2019年第十三届全国大学生化工设计竞赛作品湖北工业大学作品中石化集团四川维尼纶厂分厂年产8万吨醋酸乙烯酯项目3-设备设计及选型说明书.docx
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1、2019年“东华科技恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛中石化集团四川维尼纶厂分厂年产8万吨醋酸乙烯酯项目设备设计及选型说明书湖北工业大学 易燃易爆队指导老师:唐强孙丹范明霞闵捷胡兵团队成员:余文卉陆江锋鲁佳丽严静兰张枫楷目录第一章反应器的选型41.1 设计目标41.2 催化剂的选取41.3 反应动力学说明61.4 反应条件的选择71.5 反应器的选型91.6 反应器结构设计111.7 换热任务核算141.8 反应器构件的设计161.9 反应器设计小结191.10 反应器的机械强度校核191.11 反应器的条件图34第二章塔设备设计352.1 塔设备设计依据352.2 塔设备概述和设计要
2、求352.3 塔的分类和比较362.4 醋酸乙烯酯精徳塔的设计(T501) 372.5 塔机械结构设计与校核46第三章换热器的设计选型643.1 换热器设计依据643.2 换热器概述643.3 换热器类型643.4 换热器的选型说明673.5 换热器选型实例:E101733.6 换热器选型实例:E20396第四章泵的设计1204.1 概述1204.2 泵的类型和特点1204.3 泵的选型原则1214.4 泵的选型(以泵P301为例)1244.5 选型结果1254.6 泵的选型结果览表128第五章气液分离器的选型1295.1 设计依据1295.2 气液分离器的分类1295.3 设计目标1305.
3、4 气液分离器的设计(以F202为例)1305.5 气液分离器的设备选型览表133第六章储罐、回流罐选型1346.1 选型依据1346.2 储罐类型1346.3 储罐系列1346.4 选型原则1356.5 HAc 储罐1366.6 VAc 储罐1376.7 乙族储罐1386.8 乙醛储罐1396.9 回流罐选型1406.10 储罐的机械强度校核141第七章气体运输机械的选型1557.1 概述1557.2 压缩机的类型1557.3 压缩机的选型原则1567.4 风机的分类1577.5 气体运输机械的选型(以C101为例)1577.6气体运输机械的选型结果览表158第一章反应器的选型1.1 设计目
4、标反应器是工程设计中的核心,典型的非标设备。因此,化学反应器的选型、 设计计算和最优化操作条件的选择是化工设计中的重中之重。反应器的设计主要 任务是对筒体壁厚、封头壁厚、管板厚度、法兰复核、内构件、管口进行准确设 计以及强度校核,并且列出反应器的设计压、设计温度、设备直径及计算长度。反应器为艺流程中反应进行的场所,主要需要满足:1)反应器满足化学动力学和传递过程要求,反应速度快、选择性好、转化 率髙、目的产品多、副产物少;2)反应器有良好的传热能力,能及时有效的输入或输出热量,维持系统热 量平衡;3)反应器有足够的机械强度和耐蚀能力,足够的壁厚,能承受反应压, 安全可靠;4)反应器结构满足反应
5、发生的要求,保证反应充分,有理想的收率,降低 副反应的反应发生水平;5)反应器制造容易,安装检修方便,生产周期长。1.2 催化剂的选取1.2.1 催化剂活性组分乙焼气相法是合成醋酸乙烯酯业的主要方法,自1922年德国Wacker公司 开发该技术以来,业上一直采用活性碳负载醋酸锌为催化剂,该艺具有路线 简洁、基础建设投资少和催化剂易于合成等优点。在常压、443503K反应条件 下采用椰壳活性炭作为催化剂载体负载醋酸锌,催化剂的活性组分是醋酸锌,乙 烘和醋酸反应,经过冷凝、精億等过程得到醋酸乙烯酯。尽管就催化活性而言: Hg ( II ) BiCdZnNiMgCoFeCaBa,综合比较催化活性、原
6、 料价格和催化剂回收难度等因素,Zn作为一种优选活性组分依然被广泛应用。 因此,业上目前主流采用原料易得、制备简单、容易处理、活性良好和价格便 宜的醋酸锌为主催化剂,以下是其他含锌活性组分的比较。表!-1其他含锌组分催化剂的比较活性组分优点存在的问题18ZnO- V2 O5 ZnO-2Fe2 O3 等活性高1 .反应温度高(约250。)、活性下 降快、成本高2 .部分ZnO转化成醋酸锌造成损 失3 .未成功实现工业化ZnO-ZnCl2 /AC活性高、不易流失1 .催化剂制备产生NOx污染环境2 .ZnCl2含C对设备产生腐蚀性ZnO,ZnC12,PbO/硅胶初活性较好硅胶活性差1.2.2催化剂
7、载体活性炭(AC)是传统乙块气相法制醋酸乙烯酯催化剂载体,主要成分是炭, 此外还有少量H、0、N、S和灰分。活性炭是将原料经过炭化后再活化而得,由 于原料和制法不同,可得到不同比表面的活性炭。活性炭常用作固定床催化剂的 载体,由于其机械强度稍差,在反应过程中易结焦阻塞活性炭通道,催化剂难以 回收,同时活性炭载体的品种和制备艺也会影响催化剂性能。世界各国研究者 为新型载体的开发所做出的研究成果如下表。表1-2新型载体开发研究载体主要结论Y-A12 o3活性氧化铝比表面大、孔隙率高、抗高温。相同的空速与乙焼、醋酸摩尔比下,需要反应温度更高(200C)才能获得较高的Vac产率树脂基衍生炭机械强度高,
8、综合性能较好,较佳反应温度为160220介孔分子筛 醋酸锌不易流失,能有效地抵制积碳的发生,稳定性好,寿命 长,活性高,尽管相关项目组对其水热稳定性有研究,降低了 其生产成本,但对于投入工厂生产,价格还是昂贵多孔炭小球 外表均匀、表面光滑、形状规整、传质、传热好,活性高,机械强度高,可重复利用有序介孔碳实验室研究阶段,未体现出良好的催化活性由表1-2可知,多孔碳小球载体更适用于业生产的需要,根据催化剂对反 应转化率和时空收率的比较,催化剂醋酸锌/多孔碳小球更适用本反应。根据将永州、何林等人的实验研究成果,选取催化剂载体炭小球比表面积 1075 m7g,孔容0.5426 cm3/g,粒目为20-
9、40目,负载醋酸锌的质量分数32.05%, 其比表面积为611 m/g,孔容为0.3357cn?/g,硬度90%。Zn(Ac)2 /SAC催化剂失活原因:(1)局部高温、反应气流对催化剂表面的 冲刷等均会造成醋酸锌的部分流失;(2)催化剂表面含氧官能团在反应过程中逐 渐减少,也会使其活性降低。1.3反应动力学说明1.3.1 反应机理13.1.1 主反应CH=CH+CH3 COOHCH3 cooh=ch2日本学者古川认为,首先,乙块先与活性中心配位形成兀络合物,然后该络合物 发生重排,生成。络合物,这种络合物进而经过分解生成醋酸乙烯酯。反应机理为:1 .乙烘在醋酸锌上化学吸附,并生成T1络合物C
10、H三CH + Zn(OCOCH3)2 HC+=CH-Zn-(OCOCH3)22 .兀络合物发生重排生成。络合物HC+=CH-Zn-(OCOCH3)2-*(OCOCH3)-HC=CH-Zn(OCOCH3)3.0络合物与醋酸反应生成醋酸乙烯酯(OCOCH3)-HC=CH-Zn(OCOCH3)+CH3 COOH-CH2=CHOCOCH3+Zn(OCOCH3)213.1.2副反应机理(1)乙醛的生成乙焕与水作用:C2 H2 +H2 O-CH3cH醋酸乙烯酯水解:CH3coOCHCH3+H2O-CH3cHO+CH3coOH二醋酸亚乙酯分解:CH3cH(OCOCH3)2tCH3cHO+(CH3c0)2O(
11、2) 丁烯醛(巴豆醛)的生成由乙醛生成:2cH3cH一CH3cH=CHCHO+H2。乙块与乙醛作用:HC三CH+CH3cH一CH3cH=CHCHO(3)丙酮的生成由醋酸生成:2cH3coOHtCH3coeH3+CO2+H2O醋酸锌分解:Zn(OCOCH3)2-CH3coeH3+CO2+Z11O(4)二醋酸亚乙酯的生成由乙块与过量的醋酸作用:CHWH+2cH3coOHCH3cH(OCOCH3)2(5)酸酎的生成醋酸脱水:2cH3coOH(CH3co)2O+H2O二醋酸亚乙酯分:CH3cH(OCOCH3)2一(CH3c)2O+CH3cH醋酸锌分解:Zn(OCOCH3)2(CH3c)2O+ZnO1.
12、3.2主反应的动力学方程A. E. Cornelissen,古川等认为该反应控制步骤为乙块在催化剂表面上的吸 附,在众多的反应机理中,以乙块的化学吸附为反应控制步骤的机理被众多学者 认可。反应对醋酸近似为零级,对乙块近似为级,其嘉函数反应速率方程可以 写为:rVAC kPc也查阅文献,本项目所采用的反应动力学方程为:r = 4.3239 XJ产叫的/.s)1.4 反应条件的选择1.4.1 反应温度的选择以C2 H2体积空速300h,C2 H2 /HAc摩尔比6,催化剂中醋酸锌负载量(质 量分数)为32.05%的反应条件下,不同反应温度的影响如表1-3所示。在温度 为170-18(TC时,HAc
13、的转化率增加并不明显,仅提高了 1.29%,但180后催 化剂的活性迅速增加,当温度为220C时,HAc的转化率达到24.72%,为170c 的3.59倍,之后,随反应温度的增加,HAc转化率逐渐减慢,220C时比210C 增加2.52%, 230C则只比220C增加了 1.59%随着反应温度的增加,反应副产 物如丙酮、丁烯醛、乙醛等的质量分数也有所增加,逐渐影响了产品质量,同时 不饱和化合物的聚合反应及醋酸锌的升华均加居,因而失活速率常数变大,催化剂 的寿命缩短,同时,反应温度越高对反应设备要求也越高,故一般反应温度不超 过220C,适合选取反应器温度为220C。表!-3不同温度下醋酸的转化
14、率温度产物中各物质质后分数/%醋酸 转化 率/%时空收率/(g emLd1)醋酸 乙婦醋酸乙醍丙阳丁烯酸1709.5790. 120.0220.2720. 0126.880. 3518011.3188.270.0470.3580. (X)88.170. 4319017.9281.400.0850.5790. 00913.220. 7020023.5575.590.1780.6640. 01417.690.9121029.0369.950.2190.7430.03822.201. 1522032.0066. 780.2130.8940. 10324.721.2823033.8564.700.32
15、40.9550. 16626.311.321.4.2 反应物摩尔比的选择乙焼与醋酸摩尔比与醋酸转化率和时空收率的关系如图1-1所示,综合考虑 醋酸转化率和时空回收率随反应物摩尔比的影响,反应物的摩尔比在2.5: 1时, 醋酸转化率和时空回收率都有较好的收益。本项目采用摩尔比2.5: 1。图1-1乙块与醋酸摩尔比与醋酸转化率和时空收率的关系1.4.3 反应压根据平衡移动原理,乙块气相合成醋酸乙烯酯是一个分子体积减小的反应,压 力适当升高有利于合成反应的进行,可提高产率;但压力增高也增加了乙块分解 和发生事故的危险,因此我们选择在接近常压的1.5bar下进行反应。1.5 反应器的选型乙块气相法合成
16、醋酸乙烯酯是气固催化反应,即由固体催化剂催化的气相反 应。其反应器目前主要有流化床和固定床两类。反应器选型主要以反应的转化率、 选择性、反应热方法、催化剂的性能和寿命等方面综合考虑选择。流化床优点:催化剂在反应器中连续,混合均匀;可连续移除失活或部分失活催化剂,并补充新催化剂,反应过程连续进行;流化床反应器具有较高的传质传热速率,催化剂床层温度分布均匀,使催化 剂由于过热而引起的失活减少到最低限度,可延长催化剂使用寿命。流化床缺点:催化剂颗粒在流化床反应器内的激烈运动使催化剂磨损较大,需要采用耐磨 的活性炭(如椰壳碳)作载体,同时反应装置及内部物件的磨损也较大;使用的颗粒较小,反应器出口需设颗
17、粒回收装置,气体携带的粉尘也给后处 理造成困难;床内气体以气泡形式通过床层造成流化床反应器的空时产率往往比固定床 低。因此,在要求反应转化率高或串联反应中间生成物为产品时,不宜采用流化 床反应器。固定床优点:适用于要求高转化率和高选择性的反应;化学反应速度很快,所需要的催化剂用量和反应器体积小;固定床中催化剂不易磨损,可在高温高压下操作。固定床缺点:传热性能较差。本设计所用催化剂为炭小球,耐磨损性能不是很好,而且其价格不适用于流 化床艺,因此本设计选择固定床工艺。在设计固定床反应器的时候,要解决好其热稳定性的问题,就要在固定床的 换热上面下功夫。本工艺选择了一种新型的具有三套管结构的固定床反应
18、器,可 以通过改善反应器的换热方式从而提高反应器的换热能力。该新型列管式固定床反应器的每只管束为三套管结构,套管间隙装填催化剂 形成催化剂床层;内管两端封闭,侧壁开孔通过管道与反应器壳程相连,实现将 反应物与冷却介质的隔离。反应物气体由上封头进入催化剂床层,带有产品的混 合气由床层侧壁导出。冷却介质分两部分进入反应器,一部分经壳程来冷却催化 剂床层;另一部分经导管自下而上进入内管,到达封闭的内管顶部后向下折流来 冷却催化剂床层,从而实现了冷却介质自内外两侧对催化剂床层进行冷却。与通 常所使用的固定床反应器单管结构相比较,这种新型的换热结构可增加传热面 积,缩短床层的传热路径,从而能提高反应器的
19、换热能力,降低管程温度分布的 不均匀度,降低热点的温度,继而提高生产效率。三套管反应器所需的反应管根 数迅速减少,同时,适当地增加反应管管径,降低了对机械设计和制造方面的苛 刻要求,同时降低了反应器的制造成本。r的入n图1-2新型列管式固定床反应器的结构简图1.6 反应器结构设计1.6.1 反应物流参数表1d反应器进料口物料组成项目反应器进料进料组成(摩尔分数,%)相态Vapor Phase温度()193压(bar)1.51325乙焼(kmol/hr)499.28030.7039337醋酸(kmol/hr)199.99150.2819673醋酸乙烯酯(kmol/hr)1.32E-051.86E
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