环氧己烷反应器设计(5)

河南城建学院化学反应工程课程设计

①原料气

组分 原料气 ②氧化气 组分 氧化气

C2H4

O2C2H4

O2

43.8

CO2

29.6

N2

60.8 31.1

 

CO2

N2

H2O

C2H4O

64.3 31.4 45.0 29.8 35.5 78.0

由《化工热力学》可查得真实气体与理想气体的比热之间关系的计算式

0001 Cp?Cp ??Cp?Cp??Cp???Cp （4-3）

而ΔCp0和ΔCp1与Tr 、Pr的关系可在《化工热力学》的图3-10中查出。

原料气的温度为210+273.15＝483.15K，压力P为1MPa；氧化气的温度为250+273.15＝523.15K,压力P为1MPa。

查表计算，各项计算结果如表4-8、4-9所示。比热的单位为 J/mol·K

 

表4-8 原料气中各组分定压比热的压力校正参数

组分

Tc/KC2H4

O2

CO2

N2

 

282.4 5.036 1.711 0.199 0.085

 

154.6 5.046 3.125 0.198 0.021 0.159 0.038 31.260

304.2 7.376 1.588 0.136 0.225 0.544 0.586 44.476

126.2 3.394 3.828 0.295 0.040 0.138 0 29.738

pc/MPaTrPr

?

?Cp/J?mol?Cp/J?molCp/J?mol10-1?K?K-10.670 0.628 61.523

?1?1?1?K?1

表4-9 氧化气中各组分定压比热的压力校正参数

组分

TcpcC2H4

O2

CO2

N2

H2O

C2H4O

 

282.4 5.036 1.853

154.6 5.046 3.384

304.2 7.376 1.720

126.2 3.394 4.145

647.3 22.05 0.808

469 7.194 1.115

Tr

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Pr

0.199 0.085

 

0.544 0.502 64.887

0.198 0.021 0.134 0.0084 31.534

0.136 0.225 0.419 0.502 45.532

0.295 0.040 0.126 0 29.926

0.045 0.344 1.381 4.186 38.321

0.139 0.200 2.093 5.023 81.098

?

?C?C0p1pCp

 

(3)热量衡算

①原料气带入的热量Ql

原料气的入口温度为483.15 K，以273.15 K为基准温度，则

Q1??niCpi(T入?T基)(kJ/h) （4-4）

i计算结果列于表4-10中。

表4-10原料气带入的热量

组分

C2H4

O2Cp（J／mol·K)

61.523 31.260

Xni XniCpi 0.034 0.056 0.077 0.833 1.00

 

2.092 1.751 3.425 24.772 30.040

 

CO2N244.476 29.738 -

 

合计

由计算结果可知

Q1?NXniCpit入 （4-5） 由公式4-5可得Q1=97127.41×30.040×(483.15-273.15)=6.13×108kJ/h ②反应热Q3在操作条件下，主副反应的热效应分别为 主反应： C2H4? 副反应：

C2H4?3O2?2CO2?2H2O?315.9kca/lmol （4-6） (以上两式均由《环氧乙烷与乙二醇生产》查得)。

 

12O2?C2H4O?25.19kca/lmol

（4-5）

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则主反应的放热量为:Q31?3302.33?0.235?0.65?25.19?103?4.1886?5.32?107kJ/h 副反应的放热量为:Q32?3302.33?0.235?0.35?315.9?103?4.1886?3.59?108kJ/h 总反应热为：Q3?Q31?Q32?(5.32?35.9)?107?4.12?108kJ/h ③氧化气带出的热量Q2

氧化气出口温度为523.15 K，以273.15 K为基准温度，则

Q1??niCpi(T出?T基)(kJ/h) （4-6）

i计算结果列于表4-11中

表4-11 氧化气带出的热量

组分

C2H4

O2Cp（J／mol·K)

64.887 31.534

Xni

XniCpi

0.0260 0.0450 0.0826 0.8356 0.0052 0.0056 1.00

1.687 1.419 3.761 25.006 0.199 0.454 32.526

 

CO2N245.532 29.926

 

H2O38.321 81.098 -

C2H4O

合计

由计算结果可知

Q2?NXniCpit出 （4-7） 由公式4-7可得Q3=97127.41×30.912×250=7.90×108kJ/h ④反应器的撤热量Q4

Q1+Q3=Q2+Q4 （4-8） 可得反应器的撤热量Q4=Q1?Q3?Q2＝(6.13+4.12-7.90)×108=2.35×108kJ/h

 

 

 

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第五章 反应器的设计

在物料衡算和热量衡算的基础上，可以对反应部分主要设备的工艺参数进行优化计算。这一部分主要是反应器的工艺参数优化。

设计生产能力：14万吨/年；生产过程安全系数：1.04；年操作时间：7200小时；本设计采用六台反应器并联进行反应。

已知：(1)每小时输入的原料气量总为97127.41kmol/h；

(2)以银为催化剂，颗粒为球形，d=5mm，空隙率??0.8； (3)反应温度为250℃，操作压力为1MPa，空速为5000h-1； (4)反应器列管规格为32×3.5mm；

(5)反应热用油撤走，导出液进口温度230℃，导出液出口温度235℃； (6)原料气进口温度为210℃，氧化气出口温度为250℃。 5.1 催化剂的用量

催化剂总体积VR(m3)是决定反应器主要尺寸的基本依据，其计算公式如下所示（由《化工设计手册》可查）： VR? 式中V总--原料气流量，m3/h； Sv—空速，h?1。 (1)原料的体积流量 V0

立方型状态方程RK用于气体混合物的V0，查《化工热力学》可知RK方程[8] p?其中

RT a?0.42748cpc22.5V总Sv （5-1）

RTV?b?Ta12 （5-2）

V(V?b) （5-3）

 

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b?0.08664方程中参数a和b常采用混合规则：

nnRTcpc （5-4）

am???yi?1j?1ni yjaij （5-5）

bm?交叉项

?i?1yibi

（5-6）

aij?(aiaj)0.5(1?kij) （5-7） 其中kij?0 ?先求ai和bi

由表4-9知各物质的

T和p代入式5-3和5-4计算结果如表5-1

c表5-1 原料气ai的计算

组分

ai/Pa.m.K360.5C2H4

O2

CO2

N2

mol?1?2 7.8653 4.0398E-05

1.7407 2.2072E-05

6.4672 2.9711E-05

1.5580 2.6787E-05

bi/mmol

表5-2 原料气交叉项aij的计算

组分

 

C2H4

O2

CO2

N2

C2H4O27.8653 -

3.7001 1.7407 - -

7.1321 3.3552 6.4672 -

3.5006 1.6468 3.1742 1.558

 

CO2N2- -

 

由计算结果可知

am?1.5537 bm?2.7211E-05 代入式6-2有

 

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