化工设计竞赛3-1 反应器设计说明书(0001).doc

乙炔法制备六十万吨/年醋酸乙烯酯项目 反应器设计说明书 PAGE2 / NUMPAGES2 中国石油大学（北京）化成天下团队 反应器设计说明书目录 TOC \o 1-3 \h \z \u 反应器设计说明书 第一章 反应器设计 3 1.1 设计目标 3 1.2 设计条件 4 1.2.1 反应机理 4 1.2.2 催化剂 5 1.2.3 操作条件 9 1.3 类型选取 11 1.3.1 类型介绍 12 1.3.2 选型依据 15 1.4 尺寸条件设计 17 1.4.1 列管 19 1.4.2 反应器壁 23 1.4.3 取热设计 28 1.5 附件设性 31 1.5.1 接管 31 1.5.2 气体分布器 32 1.5.3 支座 34 1.5.4 法兰 35 1.5.5 拉杆 35 1.5.6 连接结构 36 1.5.7 保温层 36 1.5.8 管板 36 1.6 创新设计 37 1.6.1 换热介质 37 1.6.2 换热面积校核 39 1.6.3 折流板设计 40 1.6.4 导流装置设计 43 1.7 设计条件及结构参数一览表 48 1.8 强度校核 49 1.9 设备条件图 71 第一章 反应器设计 化学反应器是将反应物通过化学反应转化为产物的装置，是化工生产及相关工业生产的关键设备。由于化学反应种类繁多，机理各异，因此，为了适应不同反应的需要，化学反应器的类型和结构也必然差异很大。反应器的性能优良与否，不仅直接影响化学反应本身，而且影响原料的预处理和产物的分离，因而，反应器设计过程中需要考虑的工艺和工程因素应该是多方面的。 本项目以天然气裂解法制得乙炔进一步合成醋酸乙烯酯，包括空分工段、乙炔生产工段、醋酸生产工段和醋酸乙烯酯生产工段，该工艺流程简单并且实现了天然气中碳原子的高效利用，热量耦合工艺做到了从工艺上节能的目标，并且污染物均进行了相应减量化、资源化和无害化处理，符合绿色化学的要求。本设计就醋酸乙烯酯合成反应器进行详细设计和改进，在满足基础生产要求的目标下实现高效的生产目标。对结构选型并进行详细的工艺计算，最终确定的反应器设备在满足结构合理性的基础上，实现了温度分布、浓度分布及反应时间等化工工艺参数的控制要求，使得产品质量和性能得到保障。 1.1 设计目标 反应器是工程设计中典型的非标设备，是整个项目的核心内容，故反应器的准确设计在工程设计中起着重要的作用，本次设计主要参考《化工工艺设计手册》、《压力容器手册》、《过程设备设计与选型基础》、《化工原理》等相关资料，对反应器进行了筒体壁厚、封头壁厚、管板厚度、法兰复核、内构件设计、管口设计以及强度校核，并且列出了反应器的设计压力、设计温度、设备直径及计算长度。 反应器为工艺流程中反应进行的场所，主要需要满足： （1）反应器有良好的传热能力； （2）反应器内温度分布均匀； （3）反应器有足够的壁厚，能承受反应压力； （4）反应器结构满足反应发生的要求，保证反应充分； （5）反应器材料满足反应物腐蚀要求； （6）保证原料有较高的转化率，反应有理想的收率； （7）降低反应过程中副反应发生的水平。 以下就醋酸乙烯酯合成反应器设计为例进行说明。 1.2 设计条件 设备设计条件由Aspen模拟结果和实际工业数据以及部分设计经验值给出，以保证设计过程的真实可靠以及代表性。在本设计中考虑到同传统相比反应物流量和产品产量大大增加，在取热设备方面需要进一步设计改良以满足反应需要，下面就反应机理、催化剂和操作条件三方面进行详细说明。 1.2.1 反应机理 由于乙炔法合成副反应较多并且许多中间产物难以检测，因此目前醋酸乙烯酯合成反应难以完全确定反应机理，目前学术界中最受到认可的主要有以下三种方式： 1. 酸催化机理 这种反应机理认为，反应要经过乙烯基阳离子的生成。在醋酸锌的作用下醋酸分子发生解离，生成的H+和乙炔分子加成生成乙烯基阳离子，乙烯基阳离子再与醋酸根阴离子反应生成产物醋酸乙烯酯。 反应的方程式如下： 1）醋酸脱氢 C 2）氢离子与乙炔分子加成 CH 3）乙烯基阳离子与醋酸根阴离子反应生成醋酸乙烯酯 C 2. Peter Kripylo机理 Peter Kripylo认为，在乙炔气相法生产醋酸乙烯酯的过程中乙炔的吸附是速率控制步骤，这种观点是基于如下事实： 1）醋酸锌/活性炭对于HA的化学吸附速率高并且吸附量大，而对乙炔的吸附速率很低。 2）在185℃时，若醋酸的分压小于10mm Hg，生成醋酸乙烯酯的反应速率随着醋酸分压的减小而降低。 3）将丙酸锌作为催化剂活性组分，通入乙炔和醋酸，反应初始阶