反应工程课程设计（2021年整理）

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1、0,1,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 1340902005 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,1,目 录 化学反应工程课程设计任务书. 2 概述. 4 1.工艺设计计算. 5 1.1 设计依据.5 1.2 设计方案.5 1.3 工艺计算.5 1.4 设计方案的选择.9 1.5 工艺流程图.9 2.热量衡算. 10 2.1 热量衡算总式.10 2.2 每摩尔各种物值在不同条件下的Cp,m 值.10 2.3 各种气相物

2、质的参数如下表.11 2.4 每摩尔物质在 80下的焓值.11 2.5 总能量衡算.12 2.6 换热设计.13 2.7 水蒸气的用量.13 3.设备设计与选型. 13 3.1 反应釜体及夹套的设计计算.13 3.2 搅拌器设计.17 3.3 夹套式反应釜附属装置的确定.18 参考文献. 21 总结. 22 致谢. 23,2,2012 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、

3、 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/M3.h, 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。

4、 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,3,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,4,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

5、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

6、，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

7、装和检修； 经济上要合理，设备全寿命期的总投资要少,5,氯乙烯的主要生产方法 乙烯直接氯化法 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。 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945，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

8、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997，二氯乙烷的选择性为998；二氯乙烷经精制后在500、2.0-2.5 25MPa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。 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。

9、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BF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。 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 +124.8KJ/mol 副反应：C2H2 + 2 HCL CH2ClCH2

10、Cl +120.0 KJ/mol,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 固定床进料 (1) 流量的计算 表 1.1 物料物性参数1,化学反应方程式： C2 H2 HCl CH 2CHCl 催化剂 氯乙烯的相对分子质量为62.5，所以要求的生产流量为,F氯乙烯,62.5 8000,4500 10 3,8.957 kmo/hl,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

11、 的转化率为98%,物料损失以5%计， 则乙炔的进料量,乙炔,F,8.957,6,0.98 0.95 0.98,9.817 kmo/hl,氯化氢的流量,氯化氢与乙炔的摩尔配比为1.1：1，则氯化氢的进料量为 F氯化氢=1.19.817 = 10.7987 kmol/h 总物料量流量：F= F氯化氢+F乙炔 = 10.7987+9.817 = 20.6157 kmol/h,10.7987,氯化氢乙炔,氯化氢,F F107987 9.817,F氯化氢,则有原料气氯化氢含量： y,0.5238,原料气中乙炔含量 ： y乙炔 1 - y氯化氢 1 - 0.5238 0.4726 产物中各组分的含量,8

12、.957,0.9559,1 x) F(1 x)10.7987 (1 0.98) 9.817 (1 0.98) 8.957,y,乙炔,F氯乙烯 F氯化氢,F氯乙烯,氯乙烯,0.0231,10.7987 (1 0.98,y,F F（1- x) F （1- x)10.7987 (1 0.98) 9.817 (1 0.98) 8.957,氯乙烯氯化氢乙炔,F氯化氢（1- x,氯化氢,y乙炔 1 - y氯乙烯 - y氯化氢 1 - 0.9559 - 0.0231 0.021 总物料的质量流量如下计算,总AA乙乙,W =F M +FM,0.99,9.817 26 20.7987 36.5 1024 .64

13、kg / h,则有其体积流量为,0,0,v F0 1024 .64 887.90m3 / h,1.154,表 1.3 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,Wdt,A,A,1dn,r ),dt,又因为催化剂的生产能力为70kg氯乙烯/m3h，有 dnA 9.817 kmol / h ，可有,dt,7,dmA 9.817 26 255.242 kg / h 催化剂的用量为,70 1 255.242 W 解得：W 3.646m3 则催化剂用量为3.646m3 反应器基本尺寸及列管的根数 列管根数得确定 根据工程经验管长一般选择3m长的管束，

14、管径查资料选得573.5 的管束，则有 每根管子的体积为,4,0.05 2,d 2,33,v1 4 l 3.14 3 5.8875 10,m,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,3.646,1,v5.8875103,n W,619.27,圆整后得，管束为n 620 1.4.2筒体直径的计算 1、管束采取胀接则管中心距 t=1.4do=1.4 0.05 0.07m 70mm ，最外列管中 心距筒壁b, 1.5 2d ，取b, 2d 2 0.05 0.1m 100 mm 00 2、管子的排布采取正三角形排布，则中心线上布管数： nc 1.1 N 1.1 620 27.4 圆

15、整后得nc 28 3、筒体直径的计算： D t(nc 1) 2b 0.07 (28 1) 2 0.1 2.09m 2090 mm , 圆整后取 D 2000 mm 反应器得规格为2000的反应器内由620根573.5 的列管。 1.5压力降的校核 由化学反应工程12可查得如下计算公式,8,d,gp,1.75G,) p,3,P G1 150(1,H d,式中,P 床层压力降，Pa； H催化床层高度，m； G质量流量，kg/m2s； g 气体密度，kg/m3； g重力加速度，m/s2； 固定床空隙率； dp 催化剂颗粒当量直径，m； 气体粘度，Pas 和kg/ms 。 （1）平均密度,n,进 yi

16、 i i1 yHCl HCl yCHCH CHCH 0.5238 1.639 0.4726 0.628 1.155 kg / m3,n,出 yi i i1 0.9559 0.894 0.02311.639 0.021 0.628 0.9056kg / m3,22,m进出,1 ( ) 1 (1.155 0.9056 ) 1.0303 kg / m3,2）质量流量G,4,9,1024 .64,0.05 2,0.2339 kg /(m2 s,620 36000,3.14,G W 总 A,3）当量直径dp 本次设计所选用的催化剂为圆柱状，3 mm6 mm，则其当量直径为,3,6,4,2,3 2,p,0.003 0.006 0.0043 m,d2h,d 3,H 2.91 m （4）平均黏度m 及压降 P 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 (/Pas,则可计算出混合气体的平均黏度,n,m 进 xi i i1 0.5238 172.51 0.4726 120.55 147.33 Pa s,n,m出 xi i i1 0.9559 132.80 0.0231 187.1