年產(chǎn)4.5萬噸乙酸乙酯計(jì)算-熱量和設(shè)備計(jì)算

第四章熱量衡算4．1基本數(shù)據(jù)表4-1氣體熱容溫度關(guān)聯(lián)式系數(shù)[19-21]物質(zhì)乙醇4.3960.6285.546-7.0242.685乙醛4.3790.0743.740-4.4771.641水4.395-4.1861.405-1.5640.632乙酸乙酯10.228-14.94813.033-15.7365.999表4-2液體熱容溫度關(guān)聯(lián)式系數(shù)物質(zhì)ABCD乙醇59.34236.358-12.1641.8030乙醛45.05644.853-16.6072.7000水92.053-3.9953-2.11030.53469乙酸乙酯65.83284.097-26.9983.6631表4-3物質(zhì)的沸點(diǎn)及正常沸點(diǎn)下的蒸發(fā)焓物質(zhì)沸點(diǎn)/℃蒸發(fā)焓/KJ·mol-1乙醇78.438.93乙醛20.825.20乙酸乙酯77.0632.32水10040.73乙縮醛102.735.834．2一步縮合釜的熱量衡算：該工段中反應(yīng)溫度為10℃物流由25℃降到10℃的熱料衡算如下：主反應(yīng)產(chǎn)生的熱量：查表得：=當(dāng)反應(yīng)進(jìn)度為時(shí)，反應(yīng)熱為。副反應(yīng)產(chǎn)生的熱量：當(dāng)反應(yīng)進(jìn)度為時(shí)，反應(yīng)熱為。一步縮合反應(yīng)釜需要承受的熱量為：+++++反應(yīng)放出的熱用-5℃的冷凍鹽水進(jìn)行冷卻，進(jìn)口溫度為-5℃，出口溫度為5℃。冷凍鹽水的比熱容為：則單位時(shí)間內(nèi)需要冷凍的量為：(1)塔頂上升混合氣帶出的熱量在塔頂回流液溫度為77.2℃，與進(jìn)料的溫度相同，則塔頂上升氣帶出的熱量為：(2)塔釜?dú)堃簬С龅臒崃棵撘掖妓惺艿臒嶝?fù)荷為：再沸器采用100℃的飽和水蒸氣進(jìn)行加熱。則需飽和水蒸氣的質(zhì)量為：4．7．2脫乙醇塔冷凝器熱量衡算脫乙醇塔頂冷凝器需要的冷凝量用10℃下的鹽水進(jìn)行冷卻，冷凝器冷卻水的進(jìn)口溫度為10℃，出口溫度為20℃，則單位時(shí)間內(nèi)需10℃鹽水的質(zhì)量為：4．8脫組分精餾塔的熱量衡算由以上對(duì)精餾一塔物料衡算得：F=3767．44kg/h，D=3666．38kg/h用解析法計(jì)算最小回流比：，代入數(shù)據(jù)求得：，取則V=(R+1)D=7002.79kg/h4．8．1再沸器的熱負(fù)荷（1）塔頂上升混合氣帶出的熱量在塔頂回流液溫度為20.8℃，與進(jìn)料的溫度相同，則塔頂上升氣帶出的熱量為：（2）塔釜?dú)堃簬С龅臒崃縿t再沸器的熱負(fù)荷為：再沸器需要100℃的飽和水蒸氣加熱，單位時(shí)間內(nèi)需飽和水蒸氣的質(zhì)量為：4．8．2脫重組分的冷凝器的熱量衡算則冷凝器的冷凝量為冷凝器采用10℃的鹽水，鹽水的出口溫度定為50℃，則單位時(shí)間內(nèi)需10℃的鹽水為：

第五章主要設(shè)備的設(shè)計(jì)與輔助設(shè)備的選型5．1一步縮合反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)5．1．1縮合釜釜體的設(shè)計(jì)（1）縮合釜中混合物的平均密度+則混合物的體積為：m查得，裝料系數(shù)為0.8。則反應(yīng)釜的體積為：m（2）確定筒體與封頭型式以及連接方式由本設(shè)計(jì)的聚合條件以及該設(shè)備的工藝性質(zhì)，可以知道其屬于帶攪拌的低壓反應(yīng)釜類型。根據(jù)慣例，選擇圓柱形筒體和橢圓形封頭。查化工設(shè)計(jì)手冊(cè)得，對(duì)對(duì)密封要求較高時(shí)，采用焊接連接。（3）確定筒體與封頭的直徑查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》得，取1.3[23]。則反應(yīng)釜直徑估算如下：m(式中，D——反應(yīng)釜筒體內(nèi)徑；H——筒體高度。)經(jīng)查，符合筒體公稱直徑的標(biāo)準(zhǔn)，取D＝2000mm。封頭取相同的內(nèi)徑。（4）確定筒體高度查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》得，當(dāng)公稱直徑DN＝2000mm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的容積V＝1.1257，筒體每一米高的容積V＝3.142/m。則筒體高度為：（5-1）其中——每個(gè)釜的容積，單位為m。由的值與1．3近似相等，則可得：解得＝7．11m，取H＝1．3D＝2m。（5）標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的封頭高度與直邊高度查化工設(shè)計(jì)手冊(cè)得，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的封頭高度直邊高度為500mm。（6）確定夾套直徑查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》得，夾套直徑為：D＝D＋100＝2100mm夾套封頭也采用橢圓形，并與夾套筒體取相同直徑。（7）確定夾套高度夾套筒體的高度估算如下：m，取H為1．8m。（8）傳熱面積F查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》得，封頭內(nèi)表面積Fh＝4.493m，筒體一米高內(nèi)表面積F1＝5.66m。則傳熱面積為：F＝Fh＋1.1×F1＝9.8795m（9）夾套筒體與封頭厚度夾套筒體與內(nèi)筒的環(huán)焊縫，因檢測困難，故取焊縫系數(shù)＝0.6，從安全計(jì)夾套上所有焊縫均?。?.6，封頭采用由鋼板拼制的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭[22]，材料均為Q235-B鋼。查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》得，夾套厚度為：夾套封頭厚度為：式中，p——設(shè)計(jì)壓力，0.1MPa；C——腐蝕裕量，2mm；——在設(shè)計(jì)溫度下Q235-B鋼的許用壓力，113MPa．圓整至鋼板規(guī)格厚度，查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》，取夾套筒體與封頭厚度均為

：＝8mm。（10）內(nèi)筒筒體厚度與封頭厚度查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》，經(jīng)過計(jì)算可得：內(nèi)筒筒體厚度與封頭厚度均取10mm。5．1．2攪拌裝置設(shè)計(jì)（1）攪拌器的型式與主要參數(shù)考慮其工藝條件和攪拌容量，查《化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》和《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》得，本設(shè)計(jì)采用槳式直葉攪拌器。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：D＝0.51DN＝0.51×2000＝1020mm則b＝0.20D＝0.20×2000＝400mm；H＝0.50D＝0.50×2000＝1000mm；Z＝2。（2）攪拌軸直徑經(jīng)查《化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》得，攪拌軸材料選用45鋼[24]。攪拌功率為20kW；轉(zhuǎn)速為80r/min。則d≥365式中，d——攪拌軸直徑，mm；P——攪拌功率，kW；n——攪拌軸轉(zhuǎn)速，r/min；——材料許用壓力，MPa。查45號(hào)鋼得，取為30MPa。則表5-1縮合釜設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果反應(yīng)釜體積V/m37．11筒體與封頭連接方式焊接筒體和封頭的直徑D/mm2000筒體高度H/mm2000夾套直徑Dj/mm2100封頭高度h/mm50夾套高度Hi/mm1800傳熱面積F/m29．8795內(nèi)筒筒體厚度/mm105．2單效蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)與選型5．2．1蒸發(fā)器的選擇理由為了達(dá)到蒸發(fā)出絕大部分的粗乙酯混合物目的，本設(shè)計(jì)中必須引用一種蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器的選擇過程中，首先考慮到要蒸發(fā)物質(zhì)的特性以及工程成本等諸多因素。其次，工程上以往常用的蒸發(fā)設(shè)備具有耗能大，效率低等缺點(diǎn)，所以綜合以上兩個(gè)因素，本設(shè)計(jì)中的蒸發(fā)器將選用中央強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。5．2．2蒸發(fā)器計(jì)算與設(shè)計(jì)由蒸發(fā)過程的熱量衡算可知，降膜蒸發(fā)器需要提供的熱量為：Q=2．147×106kJ/h=（1）傳熱面積：A=其中Q為單位時(shí)間的熱量，K約為1500，Δt為換熱面上的平均溫差平均溫差：℃則可求得單效蒸發(fā)器的換熱面積：A=將A=10.91作為設(shè)計(jì)結(jié)果。（2）加熱管的選擇與管數(shù)的設(shè)計(jì)因?yàn)橛幸捉Y(jié)垢的物質(zhì)，蒸發(fā)器的加熱管選用[25]，加熱管的長度選為1.4m。則加熱管的管子數(shù)取管子數(shù)為48。（3）循環(huán)管的選擇中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的循環(huán)管的管截面積可取加熱管的總截面積的0.4-1.0：求得循環(huán)管的內(nèi)徑為

：經(jīng)圓整得，選用熱軋無縫鋼管：。（4）加熱室直徑該加熱器中加熱管的排列方式為正三角形。則加熱室直徑：（5）分離室的直徑和高度分離室的體積為：取，則分離室高度為H=1.8m，分離室直徑為：D=2.7m。表5-2單效蒸發(fā)器設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果蒸發(fā)器傳熱面積A/m210．91加熱管的管數(shù)n48循環(huán)管的內(nèi)徑D1/mm273加熱室直徑D/mm380分離室直徑H/mm2700分離室高度D/mm18005．3脫乙醛塔的設(shè)計(jì)與計(jì)算5．3．1脫乙醛塔的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)已知：氣相流量：Vs=0.10316m3/s，氣相密度：=4.0677kg/m3液相流量：Ls=0.00144m3，液相密度：=841.7539kg/m3液體表面張力：σ=0.0206N/m，液體黏度：μ=0.25×10-3Pa·s5．3．2塔徑的確定初估塔徑取塔板間距HT=0.3m取hl=0.07m查史密斯關(guān)聯(lián)圖得：，，uop=0.8uf=0.275m/s確定實(shí)際塔徑，對(duì)計(jì)算值進(jìn)行圓整，取=0.8m。5．3．3塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）選管選用單流程弓形降液管（2）堰的計(jì)算堰長lw=0.71D=0.5m選堰高h(yuǎn)w=0.06mL/lw2．5=3600×0.0014/0.52．5=10.37查表得E=1.2，how=0.00284×1.2×（3600×0.00144/0.5）2/3=0.01622mhl=hw+how=0.06622，ho=hw-0.015=0.045m（3）液面梯度b=(Lw+D)/2=0.6，lw/D=0.7差圖得Wd=0.098mZ=D-2Wd=0.504m，可以算出很小忽略。（4）塔板布置取篩孔直徑d0=0.004m，t/d0=3.0，所以t=0.012m。由于操作點(diǎn)離漏液線比較近，所以將開孔率降低選0.06取安定區(qū)寬度Ws=0.05m，邊緣區(qū)Wc=0.04m。X=D/2-（Wd+Ws）=0.20mr=D/2-Wc=0.31m，x/r=0.645Aa=0.229m2，AT=0.385，Aa/AT=0.595篩孔總面積：A0=Aa×=0.229*0.06=0.014m2。篩孔數(shù)：N=A0/a0=0.014/(3.14/4)0.0042=1115個(gè)。5．3．4對(duì)設(shè)計(jì)塔板進(jìn)行校核（1）板壓降取板厚=3mm查表得c0=0.84=7.37，=0.016mF0==14.74kg0．5/(m0．5s)Hp=h1+hc=0.063m(液柱)（2）霧沫夾帶，Af/At=0.085則：Af=0.085×0.385=0.0327=0.10316/(0.385-0.0327)=0.293m/sev==0.03kg(液體)/kg（氣體）<0.1則可認(rèn)為精餾塔徑及塔板各工藝結(jié)構(gòu)尺寸合格。（3）液泛校核Hr1==0.153(0.00144/0.5×0.045)=0.000626設(shè)進(jìn)口堰：hr=hr1，Hd=hw+how++hr+hp=0.06+0.01622+0.000626+0.054=0.131m液柱因?yàn)榕菽南鄬?duì)密度=0.5，所以降液管內(nèi)泡沫層高度為Hd/=0.262m，則：該值小于塔板間距300mm，故不會(huì)發(fā)生液泛。（4）液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間的校核降液截面積Af=0．0327m2，故液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間t所以合格。（5）漏液點(diǎn)氣速和穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算當(dāng)F0=8kg1/2/（s×m1/2）時(shí)，U0，漏=F0/ρv1/2=8/(4.0677)1/2=3.97m/s實(shí)際孔速：U0=Vs/A0=0.10316/0.014=7.37m/s塔的操作穩(wěn)定性：K=U0/U0，漏=1.865．3．5負(fù)荷性能圖（1）漏液線以F0=8kg1/2/（s*m1/2）為氣體最小負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)，則：（2）液體流量上限線以5秒作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限得：（3）液體流量下限線以how=0.006m作為規(guī)定最小液體符合的標(biāo)準(zhǔn)得：取E=1，=0.000425m3/s（4）霧沫夾帶上限線以eV=0.1kg(液體)/kg(氣體)為限，求Vs-Ls關(guān)系。，代入已知量解得：（5）液泛線為了防止發(fā)生液泛，應(yīng)滿足式：，取0.5，其中：HT=0.30m，hw=0.06m，，其中：c0=0.84，由得：Vs=0.1936m3/s當(dāng)時(shí)即Vs<0.1936m3/s時(shí)，解得：由于得出值皆大于0.1936所以不能用上式。當(dāng)時(shí)即Vs>0.1936m3/s時(shí)，解得：代入數(shù)據(jù)求出值符合要求，用以上數(shù)據(jù)作出負(fù)荷性能圖如下所示圖5-1精餾段負(fù)荷性能圖圖5-2提鎦段負(fù)荷性能圖5．3．6塔高的確定Z=NTHT/ET，ET=0.49（αμl）-0．245，將氣相液相組成數(shù)據(jù)帶入求平均值得：ET=0.75則Z=NTHT/ET=49.8塊。解得實(shí)際板數(shù)為50塊，進(jìn)料口選在第13塊板。取塔頂空間高度：H1=0.6m塔底空間高度：為保證塔底有10min的液體儲(chǔ)量，塔底空間高度：裙座高度：h2=2.0+1.5D/2=2.52m所以塔高：H=（50-1）×0.3+0.6+2.25+2.52=20.07m表5-3精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總一覽表名稱符號(hào)單位設(shè)計(jì)結(jié)果塔形篩孔塔塔徑Dm0.7板間距HTm0.3溢流形式單溢流堰型平堰堰長lwm0.5堰寬Wdm0.098堰高h(yuǎn)wm0.06降液管底隙H0m0.045降液管面積Af0.0327降液管面積/塔截面Af/AT0.085篩孔直徑D0m0.004孔間距tm0.012孔數(shù)N1115堰液頭how0.01622板上清液高度hL0.07降液管內(nèi)清液高Hd0.131霧沫夾帶量ev0.035．4輔助設(shè)備的選型5．4．1泵的選型(1)物料送入一步縮合釜所用泵的選型進(jìn)口流量為W=4.978m3；揚(yáng)程為；其中，則H=1.98+4=5.98m查手冊(cè)得，選用離心泵型號(hào)為

：IS65-40-250。表5-4泵的基本參數(shù)表[26]型號(hào)轉(zhuǎn)速

/(r/min)流量

/(m3/h)揚(yáng)程

/m效率

/%軸功率

/Kw必需汽蝕余量

(NPSH)r/mIS65-40-25014507.521351.2325．4．2再沸器的選型[26]（1）脫乙醛塔的再沸器是用水蒸氣間接對(duì)物質(zhì)加熱，利用水蒸氣冷凝成水釋放的潛熱使物質(zhì)由液相變成氣相。本設(shè)計(jì)中采用立式熱虹吸再沸器。取總傳熱系數(shù)K=700kJ/(m2·h·℃)；再沸器進(jìn)口蒸氣的溫度為100℃，出口溫度為100℃。再沸器的熱負(fù)荷為。再沸器的平均溫差：℃。則再沸器的換熱面積為：。查手冊(cè)，選用型號(hào)為JB/T4714-92R管殼式換熱器。（2）脫乙