樣本二氯甲烷的氯化吸收工藝設(shè)計

年5月29日樣本二氯甲烷的氯化吸收工藝設(shè)計文檔僅供參考題目年產(chǎn)4000噸的氯甲烷氯化吸收工段的初步設(shè)計原始數(shù)據(jù):4kt/a二氯甲烷氯化吸收,年工作日330天,其余數(shù)據(jù)以工廠實(shí)際收集為準(zhǔn)。說明書內(nèi)容:1．進(jìn)行工段工藝流程設(shè)計;2．進(jìn)行工段物料、熱量衡算,并編制物料平衡數(shù)據(jù)表;3．進(jìn)行工段設(shè)備設(shè)計或選型,編制設(shè)備一覽表;4．編制工段初步設(shè)計說明書。圖紙要求:1．繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖;2．繪制主要設(shè)備的設(shè)備圖及設(shè)備布置圖;前言二氯甲烷具有溶解能力強(qiáng)和毒性低的優(yōu)點(diǎn),大量用于制造安全電影膠片、聚碳酸酯,其余用作涂料溶劑、金屬脫脂劑,氣煙霧噴射劑、聚氨酯發(fā)泡劑、脫模劑、脫漆劑。二氯甲烷為無色液體,在制藥工業(yè)中做反應(yīng)介質(zhì),用于制備氨芐青霉素、羥芐青霉素和先鋒霉素等;還用作膠片生產(chǎn)中的溶劑、石油脫蠟溶劑、氣溶膠推進(jìn)劑、有機(jī)合成萃取劑、聚氨酯等泡沫塑料生產(chǎn)用發(fā)泡劑和金屬清洗劑等。目錄第一章總論1概述1.1.1產(chǎn)品的物理化學(xué)性質(zhì)1.1.2質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1.1.3產(chǎn)品的主要用途1.1.4產(chǎn)品的市場需求1.2原材料的規(guī)格來源及凈化第二章生產(chǎn)工藝流程簡述2.1二氯甲烷的生產(chǎn)原理及生產(chǎn)方法2.1.1生產(chǎn)原理2.1.2二氯甲烷的生產(chǎn)方法及特點(diǎn)2.2生產(chǎn)工藝與流程簡述2.2.1甲烷氯化物生產(chǎn)工藝流程簡述2.2.2二氯甲烷生產(chǎn)工藝流程簡圖第三章物料衡算和熱量衡算3.1計算基準(zhǔn)3.2物料衡算和熱量衡算3.2.1反應(yīng)器的物料衡算和熱量衡算3.2.2空冷器的物料衡算和熱量衡算3.2.3膜式吸收器的物料衡算和熱量衡算3.2.4填料塔第四章主要設(shè)備的工藝計算及選型4.1空冷器4.2第一膜式吸收器4.3第二膜式吸收器4.4填料塔4.5硫酸干燥塔4.6熱交換器4.7冷凝器4.8鹽酸分離器4.9稀酸分離器4.10堿液泵4.11配堿槽4.12濃酸中間槽4.13濃酸泵4.14壓縮機(jī)4.15粗氯化液液儲槽第五章綜合表第六章設(shè)備一覽第七章管路設(shè)計評述參考文獻(xiàn)第一章總論1概述1.1.1產(chǎn)品的物理化學(xué)性質(zhì)一.產(chǎn)品的物理性質(zhì)二氯甲烷是無色透明不分層液體,在氧氣中易爆炸,其具體物理性質(zhì)如下表:表1—1名稱單位產(chǎn)品二氯甲烷分子量84.94外觀無色透明不分層液體分子式CH2Cl2沸點(diǎn)℃40.4液體比重D4201.326蒸汽比重2.93蒸汽密度g/l3.30汽化潛熱Cal/g78.7液體比熱Cal/g.℃0.288蒸汽比熱Cal/g.℃0.155在水中溶解度g/100g水1.32臨界壓力Kg/cm260.9臨界溫度℃237臨界密度0.427冰點(diǎn)℃-96.7在空氣中爆炸范圍V%13.0~18.0在氧氣中爆炸范圍V%13.0~18.0二．產(chǎn)品的化學(xué)性質(zhì)二氯甲烷是無色、透明、比水重、易揮發(fā)的液體,有類似醚的氣味和甜味,不燃燒,但與高濃度氧混合后形成爆炸的混合物。二氯甲烷微溶于水,與絕大多數(shù)常見的有機(jī)溶劑互溶,與其它含氯溶劑、乙醚、乙醇也能夠任意比例混溶。室溫下二氯甲烷難溶于液氨中,能很快溶解在酚、醛、酮、冰醋酸、磷酸三乙酯、甲酰胺、環(huán)己胺、乙酰乙酸乙酯中。純二氯甲烷無閃點(diǎn),含等體積的二氯甲烷和汽油、溶劑石腦油或甲苯的溶劑混合物是不易燃的,然而當(dāng)二氯甲烷與丙酮或甲醇液體以10:1比例混合時,其混合特具有閃點(diǎn),蒸發(fā)后與空氣會形成易燃的混合物。二氯甲烷是甲烷氯化物中毒性最小的,其毒性僅為四氯化碳毒性的0.11%。如果二氯甲烷直接濺入眼中,有疼痛感并有腐蝕作用。二氯甲烷的蒸汽有麻醉作用。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)懲的中毒危險時應(yīng)立即脫離接觸并移至新鮮空氣處,一些中毒癥狀就會得到緩解或消失,不會引起持久性的損害。有麻醉作用,主要損害中樞神經(jīng)和呼吸系統(tǒng)。人類接觸的主要途徑是吸入。已經(jīng)測得,在室內(nèi)的生產(chǎn)環(huán)境中,當(dāng)使用二氯甲烷作除漆劑時,有高濃度的二氯甲烷存在。一般人群經(jīng)過周圍空氣、飲用水和食品的接觸,劑量要低得多。據(jù)估計,在二氯甲烷的世界產(chǎn)量中,大約80%被釋放到大氣中去,可是由于該化合物光解的速率很快,使之不可能在大氣中蓄積。其初始降解產(chǎn)物為光氣和一氧化碳,進(jìn)而再轉(zhuǎn)變成二氧化碳和鹽酸。當(dāng)二氯甲烷存在于地表水中時,其大部分將蒸發(fā)。有氧存在時,則易于生物降解,因而生物蓄積似乎不大可能。呼吸系統(tǒng)防護(hù):空氣中濃度超標(biāo)時,應(yīng)該柚戴直接式防毒面具(半面罩)。緊急事態(tài)搶救或撤離時,佩戴空氣呼吸器。1.1.2質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)二氯甲烷產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)(GB4117-92)表1—2指標(biāo)名稱指標(biāo)優(yōu)等品一等品合格品純度(Pt-CO)%≥99.599.098.0酸度(以HCl計)%≤0.00040.00080.0010水份%≤0.0400.0500.060色度≤101010蒸發(fā)殘渣%≤0.00050.00100.00301.1.3產(chǎn)品的主要用途

二氯甲烷可作為氣溶膠溶劑包裝。二氯甲烷在工業(yè)清洗操作的應(yīng)用也是很多的。如金屬和塑料加工工業(yè)中用作氣相脫脂劑,特別適合不耐三氯乙烯和四氯乙烯等其它高溫脫脂溶劑的產(chǎn)品清洗。亦可與石油和其它氯代烴混合在金屬制造工業(yè)中清凈劑。等重量的二氯甲烷、甲苯混合物已推薦用于清洗印刷鉛字。二氯甲烷具有溶解能力強(qiáng)和毒性低的優(yōu)點(diǎn),大量用于制造安全電影膠片、聚碳酸酯,其余用作涂料溶劑、金屬脫脂劑,氣煙霧噴射劑、聚氨酯發(fā)泡劑、脫模劑、脫漆劑。二氯甲烷為無色液體,在制藥工業(yè)中做反應(yīng)介質(zhì),用于制備氨芐青霉素、羥芐青霉素和先鋒霉素等;還用作膠片生產(chǎn)中的溶劑、石油脫蠟溶劑、氣溶膠推進(jìn)劑、有機(jī)合成萃取劑、聚氨酯等泡沫塑料生產(chǎn)用發(fā)泡劑和金屬清洗劑等。二氯甲烷在中國主要用于膠片生產(chǎn)和醫(yī)藥領(lǐng)域。其中用于膠片生產(chǎn)的消費(fèi)量占總消費(fèi)量的50%,醫(yī)藥方面占總消費(fèi)量的20%,清洗劑及化工行業(yè)消費(fèi)量占總消費(fèi)量的20%,其它方面占10%。1.1．4產(chǎn)品的市場需求二氯甲烷又稱甲叉二氯、氯化次甲基。二氯甲烷主要用作不燃性溶劑,如三乙酸纖維脂電影膠片的溶劑、金屬表面油漆層的清洗脫膜劑、氣溶膠的推動劑、石油脫蠟溶劑、熱不穩(wěn)定性物質(zhì)的萃取劑。從羊皮提取羊肢和從椰中提取食用油的萃取劑、也用作低溫載體、礦物油的閃點(diǎn)升高劑、滅火劑、煙霧劑的推進(jìn)劑、脲泡沫的發(fā)泡劑當(dāng)前,世界二氯甲烷供需基本平衡,但由于產(chǎn)品和國家地區(qū)之間發(fā)展不平衡,其未來產(chǎn)量的增減也因地區(qū)而異。由于美國、西歐、日本相繼出口一些環(huán)保法規(guī),嚴(yán)格控制排放,盡可能回收,預(yù)計美國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)消費(fèi)將逐年遞減,而世界的其它國家和地區(qū),如東歐、中東、亞洲和拉美等發(fā)展中國家對二氯甲烷的需求量將保持較快的增長速度,預(yù)計世界范圍內(nèi)對二氯甲烷的需求量將以2%—3%左右的速度增加。1.2原材料的規(guī)格、來源及凈化原料規(guī)格:氯氣純度Cl2≥95.0%(V)水份H2O≤0.05%(wt)天然氣純度CH4≥96.0%(V)C2和C2以上組分C2+≤0.6%(V)(凈化天然氣)C2+≤0.01%(V)(凈化天然氣)二.原料來源1．氯氣:來自燒堿車間電解產(chǎn)生的氯氣2.天然氣:因為自貢豐富的天然氣資源,因此就地取材第二章生產(chǎn)工藝流程簡述2．1二氯甲烷的生產(chǎn)原理及生產(chǎn)方法2．1．1生產(chǎn)原理甲烷熱氯化機(jī)理和其它烷烴氯化機(jī)理相似,都是自由基連鎖反應(yīng)。氯分子的活化是經(jīng)過高溫來實(shí)現(xiàn)的,其自由基連鎖反應(yīng)歷程,可分三步表示:1．鏈引發(fā)Cl2 Cl.+Cl-57.8千卡/克分子2．增鏈CH4+Cl. CH3.+HCl+1.0千卡/克分子 CH3.+Cl2 CH3Cl+Cl.+25.7千卡/克分子 CH3Cl+Cl.CH2Cl.+HCl+4.6千卡/克分子 CH2Cl.+Cl2 CH2Cl2+Cl.+20.7千卡/克分子 CH2Cl2+Cl. CHCl.2+HCl+8.8千卡/克分子 CHCl.2+Cl2 CHCl3+Cl.+15.7千卡/克分子 CHCl3+Cl. CCl3.+HCl+13.0千卡/克分子 CCl3.+Cl2 CCl4+Cl.+10.6千卡/克分子3．鏈終止 下列情況存在都可能產(chǎn)生鏈終止(1)活化分子與器壁碰撞Cl.+Cl.+M Cl2+M(2)活化分子之間碰撞R．+Cl. 不活潑產(chǎn)物R．+R。 不活潑產(chǎn)物(3)原料氣中氧的存在能阻礙反應(yīng)。R.N.Pease等人曾研究了甲烷氯化反應(yīng)中對鏈終止的影響。 在甲烷熱氯化反應(yīng)過程中,反應(yīng)溫度不高時,反應(yīng)按自由基連鎖反應(yīng)進(jìn)行。當(dāng)反應(yīng)溫度升高到370。C時,連鎖反應(yīng)機(jī)理的相對作用隨之減低,反應(yīng)溫度超過430。C,甲烷氯化反應(yīng)實(shí)際上是一逐級取代不可逆的雙分子均相反應(yīng)。反應(yīng)過程中四種氯化物同時生成,因此甲烷直接氯化不可能得到單一的產(chǎn)品,其反應(yīng)方程式如下: CH4+Cl2 CH3Cl+HCl+24.019千卡/克分子 CH3Cl+Cl2 CH2Cl2+HCl+23.660千卡/克分子 CH2Cl2+Cl2 CHCl3+HCl+24.696千卡/克分子 CHCl3+Cl2 CCl4+HCl+23.930千卡/克分子 甲烷氯化反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)。在反應(yīng)開始前供給熱量,當(dāng)反應(yīng)開始后所需能量可由反應(yīng)熱供給。由于放熱量大,如不采取措施控制反應(yīng)熱并及時帶走溫度會急劇升高,這樣會產(chǎn)生劇烈的燃燒反應(yīng)或氯化物產(chǎn)生裂解反應(yīng)。 CH4+2Cl2 C+4HCl+70千卡/克分子 2CHCl3 C2Cl4+2HCl 3CHCl3 C2Cl6+CH2Cl2+HCl 2CCl4 C2Cl4+Cl2 2CCl4 C2Cl6+Cl2同樣局部氯氣濃度過濃時,也會使反應(yīng)進(jìn)行極為猛烈,甚至產(chǎn)生爆炸。因此,要保證甲烷熱氯化反應(yīng)順利進(jìn)行的主要條件是:保證原料氣的正確配比;保證甲烷和氯氣充分均勻混合;有效和及時引出反應(yīng)熱。2.1.2二氯甲烷的生產(chǎn)方法及特點(diǎn)二氯甲烷的主要生產(chǎn)路線是甲烷和氯甲烷的氯化。其生產(chǎn)方法最早采用甲烷和氯甲烷的高溫氣相熱氯化法,后來發(fā)展了光氯化法。1972年美國C-Elummus公司和Arm-strong公司共同開發(fā)了甲烷氧氯化法,1979年日本德山曹達(dá)化學(xué)公司開發(fā)了氯甲烷低溫液相自由基引發(fā)氯化法制取氯甲烷的技術(shù)。當(dāng)前廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)的是熱氯化法。最初的甲烷熱氯化以德國Hoechst公司為代表。反應(yīng)器形式有內(nèi)循環(huán)式、蓄熱式、列管式和沸騰床等多種形式。中國多采用內(nèi)循環(huán)式反應(yīng)器。1．(甲烷)天燃?xì)鉄崧然ㄌ烊細(xì)馀c氯氣反應(yīng),經(jīng)水吸收氯化氫副產(chǎn)鹽酸后,用堿液除去殘余微量的氯化氫,再經(jīng)干燥、壓縮、冷凝、蒸餾得到產(chǎn)品。甲烷氯化機(jī)理是游離基連鎖反應(yīng),經(jīng)過升高溫度或用3000—5000A的光源輻射來實(shí)現(xiàn)氯分子的活化。在工業(yè)操作中,為保持一個穩(wěn)定的自由基連鎖反應(yīng),需要將溫度維持在380—450℃。甲烷氯化是強(qiáng)放熱反應(yīng),反應(yīng)溫度的控制十分重要和困難。為解決這一問題,在工業(yè)上已成功地采用了下列反應(yīng)裝置設(shè)計:1、大量循環(huán)甲烷或產(chǎn)生的氯代甲烷使用的多級反應(yīng)器,以保證足夠的進(jìn)料比;2、采用霧化四氯化碳或較低的氯甲烷為熱載體;3、采用流化床反應(yīng)器。2．氯甲烷氯化法將氯甲烷與氯氣氯化反應(yīng),光氯化法在4000Kw光照下進(jìn)行,或采用熱氯化法工藝,熱氯化生產(chǎn)控制氯甲烷與氯氣之比為(2—2.5):1,反應(yīng)溫度為420。C,反應(yīng)壓力19Kpa,反應(yīng)冷卻吸收、堿液除去氯化氫、蒸餾、壓縮精餾,分別除去三氯甲烷,四氯甲烷在塔頂?shù)玫疆a(chǎn)品。氯甲烷生產(chǎn)二氯甲烷時,反應(yīng)成1mol氯化氫,此時氯化氫可返回甲醇?xì)浠b置作為制取氯甲烷原料,能夠制造一個氯的閉路循環(huán)系統(tǒng)。這種氯化氫裝置與熱氯化系統(tǒng)結(jié)合生產(chǎn)甲烷氯代物的過程是一高效的過程。生產(chǎn)二氯甲烷時,一般產(chǎn)生出80%的二氯甲烷、15%的三氯甲烷、5%四氯化碳。2．2生產(chǎn)工藝流程簡述2.2.1甲烷氯化物生產(chǎn)工藝流程簡述分別來自燒堿車間、配氣站和反應(yīng)裝置的氯氣、天然氣和循環(huán)氣,按一定配比經(jīng)計量進(jìn)入混合器,混合均勻后進(jìn)入反應(yīng)器,進(jìn)行甲烷熱氯化反應(yīng),反應(yīng)組成為:甲烷氯化物、氯化氫、過量的甲烷、惰性氣體和微量的游離氯。反應(yīng)氣經(jīng)空氣冷卻器冷卻后進(jìn)入碳黑分離器,除去反應(yīng)中產(chǎn)生的少量碳黑,進(jìn)入水洗系統(tǒng)除去氯化氫。從碳黑分離器出來的反應(yīng)氣(70—90。C),與稀酸分離器來的酸,進(jìn)入第一膜式吸收器頂部,順流而下,進(jìn)行降膜吸收氯化氫后,反應(yīng)氣與稀鹽酸入鹽酸分離器進(jìn)行氣液分離,大于16%濃度的副產(chǎn)鹽酸送至沉鈣車間。反應(yīng)氣與計量后的吸收水,入第二膜式吸收器頂部進(jìn)行第二次吸收,反應(yīng)氣與稀酸入稀酸分離器,稀酸入第一膜式吸收器,反應(yīng)氣則進(jìn)酸霧分離器除去酸霧,進(jìn)入中和塔。第一、第二膜式吸收器管間冷卻水逆流串聯(lián)使用。反應(yīng)氣經(jīng)兩次水洗,除去酸霧(氯化氫含量低于1%),再進(jìn)行中和,中和塔用10%—20%的氫氧化鈉溶液除去反應(yīng)中殘余的氯化氫、游離氯、二氧化碳等。燒堿車間送來的堿液,由貯槽放至堿液配制槽加入水配成規(guī)定的濃度,用泵送至堿液冷卻器冷卻,進(jìn)中和塔,當(dāng)堿液濃度降到規(guī)定值(3%—5%)后,送至廢堿處理裝置。從中和塔塔頂出來的反應(yīng)氣,進(jìn)入干燥系統(tǒng);堿液分離器底部的液體定時排放。中和后的反應(yīng)氣進(jìn)入硫酸干燥塔,從硫酸干燥塔底部進(jìn)入進(jìn)行脫水干燥;98%的濃硫酸由濃硫酸大貯槽壓入濃硫酸中間槽,用泵送至濃硫酸高位槽,計量后進(jìn)入干燥塔頂部,由塔中段流出的硫酸入塔下段,稀硫酸(80%—90%)從塔釜排至稀硫酸中間槽,定時用稀硫酸泵送至稀硫酸大貯槽,以備出售。干燥后的反應(yīng)氣,從干燥塔頂部出來進(jìn)入固堿中和器,除去硫酸干燥過程中生成的硫酸酸霧,再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至0.4—0.6Mpa(表壓)。壓縮后的反應(yīng)氣經(jīng)緩沖罐和機(jī)后冷卻器冷卻至40.C以下,進(jìn)入熱交換器,與冷凝器來的循環(huán)氣進(jìn)行換熱,使反應(yīng)氣溫度降至25.C左右,熱交換器中冷凝的少量甲烷氯化物進(jìn)粗氯化液貯槽。冷凝器管間所需的-25。C—-30。C的冷凍鹽水由冷凍崗位送給。冷凝器中未冷凝的氣體稱為循環(huán)氣(其中大部分為甲烷、少量的甲烷氯化物和惰性氣體)。循環(huán)氣經(jīng)熱交換器后,匯同二氯甲烷蒸餾一塔頂部來的一氯甲烷(該一氯甲烷經(jīng)過了氣液分離器,液體流回粗氯化液貯槽)氣體,一部分作為生產(chǎn)四氯化碳原料氣,另一部分經(jīng)減壓至0.2—0.3Mpa(表壓)返回氯化反應(yīng)器和調(diào)節(jié)硫酸干燥塔氣量。粗氯化液作精餾二氯甲烷、三氯甲烷成品用。2．2．2二氯甲烷生產(chǎn)工藝流程簡圖水15%的氫氧化鈉 第二膜式吸收器空冷器第一膜式吸收器中和塔第二膜式吸收器空冷器第一膜式吸收器中和塔稀酸分離器天然氣混合器稀酸分離器反應(yīng)器鹽酸分離器循環(huán)氣反應(yīng)器鹽酸分離器氯氣98%的硫酸循環(huán)氣-25℃冷凍鹽水粗氯化液貯槽冷凝器熱交換粗氯化液貯槽冷凝器熱交換器機(jī)后冷凝器緩沖罐壓縮機(jī)干燥塔

第三章物料衡算和熱量衡算3．1計算基準(zhǔn)以單位時間為基準(zhǔn),按年工作330天,每天24小時,二氯甲烷小時生產(chǎn)量 Kg/h3．2物料衡算和熱量衡算3.2.1反應(yīng)器的物料衡算和熱量衡算本反應(yīng)過程是強(qiáng)放熱反應(yīng),由于放熱量大,如不采取措施控制反應(yīng)熱并及時移走,溫度會急劇升高,這樣會產(chǎn)生強(qiáng)烈的燃燒反應(yīng),使反應(yīng)或使氯化物產(chǎn)生裂解反應(yīng)。因此利用加入過量甲烷得到的循環(huán)氣為稀釋劑而移走反應(yīng)熱量。計算依據(jù)二氯甲烷產(chǎn)量505.05Kg/h.即5.94Kmol/h.原料組成含Cl296%,CH495%.進(jìn)反應(yīng)器的原料配比(摩爾比)Cl2:CH4:循環(huán)氣=1:0.68:3.0出反應(yīng)器的比例CH2Cl2:CHCl3=1:0.5(質(zhì)量比)(CHCl3+CCl4)/CH2Cl3=0.38(摩爾比)操作壓力0.08MPa(表壓)反應(yīng)器進(jìn)口氣體溫度25oC,出口溫度420oC2．物料衡算Cl2 反 CH3Cl應(yīng)CH2Cl2CH4器CHCl3CCl4HCl假設(shè)循環(huán)氣不參與反應(yīng),只起帶走熱量的作用。設(shè)進(jìn)口甲烷Xkmol/h,出反應(yīng)器一氯甲烷Ykmol/h,氯化氫Zkmol/h由CH2Cl2:CHCl3=1:0.5(質(zhì)量比)CHCl3時產(chǎn)量:505.05×0.5=252.5Kg/h=2.11kmol/h(CHCl3+CCl4)/CH2Cl2=0.38(質(zhì)量比)CCl4的量:0.147kmol/h由于反應(yīng)復(fù)雜,用元素守衡法:則Cl元素守衡2.96X=Y+5.94×2+2.11×3+0.147×4(1)H元素守衡4X=3Y+Z+5.94×2+2.11(2)C元素守衡X=Y+5.94+2.11+0.147(3)解方程(1)(2)(3)得X=22.09kmol/hY=13.89kmol/hZ=32.68kmol/h因此反應(yīng)器進(jìn)口原料中各組分的流量Cl2:22.09×1.48=32.69kmol/h=732.26Nm3/h(純)32.69/0.96=34.06kmol/h=762.94Nm3/h(含雜)CH4:22.09kmol/h(純),22.09/0.95=23.25kmol/h=520.8Nm3/h(含雜)循環(huán)氣流量:3.0×34.06=102.19kmol/h=2289.06Nm3/h其中CH3Cl:13.89N2:34.06×4%+23.25×3%=2.058kmol/hCO2:23.25×2%=0.465kmol/hCH4:102.19-13.89-2.058-0.465=85.76kmol/h進(jìn)口氣體總量:32.68+24.25+(102.19-13.89)=143.07kmol/h反應(yīng)器出口中各組分流量CH3Cl:13.89kmol/hCH2Cl2:5.94kmol/hCHCl3:2.11kmol/hCCl4:0.147kmol/h循環(huán)氣:102.19kmol/h出口氣體總量:102.19+32.68+5.94+2.11+0.147=143.07kmol/h出口氣體中各組分的含量CHCl3:13.89/143.07×100%=9.71%CH2Cl2:5.94/143.07×100%=4.15%CHCl3:2.11/143.07×100%=1.47%CCl4:0.147/143.07×100%=0.10%HCl:32.68/143.07×100%=33.84%N2:2.058/143.07×100%=1.46%CO2:0.465/143.07×100%=0.33%CH4:85.76/143.07×100%=59.94%反應(yīng)器物料平衡表表2—1組分反應(yīng)器進(jìn)口反應(yīng)器出口Kmol/h組成%(mol)Kg/hKmol/h組成%(mol)Kg/hCH4107.8575.31725.685.7659.941372.16Cl232.6922.852320.99CH3Cl13.899.71701.415CH2Cl25.944.15504.9CHCl32.111.47252.145CCl40.1470.1022.638CO20.4650.3320.460.4650.3320.46N22.0581.4657.6242.0581.4657.642HCl32.6822.841192.85總計143.071004124.674143.071004124.6742.熱量衡算(以1h,25oC為基準(zhǔn))參加反應(yīng)的各物料的ΔHf?(KJ/kmol)輸入CH4Cl2CO2輸出CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HCl量(kmol)22.0932.690.46513.895.942.110.14732.68ΔHf?-74.850-393.51-81.92-87.86-100-106.76–92.3ΔHro=Σ生成物UlΔHf?-Σ反應(yīng)物UlΔHf?(3—1)=13.89×(-81.92)-5.94×87.86-2.11×100-0.147×106.76-32.68×92.3+22.09×74.85+0.465×393.51=-3.07×106KJ420℃各物質(zhì)的(J/mol.k)物質(zhì)CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClCO2N2(J/mol.k)66.0745.97588.28798.88729.9652.2730.65輸出焓:∑輸出H=∑nΔt(3—2)=(13.89×66.07+5.94×45.975+2.11×88.287+0.147×98.887+32.68×29.96+2.058×30.65+52.27×0.465)×(420-25)=9.8×105KJ輸入焓:∑輸入H=0Q放出=ΔH(3—3)=ΔHro+∑輸出H+∑輸入H=-3.07×106+9.8×105=-2.09×106KJ222.50℃各物質(zhì)的(J/mol.k)物質(zhì)CH3ClN2CH4CO2(J/mol.k)54.8330.8149.6253.43循環(huán)氣帶出的熱量為:Q帶走=mΔt=13.89×54.83+2.058×30.81+85.76×49.62+0.465×53.43)×420-25)=1.98×106KJ考慮5%熱損失,則2.09×106×(1-5%)=1.98×106KJ即Q放出=Q帶走循環(huán)氣能帶走的熱量恰好為反應(yīng)氣放出的熱量,使反應(yīng)溫度保持在420℃左右,維持反應(yīng)順利進(jìn)行。3.2.2空冷器的物料衡算和熱量衡算由于氣體溫度太高,直接進(jìn)入吸收器不利于氯化氫氣體吸收。因此,先用空冷器冷卻降溫,保證吸收的順利進(jìn)行。計算依據(jù)進(jìn)口氣體420℃,組成和流量與反應(yīng)器出口相同;出口氣體80℃,操作壓力0.06MPa(表壓)熱量衡算定性溫度t=(420+80)/2=250℃250℃各物質(zhì)的(J/mol.k)物質(zhì)CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4CO2N2HClCH4(J/mol.k)56.36169.63981.92096.55845.0629.61129.29347.752熱負(fù)荷Q=W(T2-T1)(3—4)=(13.89×56.361+5.94×69.639+2.11×81.920+0.147×96.558+0.465×45.06+2.058×29.611+32.68×29.293+65.76×47.752)×(420-80)=2.37×106KJ/h3.2.3膜式吸收器的物料衡算和熱量衡算Lx2Vy2Vy2Lx2本設(shè)計用兩個石墨降膜吸收器串聯(lián)吸收,氣體經(jīng)一 膜吸收后再經(jīng)二膜吸收,吸收劑水先經(jīng)二膜吸收成稀酸 一 二 再去一膜吸收成高濃度酸。兩膜吸收劑用量相同,惰氣 膜 膜 流量也相同,因此液氣比l/V也相同。 Lx1Vy1Lx1Vy1第一膜式吸收器1.計算依據(jù)(1).一膜進(jìn)口氣體中氯化氫含量22.84%(摩爾),出口氣體氯化氫含量8%,二膜出口氣體氯化氫含量0.6%(2)一膜進(jìn)口氣體溫度80℃,出口氣體溫度70℃,二膜出口氣體溫度60℃(3).吸收水溫42℃(4).進(jìn)口氣體組成同反應(yīng)器出口(5).操作壓力0.6MPa(表壓)(6).出口酸濃度28%(質(zhì)量),即16%(摩爾)(7).冷卻水進(jìn)口溫度25℃2.物料衡算對并流高濃度氣體吸收,操作線方程為:L()=V(-)(3—5)解得:x2=0.051即一膜進(jìn)口酸,二膜出口酸濃度為0.051需要的吸收劑用量:==167.2Kmol/h副產(chǎn)鹽酸的量:l0=V0(y2-y1)/(x1-x2)=143.07(0.2284-0.06)/0.16=198.9Kmol/h吸收劑的單位耗用量(氣體入口處)l=L/V=167.1/(143.07-32.68)=1.51被吸收的氯化氫氣體的量:wA=143.07(0.2284-0.08)=21.23Kmol/h剩余氣體總量:143.07-21.23=121.84Kmol/h各氣體的含量:CH3Cl13.89/121.84×100%=11.4%CH2Cl25.94/121.84×100%=4.9%CHCl22.11/121.84×100%=1.7%CCl40.147/121.84×100%=0.12%HCl(32.68-21.23)/121.84×100%=9.4%N22.058/121.84×100%=1.69%CH485.76/121/84×100%=70.39%CO20.465/121.84×100%=0.38%3.熱量衡算42℃氯化氫溶解成16%的鹽酸的溶解熱Φ=9172.65KJ/KmolQ溶解=9172.65×194.8=1.7×106KJ/h在定性溫度t=(80+70)/2=75℃下的等壓熱容CP(KJ/Kmol.℃)CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClCH4N2CO2 44.5556.1171.2588.9328.8637.2128.7738.32Q=CP.m.Δt=(44.5513.89+56.11×5.94+71.25×2.11+88.93×0.147+28.86×32.68+37.12×85.76+28.77×2.058+38.32×0.465)×(80-70)=0.05×106KJ/hQ總=1.7×106+0.05×106=1.75×106KJ/h假設(shè)冷卻水溫升8℃,則冷卻水耗用量水的Cw=4.18KJ/Kg.K=75.42KJ/Kmol.kWW=1.75×106/75.42×8=2.95×103Kmol/h第二膜式吸收器計算依據(jù)(1)進(jìn)口氣體組成同一膜出口氣體組成(2)進(jìn)口氣體溫度70℃,出口氣體溫度60℃(3)出口酸濃度5.1%(4)吸收水溫42℃,冷卻水溫33℃(5)操作壓力0.036MPa(表壓)物料衡算需要吸收劑的量同一膜l=167.2Kmol/h得到稀酸的量l0=V0(y2-y1)/(x2-x1)=121.84(0.08-0.006)/(0.051-0)=176.8Kmol/h吸收劑的單位耗用量l=1.51被吸收的氯化氫氣體量:wa=143.07(0.08-0.006)=10.59剩余氣體總量:121.84-10.59=111.25各氣體含量:CH3Cl13.89/111.25×100%=12.49%CH2Cl5.94/11.25×100%=5.34%CHCl32.11/111.25×100%=1.90%CCl40.147/111.25×100%=0.13%HCl0.86/111.25×100%=0.77%N22.058/111.25×100%=1.85%CO20.465/111.25×100%=0.42%CH485.76/111.25×100%=77.09%熱量衡算42℃氯化氫溶解成5.1%的鹽酸的溶解熱Φ=3303.18Q溶解=3303.18×176.8=6×105KJ/h在定性溫度t=(70+60)/65℃下物質(zhì)的等壓熱容Cp(KJ/kmol.℃)CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClCH4CO2N243.8755.4970.8187.9928.537.0538.2228.46Q=CP.m.Δt=(43.78×13.89+55.49×5.94+70.81×2.11+87.99×0.147+28.51×10.59+37.04×85.76+38.22×0.465+28.46×2.058)×(70-60)=0.05×105Q總=0.6×105+0.05×105=0.65×105從一膜出來的冷卻水逆流進(jìn)入二膜,進(jìn)口溫度33℃其溫升:Δt=0.65×105/(75.42×2.95×103)=2.87出口水溫:33+2.87=35.87℃3．2．4中和塔(填料塔)1．計算依據(jù)(1)進(jìn)塔氣體組成同二膜出口氣體組成(2)用20℃,15%的稀氫氧化鈉溶液吸收,出塔堿濃度4%(質(zhì)量)(3)出塔氣體溫度60℃(4)出口氣體中無氯化氫和二氧化碳?xì)怏w2.物料衡算入塔氣摩爾流量:WV=111.25Kmol/h惰氣流量:G0=111.25-0.86-0.465=109.925Kmol/h平均分子量:M=50.5×12.49%+85x5.34%+119,51.90%+154×0.13%+36.5×0.77%+44×0.42%+16×77.09%+28×1.85%=26.64則入塔氣質(zhì)量流量:111.25×26.64=296.37kg/h入塔氣密度:ρV=2963.7/(111.25×22.4)=1.19kg/m315%和4%的氫氧化鈉溶液化為摩爾濃度:15%(質(zhì)量)=×100%=7.35%(摩爾)4%(質(zhì)量)=×100%=1.84%(摩爾)氫氧化鈉溶液耗用量:Wl=(0.86+0.465×2)/(7.35%-1.84%)=32.49Kmol/h出塔氣中無氯化氫氣體和二氧化碳?xì)怏w,但帶出3Kmol/h的水蒸氣,則總量為G0=112.925Kmol/h各氣體含量:CH3Cl13.89/112.925×100%=12.3%CH2Cl25.94/112.925×100%=5.3%CHCl32.11/112.925×100%=1.9%CCl40.147/112.925×100%=0.13%N22.058/112.925×100%=1.82%CH485.76/112.925×100%=75.9%第四章主要設(shè)備的工藝計算及選型4．1空冷器本過程傳熱量大,一般的換熱器不能達(dá)到換熱效果?？绽淦鲹Q熱效果好,結(jié)構(gòu)簡單,節(jié)約水資源,沒有水污染等問題,比水冷更經(jīng)濟(jì),故選用空冷器。計算依據(jù)(1)進(jìn)出空冷器的流量和組成:組分CH4CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4CO2N2HClKmol/h85.7613.895.942.110.1470.4652.05832.68%(kmol/h)59.949.714.151.470.10.331.4622.84(2)設(shè)計溫度40℃(3)進(jìn)空冷器溫度420℃,出空冷器溫度80℃(4)進(jìn)出口壓力0.06MPa(表壓)(5)換熱量Q=2.37×106KJ/h設(shè)計計算查<化工裝置的工藝設(shè)計>表9-31得輕有機(jī)物的傳熱系數(shù)為10英熱單位/英尺2.h.換算為國際單位制:K=10×0.86×4.18=204.25KJ/m2.h.℃假設(shè)空氣溫升15.3℃按逆流:△t1=420-55.3=364.7℃△t2=80-40=40℃△tm1=146.91℃取溫差校正系數(shù)Φ=0.8△tm=△tm1.Φ=146.91×0.8=117.53℃則所需普通光管的表面積:A0=Q/K.△tm(4—1)=2.37×106/(204.25×117.53=98.73m2由(T2-T1)/K=1.86查<化工裝置的工藝設(shè)計>圖9-120得:最佳管排數(shù)為n=6又由n=6查表9-33得迎面風(fēng)速FV=165米/分表面積/迎風(fēng)面積=A0/F2=7.60則:F2=A0/7.60=98.73/7.60=12.99m2由F1=Q/(t2-t1)FV17.3(4—2)式中Q—換熱量,Kcal/h(t2-t1)—空氣溫升FV—迎面風(fēng)速,米/分代入數(shù)據(jù)F1=2.37×106/(15.3×165×17.3=12.98m2取ξ=0.01F2-F1=12.99=12.98=0.01≤ξ即空氣出口溫度假設(shè)合理以光管外表面為基準(zhǔn)的空冷器的換熱面積為98.73m2由于資料有限,無法查到標(biāo)準(zhǔn)空冷器系列及翅片規(guī)格。因此無法校核傳熱系數(shù)及確定翅片面積參考鴻化廠選φ377×12的換熱管管長L=98.73×4/π×0.3532=1010米管內(nèi)流速u=143.07×22.4×4/π×0.3532=2762.5m/h=9.2m/su=9.2m/s符合換熱管內(nèi)流速范圍15—30米/秒,故換熱管選擇合理空冷器規(guī)格及型號:φ377×1010F=98.73m24．2第一膜式吸收器降膜式吸收器在吸收過程中不斷的將反應(yīng)熱移走,其傳熱傳質(zhì)效果好,吸收效率高,在吸收系統(tǒng)內(nèi)壓力降低,所生產(chǎn)的酸溫度低,不需有后冷,且設(shè)備耐腐蝕,維修方便,使用壽命長,可制成較大規(guī)格。用于處理量較大的吸收過程。因此選用降膜式石墨吸收器吸收氯化氫氣體。計算依據(jù)(1)進(jìn)出口組成同空冷器出口組成(2)進(jìn)口溫度80℃,出口溫度70℃(3)吸收水溫42℃,冷卻水溫25℃,溫升8℃(4)進(jìn)口酸濃度5.1%,出口酸濃度16%(5)操作壓力0.06MPA(表壓)(6)換熱量Q=1.75×106KJ/h(7)吸收氣體量21.23Kmol/h計算換熱面積(逆流)冷卻水由25℃升到33℃,氣體由80℃降到70△t1=80-33=47℃△t2=70-25=45℃△tm=45℃從<氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊>查得K=3000KJ/m2.h.℃S=Q/K.△tm=1.75×106/3000×45=13.2m2計算吸收面積(并流)由于有大量的冷卻水帶走熔解熱,將此過程保持等溫,因此簡化為等溫吸收,在42℃下查得HCl—H2O平衡數(shù)據(jù)如下:x00.009980.02020.04120.06310.0860.1040.1330.151y00.000020.000080.00030.00110.00410.020.040.06x0.1610.1720.1810.1830.1890.1920.1960.199y0.0080.100.140.160.180.200.220.24并流高濃度吸收操作的操作線方程由式(3—5):即在y1—y2之間分為10個相等的小區(qū)間,對應(yīng)一個y求出一個x,所得x,y如下:x0.160.1530.1440.1350.1250.111y0.080.094840.109680.124520.139360.1542x0.1040.09180.07930.06580.051y0.160940.183880.198720.213560.2284在同一直角坐標(biāo)系中作出操作線和平衡線如圖一:圖一對高濃度吸收一般用諾曼法:從圖上量出塔兩端和操作范圍的中點(diǎn)xc(x=0.1055)處的濃度差△y1=0.006△y2=0.227△yc=0.143算出△yc/△y1=0.143/0.006=23.8,△yc/△y2=0.143/0.227=0.63查<化工過程及設(shè)備設(shè)計>圖3—18得:f=△ym/△yc=0.51即△ym=0.073進(jìn)口端kG的查取:在t=80℃下查得各物質(zhì)μ(μpA.S)CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClCO2N2CH412.7912.1011.9011.1817.218.1019.512.35平均粘度:μ=12.79×9.71%+12.10×4.15%+11.90×1.47%+11.18×0.10%+181.10×0.33%+19.5×1.46%+12.35×59.94%+17.2×22.84%=13.57μPA.S=0.049Kg/m.h平均分子量:M=50×9.71%+85×4.15%+119.5×1.47%+154×0.10%+36.5×22.84%+44×0.33%+16×59.94%+28×1.46%=28.81由計算出的換熱面積13.2m2,按<石墨制化工設(shè)備設(shè)計>表3—26初選換熱器規(guī)格:公稱直徑450mm,吸收管61根,φ22×3的吸收管入口氣體質(zhì)量流速:G0=(143.07×28.81×4)/(π×0.0612×61)=3.36×105Kg/m2.h則:DG0/μM1.75=(0.016×3.36×105)/0.049×28.811.75)=306.2(4—3)D—管內(nèi)徑,mG0—入口氣體質(zhì)量流速,kg/m2.hμ—入口氣體粘度,Kg/m.hM—平均分子量查<氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊>圖15—6—1得:kG=200×10-6Kmol/m2.h.Pa由于HCl氣體易溶于水,屬氣膜控制,總傳質(zhì)系數(shù)1/Ky=1/ky+m/kx中可忽略液膜阻力m/kx,即Ky=ky又因為氣相總壓不高,則ky=P.kG(4—4)因此Ky=P.kG=1.6×105×200×10-6=32.0Kmol/m2.h出口端kG的查取:查得t=70℃的μ(μpa.S)CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClCO2N2CH412.411.311.410.916.516.718.912.0平均分子量:μ=12.4×11.4%+11.3×4.9%+11.4×1.7%+10.9×0.12%+12.0×70.3%+16.7×0.38%+18.9×1.69%+16.4×9.4%=0.045Kg/m.h平均粘度:M=50.5×1.4%+85×4.9%+119.5×1.7%+154×0.12%+36.5×9.4%+44×0.38%+28×1.69%+16×70.39%=27.47出口氣體質(zhì)量流速:G0=(121.84×27.47×4)/(π×0.0162×61)=2.73×105Kg/m2.hDG0/μM1.75=(0.016×2.73×105)/(0.045×27.471.75)=319.9kG=205×10-6Kmol/m2.h.Pa出口端的壓力P=1.6×(1-21.23/143.07)=1.36atmKy=kG.P=205×10-6×1.36×105=27.9Kmol/hHCl被吸收一半時(即xc處)的查取氣體總量:143.07-21.23/2=132.455Kmol/h剩余HCl的量:32.68-231.23/2=22.065Kmol/h各氣體的含量:CH3Cl13.89/132.455×100%=10.5%CH2Cl25.94/132.455×100%=4.48%CHCl32.11/132.455×100%=1.59%CCl40.147/132.455×100%=0.11%HCl22.06/132.455×100%=16.66%CO20.465/132.455×100%=0.35%N22.058/132.455×100%=1.55%CH485.76/132.455×100%=64.75%查得t=(80+70)/2=75℃下的μ(μpa..S)CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClCO2N2CH412.611.911.811.017.017.419.312.5平均粘度:μ=12.6×10.5%+11.9×4.48%+11.8×1.59%+11.0×0.11+17.4×0.35%+19.3×1.55%+12.5×64.75%+17.0×16.66%=0.048Kg/m.h平均分子量:M=50.5×10.5%+85×4.48%+119.5×1.59%+154×0.11%+36.5×16.66%+44×0.35%+16×64.75%+28×1.55%=28.21氣體質(zhì)量流速:G0=(132.455×28.21×4)/(π×0.0162×61)=3.05×105Kg/m2.hDG0/μM1.75=(0.016×3.05×105)/0.048×28.211.75)=294.4查得KG=196×10-6Kmol/m2.h.PaP=1.6×(1-10.615/143.07)=1.5atmKy=kGP=196×10-6××1.5×105=29.4Kmol/m2.h則對應(yīng)于y1,y2和yc的Ky分別為:Ky1=32.0Kmol/m2.h,Ky2=27.9Kmol/m2.h,Kyc=29.4Kmol/m2.hKyc/Ky=29.4/32.0=0.919Kyc/Ky2=29.4/27.9=1.05查<化工過程及設(shè)備設(shè)計>圖3—18f=Kym/Kyc=0.96即Kym=Kyc×0.96=28.2Kmol/m2.h由<化工過程及設(shè)備設(shè)計>式(3—19)F=W/Kym△ym(4—5)式中F—吸收面積,W—單位時間內(nèi)吸收的溶質(zhì)的量,Kmol/h△y—吸收過程中的平均推動力Kym—吸收系數(shù),Kmol/m2.h代入數(shù)據(jù)F=21.23/28.2×0.073=10.3m2因此由吸收面積10.3m2,換熱面積13.2m2,按<石墨制化工設(shè)備設(shè)計>3—26選換熱器公稱直徑450mm,固定管板厚度140mm,吸收管數(shù)量61根,換熱面積15m2,吸收面積12.6m2,管程數(shù)1換熱面積裕度:(15-13.2)/13.2×100%=13.6%吸收面積裕度:(12.6-10.3)/10.3×100%=22.3%4．3第二膜式吸收器計算依據(jù)(1)進(jìn)口氣體組成同一膜出口處(2)進(jìn)口溫度70℃,出口溫度60℃(3)吸收水溫42℃,冷卻水溫33,溫升2.87℃(4)操作壓力0.036MPa(表壓)(5)換熱量Q=0.65×106KJ/h(6)進(jìn)口清水,出口稀酸濃度5.1%(7)吸收氣體量10.59Kmol/h計算換熱面積冷卻水由33℃上升到35.87℃,氣體由70℃降到60℃則△t1=70-35.87=34.13℃△t2=60-33=27△tm=28℃S=Q/K△tm=0.65×106/3000×28=9m23.計算吸收面積操作線方程:即在y1-y2之間分為10個相等的小區(qū)間,對應(yīng)一個y求出一個x,所得x,y如下:x0.0510.0460.0420.0370.0320.027y0.0060.01340.02080.02820.03560.043x0.0220.0170.0110.00570y0.05040.05780.06520.07260.08平衡線第一膜已作出,同一坐標(biāo)下作出操作線如圖一,同樣用諾曼法量得:△y1=0.005△y2=0.008△yc=0.047算出△yc/△y1=0.047/0.005=9.4,△yc/△y2=0.047/0.08=0.58查得f=△ym/△yc=0.62,△ym=0.03進(jìn)口端的kG查取:因二膜進(jìn)口端與一膜出口端的溫度和物質(zhì)組成相同,故粘度和平均分子量同一膜出口端μ=0.045Kf/m.h,M=27.47由換熱面積S=9m2,按<石墨制化工設(shè)備設(shè)計>表3—26初選換熱器規(guī)格:公稱直徑500mm,吸收管數(shù)量85根,φ22×3的吸收管入口氣體質(zhì)量流速:G0=(121.84×27.47×4)/(π×0.0162×85)=2.0×105Kg/m2.hDG0/μM1.75=(0.016×2.0×105)/(0.045×27.471.75)=215.7查得kG=150×10-6Kmol/m2.h.PaKy=kGP=150×1.36×10-6×105=20.4Kmol/m2.h出口端Ky的求取:查得t=60℃下的μ(μpa.S)CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClCO2N2CH411.810.910.49.215.115.418.010.9平均粘度:μ=11.8×12.49%+10.9×5.34%+10.4×1.90%+9.2×0.13%+15.1×0.77%+18.0×1.85%+10.9×77.09%+15.4×0.42%=0.04Kg/m.h平均分子量:M=50.5×12.49%+85×5.34%+119.5×1.90%+154×0.13%+36.5×0.77%+44×0.42%+16×77.09%+28×1.85%=26.64出口氣體質(zhì)量流速:G0=(111.25×26.64×4)/(π×0.016285)=1.74×105Kg/m2.hDG0/μM1.75=(0.16×1.74×105)/(0.04×26.641.75)=222.8查得KG=153×10-6Kmol/m2.h.PaP=1.6×(1-31.82/143.07)=1.24atmKy=kGP=153×10-6×1.24×105=19.0Kmol/m2.hHCl被吸收一半時Ky的求取:查得t=(70+60)/2=65℃下的μ(μPa.S)CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClCO2N2CH412.111.711.39.815.716.118.311.6平均粘度:μ=12.1×11.92%+11.1×5.1%+11.3×1.81%+9.8×0.13%+15.7×5.28%+18.3×1.77%+11.6×73.6%+16.1×0.40%=0.043Kg/m.h平均分子量:M=50.5×11.92%+85×5.11%+119.5×1.81%+154×0.13%+36.5×5.28%+28×1.77%+16×73.6%+28×0.40%+=27.03氣體質(zhì)量流速:G0=(116.545×27.03×4)/(π×0.0162×85)=1.84×105Kg/m2.hDG0/μM1.75=(0.016×1.84×105)=(0.04327.031.73)=213.7查得KG=148×10-6Kmol/m2.h.PaP=1.6×(1-26.525/143.07)=1.32atmKy=kGP=148×10-6×1.32×105=19.6Kmol/m2.h即對應(yīng)于y1,y2和yc的分別為:Ky1=20.4Kmol/m2.h,Ky2=19.0Kmol/m2.h,Kyc=19.5Kmol/m2.h算出Kyc/Ky1=0.95,Kyc/Ky2=1.02查<化工過程及設(shè)備設(shè)計>圖3—18f=Kym/Kyc=0.99即Kym=Kyc×0.99=19.3Kmol/m2.h由吸收速率方程式(4—5)F=W/Kym△ym=10.59/19.3×0.03=18.3m2因此由吸收面積18.3m2,換熱面積9m2,按<石墨制化工設(shè)備設(shè)計>3—26選換熱器公稱直徑500mm,固定管板厚度150mm,吸收管數(shù)量85根,換熱面積20m2,吸收面積18.6m2,管程數(shù)1換熱面積裕度:(20-9)/9×100%=122%吸收面積裕度:(18.6-18.3)/18.3×100%=1.6%換熱面積裕度大了點(diǎn),可是要滿足吸收面積只能選這種規(guī)格。實(shí)際上換熱面積大點(diǎn)更能維持等溫,假設(shè)為等溫更合理。4.4中和塔(填料塔)填料塔結(jié)構(gòu)簡單,阻力小,便于耐腐蝕材料制造,而且過程需要吸收的氣體量小,故選用填料塔。計算依據(jù)(1)氣體組成同一膜出口處組成(2)出塔氣體中無氯化氫和二氧化碳?xì)怏w(3)進(jìn)口壓力1.24atm(4)25mm×25mm×2.5mm的亂堆陶瓷拉西環(huán)確定空塔其速查<氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊>20℃,15%的NaOH溶液ρl=1169Kg/m3粘度μL=2.95mPa.S則WL/WV(ρV/ρL)0.5=32.49/111.25(1.19/1169)0.5=0.01(4—6)式中WL,WV—分別為液相和氣相的摩爾流量,Kmol/hρV,ρL—分別為液體和氣體的密度Kg/m3查<化工原理>下冊圖3—24中亂堆填料泛點(diǎn)線,橫標(biāo)為0.01時的縱標(biāo)數(shù)值為0.23由表3—5知,25mm×25mm×2.5mm的亂堆陶瓷拉西環(huán)的填料因子φ=450m-1,Ψ=ρ水/ρL=1000/1169=0.86umax=(0.23gρL/φΨρVμL0.2)1/2(4—7)=(0.23×9.8×1169/450×0.86×1.19×2.950.2)1/2=2.15m/s式中:umax—泛點(diǎn)氣速,m/sg—重力加速度,m/s2ρV,ρL—分別為液體和氣體的密度Kg/m3φ—填料因子,m-1Ψ—液體密度校正吸收,Ψ=ρ水/ρlΜL—液體粘度,mPa.S取空塔氣速為泛點(diǎn)氣速的50%,即u=0.5umax=1.125m/s計算填料塔直徑D=(4VS/πu)1/2=[(111.25×22.4×4)/(3.14×1.125×3600)]1/2=0.9mD—塔徑,mVS—體積流率m3/su—空塔氣速,m/s圓整塔徑為1m,即1000mm則空塔氣速u=4VS/πD2=(4×111.25×22.4)/π×12=0.88m/s空塔氣速安全系數(shù):0.88/2.15×100%=40.9%4.計算噴淋密度因填料為25mm×25mm×2.5mm,σ=190,塔徑與填料尺寸之比大于8,依<化工原理>下冊式(3—37)算最小噴淋密度,因填料尺寸小于75mm,故取(LW)mln=0.08m3/m.h,則Umln=(LW)mln.σ(4—8)=0.08×190=15.2m3/m2.hσ—填料的比表面積,m2/m3Umin—最小噴淋密度,m3/m2.h(LW)min—最小潤濕速率,0.08m3/m.hNaOH溶液的平均分子量:100/(20/40+80/18)=20.22Kg/Kmol則操作條件下的噴淋密度為:U=(32.49×20.22×4)/(π×1169×12)=0.72m3/m2.h為滿足U≥Umin則使出塔的廢堿液循環(huán),以增大液體流量,從而增大噴淋密度要使U≥Umin,即4Wl/(π×1169×12)≥15.2WL≥1.4×104Kg/h取WL=1.5×104Kg/h=741.8Kmol/h循環(huán)液的量1.5×104-32.49×22.4=1.43×104Kg/h5．校核塔徑及空塔氣速由式(4—6)得:WL/WV(ρV/ρL)0.5=741.8/111.25(1.19/1169)0.5=0.21查<化工原理>下冊圖3—24中亂堆填料泛點(diǎn)線,橫標(biāo)為0.21時的縱標(biāo)數(shù)值為0.08umax=(0.08gρL/φΨρVμL0.2)1/2=(0.08×9.8×1169/450×0.86×1.19×2.950.2)1/2=1.28m/s取空塔氣速為泛點(diǎn)氣速的70%U=0.7Umax=0.7×1.28=0.90m/sD=(4VS/πu)1/2=[(111.25×22.4×4)/(3.14×0.90×3600)]1/2=0.98m圓整塔徑為1m,即1000mm則空塔氣速u=4VS/πD2=(4×111.25×22.4)/π×12=0.88m/s空塔氣速安全系數(shù):0.88/1.28×100%=69%則操作條件下的噴淋密度為:U=(1.5×104×4)/(π×1169×12)=16.53m3/m2≥Umin6.計算塔壓降縱標(biāo)u2φψρμL0.2/gρL=(0.882×4500.86×2.950.2)/9.8×1169=0.039橫標(biāo)WL/WV(ρV/ρL)0.5=741.8/111.25(1.19/1169)0.5=0.21據(jù)以上兩數(shù)值在圖3—24中確定塔的操作點(diǎn)此點(diǎn)位于△P=30×9.8Pa/m的等壓線上,即每米填料層的壓降約為294Pa/m7．計算填料層高度計算傳質(zhì)單元數(shù)由于氯化氫和二氧化碳?xì)怏w與NaOH溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng),溶液中不存在氯化氫和二氧化碳,故Y*=O又由于二氧化碳與NaOH溶液反應(yīng)生成的碳酸鈉堿性,抑制反應(yīng)進(jìn)行,因此二氧化碳與NaOH溶液反應(yīng)比氯化氫與NaOH溶液反應(yīng)速度慢。因此本設(shè)計以二氧化碳為依據(jù)進(jìn)行計算。被吸收的氯化氫的量為:32.68-31.82=0.86Kmol/h相當(dāng)于0.86/2=0.43Kmol/h的二氧化碳。被吸收的二氧化碳總量0.43+0.465=0.895Kmol/h即Y1=0.895/112.925×100%=0.79%因為液相中活潑組分的濃度足夠大,而且發(fā)生的是快速不可逆反應(yīng),溶質(zhì)組分進(jìn)入液相后立即反應(yīng)而被消耗掉,則界面上的溶質(zhì)組份分壓為0,吸收過程速率為氣膜中的擴(kuò)散阻力所控制,因此可按氣膜控制的物理吸收計算。=4.8(4—9)由于無法查到二氧化碳被NaOH吸收時的KG,計算不出具體的傳質(zhì)單元高度。按一般經(jīng)驗,對25mm的填料作吸收操作時傳質(zhì)單元高度取為Hor=0.5m則填料層高度H=NOG.Hor(4—10)=4.8×0.5=2.4m4．5硫酸干燥塔浮閥塔結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,節(jié)省材料,性能良好,因此選用浮閥塔。計算依據(jù)(1)進(jìn)塔酸濃度98%(質(zhì)量),出塔酸濃度85%(質(zhì)量)(2)進(jìn)口酸溫度25℃(3)硫酸的量為3Kmol/h塔徑計算需要的硫酸的量:M=(M+3×18)×85%/98%=353.1Kg/h查得25℃下,98%的硫酸的密度ρL=1.833g/cm3=1833Kg/m3V=M/ρL=353.1/1833=5.35×10-5m3/s=0.19m3/h動能參數(shù)(Lh/VN)(ρL/ρV)1/2(4—11)式中:Lh,VN—分別為塔內(nèi)液氣兩相的體積流量,m3/hρL,ρV分別為塔內(nèi)液氣兩相的密度,Kg/m3此時ρV=WV/V=(13.89×50.5+5.94×85+2.11×19.5+0.147×154+2.058×28+85.76×16+3×18)/(112.925×22.4)=1.18Kg/h動能參數(shù)(Lh/VN)(ρL/ρV)1/2=0.19/(112.925×22.4)(1833/1.18)1/2=0.03假設(shè)塔徑0.5—0.8m,取板間距310mm,板上液層高度0.08m因此HT-hL=230mm查史密斯關(guān)聯(lián)圖得C20=0.048查得硫酸的σ=52.38mN/mC=C20(σ/20)0.2(4—12)=0.048(52.38/20)0.2由式(3—3)umax=C[(ρL-ρV)/ρV]1/2(4—13)ρL—液相密度,Kg/m3ρV—?dú)庀嗝芏?Kg/m3umax—極限空塔氣速,m/sC—負(fù)荷系數(shù)則umax=0.058[(833-1.18)/1.18]1/2=2.28m/su=0.65umax=0.65×2.28=1.48m/s塔徑D=(4VS/πU)1/2=[(4×112.925×22.4)/(π×3.14×3600)]1/2=0.77圓整塔徑0.8m,即800mm空塔氣速:u=4VS/πD2=(4×112.25×22.4)/(π×0.082×3600)=1.38m/s由板上液層高度為0.08,則板上液層體積V=π/4D2.h=π/4×0.82×0.08=0.04m3理論塔板數(shù):NT=0.19/0.04=4.75取總板效率70%,則實(shí)際板數(shù)為NT/ET=4.75/70%=6.8塊,取為7塊則有效高度為:ET=NT/ET.HT(4—14)=7×0.31=2.17m4．6熱交換器計算依據(jù)(1)熱流體進(jìn)口溫度40℃,出口溫度20℃(2)冷流體為冷凝器出來的循環(huán)氣,進(jìn)口溫度-20℃計算傳熱量介質(zhì)均為粘度0.5cp以下的有機(jī)物查化學(xué)工業(yè)出版社<化工設(shè)計>得總傳熱系數(shù)在190—370Kcal/m2.h.℃取K=220Kcal/m2.h.℃在t=(40+20)/2=30℃定性溫度下的等壓熱容(Kcal/kg.℃)CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4CH4N20.2170.1560.14450.13280.54850.2593Q=CP.m.Δt=(13.89×0.217×50.5+5.94×0.156×85+2.11×0.1445119.5+0.147×0.1328×154+85.76×0.5485×16+2.058×0.2593×28)×4.18×(40-20)=8.64×104KJ/h算出口氣體溫度設(shè)出口溫度t2,用公式Cp=a+bT求Cp查得Cp=a+bT中a,b的為:a(J/mol.K)b(J/mol.K2)N227.326.226×10-3CO226.7542.258×10-3CH414.1575.496×10-3CH3Cl30.62149.75×10-3Q=CP.m.Δt=[13.89×(30.622+149.75×10-3T)+85.76×(14.15+75.49610-3T)+2.058×(27.32(1)+6.226×10-3T)+0.465×(26.75+42.258×10-3T)]×(t1-t2)T=(t1+t2)/2(2)解(1),(2)得t2=-3℃4.計算換熱面積Δt1=42℃Δt2=40℃則Δtm=41℃S=Q/K.Δtm=8.64×104/(220×4.1841)=2.5m2選用FA325-10-40-2型浮頭式換熱器4.7冷凝器計算依據(jù)(1)熱流體進(jìn)口溫度20℃,出口溫度-20℃(2)冷凍鹽水進(jìn)口溫度-25℃出口溫度-20℃(3)將CH2Cl2,CHCl3冷凝成液體計算換熱面積CH2Cl2,CHCl320℃的汽化熱336.4KJ/kg,267.9KJ/Kg定性溫度t=(20-20)/2=0下的Cp(KJ/kg.k)CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4CH4N20.771.1880.9250.8292.160.619Q1=336.4×5.94×50.5+267.9×2.11×119.5=1.68×105KJ/HQ2=(13.89×0.77×50.5+2.058×0.619×28+85.76×2.16×16+5.94×1.188×85+2.11×0.925119.5)(20+20)=1.73×105KJ/hQ總=1.68×105+1.73×105=3.41×105KJ/hΔt1=40℃Δt2=5℃則Δtm=16.8℃查得冷凝器總傳熱系數(shù)K=500(kcal/m2.h.℃)S=Q/K.ΔTM=3.41×105/(500×4.18×105)=9.8m2選用FLB-400-15-