年产某x吨三氯氢硅流化床反应器设计

.PAGE..---可修编.武汉工程大学..--可修编.化工与制药学院课程设计说明书课题名称年产****吨三氯氢硅流化床反响器设计专业班级15级化工7班学生学号1506210712学生吴元欣学生成绩指导教师戢峻课题工作时间12月28日～1月12日工程大学化工与制药学院...---可修编.课程设计任务书专业化学工程与工艺班级15级化工7班学生吴元欣发题时间：20158年12月28日一、 课题名称年产****x吨三氯氢硅流化床反响器设计二、 课题条件〔文献资料、仪器设备、指导力量〕本设计所需的三氯氢硅资料和计算所用相关手册、工具书，及计算机、打印机设备等具备；指导教师具有多年的课程设计指导经历。设计任务根据设计条件，通过物料衡算、热量衡算，反响器的选型、催化剂的用量等，设计出符合生产要求的反响器，并绘制出氯乙烯反响工段的流程图与反响器设备的工艺条件图。四、 设计所需技术参数4.1年产量：****吨/年，年工作日：330天〔即年工作8000小时〕，,一年的约35天用于固定的停车设备检修及紧急情况处理；4.2工艺：自定，建议硅氢氯化法；4.3原料组成〔wt%〕3103级金属硅，主要成分：Si含量：99.2%，H2O含量：0.26%，杂质0.54%，硅粉的粒径dp：100~150μm，计算中取dp=125μm。氯化氢气体。主要成分：HCl含量：98.7%，Cl2含量：1%，H2O含量：0.3%，黏度μ=2.8×10-5m/s，氯化氢气体在反响温度和压力下的密度算法例如如下：氯化氢气体在反响温度和压力下的导热系数λ=0.029w/(m.k)4.4反响器设计条件：流化数K=28，,反响器带出的尘粒粒径不大于80μm，，流化床坠底锥角为90°，流化床过渡段锥角度为a=158º，本设计中流化床换热分别采用半圆管夹套换热器和列管换热器。五、 设计说明书容1.概述 2.三氯氢硅的生产工艺3.工艺方案和反响器型式确实定4.物料衡算与热量衡算5.流化床反响器设计6.平安与环保设计说明7.结论8.参考文献9.附图附图1.三氯氢硅合成工段流程图附图2.流化床反响器装配图六、 进度方案第一阶段：12月28日～1月4日工艺计算与设备计算第二阶段：1月5日～1月12日绘图、撰写设计报告，辩论..摘要该课程设计为三氯氢硅流化床反响器设计，设计流程为：首先通过物料衡算计算得出年产****吨所需的原料量。再通过热量衡算得出设备热负荷，作为设备设计根底。查文献可得各物料参数及物料物性。在确定流化床的各项参数后，进展流化床工艺的设计计算，得到满足流化床工艺要求的流化床反响器数据，这些参数即为流化床的实际参数。确定流化床的各项参数后，再确定流化床部构件的设计，主要有换热器的设计和部构件的设计。查文献可得选用列管换热器，根据热量衡算得到换热器的换热面积，列管参数。构件主要有气体分布器和挡板的设计，由流化床设计参数可得。再选择流化床的附件，主要有支座及管材的选择，支座可以通过流化床的高度，流化床的直径来确定流化床支座的类型及参数。管材确实定主要通过床层填料及床层压力来确定。最后在设计计算的根底上进展流化床的机械设计，确定了流化床的壁厚，封头厚度，流化床反响器质量负荷等参数。根据计算设计出流化床反响器，确定流化床的流化速度为0.1494m/s和高度为11.3m，确定膨胀的比为1.1716，床层直径为3.2m，空隙率0.5732，流化床压降为39507Pa，换热器理论传热面积为20.56m2，多热油质导量为3.96kg，换热管数为52。关键词：流化床；设计；反响器；参数AbstractThecourseisdesignedtotrichlorosilanefluidizedbedreactordesign,thedesignprocess:firstcalculatedannualamountof****tonsofrawmaterialsrequiredbythemassbalance.Thenwecangetthroughtheheatbalancedevicethermalload,asthedevicedesignbasis.Richardliteratureavailableeachmaterialparametersandmaterialproperties.Thenfluidbedreactordesign,determinesthefluidizedbedfluidizingvelocityandheight,todeterminetheexpansionratio,beddiameter,porosity,thickness,andthefluidizedbedpressuredrop.Indeterminingtheparametersofthefluidizedbed,thefluidizedbedprocessofdesigncalculations,technicalrequirementsaremetfluidizedbedfluidizedbedreactordata,theactualparametersoftheseparametersisafluidizedbed.Determinetheparametersofthefluidizedbed,andthendeterminethedesignoftheinnermemberofthefluidizedbed,themaindesignofheatexchangerdesignandinternalponents.Richardliteratureavailablechoiceoftubeheatexchangers,heatbalanceobtainedaccordingtotheheatexchangerheattransferarea,outoftheparameters.Membermaingasdistributorandbezeldesign,thedesignparameterscanbeobtainedfromthefluidizedbed.Accordingtothefluidized-bedreactordesignedtocalculate,determinefluidizedbedfluidizingvelocity0.1494m/sandaheightof11.3m,todeterminetheexpansionratioof1.1716,thebedhavingadiameterof3.2m,theporosityof0.5732,afluidizedbedpressuredrop39507Pa,heattransferareaofthetheoryof20.56m2,moreheatconductionamountofoily3.96kg,thenumberoftubes52.Keywords:fluidizedbed;design;reactors;Parameters目录摘要30832-I-Abstract30832-II-第一章概述30832-1-TOC\o"1-3"\h\u308321.1产品的性质及用途 -1-251831.2三氯氢硅市场分析 -1-135961.3产品价格分析 -2-第二章三氯氢硅的生产工艺-3-298202.1硅氢氯化法 -3-51292.2SiCl4－H2复原法 -4-20234第三章工艺方案和反响器型式确实定-5-309723.1三氯氢硅生产工艺 -5-182973.2反响器类型 -5-3.2.1流化床反响器 -5-3.2.2固定床反响器 -6-3.2.3管式反响器 -7-3.3反响器选择 -8-19907第四章物料衡算与热量衡算-9-35684.1总论 -9-111254.2物料衡算 -9-294914.3总工程核算-11-193974.3.1物料衡算 -11-165434.3.2热量衡算 -12-303764.3.3物料参数及物料概况 -14-179935.1流化床反响器的工艺设计 -17-17025.1.1设计参数 -17-156165.1.2流化床反响器工艺设计计算 -17-256145.1.3流化床反响器工艺设计数据汇总 -26-161935.2流化床部构件的设计 -27-288025.2.1换热器 -27-144305.2.2部构件 -34-85445.3流化床附件的选择 -38-272095.3.1支座选择 -38-293605.3.2管材选择 -39-90275.4流化床反响器的机械设计 -42-68225.4.1流化床壁厚计算 -42-96915.4.2封头厚度计算 -44-189625.4.3容器的开孔与补强 -47-322795.4.4流化床质量载荷 -52-269985.4.5流化床强度及稳定性校核 -53-53145.4.8流化床反响器机械设计数据汇总 -55-32661第六章平安与环保-57-6696第七章结论-59-5563参考文献-63-27545附图 -65-..--可修编.第一章概述1.1产品的性质及用途氯氢硅是生产有机硅烷偶联剂的重要原料。有机硅产品是一类性能优异而独特的新型化工材料，应用围普及国防、国民经济乃至人们日常生活的各个领域，已开展成为技术密集、资金密集、附加值高、在国民经济中占有一定地位的新型工业体系，并使相关行业获得了巨大的经济效益。有机硅产品人致分为硅油、硅橡胶、硅树脂、硅烷偶联剂等4人类产品。将三氯氢硅与氯乙烯或氯丙烯进展合成反响，再经精馏提纯，得到乙烯基或丙烯基系列硅炕偶联剂产品。硅烷偶联剂几乎可与任何一种材料交联，包括热固性材料、热塑性材料、密封剂、橡胶、亲水性聚合物以及无机材料等，在太阳能电池、玻璃纤维、增强树脂、精细瓷纤维和光纤保护膜等方面扮演着重要角色，并在这些行业中发挥着不可或缺的重要作用。四氯化硅是三氯氢硅生产中极为重要的原辅料，同样具有广阔的市场需求空间。三氯氢硅还是制造多晶硅的主要原料，将三氯氢硅复原可以得到高纯度的多晶硅。当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石品格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，那么形成多晶硅。多晶硅按纯度分类可以分为冶金级(金属硅)、太阳能级、电子级。多晶硅产品的主要用途：(1)可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能；(2)高纯的晶体硅是重要的半导体材料；(3)金属瓷、宇宙航行的重要材料；(4)光导纤维通信，最新的现代通信手段；(5)性能优异的硅有机化合物。生产三氯氢硅的主要副产品四氯化硅也是制造有机硅的主要原料，它的制成品有硅酸酯、有机硅油、高温绝缘漆、有机硅树脂、硅橡胶和耐热垫衬材料等。高纯的四氯化硅还是制造高纯二氧化硅、无机硅化合物、石英纤维以及光导纤维的重要原料1.2三氯氢硅市场分析国三氯氢硅这几年开展速度，增长较快。随着我国经济的飞速开展，尤其是精细化工、有机硅产业、电子产品、光纤通讯等行业的快速开展，为三氯氢硅的生产和下游产品的开发提供了巨大的市场空间和机遇。随着我国有机硅产业的增长，随着太阳能电池行业的飞速开展，对三氯氢硅的需求量迅速增加。各地纷纷扩建三氯氢硅工程。中国太阳能学会秘书长孟宪淦介绍，国外对光伏产业的扶持表达在政策支持上，德国、美国、日本的政策指引最为有效，通过立法、购电补偿、税收抵扣、投资补贴等方面帮助光伏产业的开展。而我国目前尚未启动光伏产业政策，因此"两头在外〞的中国光伏产业必须在国外的供需不平衡中寻找生存空间。5年以后，实际可以利用的材料将为行业提供100GW的电池产能，所以到了2012年，多晶硅产能提高到达顶峰。如果能够改良和开发新的三氯氢硅生产技术，将取得原本依赖进口的巨大的国市场。1.3产品价格分析本工程根据本钱、产品性能、市场容量和我国现有三氯氢硅市场价格定位等综合因素，初步定价为：三氯氢硅：10000元/吨；四氯化硅：〔暂不计价〕付产盐酸：少量，价值较低，暂不计价。第二章三氯氢硅的生产工艺2.1硅氢氯化法

该方法是用冶金级硅粉或硅铁、硅铜作原料与HCl气体反响，可使用Cu或Fe基催化剂，反响在200-800℃和0.05-3MPa下进展，反响式如下：

2Si+7HCl→HSiCl3+SiCl4+3H2

(1)

该反响所用反响器经历了从固定床、搅拌床到流化床的开展过程，工艺也从间歇开展到连续。反响器由碳钢制成，预先将Si粒子参加反响器，加热至所需温度后，从底部连续通入HCl气体，产物及未反响原料被连续输出，经除尘、精制后，用于生产高纯多晶硅或高纯硅烷。

上述反响是放热反响，反响热为－141.8kJ/mol。升高温度有利于提高反响速率，但同时导致HSiCl3的选择性下降。通过优化反响温度，可明显提高HSiCl3的选择率，例如在300-425℃和2-5kPa条件下使Si与HCl反响，产物以600-1000kg/h连续输出，HSiCl3的选择率高达80%-88%，副产物包括质量分数1%-2%H2SiCl2和1%-4%缩聚物，其余为SiCl4。

HCl气体中的水分对HSiCl3收率有很大影响，因此必须严格枯燥。Si与HCl生成HSiCl3的反响是零级反响，使用纯度大于99.99%的Si作原料时，HSiCl3的收率较低。Anderson等在一个微型反响器中用不同级别的Si作原料研究了上述反响，结果说明，冶金级Si原料中所含杂质Al对反响有催化作用，可使反响温度降低，HSiCl3收率提高。此外，Anderson和Hoel等研究还发现，Si原料中Cr和Mn的含量对上述反响有明显的影响。Cr对HSiCl3的选择性有正面影响，当原料中含有质量分数(3-1000)×10-5的Cr时，HSiCl3的选择性可提高15%-20%。但原料中的Mn却对Si的反响性和HSiCl3的选择性有负面影响，因此应将其质量分数降至1×10-4以下。

2.2

SiCl4－H2复原法

该方法是使SiCl4在Cu或Fe基催化剂存在下与Si和H2于400-800℃和2-4MPa条件下反响，n(H2)/n(SiCl4)＝0.6-2，反响式如下：

3SiCl4+2H2+Si→4HSiCl3

(2)

该反响为平衡反响，为提高HSiCl3收率，优选在有HCl存在下进展，n(HCl)/n(SiCl4)＝0.5-1。原料Si采用冶金级产品，通过预活化除去外表的氧化物后，可进一步提高HSiCl3的收率。

反响器采用流化床，为减少其磨损和腐蚀，其部可用Cr质量分数≥5%、Fe质量分数<4%、其他元素质量分数在0-10%的Ni－Cr－Mo合金制成，典型的牌号有Inconel®617，Inconel®65，Alloy®59，Alloy®T21等。通过在反响器中设置一系列水平挡板，可促进气体的再分布，加强气－固接触，使HSiCl3收率增加5%-8%。此外，该挡板还有助于减缓反响器的磨损和腐蚀，有利于延长反响器的寿命。通常利用外部供热装置向反响器部供热，假设采用频率1000-1500MHz的微波加热，可在不使用催化剂条件下，降低能耗并提高HSiCl3的收率。

在用上述方法生产HSiCl3时遇到的最大问题是催化剂的夹带流失和催化剂与Si粒子发生结块破坏流态化。第三章工艺方案和反响器型式确实定3.1三氯氢硅生产工艺本次设计采用硅氢氯化法，采用该工艺方法的原因，该方法原料易得，反响条件较为简单，转化率比拟高，满足我们设计要求。该反响所用反响器经历了从固定床、搅拌床到流化床的开展过程，工艺也从间歇开展到连续。反响器由碳钢制成，预先将Si粒子参加反响器，加热至所需温度后，从底部连续通入HCl气体，产物及未反响原料被连续输出，经除尘、精制后，用于生产高纯多晶硅或高纯硅烷。同时这种方法的产物纯度比拟高流程图如下：该工艺流程主要有已下几个环节，首先通入单质硅在280－300℃与HCI反响后得别离回收多余的反响物，然后再高温下和氢气反响得到到纯度较高的硅单质，加热至所需温度后，从底部连续通入HCl气体，产物及未反响原料被连续输出，经除尘、精制后，用于生产高纯多晶硅或高纯硅烷。这样得到的多晶硅纯度较高，可以满足工艺要求的单质硅，纯度较高，再通入反响器，进展工艺生产环节。

3.2反响器类型3.2.1流化床反响器流化床反响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，并进展气固相反响过程或液固相反响过程的反响器。在用于气固系统时，又称沸腾床反响器。流化床反响器在现代工业中的早期应用为20世纪20年代出现的粉煤气化的温克勒炉〔见煤气化炉〕；但现代流化反响技术的开拓，是以40年代石油催化裂化为代表的。目前，流化床反响器已在化工、石油、冶金、核工业等部门得到广泛应用。流化床反响器的构造有两种形式：①有固体物料连续进料和出料装置，用于固相加工过程或催化剂迅速失活的流体相加工过程。例如催化裂化过程，催化剂在几分钟即显著失活，须用上述装置不断予以别离后进展再生。②无固体物料连续进料和出料装置，用于固体颗粒性状在相当长时间〔如半年或一年〕，不发生明显变化的反响过程。与固定床反响器相比，流化床反响器的优点是：①可以实现固体物料的连续输入和输出；②流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反响；③便于进展催化剂的连续再生和循环操作，适于催化剂失活速率高的过程的进展，石油馏分催化流化床裂化的迅速开展就是这一方面的典型例子。然而，由于流态化技术的固有特性以及流化过程影响因素的多样性，对于反响器来说，流化床又存在很明显的局限性：①由于固体颗粒和气泡在连续流动过程中的剧烈循环和搅动，无论气相或固相都存在着相当广的停留时间分布，导致不适当的产品分布，降低了目的产物的收率；②反响物以气泡形式通过床层，减少了气-固相之间的接触时机，降低了反响转化率；③由于固体催化剂在流动过程中的剧烈撞击和摩擦，使催化剂加速粉化，加上床层顶部气泡的爆裂和高速运动、大量细粒催化剂的带出，造成明显的催化剂流失；④床层的复杂流体力学、传递现象，使过程处于非定常条件下，难以提醒其统一的规律，也难以脱离经历放大、经历操作。近年来，细颗粒和高气速的湍流流化床及高速流化床均已有工业应用。在气速高于颗粒夹带速度的条件下，通过固体的循环以维持床层，由于强化了气固两相间的接触，特别有利于相际传质阻力居重要地位的情况。但另一方面由于大量的固体颗粒被气体夹带而出，需要进展别离并再循环返回床层，因此，对气固别离的要求也就很高了。3.2.2固定床反响器又称填充床反响器，装填有固体催化剂或固体反响物用以实现多相反响过程的一种反响器。固体物通常呈颗粒状，粒径2～15mm左右，堆积成一定高度〔或厚度〕的床层。床层静止不动，流体通过床层进展反响。它与流化床反响器及移动床反响器的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反响器主要用于实现气固相催化反响，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。用于气固相或液固相非催化反响时，床层那么填装固体反响物。涓流床反响器也可归属于固定床反响器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。固定床反响器的优点是：①返混小，流体同催化剂可进展有效接触，当反响伴有串联副反响时可得较高选择性。②催化剂机械损耗小。③构造简单。固定床反响器的缺点是：①传热差，反响放热量很大时，即使是列管式反响器也可能出现飞温〔反响温度失去控制，急剧上升，超过允许围〕。②操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反响一般不宜使用，常代之以流化床反响器或移动床反响器。固定床反响器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。3.2.2管式反响器一种呈管状、长径比很大的连续操作反响器。这种反响器可以很长，如丙烯二聚的反响器管长以公里计。反响器的构造可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管填充颗粒状催化剂的填充管，以进展多相催化反响，如列管式固定床反响器。通常，反响物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填充段长与粒径之比大于100(气体)或200〔液体〕，物料的流动可近似地视为平推流〔见流动模型〕管式反响器返混小，因而容积效率〔单位容积生产能力〕高，对要求转化率较高或有串联副反响的场合尤为适用。此外，管式反响器可实现分段温度控制。其主要缺点是，反响速率很低时所需管道过长，工业上不易实现。管式反响器与釜式反响器还是有差异的，至于是否可以换回还要看你的反响的工艺要求和反响过程如何，一般的说，管式反响器属于平推流反响器，釜式反响器属于全混流反响器，你的反响过程对平推流和全混流的反响有无具体的要求？管式反响器的停留时间一般要短一些，而釜式反响器的停留时间一般要长一些，从移走反响热来说，管式反响器要难一些，而釜式反响器容易一些，可以在釜外设夹套或釜设盘管解决，你的这种情况，能否可以考虑管式加釜的混合反响进展，即釜式反响器底部出口物料通过外循环进入管式反响器再返回到釜式反响器，可以在管式反响器后设置外循环冷却器来控制温度，反响原料从管式反响器的进口或外循环泵的进口进入，反响完成后的物料从釜式反响器的上部溢流出来，这样两种反响器都用了进去。3.3反响器选择反响器的选择是一个很重要的环节，它决定了生产工艺的条件能否满足，经过计算选择了流化床反响器的优点，流化床的优点如下：：①可以实现固体物料的连续输入和输出；②流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反响；③便于进展催化剂的连续再生和循环操作，适于催化剂失活速率高的过程的进展，石油馏分催化流化床裂化的迅速开展就是这一方面的典型例子。在现代化工生产过程中流化床反响器被用的越来越为广泛。第四章物料衡算与热量衡算4.1总论本设计52000t/a工程使用HCl+Si在流化床中合成SiHCl3。在已确定化学生产工艺和流程后，通过对整个生产系统、生产车间，以及局部重要的生产单元进展物料衡算计算出主、副产品的产量，原材料的消耗定额、"三废〞排放量及组成，从而定量地评述初步设计所选择的工艺路线、生产方法及工艺流程在经济上是否合理，技术上是否先进。同时，在全工艺中伴随着物料从一个体系或单元进入另一个体系或单元，在发生质量传递的同时也伴随着能量的消耗、释放和转化。其中的能量变换数量关系可以从能量衡算求得，可以由此确定热负荷。再根据传热设备的热负荷大小、所处理物料的性质及工艺要求选择恰当的设备。总之，通过物料与能量衡算，可以为后续设计工作提供主要依据。4.2物料衡算物料衡算是根据质量守恒定律，利用某进出化工过程中某些物流的流量和组成，通过建立有关物料的平衡式和约束式，求出其他未知物流的流量和组成的过程。系统中物料衡算一般表达式为：系统中的积累=输入-输出+生成-消耗式中，生成或消耗项是由于化学反响而生成或消耗的量；积累量可以是正值，也可以是负值，当系统中积累量不为零时称为非稳定状态过程；积累量为零时，称为稳定状态过程。稳定状态过程时，可以简化为：输入=输出-生成+消耗对无化学反响的稳定过程，又可表示为：输入=输出工程依据化工设计中关于热量衡算的根本思想和要求，遵循根本规与实际工艺相结合的原那么，进展热量衡算书的编制。其中主要依据能量平衡方程：Qin——表示输入设备热量的总和；Qout——表示输出设备热量的总和；Ql——表示损失热量的总和。对于连续系统：Q—设备的热负荷；W—输入系统的机械能；Hout—离开设备的各物料焓之和；Hin—进入设备的各物料焓之和。计算基准温度及热力学数据由于在编制热量衡算书时借助于计算机辅助模拟流程设计文件Aspen-plus，因而计算基准温度及热力学数据直接采用软件嵌的物性数据库。物料衡算包括总质量衡算、组分衡算和元素衡算。各种衡算方法的适用情况，如表4-1所示。表4-1物料横算式适用围类别物料衡算形式无化学反响有化学反响总衡算式总质量衡算式适用适用总物质的量衡算式适用不适用组分衡算式组分质量衡算式适用不适用组分物质的量横算式适用不适用元素原子衡算式元素原子质量衡算式适用适用元素原子物质的量衡算式适用适用由于系统中存在化学反响，我们主要采用总质量衡算的的衡算方法，同时列出每种物料组分的质量流量便于查找和计算。4.3总工程核算4.3.1物料衡算由于混合物中各物质沸点相差很大，采用清晰分割法，为轻关键组分，为重关键组分，为轻组分，为重组分，该设计中假定和为非分配组分。因此精馏塔塔顶产物中，有99.8%的，0.2%的和，由于含量极低，全流程物料衡算中近似当作零来处理。根据：收率=转化率x选择性，得出转化率的围90%-100%，本次设计取的转化率为96%。根据的年产量为52000吨，每年工作时间为8000小时，那么质量流率为：精馏塔塔顶摩尔流率为：又精馏塔顶出口三氯氢硅所占质量百分比为99.8%，那么四氯化硅与杂质之和所占质量比为0.2%，其质量流率为：精馏塔塔顶摩尔流率大约为：参与反响的Si的摩尔流率：参与反响的Si的质量流率为：由硅的单程转化率为18%可得，硅的总摩尔流率为：那么总的硅质量流率为7545.28kg/h。QUOTE。由原料硅粉规格可知，硅粉中硅的质量分数为99.2%，原料硅粉的质量流率为：由反响过程中的氯元素守恒可得，参与反响的HCl中的氯摩尔数应等于生成物中的氯的摩尔数，参与反响的HCl摩尔流率为：那么HCl的质量流率为：由原料HCl规格可知，原料HCl中HCl的质量分数为98.7%，故原料HCl质量流率为：根据氢守恒计算反响生成氢气的摩尔流率为反响器出口SiCl4的摩尔流率为稳态时Si粉进料的摩尔流率为稳态时HCl气体进料的摩尔流率为4.3.2热量衡算工艺流程1.反响器进料口硅粉总热量2.反响器进料口氯化氢的总热量3.反响器出口总热量4.回流液总热量同理可得：5.反响的焓值反响器中发生如下几个反响：查阅相关资料知上述反响的反响热为，以参与反响的Si为基准，可算出：6.热损失取，那么：7.热负荷图工艺采用硅氢氯化法生产三氯氢硅，其合成工段流程图详见附图1。4.3.3物料参数及物料概况三氯氢硅工艺相关物料参数见表4-2。表4-2物性参数物质SiH2Cl2HClSiHCl3SiCl4相对分子质量28.0862.01670.90636.461135.453169.898熔点/℃1415-259.18-101-114.18-128.2-68.85沸点/℃2355-252.87-34.6-8531.857.65密度/g·cm32.3290.088g/L3.211.61.3311.5临界温度/K269.633.19417.15324.7479.1508.1物质SiH2Cl2HClSiHCl3SiCl4临界压力/MPa4861308313.59临界压缩因子0.3050.2490.277沸点/kJ·mol-10.916.1527.533103级硅粉主要成分：Si含量：>99.2%；Fe含量：≤0.3%；Al含量≤0.1%；Ca含量：≤0.03%；P含量：≤0.005%表4-3原料硅粉规格组分质量分数%Si99.2H2O0.28杂质0.54合计100表4-4原料氯化氢规格组分质量分数%HCl98.7Cl21H2O0.3合计100第五章流化床反响器设计5.1流化床反响器的工艺设计5.1.1设计参数本设计采用3103级金属硅，硅粉的粒径dp：100~150μm，计算中取dp=125μm。氯化氢气体黏度μ=2.8×10-5m·s-1，氯化氢气体在反响温度和压力下的密度为：氯化氢气体在反响温度和压力下的导热系数λ=0.029w/(m.k)。其他设计参数详见表5-1：表5-1流化床设计工艺参数硅粉粒径dp/m密度ρp/(kg/m3)比热CP/(kJ/kg·k)质量流量/(kg/h)1.25×10-423290.852335.23氯化氢粘度μ/(Pa·s)密度ρ/(kg/m3)比热C/(kJ/kg·k)质量流量/(kg/h)2.8×10-51.150.8151313.9085.1.2流化床反响器工艺设计计算5.1.2.1临界流化速度umf[1]当流体自下而上通过固体颗粒床层，到达一定速度时，固体颗粒产生相对运动，即为流态化。颗粒开场流动的最小速度称为临界流化速度，记为umf。对于小颗粒Rep<20时：对于大颗粒Rep>1000时：式中dp—颗粒平均直径，mρp—颗粒密度，kg/m3ρ—流体密度，kg/〔m·s〕μ—流体粘度，Pa·s假设本设计颗粒的雷诺数Rep<20，计算得：验算：所以该假设计算的临界流化速度符合要求。5.1.2.2最大流化速度ut[2]最大流化速度ut亦称颗粒带出速度。颗粒的带出速度也等于粒子的自由沉降速度，通过颗粒沉降速度的计算可以得到最大流化速度：，2＜Rep＜500，500＜Rep＜2×105式中dp—颗粒平均直径，mρp—颗粒密度，kg/m3ρ—流体密度，kg/〔m·s〕μ—流体粘度，Pa·s为了保证反响的进展和减少颗粒的带出量，以最小颗粒的粒径来算带出速度，即最大流化速度。假设最大流化速度时的雷诺数为2＜Rep＜500，计算得：验算：，2＜Rep＜500所以该假设计算的最大流化速度符合要求。5.1.2.3流化床操作速度u颗粒的临界流化速度和最大流化速度，决定了流化床操作速度的围，流化床反响器通常在比临界流化速度高的流速下操作。当流化床反响器在稍高于临界流化速度下操作时，可以减少颗粒间的磨损，降低能耗。但在低气速操作时，造成床层传热和传质性能较差。只有当反响速度较低、热效应不大、对传热要求不高的反响过程才能用较低的操作速度。相反，提高流化床操作速度可以增强颗粒循环流动，促进床层的传热和传质性能，改善流化质量。操作速度ut和临界流化速度umf之比称为流化数K，即取K=28【3】，那么流化床操作速度为:5.1.2.4起始鼓泡速度umb当流体气速超过临界流化速度umf后，床层开场流态化。当气速进一步增加，床层可出现气泡，此时床层高度会下降，出现气泡的最小速度称为起始鼓泡速度umb。对于气体—大颗粒系统，umb与umf一致，对于细粒子系统，umb与umf有显著的差异，umb的关联式有：所以代入数据有：那么起始鼓泡速度umb为：5.1.2.5床层直径D 氯化氢气体体积流量：因本次设计流化床的数目为4套,故流量为：流化层面积：流化段直径：，圆整为D=1.7m将圆整后的D=1.6m到原公式得实际操作速度5.1.2.6扩大段直径为了满足别离的要求和减少别离器的负荷，因此应满足混合气出口所夹带的颗粒直径尽量小。由于固体颗粒在流化过程中有粒子间的相互碰撞和粒子与器壁和部构件的碰撞而破粹，故粒子间的最小颗粒直径有所减少。因此取要求反响器带出的尘粒粒径不大于80μm。此粒子的带出速度为：先假设颗粒沉降属于滞留区，即雷诺数Re<2，其沉降速度用斯托克公式计算，即：验算:即结果在假设的围，无需再修正。因为有扩大段气体的体积流量与浓相段的体积流量相差不大，故设计时按体积流量不变。所以扩大段直径为：假设根据生产经历取扩大段的气速为操作气速的一半[4]，那么有：所以有对应的扩大段直径为：由上所得，为保证生产满足生产要求扩大段直径，圆整为：D1=3.2m。5.1.2.7床层膨胀比R由于u>umb的气固流化床,由于气流并非均匀地流过床层,一局部气体形成气泡经床层短路益出,粒子被分成许多群体作湍流运动,床层构造不均匀,一般均属于集式流化床设计所选用的硅粉粒径为A区粒子。由Stewart判据得：即流化床流化为鼓泡流化。所以在流化过程中气泡上升到的最大稳定气泡直径为dbmax：即床层不会出现节涌。此时床层膨胀比R:5.1.2.8空隙率εf由床层膨胀比，得,本设计中取εmf=0.5,那么5.1.2.9流化床高度①临界流化床层高度Hmf由化学动力学和操作特点得物料的气固接触时间为τ=8s，那么：②流化床层高度Hf③别离高度TDH由D=1.8m，u=0.2163m/s，查得TDH/D=0.7。那么THD=1.4m④扩大段高度H0由生产经历取H0=D1=3.2m。⑤锥底高度h1锥底：一般锥角为90°或60°，本设计中流化床锥角为90°，该封头为公称直径1800mm的折边锥形封头，按照标准，其高度为:H=1037mm。⑥椭圆形封头高度h2由以上计算，选用公称直径D1=3.2m的椭圆形封头，按照规定其厚度为20mm，那么其高度为：⑦过渡段的高度流化床反响段与扩大段之间为过渡段，为焊接强度的要求，取过渡段锥角度为a=158º。根据浓相段与扩大段直径有：所以H5=1.8m⑧流化床反响器总高度H圆整为H=11.3m5.1.2.10流化床床层压降△P由流化床的根本现象可知，当流体速度到达临界流化速度时，床层开场膨胀，床层压降将保持恒定，即:5.1.2.11流化床反响器中的传热流化床系统的传热过程可分为三局部：固体颗粒间的传热、气体与固体颗粒间的给热、床层和器壁或换热器壁间的给热。其中固体颗粒间的传热在传热过程中不起控制作用，设计中将不予考虑。①流体与颗粒间的传热颗粒在流体中运动的雷诺数为：固体在流体中的普朗克常数为：颗粒在流体中的努塞尔数为：所以有流体与颗粒见的传热系数为：②流体与器壁的传热流态化效率:又因为有床层膨胀比为R=1.2527，所以有颗粒在流体中的努塞尔数为：所以流体与颗粒间的传热系数为：③流化床层与浸没管的传热本设计采用垂直管束换热器，换热管平均径向位置rR=0.6，查得CR=1.65，由此可得：流体与浸没管之间的努塞尔数为：流体与浸没管之间的传热系数为：5.1.3流化床反响器工艺设计数据汇总由以上流化床反响器工艺设计计算数据汇总得表5-2。表5-2流化床反响器工艺设计数据临界流化速度umf7.7233×10-3m·s-1临界流化床高Hmf3.4600m最大流化速度ut0.8254m·s-1流化床层高度Hf2.81m流化床操作速度u0.3174m·s-1别离高度TDH1.4m流化数K28扩大段高度H03.2m起始鼓泡速度umb9.0407×10-3m·s-1锥底高度h1037mm气体体积流量V0.3174m3·s-1椭圆封头高度和h′1.02m流化层面积A2.1245m2总高度H11.3m流化段直径D1.8m流化床层压降3.9507×104Pa扩大段直径D13.2m流体与颗粒间的传热αp7.6094W/(m2·K)床层膨胀比R1.1716流化床与器壁的传热343.244W/(m2·K)空隙率εf0.5732流化床层与浸没管的传热2009.6W/(m2·K)5.2流化床部构件的设计5.2.1换热器流化床反响器的传热主要是床层与壁面及床层与设置在床层中的换热器壁面间的传热，设计流化床反响器的主要任务之一就是确定换热所需的传热面积。因此分别采用半圆管夹套换热器和列管换热器。该工艺的换热介质采用的是导热油。5.2.1.1列管换热器的设计本设计中采用的是列管式石墨换热器，其导热系数为λw=129W/(K·m)，石墨管的规格为ϕ25×3.0mm。导热油的物性及操作参数见表5-3。表5-3操作参数及导热油的物理性质进口温度T1/℃出口温度T2/℃床层温度T/℃定性温度t/℃密度ρ/kg/m3200250300225892比热Cp/(kJ/(kg•k))导热率λ/w/(m·k)黏度μ/Pa·s黏度μW/Pa·s总热量Q/(Kw)2.4990.10830.0005850.000451982.75因此，传热对数平均温差为：由热量平衡知，总传热量为：设总传热系数:K=335W/(m2·K)，那么传热面A为：换热管的根数：，圆整为n=44导热油的质量为：导热油的体积：导管的流速：管为：流体普朗克常数为：流体的努塞尔数为:所以有传热系数为：假设不考虑导热管两侧的污垢热阻，那么：与假设的K值相差不大，故假设K值可用。实际生产中一般将计算所得传热面积增大20%，所以实际传热面积为：设计采用的石墨换热管在流化床层的长度为lHfDTH6.0m，因此，需要换热管的根数：故至少需要306根换热管。根据实际排列共306根。由以上的计算结果的数据得汇总表5-4.表5-4换热器的结果汇总传热系数K/w·m-2·k-1335雷诺数Re10361理论传热面积/m220.56普朗特数Pr13.5理论管数n44努塞尔数Nu107.376多热油质导量kg/s3.96给热系数α1612.04导热油体积m3/s0.0044实际管数n52管速度m/s0.35615.2.1.2半圆管夹套换热器本设计考虑到传热工艺需要和焊接工艺需要，选择ϕ89的半圆管夹套，且选择相邻夹套间的距离为140mm。本设备由于采用单线头的方式把半圆管夹套缠绕在筒体，所以半圆管夹套的节距选为140mm。本设计中采用的是Q245R半圆管夹套换热器，其导热系数λw=45W/(K·m)，半圆管的规格为ϕ89×4.0mm。导热油的物性及操作参数见表5-5。表5-5操作参数及导热油的物理性质进口温度T1/℃200比热Cp/(kJ/(kg•k))2.499出口温度T2/℃250导热率λ/w/(m.k)0.1063床层温度T/℃300黏度μ/Pa·s0.000585定性温度t/℃225黏度μW/Pa·s0.00045密度ρ/kg/m3892总热量Q/(kJ/h)16364.1054因此，传热对数平均温差为：由热量平衡知，总传热量为：散热量按10%计算，那么需要由冷却介质取出的总热量为：导热油的质量为：导热油的体积：半圆管的截面积为：半圆管的导热油流速为：流体的雷诺数为：由于Re>10000，所以半圆管流体为湍流状态。流体的普朗特数为：流体的努塞尔数为：传热系数为：流化床反响段筒体的外径为：流化床反响段筒体的周长为：半圆管夹套在筒体上缠绕一周的周长为：半圆管夹套的平均弯曲直径为：传热系数的修正系数为：修正后的传热系数为：总传热系数为：半圆管夹套的传热面积为：半圆管夹套缠绕一圈的面积：半圆管夹套的圈数：即半圆管夹套的圈数为525.2.2部构件5.2.2.1气体分布器气体分布器是流化床装置的根本部件之一。气体分布器位于流化床底部，其作用是：一、支承全部的固体颗粒，防止漏料；二、是将反响气体均匀地送入流化床，保证良好的起始流化条件和稳定操作状态，起引发流化，维持床层颗粒连续运动和均匀分布气体的作用。其主要装置是气体分布板。分布器设计需满足以下要求：a．有助于产生均匀而平稳的流态化状态；b．必须使流化床有一良好的起始流化状态，保证分布器附近有一良好的气固接触条件；c．应能防止正常操作时的物料漏出、小孔堵塞与磨损。工业规模流化床的气体分布板主要型式是多孔板、泡罩、喷嘴等形式。按气体喷出方向分为直孔型和侧孔型两类。分布板能均匀布气，提供良好的初始流化条件，并能是流化床长期稳定操作。一般在分布板上均匀地分布许多小孔或锥帽。流体通过分布板时要求一定的阻力降，以防止在聚式流化过程中由于气体流量的波动出现不正常操作状态，起一定得阻力作用，亦即对已建立的良好流化条件保持较大稳定性。分布板的压降主要取决于开孔率，分布板的开孔率是指板上布孔的截面积与流化床床层截面积之比，以φ表示。分布板的开孔率直接关系到流化质量、床层压降和过程操作的稳定性。开孔率确实定，实际上就是决定分布板操作压力降的大小。在本设计中采用的是侧缝锥帽型分布板。风帽中心管直径为5mm。本设计中以稳定性压降法计算分布板开孔率，即取分布板压降△Pd为床层压降△P的10%。所以有分布板的压降为：因为有△Pd>350mm水柱，即气体分布板的压降满足要求，能够保证气体分布板正常工作。本设计选用锥帽侧缝式分布板:锥帽侧缝式分布板阻力系数为由气体分布板的压力降一般阻力公式得那么其开孔率为：此开孔率下的孔速度为：由得此开孔率下的孔数：取孔中心矩t=65mm，从圆心往外按等三角形排列，最外三层按同心圆排列，在三角形与圆之间空隙较大处补排几个孔。根据实际排列，共565孔。分布板的校验:分布板的开孔率为:此开孔率在分布板的开孔率换围，即此开孔率能保证良好的气速要求。为了防止分布板在长期运行过程中被堵塞，气体流过锥帽的缝隙速度必须大于或等于水平噎塞速度的两倍。水平噎塞速度为：风帽的缝隙面积为：f=πdfh式中df为缝隙外径，mm，本设计为44mm；h缝隙高度，m，本设计为0.6mm；缝隙速度：此处，υ缝>2υcs，所以这样的缝隙速度可以保证分布板不被堵塞。5.2.2.2挡板在床层中设置某种部构件以后，可以抑制气泡的成长并破粹大气泡，改善气体在床层中的停留时间分布，减少气体返混和强化两相间的接触。并能有效的使气固别离，减少气体在出流化床时对固体的夹带，能有效的降低旋风别离器的负荷。由于在流化床部安装了列管换热器，可以取到有效的抑制气泡的成长并破粹大气泡和强化两相间的接触等作用。为了在扩大段能有效的使气固别离，减少气体出流化床时对固体的夹带量。因此在过渡段和扩大段处设置挡板。为了使气体和固体在通过挡板前后保持均匀分布，因此挡板选多旋百叶窗式，挡板构造参数的经历数据选定如下：叶片厚度=3mm；叶片高度h=40mm；叶片倾角=45°；叶片间距S=35mm；A=0。挡板与器壁间的环隙量选为20mm。5.2.2.3气体预分布器气体预分布器是指当气体进入分布器之前，先将气体进展预分布，这样可以改善气体的分布，由此可增加分布板的临界开孔率，减少气体通过分布板的动力消耗。一般常采用的气体预分布器的主要形式有弯管式、开口式、同心圆锥壳式、锥底填充式等，其中弯管式及开口式气体预分布器应用最广。在本设计中采用弯管式气体分布器，选用90º弯管式气体预分布器，取管气速为15m/s。每台流化床气体的质量流量为：气体的体积流量为：那么管径为：，取d=200mm5.3流化床附件的选择5.3.1支座选择本设计中流化床反响器属于直立容器：根据实际情况、支座的适用围和构造型式特征，本设计选用B型耳式支座：/T4725-92，耳座B8。选用四个八号B型耳式支座，支座材料为Q235-AF，垫板材料为Q245R，支座质量为140.8kg，高度为600mm。支座尺寸见表5-6。表5-6八号B型耳式支座参数(mm)底板筋板垫板地脚螺栓l1b1δ1s1l2b2δ2l3b3δ3ed规格4803602614551038018720600167230M30耳座应力的校核[15]容器中心对耳座处的风载荷为:耳座的安装尺寸:计算支座承受的实际载荷Q：安装四个支座时,不均匀系数k=0.83，那么支座处圆筒所受的支座弯矩ML:筒壁的有效厚度为δe=16.2mm，由有效厚度δe和压力P，查得筒体材料的允许弯矩值为QUOTE30.3。所以有：ML=30.38kN·mm<[ML]=76.99kN·mm即支座处圆筒在耳座安装处所受的弯矩在筒体所选材料的允许围。故4个B8支座能够满足要求。为了保证安装时各支座在同一水平面上和各耳座的受力均匀和防止容器局部受载过大，将各耳座的底板连成一体组成圈座。5.3.2管材选择压力计接收〔采用标准压力〕，采用ϕ25×2.0mm的无缝钢管，法标记：HG20592法兰WN25-0.25FM20；温度计接收口：由管出口导线与热电偶液温度计相连，管口DN25mm法兰标记HG20592法兰WN25-0.25FM20；硅粉进料管：采用带颈对焊法兰：HG20592法兰WN50-0.25FM20；硅粉与回床罐硅粉的总量为：在输送固体颗粒是取固气比为8[18]，气体在管道的的流速取为12m/s。输送气体的质量为：气体的密度：输送气体的体积流量为：物料管径：圆整取公称直径为DN50mm，采用带颈对焊法兰：HG20592法兰PL50-0.25FM20HCl气体的进料管：每台流化床气体的质量流量为：气体的体积流量为：物料管径：圆整取公称直径为DN50mm，d=200mm采用带颈对焊法兰：HG20599法兰WN200-0.25FM20合成气的出料管：由物料衡算的出流化床的气体总质量为：气体的相对分字质量为：气体的密度：气体的体积流量为：由于合成气体出流化床后进入旋风别离器，为了保证旋风别离器能正常工作，取气体的流速为：u=18m/s。所以有合成气体出料管径为：圆整后取管的公称直径DN150mm，采用带颈对焊法兰：HG20599法兰WN150-0.25FM20流化床底端放渣管口：HG20599法兰WN400-0.25FM20。半圆管夹套导热油进料口：进油料口的体积：取导热油的进口速度为：u=2m3•s-1，进油口的直径为：圆整取进油口的公称径为DN150mm，采用带颈对焊法兰：HG20599法兰WN150-0.25FM20列管换热器的导热油的进料口：导热油的质量：m=3.15kg/s，由于列管的根数比理论的增加了一倍，为了保证换热列管能够满足换热要求，因此导热油的质量也增加为原来的2.5倍。因此导热油的质量为：因此导热油的体积为：由导热油的粘性和传送要求及导热油在管道流通的经济条件的决定下，所以取导热油的流速取为：u=0.5m/s，所以有导热油的接收直径为：150mm圆整取公称直径DN200mm，采用带颈对焊法兰：HG20599法兰WN200-0.25FM205.4流化床反响器的机械设计5.4.1流化床壁厚计算流化床的工作压力为p0=0.15MPa，设计压力为p=0.2MPa，工作温度t0=280~320℃，设计温度取t=350℃，那么该流化床为三类低压反响容器。由于反响物中含有氯化氢和氯气，为减少反响物对容器的腐蚀和磨损，根据以上条件，可采用Q245R低合金构造钢板作为流化床壳体材料，在t=350℃时其许用应力为[]350=139MPa。筒体的焊接方式采用双面对接焊，并做局部无损探伤检测，焊缝系数为=0.85；由于Q245R对此反响体系有抗腐蚀作用，故设计设备使用寿命为十年取腐蚀裕量C2=3mm，那么：〔1〕流化床流化层壁厚计算筒体的计算厚度：筒体的设计厚度：根据设计厚度和钢板规格查得钢板负偏差为C1=0.5mm，那么钢板的名义厚度，圆整为δn=6mm。筒体的有效厚度：容器壁压力校核：即所选的筒体厚度满足要求。按照实际生产情况需要，以及行业标准，该工艺的流化床的壁厚至少取18mm，所以δn=18mm。〔2〕流化床扩大段筒体的壁厚计算筒体的计算厚度：筒体的设计厚度：根据设计厚度和钢板规格查得钢板负偏差为C1=0.6mm，那么钢板的名义厚度，圆整为δn=8mm。筒体的有效厚度：容器壁压力校核：即所选的筒体厚度满足要求。按照实际生产情况需要，以及行业标准，该工艺的流化床的壁厚至少取20mm，所以δn=20mm。5.4.2封头厚度计算该流化床的上封头为标准椭圆形封头，下封头为锥角为90°的圆锥形封头，流化床顶封头为标准椭圆形封头。〔1〕上封头厚度〔扩大段的封头〕封头的计算厚度：标准椭圆形封头的形状系数K=1封头的设计厚度：根据设计厚度和钢板规格查得钢板负偏差为C1=0.6mm，那么名义厚度为：，圆整为δn=8mm有效厚度：一般情况下，当K≤1时椭圆形封头的有效厚度δe应不小于0.0015Di，而椭圆形封头K=1，且，所以以上计算的封头厚度不适宜；假设取，那么：所以上封头的厚度可以取10mm。应力校核：即所选的筒体厚度满足要求。按照实际生产情况需要，以及行业标准，上封头厚度取。〔2〕下封头厚度设计[18]：该设计中的下封头采用的是带折边的锥形封头，其半顶角α=45º。①带折边锥形封头大端过渡局部设计厚度：式中K为过渡局部形状系数，与r/Di及α有关。对于α=45º的标准折边封头，r=0.15Di，K值为0.8181。那么过渡局部壁厚为：②大端锥体局部设计厚度：式中f为锥形封头形状系数，与r/Di及α有关。对于α=45º的标准折边封头，f值为0.645。那么锥体局部的壁厚为：③小端过渡区局部设计厚度：由,α=45º查得系数Q=4.3小端的设计厚度：小端的接口工程直径为400mm，即有Dsi=400mm通常折边封头由同一厚度的钢板制成，因此应取上述所得数值较大者即锥体局部的厚度作为折边锥形封头的厚度。所以折边锥形封头壁厚δd=4.9670mm，钢板厚度负偏差取C1=0.5mm，那么下封头的名义厚度为：,圆整为δn=6mm按照实际生产情况需要，以及行业标准，下封头厚度取δn=18mm。〔3〕顶封头厚度设计〔油箱筒体的封头〕：封头的计算厚度：标准椭圆形封头的形状系数K=1封头的设计厚度：根据设计厚度和钢板规格查得钢板负偏差为C1=0.5mm，那么名义厚度为：，圆整为δn=6mm。封头的有效厚度：一般情况下，当K≤1时椭圆形封头的有效厚度δe应不小于0.0015Di，而椭圆形封头K=1，且，所以以上计算的封头厚度不适宜；假设取δn=8mm，那么，所以上封头的厚度可以取18mm。应力校核：即所选的筒体厚度满足要求。按照实际生产情况需要，以及行业标准，上封头厚度取δn=18mm。5.4.3容器的开孔与补强化工容器开孔并接有短管的构造，因开孔使器壁受到削弱，容器与接收连接构造的不连续及拐角处的不等截面过度，使得接收部位的应力远大于壳体中的薄膜应力。这种由于开孔接收的原因，在器壁的局部围出现的应力集中，壳体局部的强度削弱。因此在设计时必须考虑采取适当的补强措施。通过补强，降低开孔边缘处的应力集中系数。〔1〕合成气的出料口管的补强①材料的许用应力筒体材料为Q245R在设计温度下的许用应力接收材料为20在设计温度下的许用应力接收附加量为C=3mm②补强及补强方法判别a．补强判别根据GB150规定，允许不另行补强的最大接收外径为ϕ89mm。此开孔外径等于159mm，故需考虑其补强计算。b．筒体的开孔直径为：因为：所以满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积补强法进展开孔补强计算③开孔削弱所需补强面积a．筒体的计算厚度为：b．开孔削弱所需补强面积强度削弱系数：接收有效厚度为：开孔削弱所需要的补强截面积为：④有效补强围a．有效宽度有效宽度取上面两式中的较大值，故有B=306mmb．有效高度外侧有效高度h1=实际外伸高度=200mm外侧有效高度取上面两式中的最小值，故h1=30.30mm侧有效高度h2=实际外伸高度=0mm侧有效高度取上面两式中的最小值，故h2=0mm⑤有效补强面积a．筒体多余金属面积筒体的有效厚度为：壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积为：b．接收多于金属面积接收的计算厚度为：接收有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：c．补强区焊缝面积取焊脚为6mm，因是平齐管所以有焊缝面积为：d．有效补强面积e．所需补强面积因为有A4<0，所以开孔后不需要另家补强。〔2〕HCl气体进料管的补强①材料的许用应力筒体材料为Q245R在设计温度下的许用应力[σ]t=139MPa；；接收材料为20在设计温度下的许用应力[σ]tt=92MPa接收附加量为C=3mm。补强及补强方法判别a．补强判别根据GB150规定，允许不另行补强的最大接收外径为ϕ89mm。此开孔外径等于219mm，故需考虑其补强计算。b．筒体的开孔直径为：因为：所以满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积补强法进展开孔补强计算开孔削弱所需补强面积a．筒体的计算厚度为：锥形封头形状系数f为0.645b．开孔削弱所需补强面积强度削弱系数：接收有效厚度为：开孔削弱所需要的补强截面积为：有效补强围a．有效宽度有效宽度取上面两式中的较大值，故有B=418mmb．有效高度外侧有效高度h1=实际外伸高度=200mm外侧有效高度取上式的最小值，故h1=40.89mm侧有效高度h2=实际伸高度=0mm侧有效高度取上式中最小值，故h2=0mm⑤、有效补强面积a．筒体多余金属面积筒体的有效厚度为：壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积为：b．接收多于金属面积接收的计算厚度为：接收有效厚度减去计算厚度之外的多余面积c．补强区焊缝面积取焊脚为6mm，因是平齐管所以有焊缝面积为：d．有效补强面积e．所需补强面积因为有A4<0，所以开孔后不需要另家补强。其余接收均满足GB150的规定可允许不另行补强的要求。5.4.4流化床质量载荷上封头质量：上封头为标准椭圆形封头，公称直径DN=4000mm，钢板厚度为20mm，查表可知该规格的椭圆形封头质量为m1=2750kg。流化床筒体质量：流化床筒体公称直径DN=1800mm，钢板厚度为18mm，查表可知1米的筒节钢板质量为897kg，那么其质量为m2=897×6.0=5382kg。扩大段筒体质量：扩大段筒体公称直径DN=3800mm，钢板厚度为20mm，查表可知1米的筒节钢板质量为1884kg，那么其质量为m3=1884×3.4=6405.6kg。过渡段质量：根据估算其质量为m4=3225kg。下封头质量：下封头为折边锥形封头，公称直径DN=1800mm，钢板厚度为18mm，查表可知该锥形封头质量为m5=630kg。缩小段的质量〔油箱及其附属构造的筒体〕：公称直径DN=1800mm，钢板厚度为18mm，其质量为：m6=1438kg。顶封头的质量：顶封头为标准椭圆形封头，公称直径DN=1800mm，钢板厚度为18mm，查表可知该规格的椭圆形封头质量为m7=540kg。附属设备总质量取m8=16800kg。那么流化床的总质量为：5.4.5流化床强度及稳定性校核流化床的有效厚度由于按照实际生产情况需要以及行业标准，该工艺的流化床的壁厚至少取20mm，所以流化床的有效厚度为流化床危险截面的轴向应力在本设计中，以流化床层段与稀相扩大段连接处的截面为危险截面，那么：床体受设计压力p引起的轴向应力：设备操作时质量引起的轴向压应力：操作时设备危险截面以上的质量为：m0=26000kg所以有：风载荷引起的弯曲应力：〔3〕流化床稳定性校核①、组合压应力筒体轴向压缩稳定许用应力为：式中Et—筒体材料在设计温度下的弹性模量，MPaR1-1—同体的半径，mmδe—同体的有效厚度，mm所以有：在停工情况下将出现最大组合轴向压应力，所以最大组合轴向压应力为：所以该流化床的危险截面满足抗压强度及轴向稳定条件。②、材料在设计温度下的最大允许组合拉应力为：在正常操作的情况下将出现最大的组合拉应力，所以最大的组合拉应力为：已满足抗拉强度条件。〔4〕气压试验强度校核在该流化床中参与反响的物质形态为气体和固体，且反响过程中不存在液体，所以该流化床需进展气压试验：流化层段的气压实验：压容器试验压力PT：气压试验强度条件σT：由该强度条件可知，筒体厚度满足气压试验时的强度要求。扩大层段的气压实验压容器试验压力PT：气压试验件σT由该强度条件可知，筒体厚度满足气压试验时的强度要求。5.4.8流化床反响器机械设计数据汇总由以上计算数据汇总得表5-7：表5-7流化床反响器机械设计数据流化床壁厚δn18mm风弯矩M0w-03.14×107N·mm流化床有效壁厚δe16.2mm地震弯矩M0E-06.13×108N·mm上封头壁厚20mm轴向应力σ111.7284MPa下封头厚度18mm轴向压应力σ21.2688MPa质量载荷m36670.6kg弯曲应力σ30.1709MPa流化床第一分层段风力P11799.28N组合压应力σmax1.4396MPa第二分层段风力P23212N组合拉应力σmax10.6305MPa第三分层段风力P37732.62N流化段气压试验σT22.7678MPa第四分层段风力P41972.8N扩大段气压试验σT42.65MPa第六章平安与环保设计说明在三氯氢硅生产的各个工序中，为防止火灾、中毒，要严格执行各项消防平安制度，严格控制工艺指标，严格操作规程。加强对设备管道的维护保养，严防跑、冒、滴、漏。具体预防措施如下：

1、火源管理。在生产中进展检修时使用的工具应该是不产生火花的工具，严禁用铁器敲打设备或管道，工作人员应穿棉制品工作服。生产和贮罐区制止明火，生产中动火要严格执行有关平安管理制度。

2、防止跑、冒、滴、漏。生产过程中产生的大都是易燃易爆有毒物质，生产设备、工艺管道和贮罐如果发生泄漏极易酿成火灾、爆炸和中毒事故。因此，日常工作中要做好平安检查，不留死角，设备要定期检修，发现问题及时采取补救措施，修复存在跑、冒、滴、漏的部位。

3、配置应急工具和消防设施。应该配备一定数量的防毒面具、自给式空气呼吸器、手套、堵漏工具。应急队的人员要经常进展演练，熟练掌握各种情况下的堵漏方法和处置措施。贮罐区常备干