反应工程课程设计 Prepared on 24 November 2020课程设计(论文)题目名称年产4500吨聚氯乙烯的反应器设计课程名称化学反应工程课程设计学生姓名李林学号05系、专业生化系2013级化学工程与工艺指导教师戴云信2016 年 6月 20 日目录化学反应工程2012级化学工程与工艺专业《化学反应工程》课程设计任务书一、设计项目年产4500吨聚氯乙烯的反应器的设计二、设计条件1、生产规模4500 吨/年2、生产时间：连续生产8000小时/年，间隙生产6000小时/年3、物料损耗：按5%计算4、乙炔的转化率：98%，其中副反应占1%。
三、反应条件反应在等温下进行，反应温度为180℃，以活性炭为载体的氯化高汞为催化剂，进行气固相催化反应，催化剂的生产能力为70kg氯乙烯/,催化剂使用寿命为一年。
四、设计要求1、反应器选型及方案设计对所有的设计方案进行比较，最后确定本次设计的设计方案。
2、反应部分的流程设计（画出反应部分的流程图）3、反应器的工艺设计计算生产线数，反应器个数，反应器体积。
反应器的物料和热量衡算4、搅拌器的设计对搅拌器进行选型和设计计算。
5、画出反应器的装配图图面应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表,设备管口方位图。
6、设计计算说明书内容设计任务书；目录；设计方案比较；工艺流程图设计；反应器的设计搅拌器的设计；设备装配图；设计总结；参考资料。
7、绘制主要设备的装配图。
用A3图纸绘制主要设备装配图（图面应包括设备主要视图、局部视图等，并配备明细表、管口表、技术特性表、技术要求,设备管口方位图等），要求采用CAD制图。
指导老师：戴云信2015年6月16日概述此次课程设计，是结合《化学反应工程》这门课程的内容及特点所进行的一次模拟设计。
它结合实际进行计算，对我们理解理论知识有很大的帮助。
同时，通过做课程设计，我们不仅熟练了所给课题的设计计算，而且通过分析课题、查阅资料、方案比较等一系列相关运作，让我们对工艺设计有了初步的设计基础。
在设计过程中解决所遇难题，对我们养成独立思考、态度严整的工作作风有极大的帮助，并为我们以后从事这个行业做好铺垫。
本次课程设计为年产4500吨聚氯乙烯的反应器的设计，是结合《化学反应工程》这门课程的内容及特点所进行的一次模拟设计。
它结合实际进行计算，对我们理解理论知识有很大的帮助。
同时，通过做课程设计，我们不仅熟练了所给课题的设计计算，而且通过分析课题、查阅资料、方案比较等一系列相关运作，让我们对工艺设计有了初步的设计基础。
在设计过程中解决所遇难题，对我们养成独立思考、态度严整的工作作风有极大的帮助，并为我们以后从事这个行业做好铺垫。
通过此次课程设计，相信同学们在个方面都会有很大的提高。
本设计包括：方案讨论、设备设计，工艺流程等内容，涵盖了《化学反应工程》的基本知识，对我们进一步掌握课本知识很有益处。
同时，对《机械基础设计》和CAD制图的掌握都有明显的帮助，因此，反应工程课程设计是提高学生实际工作能力的重要教学环节聚氯乙烯的生产工艺是有机工业中较成熟的一个工艺。
尽管现在研制出不同的催化剂合成新工艺，但设计以硫酸作为催化剂的传统工艺是很有必要的。
酯化反应器设计的基本要求是满足传质和传热要求。
因此需要设计搅拌器。
另外，反应器要有足够的机械强度，抗腐蚀能力；结构要合理，便于制造、安装和检修；经济上要合理，设备全寿命期的总投资要少。
氯乙烯的主要生产方法乙烯直接氯化法(1)乙烯低温氯化：先向乙烯通氯，在三氯化铁存在下制取二氯乙烷，在碱的醇溶液中，二氯乙烷再脱氯化氢制取氯乙烯。
此法是最古老的方法，其缺点是：间歇生产，同时要消耗大量的碱和乙醇，副产氯化氢以氯化钠的形式消耗。
(2)乙烯高温氯化法：此法为法国开发的Cldoe法，于1970工业化。
此法以乙烯、氯气为原料经高温氯化生产氯乙烯，同时富产多种氯代烃溶剂。
整个过程没有二氯乙烷裂解程序。
据称，总收率按碳。
计为94．5％，辅助费用低，但耗氯量大。
2.1.2乙烯氧氯化法乙烯氧氯化法是目前世界上广泛采用生产氯乙烯的方法，是美国DoW化学公司于1958年实现工业化。
该法以三氯化铁为催化剂，将乙烯直接液相氯化合成二氯乙烷，二氧乙烷经精制后再裂解制得氯乙烯，副产氯化氢再与乙烯和空气，通过载于氧化铝上的氧化铜催化剂进行氧氯化反应得l，2一二氯乙烷，此时，乙烯的化率达99．7％，二氯乙烷的选择性为99．8％；二氯乙烷经精制后在500℃、压力下，于管式炉内裂解生成氯乙烯和氯化氢；二氯乙烷的转化率达57％，氯乙烯的选择性为99％；再经精制得产品氯乙烯。
2.1.3乙烷直接氧氯化制氯乙烯随着石油资源的日益减少和石油价格的上升，由石油加工而来的乙烯原料价格将会不断攀升，传统的乙烯氧氯化生产氯乙烯的成本也将不断升高。
从氯乙烯合成工艺上来说，传统的方法首先是乙烯氯化合成二氯乙烷，再由二氯乙烷裂解才能得到氯乙烯，工艺路线较长，设备投资较多，因此，世界各大化学公司如B．F．洲ch公司、盂山都公司及比利时的EvC公司等，都一直在研究开发乙烷一步法制氯乙烯的技术，以此来降低生产成本，但此技术的关键是必须开发出高稳定性及高活性的催化剂。
2.1.4乙炔法制氯乙烯乙炔法是目前我国生产氯乙烯的主要方法，在我国聚氯乙烯的生产中占据主导地位。
乙炔法氯乙烯工艺流程较短,技术较成熟。
本设计中采用的是乙炔法。
主反应：C2H2 + HCL→ CH2CHCl +mol副反应：C2H2 + 2 HCL→ CH2ClCH2Cl + KJ/mol1.工艺设计计算设计依据《聚氯乙烯生产设计任务书》设计方案对于聚氯乙烯的生产既可以采用流化床生产，也可以采用固定床生产。
由于聚氯乙烯的生产温度不是很高，而催化剂寿命要求较长，综合考虑选择选择固定床反应器进行生产。
工艺计算1.3.1 固定床进料(1) 流量的计算表物料物性参数[1]化学反应方程式：氯乙烯的相对分子质量为，所以要求的生产流量为F 氯乙烯=957.880005.621045003=⨯⨯h kmol /乙炔的流量乙炔采用工业二级品（含量98%），乙炔与氯乙烯的物质的量比为1:1，乙酸的转化率为98%,物料损失以5%计， 则乙炔的进料量F 乙炔=817.998.095.098.0957.8=⨯⨯h kmol /氯化氢的流量氯化氢与乙炔的摩尔配比为：1，则氯化氢的进料量为 F 氯化氢=× = kmol/h总物料量流量：F= F 氯化氢+F 乙炔 = + = kmol/h 则有原料气氯化氢含量：5238.0817.91079877987.10=+=+=乙炔氯化氢氯化氢氯化氢F F F y原料气中乙炔含量 ：4726.05238.0-1-1===氯化氢乙炔y y 产物中各组分的含量：总物料的质量流量如下计算，W 总=F A M A +F 乙M 乙 =h kg /64.102499.05.367987.2026817.9=⨯+⨯则有其体积流量为：表物料进料量表 .(2) 反应体积及反应时间计算乙炔与氯化氢反应制氯乙烯的动力学方程为程： 又因为催化剂的生产能力为70kg 氯乙烯/m 3h ，有h kmol dtdn A/817.9=，可有h kg dtdm A/242.25526817.9=⨯=催化剂的用量为：解得：3646.3m W =则催化剂用量为3.646m 3反应器基本尺寸及列管的根数1.4.1列管根数得确定根据工程经验管长一般选择3m 长的管束，管径查资料选得5.357⨯φ的管束，则有每根管子的体积为：一般的，管束中催化剂得装填量为管子体积的97%，则有管数为：圆整后得，管束为620=n 1.4.2筒体直径的计算1、管束采取胀接则管中心距t==mm m 7007.005.04.1==⨯，最外列管中心距筒壁0,2~5.1d b =，取mm m d b 1001.005.0220,==⨯==2、管子的排布采取正三角形排布，则中心线上布管数： 圆整后得28=c n3、筒体直径的计算： 圆整后取mm D 2000=反应器得规格为2000φ的反应器内由620根5.357⨯φ的列管。
压力降的校核由《化学反应工程》[12]可查得如下计算公式 式中：P ∆—床层压力降，Pa ；H —催化床层高度，m ； G —质量流量，kg/m 2s ；gρ—气体密度，kg/m 3；g —重力加速度，m/s 2； ε—固定床空隙率；pd —催化剂颗粒当量直径，m ；μ—气体粘度，Pa·s 和kg/m·s 。
（1）平均密度（2）质量流量G ： （3）当量直径d p本次设计所选用的催化剂为圆柱状，Φ3 mm×6 mm ，则其当量直径为： （4）平均黏度μm 及压降ΔP由附录一黏度系数表，运用内插法可得：表5-2 各组分的粘度系数 (μ/μPa·s )温度 组分 C 2H 2HC1H 2ON 2CH 2CHC1 C 2H 4C12CH 3CHO355则可计算出混合气体的平均黏度： 空隙率取，则可得热量衡算及传热面积的校核1、热量衡算反应温度180 ℃，进料温度80 ℃，转化后温度110 ℃；用热水做冷却介质，进口水温97 ℃，出口水温102 ℃，不计热损失，导出液对管壁的传热系数为：650 W/m 2·K。
设原料气带入的热量为1Q ，反应热2Q ，反应器出料带出的热量3Q ，反应器撤走的热量4Q [9]。
当忽略热损失时，有表4-6 各组分的比热容温度组分 C 2H 2HC1H 2OCH 2CHC1K K1.6.1热量衡算（1）原料气带入的热量1Q原料气的入口温度为 K ，以 K 为基准温度，则)(kJ/h)T (T C n Q 基入pi i 1-∑= (4-5) 计算结果列于表4-7中原料气中各组分的比热容的计算 组分 C 2H 2 HC1由上述公式可得（2）反应热2Q 在操作条件下，主副反应的热效应分别为 主反应副反应则主反应的放热量为： 则副反应的放热量为： 则可计算得到反应总热量：（3）转化后的气体带出的热量3Q表4-8 转化后各组分的比热容 组分 C 2H 2 HC1 H 2O C 2H 3C1转化后气体带出的温度为 K ，以 K 为基准温度，则由上述公式可得 （4) 反应器的撤热量4Q 可得反应器的撤热量：（5）换热介质用量的确定及换热面积的校核换热介质与物料采用逆流换热操作增强换热效率，用热水做冷却介质，进口水温90 ℃，出口水温105℃，不计热损失，导出液对管壁的传热系数为：650 W/m 2·K。
换热介质的用量可用以下公式计算： 上式中：m:冷却介质的用量，kg/h c p ：换热介质的比热容t ∆：换热器两端温差的对数平均值则有C t t t t t ︒=-=∆∆∆-∆=∆21.7510ln 510ln 1212 将数据带入上述方程： 解得：h kg m /2118.233=又由传热总速率方程式：t KA Q ∆=总则有233396.2721.765005.128127m t K Q A =⨯=∆=即有23396.27m A =需由管束规格及列管根数计算出实际换热面积A 实工艺流程图根据设计方案由CAD 作出其反应流程图如下图 反应过程的工艺流程图2.设备设计与选型筒体厚度根据筒体得标准规格选取102020⨯φ的标准筒体 椭圆形封头椭圆形封头与圆筒厚度相等，即10mm ，JB/T4737-2007 压力容器法兰(甲型) 根据操作压力选取甲型法兰 膨胀节由于C t T m m ︒〈-50,所以不需要设置膨胀节。