氯甲烷预反应器的设计
氯甲烷预反应器的设计
1 引言
1．1 氯甲烷的简介
甲烷氯化物是包括一氯甲烷（氯甲烷）、二氯甲烷、三氯甲烷（也称氯仿）、四氯化碳四种产品的总称，简称CMS。是有机产品中仅次于氯乙烯的大宗氯系产品，为重要的化工原料和有机溶剂。
氯甲烷的生产方法较多，包括甲烷氯化法、甲醇氯化法、光氯化法、氧氯化法等。一些工业过程也副产氯甲烷，例如敌百虫、三氯乙醛、天然气氯化制四氯化碳及磷胺等的生产过程。
1.2 氯甲烷的生产方式
现在国内大部分用的是甲烷氯化法生产氯甲烷，甲烷氯化法生产氯甲烷有热氯化法和氧氯化法，生产方法不同，基本原理也不同。而我们研究的氯甲烷预反应器就是甲烷高温氯化反应生产中的重要设备。
甲烷氯化反应是在高温下进行的，所以产物通常是复杂的混合物，除生成目的产物外，还有甲醇、丁醇、二氯乙烷等。这些物质对人体及其动植物都有一定毒害作用。因此对氯化生产过程的废气和废液必须进行严格的控制和处理。 对放空气体应该采用吸收或吸附的办法，回收其中的氯甲烷、二氯甲烷、甲醇和丁醇。吸收剂一般选择邻-二氯苯，吸附剂常用活性炭等。 在废水中常含有高级氯代烃，可以采用与水蒸气混合，使高氯烃与水蒸气构成共沸混合物，再经冷凝可分离出大部分高氯烃。 采用综合氯化工艺，甲烷总选择性可达85～90%，一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳的纯度分别为99%、90%、99.5%和99.5%。
1.3 氯甲烷预反应器的作用
与其它氯产品相比，甲烷氯化物的生产及消费是受政府控制的，大部分发达国家1990年代四氯化碳已经不准再生产。在甲烷氯化物中，氯甲烷可以说是最有前途的。1999年世界主要地区甲烷氯化物的总产量为258.3吨，其中一氯甲烷127.7万吨，二氯甲烷51万吨，三氯甲烷65.3万吨，四氯化碳14.3万吨。 国外甲烷氯化物的生产和消费主要集中在美国、西欧和日本。2000年世界这三个地区的甲烷氯化物的总生产能力为238万吨，由于氯甲烷相对独立，其它几个甲烷氯化物可根据市场情况调节生产量，因此世界总产量难以统计。目前国内甲烷氯化物总年产能约160万吨，其主要生产工艺为甲烷高温氯化反应，氯甲烷预反应器是甲烷氯化物生产工艺中关键设备,设备使用条件苛刻,介质腐蚀性强，选材、结构设计非常重要。
2 总体方案设计
2.1 氯甲烷预反应器设计方案的选择
工业生产上使用的反应器型式多种多样，分类方法也有多种。可以按反应器的形状分，也可以按操作方式来分类；可以按反应器传热方式分，也可以按其反应物相态分类。最常用的是按相态进行分类。
相 态 反应器型式 工业生产实例均相 单 相 气 相 管式反应器 石脑油裂解、一氧化氮氧化液 相 管式、釜式、塔式反应器 酯化反应、甲苯硝化非均相
二 相
气 固固定床反应器 合成氨、苯氧化、乙苯脱氢
流化床反应器 石油催化裂化、丙烯氨氧化 移动床反应器 二甲苯异构、矿石焙烧
气 液 鼓泡塔 乙醛氧化制醋酸、碳基合成甲苯
鼓泡搅拌釜 苯的氧化
液 固 塔式、釜式反应器 树脂法三聚甲醛
三 相
气液固 涓流床反应器 炔醛法制丁炔二醇、石油加氢脱硫
淤浆床反应器 石油加氢、乙烯溶剂聚合、丁炔二醇加氢
对于一个工业反应过程而言，设计者的任务是选择合适的反应器型式、结构、操作方式和工艺条件。在满足各项约束条件的前提下确定合成反应转化率、选择率和相应的反应器尺寸，使工业成产过程的生产成本达到最低值。而一个反应工程研究者的任务，则是提供上述决策变量与最优技术指标之间的关系，以使优化设计的任务得以圆满。
反应过程的工艺条件是指温度、浓度、反应时间、操作线速度和催化剂颗粒大小等因素。对于温度，要选择合理的进料温度、冷却介质温度和反应温度。对于浓度，相应地要确定适当的进料浓度、各反应物浓度的比例、出口残余浓度水平等。
氯甲烷预反应器是甲烷生产过程中的重要设备，其主要反应是甲烷的高温氯化反应，所以我选择列管固定床反应器。
管式反应器具有三大特点：
(1) 在正常情况下，它是连续定态操作，在反应器的各个径向截面上，物料浓度只随着轴向位置而变，不随时间而变化；
(2) 反应器内各轴向位置的浓度未必相等，反应速率随空间轴向位置而变化；
（3）由于径向具有严格均匀的速度分布，也就是在径向不存在浓度变化，所以反应速率随空间位置的变化将只限于轴向。
2.2 反应器材料的选择
化工容器容器按照作用原理可以分为换热容器、反应容器、分离容器、贮运容器，而氯甲烷的预反应器才属于反应容器中的一种。反应容器还要根据其承受的介质压力分为常压容器和受压容器。国家劳动部门为了便于安全技术管理和监督检查，根据容器承认压力的高低，压力与容积的乘积大小、介质的危害程度，及容器在生产过程中的作用的综合分类方法。《压力容器安全技术监察规程》将容器分为三类。容器的机构一般由筒身、封头、接管、法兰、支座等组成。设计容器时要考虑到设计的理论基础，特别是边缘应力。内压容器设计需要考虑到弹性失效准则和内压圆筒设计公式。内压封头设计可分为半圆形封头和椭圆形封头。容器还有一些零部件的设计，法兰的设计，容器支座以及容器开孔和补强。
化工设备所用材料种类有很多，主要有金属材料、非金属材料和复合材料，而氯甲烷预反应器正是化工设备中的一种，其生产条件十分复杂，温度从低温到高温，压力也有需求，介质易燃易爆、有毒及强腐蚀性等，因此，为了保证设备的安全运行及经济性的要求，必须合理的选择材料。化工设备选用金属材料的基本性能有：机械性能、化学性能、物理性能、物理性能和制造工艺性能等。选取金属材料后更要注意金属材料的腐蚀和防护。化工设备常用的材料有碳素钢、普通合金钢、不锈钢、铸铁、有色金属及其合金，及一些非金属材料。
氯甲烷生产的过程中所用的介质是一种导热油，其主要包括氯化氢，甲醇，一氯甲烷，二甲醚，水等，具有很强的腐蚀性，所以在选择金属材料的同时我们需要在金属材料的内壁上涂上防腐材料。
2.3 主要设计参数
参数名称 壳程 管程
工作压力 MPa 0.25 0.3-0.35
设计压力 MPa 1.3 1.3
工作温度 ℃（进/出） 250/260 220/280-300
设计温度 ℃ 350 350
壁温 ℃ 255 260
容积 m³ 8.0 17.0
程数 1 1
换热面积 m³ 595
设备净重 kg 45460
3 总体结构设计
3.1 主体设计
N1为物料进口；N2为物料出口；N3a/b为导热油进口；N3c/d为导热油出口；N4a/b/c为集中温度计口；N5为放净口；N6为排气口。其中导热油主要有氯化氢、甲醇、一氯甲烷、二甲醚和水等组成。
3.2 零件设计
3.2.1 折流板的结构设计
折流板分两块，它们的δ=16，其选用的材料为Q235-B。Q235-B是一种普通的碳素结构钢，Q235-B级，是作常温（20℃）冲击的韧性试验。Q235含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，经济性能好。
折流板Ⅰ的重量为320kg,折流板Ⅱ的重量为666kg,两块折流板的板面应平整，平面度允差为2mm。折流板管孔和管板陪钻，钻孔后应去除管孔周边毛刺。
3.2.2 拉杆的结构设计
拉杆φ=16，，所选用的材料为Q235-A，Q235含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，经济性能好。Q235-A级，是不作冲击韧性试验要求的，拉杆的重量为3.5kg。
3.2.3 接管的结构设计
接管所选用的材料为16MnⅡ NB/T47008，16Mn是一种低合金高强度结构钢 ，它的含碳量为0.1%-0.25%,加入主要合金元素锰、硅、钒、铌和钛等。16Mn钢是目前我国应用最广的低合金刚，经济适用性高,接管的重量为12.5kg
1 引言
1．1 氯甲烷的简介
甲烷氯化物是包括一氯甲烷（氯甲烷）、二氯甲烷、三氯甲烷（也称氯仿）、四氯化碳四种产品的总称，简称CMS。是有机产品中仅次于氯乙烯的大宗氯系产品，为重要的化工原料和有机溶剂。
氯甲烷的生产方法较多，包括甲烷氯化法、甲醇氯化法、光氯化法、氧氯化法等。一些工业过程也副产氯甲烷，例如敌百虫、三氯乙醛、天然气氯化制四氯化碳及磷胺等的生产过程。
1.2 氯甲烷的生产方式
现在国内大部分用的是甲烷氯化法生产氯甲烷，甲烷氯化法生产氯甲烷有热氯化法和氧氯化法，生产方法不同，基本原理也不同。而我们研究的氯甲烷预反应器就是甲烷高温氯化反应生产中的重要设备。
甲烷氯化反应是在高温下进行的，所以产物通常是复杂的混合物，除生成目的产物外，还有甲醇、丁醇、二氯乙烷等。这些物质对人体及其动植物都有一定毒害作用。因此对氯化生产过程的废气和废液必须进行严格的控制和处理。 对放空气体应该采用吸收或吸附的办法，回收其中的氯甲烷、二氯甲烷、甲醇和丁醇。吸收剂一般选择邻-二氯苯，吸附剂常用活性炭等。 在废水中常含有高级氯代烃，可以采用与水蒸气混合，使高氯烃与水蒸气构成共沸混合物，再经冷凝可分离出大部分高氯烃。 采用综合氯化工艺，甲烷总选择性可达85～90%，一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳的纯度分别为99%、90%、99.5%和99.5%。
1.3 氯甲烷预反应器的作用
与其它氯产品相比，甲烷氯化物的生产及消费是受政府控制的，大部分发达国家1990年代四氯化碳已经不准再生产。在甲烷氯化物中，氯甲烷可以说是最有前途的。1999年世界主要地区甲烷氯化物的总产量为258.3吨，其中一氯甲烷127.7万吨，二氯甲烷51万吨，三氯甲烷65.3万吨，四氯化碳14.3万吨。 国外甲烷氯化物的生产和消费主要集中在美国、西欧和日本。2000年世界这三个地区的甲烷氯化物的总生产能力为238万吨，由于氯甲烷相对独立，其它几个甲烷氯化物可根据市场情况调节生产量，因此世界总产量难以统计。目前国内甲烷氯化物总年产能约160万吨，其主要生产工艺为甲烷高温氯化反应，氯甲烷预反应器是甲烷氯化物生产工艺中关键设备,设备使用条件苛刻,介质腐蚀性强，选材、结构设计非常重要。
2 总体方案设计
2.1 氯甲烷预反应器设计方案的选择
工业生产上使用的反应器型式多种多样，分类方法也有多种。可以按反应器的形状分，也可以按操作方式来分类；可以按反应器传热方式分，也可以按其反应物相态分类。最常用的是按相态进行分类。
相 态 反应器型式 工业生产实例均相 单 相 气 相 管式反应器 石脑油裂解、一氧化氮氧化液 相 管式、釜式、塔式反应器 酯化反应、甲苯硝化非均相
二 相
气 固固定床反应器 合成氨、苯氧化、乙苯脱氢
流化床反应器 石油催化裂化、丙烯氨氧化 移动床反应器 二甲苯异构、矿石焙烧
气 液 鼓泡塔 乙醛氧化制醋酸、碳基合成甲苯
鼓泡搅拌釜 苯的氧化
液 固 塔式、釜式反应器 树脂法三聚甲醛
三 相
气液固 涓流床反应器 炔醛法制丁炔二醇、石油加氢脱硫
淤浆床反应器 石油加氢、乙烯溶剂聚合、丁炔二醇加氢
对于一个工业反应过程而言，设计者的任务是选择合适的反应器型式、结构、操作方式和工艺条件。在满足各项约束条件的前提下确定合成反应转化率、选择率和相应的反应器尺寸，使工业成产过程的生产成本达到最低值。而一个反应工程研究者的任务，则是提供上述决策变量与最优技术指标之间的关系，以使优化设计的任务得以圆满。
反应过程的工艺条件是指温度、浓度、反应时间、操作线速度和催化剂颗粒大小等因素。对于温度，要选择合理的进料温度、冷却介质温度和反应温度。对于浓度，相应地要确定适当的进料浓度、各反应物浓度的比例、出口残余浓度水平等。
氯甲烷预反应器是甲烷生产过程中的重要设备，其主要反应是甲烷的高温氯化反应，所以我选择列管固定床反应器。
管式反应器具有三大特点：
(1) 在正常情况下，它是连续定态操作，在反应器的各个径向截面上，物料浓度只随着轴向位置而变，不随时间而变化；
(2) 反应器内各轴向位置的浓度未必相等，反应速率随空间轴向位置而变化；
（3）由于径向具有严格均匀的速度分布，也就是在径向不存在浓度变化，所以反应速率随空间位置的变化将只限于轴向。
2.2 反应器材料的选择
化工容器容器按照作用原理可以分为换热容器、反应容器、分离容器、贮运容器，而氯甲烷的预反应器才属于反应容器中的一种。反应容器还要根据其承受的介质压力分为常压容器和受压容器。国家劳动部门为了便于安全技术管理和监督检查，根据容器承认压力的高低，压力与容积的乘积大小、介质的危害程度，及容器在生产过程中的作用的综合分类方法。《压力容器安全技术监察规程》将容器分为三类。容器的机构一般由筒身、封头、接管、法兰、支座等组成。设计容器时要考虑到设计的理论基础，特别是边缘应力。内压容器设计需要考虑到弹性失效准则和内压圆筒设计公式。内压封头设计可分为半圆形封头和椭圆形封头。容器还有一些零部件的设计，法兰的设计，容器支座以及容器开孔和补强。
化工设备所用材料种类有很多，主要有金属材料、非金属材料和复合材料，而氯甲烷预反应器正是化工设备中的一种，其生产条件十分复杂，温度从低温到高温，压力也有需求，介质易燃易爆、有毒及强腐蚀性等，因此，为了保证设备的安全运行及经济性的要求，必须合理的选择材料。化工设备选用金属材料的基本性能有：机械性能、化学性能、物理性能、物理性能和制造工艺性能等。选取金属材料后更要注意金属材料的腐蚀和防护。化工设备常用的材料有碳素钢、普通合金钢、不锈钢、铸铁、有色金属及其合金，及一些非金属材料。
氯甲烷生产的过程中所用的介质是一种导热油，其主要包括氯化氢，甲醇，一氯甲烷，二甲醚，水等，具有很强的腐蚀性，所以在选择金属材料的同时我们需要在金属材料的内壁上涂上防腐材料。
2.3 主要设计参数
参数名称 壳程 管程
工作压力 MPa 0.25 0.3-0.35
设计压力 MPa 1.3 1.3
工作温度 ℃（进/出） 250/260 220/280-300
设计温度 ℃ 350 350
壁温 ℃ 255 260
容积 m³ 8.0 17.0
程数 1 1
换热面积 m³ 595
设备净重 kg 45460
3 总体结构设计
3.1 主体设计
N1为物料进口；N2为物料出口；N3a/b为导热油进口；N3c/d为导热油出口；N4a/b/c为集中温度计口；N5为放净口；N6为排气口。其中导热油主要有氯化氢、甲醇、一氯甲烷、二甲醚和水等组成。
3.2 零件设计
3.2.1 折流板的结构设计
折流板分两块，它们的δ=16，其选用的材料为Q235-B。Q235-B是一种普通的碳素结构钢，Q235-B级，是作常温（20℃）冲击的韧性试验。Q235含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，经济性能好。
折流板Ⅰ的重量为320kg,折流板Ⅱ的重量为666kg,两块折流板的板面应平整，平面度允差为2mm。折流板管孔和管板陪钻，钻孔后应去除管孔周边毛刺。
3.2.2 拉杆的结构设计
拉杆φ=16，，所选用的材料为Q235-A，Q235含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，经济性能好。Q235-A级，是不作冲击韧性试验要求的，拉杆的重量为3.5kg。
3.2.3 接管的结构设计
接管所选用的材料为16MnⅡ NB/T47008，16Mn是一种低合金高强度结构钢 ，它的含碳量为0.1%-0.25%,加入主要合金元素锰、硅、钒、铌和钛等。16Mn钢是目前我国应用最广的低合金刚，经济适用性高,接管的重量为12.5kg
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