1.VAC合成反应器设计参数表2-1 R0101 VAC合成反应器设计参数项 目参 数筒体设计温度/80筒体设计压力/MPa0.44反应管设计温度/220反应管设计压力/MPa0.3进口物料醋酸、乙炔出口物料醋酸乙烯酯、醋酸停留时间1.13922秒2.VAC合成反应器内原料组成表2-2 R0101VAC合成反应器进出口物流信息表项目反应器进口反应器出口温度141.9

31、01180压力bar11气相分率11摩尔流量kmol/h310.412181.575质量流量kg/h13552.713552.7体积流量m3/h9442.566701.153.VAC合成反应器物料衡算表2-3 VAC合成反应器物料衡算流股名称单位110112113FromE0105R0101R0102ToR0101R0102C0101相态Vapor PhaseVapor PhaseVapor Phase温度141.901180180压力bar111.01325质量流量kg/hr13552.713552.713552.7乙炔kg/hr3511.6156.97677.981醋酸乙烯kg/hr978

32、8.162051.212041.38水kg/hr212.784212.784160.118乙酸酐kg/hr15.913915.913922.888乙醛kg/hr1.71E-181.71E-18131.138醋酸乙烯kg/hr19.021711110.611110.6丁烯醛kg/hr1.69331.69333.69223丙酮kg/hr1.94E-071.94E-070.790362二氧化碳kg/hr1.646511.646512.24541五氟乙烷kg/hr000四氟乙烷kg/hr000二氟一氯甲烷kg/hr000丙烷kg/hr0.1141080.1141080.114108氢气kg/hr0.4

33、716580.4716580.471658氮气kg/hr0.0170730.0170730.017073正己烷kg/hr0.0790020.0790020.079002甲烷kg/hr0.8998690.8998690.899869乙烷kg/hr0.286890.286890.286894.VAC合成反应器能量衡算表2-4 热负荷WQ热负荷（Gcal/hr）0-3.27596796表2-5 流股焓变计算表流入流出物流名称单位110111进口E0105E0106出口R0101E0107物流类别CONVENCONVEN相态Vapor PhaseVapor Phase温度C141.901131.89压

34、力bar11.25摩尔流量kmol/hr310.412178.555质量流量kg/hr13552.713552.7气相分率11液相分率00固相分率00焓kcal/kg-753.46-987.346熵cal/gm-K-0.367319-0.6965965.反应条件进料温度为141.9，反应温度为180，反应压力为4bar。反应器为列管式固定床反应器。根据本工艺实际换热介质，2取2000J/(m2hK)。催化剂为乙酸锌-活性炭催化剂，催化剂密度为580kg/m3,床层空隙率B为0.4。反应进口流量V0=9442.56m3/h。3.2.2 催化剂床层计算在本工艺中，醋酸与乙炔的摩尔进料比设置为FHA

35、C/FAC=1.5, 转化率为25%（此反应率为乙炔的单程转化率，在本项目中已将过量的醋酸进行了循环，整个工艺醋酸的转化率已达到96.56%），醋酸进料为160kmol/h，经查阅相关文献，找到了在醋酸与乙炔的进料比1.5时，反应转化率 和催化剂用量/醋酸进料量之间的关系，如下图所示W 催化剂的质量，kg；-物流量，kmol/h； 转化率3.2.3 传热面积的计算A 传热面积，m2Q 传热量，kJ/hK 传热系数， 传热温差，K用28的冷却水冷却，传热系数K=100W反应热Q=3778.1KW=3.78×106W3.2.4 列管尺寸的计算催化剂密度，所以：催化剂颗粒立方格排列时，床层

36、孔隙率约为 0.4，则反应器管的总体积：本反应器选用列管规格如下：列管选用材料为Q345R低合金钢，考虑到管内物流中含有醋酸，具有较强的腐蚀性，因此在列管内壁均涂有来自北京志盛威华化工有限公司的ZS-1034耐酸碱防腐材料，以提高列管的使用寿命。下段列管的直径为45×2.5mm，中段列管的直径为38×2.5mm，、上段列管的直径为32×2.5mm，下段列管的长度为2 .5m，上段列管、中段列管、下段列管三者的长度比例为L上：L中：L下=0 .8：1：1，一个反应管的体积：则每个反应器所需要的列管根数为：故单个反应器所需要的列管根数为3844根3.2.5 核算换热面

37、积，能满足传热要求。3.2.6 空管流速空管截面积：空管流速：3.3 反应器筒体直径每个反应器列管采用正三角形排列，反应器列管的布置与普通换热器有很大不同。首先，管数中央水循环受阻，传热恶化，温度分布不均，故此区域不布管；其次反应管的排管按30°划分为12个区间，整个管板由30°区间阵列而成。取中央不布管区域直径为200mm。按三角形排列，取管心距为，则单管所占的面积为则每个反应器的直径为圆整后取4.8m。3.4 反应器高度列管长度：L=7m；筒体顶部空间：根据压力容器手册，Ha=1m，筒体底部空间：根据压力容器手册，Hb=1m；封头高度：采用EHA椭圆形封头，根据JB/T

38、 4746钢制压力容器用封头可得，曲面高度H1=1000mm，直边高度H2=50mm，则封头高度,由此可得反应器高度：3.5 筒体和封头壁厚3.5.1 反应器筒体壁厚的设计反应器为内压容器，其厚壁的计算公式为：式中：S壳体计算厚度，mm；P 设计压力，内压容器取P=(1-1.1)PW，Pa； 材料在操作温度范围内的许用应力，Pa； 焊接系数，单面焊取0.65，双面焊取0.85；D 壳体内径，mm。由于本反应在温度180，压强0. 41MPa下进行，选用材料为Q345R低合金钢，根据GB 713-2014锅炉和压力容器用钢板规定，腐蚀裕量C2=2mm，焊接方式选用双面焊接。设计压力，材料Q345

39、R的许用压力，焊接系数。代入计算得： 查GB708/T可知，厚度负偏差C1=0.8mm，腐蚀裕量C2=2mm，故筒体名义厚度：圆整后并参考GB1499.2-2007钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋，筒体的名义厚度取为16mm。复验：，符合要求。考虑安全及实际操作情况，因此选用。3.5.2 筒体封头设计反应器的封头选用标准椭圆型封头，内径与筒体相同，封头采用不锈钢材料制造。标准椭圆形封头是中低压容器中经常采用的封头形式，其最新的标准为JB/T 4746-2002.该标准规定以内径为公称直径的标准椭圆形封头(代号EHA)的直边高度只与公称直径有关DN2000mm时，直边高度为25mm；DN&g

40、t;2000mm时，直边高度为40mm。由于所设计的筒体公称直径DN=4800 mm，所以直边高度为40mm，又根据EHA椭圆形封头内表面积及容积查得：DN=4800mm时，总深度H'=1240mm，内表面积A=25.5782，容积V=15.2003封头计算厚度：=pcDi2t-0.5Pc=0.451×48002×163×0.85-0.5×0.451=13.1mm封头设计厚度：c=+C2=13.1+2=15.1mm封头名义厚度：hn=c+C1+=15.1+0.8+=16mm封头有效厚度：e=n-C=16-2.8=13.2mm所以，封头设计为EHA

41、4800×16-Q345R GB/T 25198-2010。3.5.3 反应器附件设计1.裙座的设计选用圆筒形裙式支座，材质为Q345R，裙座与塔体的连接采用对接式焊接，裙座筒体内径为4800mm，厚度为14mm，地脚螺栓的结构选择外螺栓作结构形式，螺栓规格为M36×6，个数为20个。裙座上开设1个人孔方便检查，选择公称直径为450mm的人孔（根据HG/T 21515-2005）。为减少腐蚀以及在运行中可能有气体溢出，需要在裙座上部设置排气管，根据反应器直径，设置排气管规格60×4，数量四个，排气管中心距裙座顶端距离H1=335mm、H2=500mm。设置保温圈以

42、免引起不均匀热膨胀。一般筒体的保温延伸到与塔釜封头的连接焊缝4倍保温层厚度的距离为止。考虑到裙座的防火问题，在裙座内外侧均敷设防火层，防火材料为石棉水泥层（容积密度约为1900kg/m3），厚度为40mm。2.筒体法兰的设计根据筒体内操作压力、温度和筒体直径，查压力容器法兰分类和规格表和压力容器法兰分类与技术条件（NB/T 47020-2012），选带衬环的乙型平焊法兰，法兰材料为Q345R。查标准NB/T 47021-2012乙型平焊法兰，公称压力PN=0.45MPa，公称直径DN=600mm，则法兰标记为：法兰C-RF600-0.45 NB/T 47021-2012。查标准压力容器用非金属

43、软垫片（NB/T 47024-2012），选用垫片为平形的耐油橡胶石棉板，标记为：垫片600-2. NB/T 47024-2012。3.接口管的设计（1）反应器进料管该反应为气固相催化反应，进料的总体积流量为9442.56选进入反应器之前总管道运输速度为15.5m/s，接口管的直径为：采用无缝钢管，圆整后取钢管公称直径DN=480mm，480×9 mm。（2）反应器出料管根据aspen流程模拟结果得到反应器出口的总体积流量为6701.15。同样取出料管内流速为15.5m/s，则出料管内径：圆整后选取DN=426mm，426×10mm的压力管口。4.折流板设计由于反应器中间不

44、排管，选用环盘型折流板。折流板间距为1m。板厚10mm，折流板材料为16MnR。5.壳程换热为了降低入口流体的横向流速，消除流体诱发的管子振动，采用外导流式的进出口结构。6.列管式固定床反应器催化剂支托结构的设计本列管式固定床反应器的催化剂采用复合式弹簧支托结构，其型式如下图所示：簧丝直径2mm，弹簧外径35.8mm，总圈数12，有效圈数5，右旋，自由高度57.1mm。复合式弹簧支托结构安全可靠，拆装方便。图3-4 38mm×3mm反应管复合式弹簧3.6 反应器床层压降式中：dp 催化剂颗粒直径，m；流体密度，kg/m3；uo 空塔线速；流体的绝对黏度，Pa.s。催化剂颗粒直径为0.

45、003m，流体密度为1.435kg/m3。空塔线速取0.17m/s，流体的绝对黏度为1.210-5，代入数据求得：a 、b 系数，采用Ergun提出的数值，a=1.75，b=150； 床层空隙率，取0.4；代入数据求得：则床层压力降为：第四章 工艺流程图的绘制4.1 工艺流程图（PFD）的绘制见附录二：原料预处理及VAC合成工段、VAC精制工段流程图4.2 带控制点的工艺流程图（PID）的绘制见附录三：带控制点的工艺流程图第五章 车间布置设计5.1 总述车间布置是设计中的重要环节，既要符合工艺要求，又要经济实用，合理布局。车间布局直接影响到项目建设的投资，建设后的生产运转正常，设备维修和安全，

46、以及各项经济指标的完成。车间布置主要是设备的布置，工艺人员首先确定设备布置的初步方案，对厂房建筑的大小、平立面结构、跨度、层次、门窗、楼梯等以及与生产操作、设备安装有关的平台、预留孔等向土建专业提出设计要求，待厂房设计完成后，工艺人员再根据厂房建筑图，对设备布置进行修改和补充，最终的设备布置图（施工图）就作为设备安装和管道安装的依据。5.1.1 设计的基本依据车间布置时，在总图的基础上明确车间的位置，熟悉生产工艺流程及有关物性数据，与车间等级相关的规范标准，了解土建、设备、仪表、电力、给排水等专业和机修、安装、操作、管理等方面的要求，并考虑运输、消防及它们之间的关系，对所设计的车间进行综合分析，才可能有一个完善的方案。5.1.2 车间布置理念（1）从经济和压降观点出发，设备布置应顺从工艺流程，但若与安全、维修和施工有矛盾时，允许有所调整。（2）根据地形、主导风向等条件进行设备布置，有效地利用车间建筑面积和土地。（3）明火设备必须布置在处理可