年产4.5万吨丙烯腈合成工段工艺设计

化工工艺设计 课 程 设 计

年产4.5万吨丙烯腈合成工段工艺设计

年 级 专 业 学 号 姓 名 指导教师 设计成绩 完成日期

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2013 化学工程与工艺 2016 年 月 日 《课程设计》成绩评定栏

评定基元 评审要素 评审内涵 分值 评分 签名栏 格式是否规范 格式规范 内容完整 内容是否完整 8 评阅教师签名 8 8 8 8 评阅教师签名 设计说明， 40% 工艺计算 正确、完整和规范 物料恒算 热量衡算 设备设计和选型 方案流程图 7 设计图纸，30% 图纸规范 标注清晰 工艺物料流程图 带控制点的工艺流程图 语言流畅 8 15 答辩老师签名 10 答辩成绩 20% 仪态自然 语言流畅 答题正确 上课出勤 制图出勤 合计 上课出勤考核 制图出勤考核 10 5 5 100 平时成绩，10% 指导教师签名

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答辩记录

3

化工工艺设计 课程设计任务书

学 号 设计题目 设 计 技 术 参 数 设 计 要 求 学生姓名 专业（班级） 年产 4.5 万吨丙烯腈合成工段工艺设计 1.生产能力： 45000吨/年 2.原料：丙烯85%，丙烷15%（摩尔分率）；液氨100% 3.产品：1.8%（wt）丙烯腈水溶液 4.生产方法：丙烯氨氧化法 5.丙烯腈损失率：3% 6.设计裕量：6% 7.年操作日300天 1.确定设计方案，并画出流程框图（要求见4（1））； 2.物料衡算，热量衡算 3.主要设备的工艺设计计算 4.绘图要求：（1）流程框图（CAD或者PPT绘，截图在方案设计中）； （2）方案流程图（CAD或手绘，A3图纸）； （3）工艺物料流程图（带物料表，CAD或手绘，A3图纸）； （4）制带控制点的工艺流程图（CAD或手绘，A3图纸）； 5.编写设计说明书 1.设计计算：1.5周 2.工艺流程图与设计说明书：1周 3.答辩：0.5周 第一周：物料衡算、热量衡算及主要设备的工艺设计计算 第二周：画图，撰写设计说明书， 第三周：答辩 《化工工艺设计手册》第四版(上下册)，中国石化集团上海工程有限公司编，化学工业出版社，2009年 《化学化工物性参数手册》，青岛化工学院等编，化学工业出版社，2002年 工 作 量 工 作 计 划 参 考 资 料

4

目录

第一部分概述................................................................................................................ 1 第二部分设计技术参数................................................................................................ 2 第三部分工艺流程设计................................................................................................ 2

3.1 丙烯腈工艺流程............................................................................................. 2 3.2 丙烯腈工艺流程示意图................................................................................. 3 第四部分物料衡算和热量衡算.................................................................................... 3

4.1 小时生产能力................................................................................................. 3 4.2 反应器的物料衡算和热量衡算..................................................................... 3 4.3 空气饱和塔物料衡算和热量衡算................................................................. 7 4.4 氨中和塔物料衡算和热量衡算..................................................................... 9 4.5换热器物料衡算和热量衡算........................................................................ 14 4.6水吸收塔物料衡算和热量衡算.................................................................... 15 4.7 空气水饱和塔釜液槽................................................................................... 19 4.8 丙烯蒸发器热量衡算................................................................................... 21 4.9 丙烯过热器热量衡算................................................................................... 22 4.10氨蒸发器热量衡算...................................................................................... 22 4.11 氨气过热器 ................................................................................................. 22 4.12 混合器......................................................................................................... 23 4.13 空气加热器的热量衡算............................................................................. 24 第五部分主要设备的工艺计算.................................................................................. 24

5.1流化床合成反应器........................................................................................ 25 5.2空气饱和塔.................................................................................................... 27 5.3 水吸收塔....................................................................................................... 28 5.4 丙烯蒸发器................................................................................................... 31 5.5 循环冷却器................................................................................................... 32 5.6 氨蒸发器....................................................................................................... 34 5.7 氨气过热器................................................................................................... 35 5.8 丙烯过热器................................................................................................... 36 5.9空气加热器.................................................................................................... 36 5.10循环液泵...................................................................................................... 38 5.11空气压缩机 .................................................................................................. 38 5.12中和液贮槽.................................................................................................. 38 第六部分附录.............................................................................................................. 40

6.1附表................................................................................................................ 40 6.2 参考文献..................................................................................................... 40 第七部分课程设计心得.............................................................................................. 42

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丙烯腈合成工段工艺设计

第一部分 概述

丙烯腈是重要的有机化工产品，在丙烯系列产品中居第二位，仅次于聚丙烯。在常温常压下丙烯腈是无色液体，味甜，微臭，沸点77.3℃。丙烯腈有毒，室内允许浓度为0.002mg／L，在空气中爆炸极限(体积分数)为3.05%～17.5%，与水、苯、四氯化碳、甲醇、异丙醇等可形成二元共沸物。丙烯腈分子中含有C—C双键和氰基，化学性质活泼，能发生聚合、加成、氰基和氰乙基等反应，制备出各种合成纤维、合成橡胶、塑料、涂料等。

近年来，丙烷氨氧化生产丙烯腈的研究也取得长足进展，现已处于中试阶段。这一方面是由于价格的因素，丙烷的价格比丙烯低得多，另一方面也为惰性的丙烷开拓了新的应用领域。但就目前的技术水平来看，固定资产投资大，转化率低，选择性不高，目前报道的丙烷的转化率67%，选择性60%，还难以和丙烯氨氧化法相竞争，但其前景看好，根据美国斯坦福研究所18万t／a丙烯腈概念设计，丙烷为原料生产丙烯腈的成本只是丙烯的64%。研究开发的催化剂主要有V-Sb-Al-O、V-Sb-W-Al-O、Ga-Sb-A1-O、V-Bi-Mo-O等。

丙烯腈是重要的有机原料，主要用于橡胶合成（如丁腈橡胶）、塑料合成（如ABS，AS树脂、聚丙烯酰胺等）、有机合成、制造腈纶、尼龙66等合成纤维、杀虫剂、抗水剂、粘合剂等。

丙烯氨氧化法制丙烯腈（AN）生产过程的主反应为

3C3H6?NH3?O2?CH2=CHCN?3H2O

2该反应的反应热为(??Hr)298?512.5kJmol

主要的副反应和相应的反应热数据如下： （1） 生成氰化氢（HCN）

C3H6?3NH3?3O2?3HCN?6H2O (??Hr)298?315.1kJmolHCN （2）生成丙烯醛（ACL）

C3H6?O2?CH2?CH?CHO?H2O

(??Hr)298?353.1kJmolACL （3）生成乙腈（ACN）

333C3H6?NH3?O2?CH3CN?3H2O

2221

(??Hr)298?362.3kJmolACN （4）生成CO2和H2O

9C3H6?O2?3CO2?3H2O

2(??Hr)298?641kJmolCO2

第二部分 设计技术参数

1.生产能力：45000 吨/年

2.原料：丙烯85%，丙烷15%（摩尔分率）；液氨100% 3.产品：1.8%（wt）丙烯腈水溶液 4.生产方法：丙烯氨氧化法 5.丙烯腈损失率：3%

6.设计裕量：6% 7.年操作日：300天

第三部分 工艺流程设计

3.1 丙烯腈工艺流程

液态丙烯和液态氨分别经丙烯蒸发器和氨蒸发器蒸发，然后分别在丙烯过热器和氨气过热器过热到需要的温度后进入混合器；经压缩后的空气先通过空气饱和塔增湿，再经空气加热器预热至一定温度进入混合器。温合器出口气体混合物进入反应器，在反应器内进行丙烯的氨氧化反应。反应器出口的高温气体先经废热锅炉回收热量，气体冷却到230℃左右进入氨中和塔，在70～80℃下用硫酸吸收反应器出口气体中未反应的氨，

中和塔塔底的含硫酸铵的酸液经循环冷却器除去吸收热后，返回塔顶循环使用．同时补充部分新鲜酸液，并从塔釜排放一部分含硫酸铵的废液。氨中和塔出口气体经换热器冷却后进入水吸收塔，用5～10℃的水吸收丙烯腈和其他副产物．水吸收塔塔底得到古丙烯腈约1.8％的丙烯腈水溶液，经换热器与氨中和塔出口气体换热，湿度升高后去精制工段。

2

3.2 丙烯腈工艺流程示意图

加热剂 空气加热器 混合器 冷却剂 蒸汽 废热锅炉空气 空气饱和塔 反应器 加热剂 加热剂 冷却剂 软水 液氨储罐 氨蒸发器 氨气过热器 液态丙烯储罐 丙烯蒸发器 丙烯过热器 软水 来自乙腈解吸塔釜AN溶液去精制 尾气 饱和塔釜液槽 氨中和塔 废液排放

硫酸冷却器 循环 冷却器 换热器 水吸收塔 冷冻盐水 深井水 去萃取解吸塔 循环图1 丙烯腈合成工段生产工艺流程示意图

第四部分 物料衡算和热量衡算

4.1 小时生产能力

按年工作日300天，丙烯腈损失率3%、设计裕量6%计算，年产量为45000

45000?1000?1.03?1.06????????kg/h吨/年，则每天每小时产量为： 300?244.2 反应器的物料衡算和热量衡算

3

4.2.1计算依据

A.丙烯腈产量6823.75kg/h，即128.51kmol/h

B.原料组成（摩尔分数）：丙烯（C3H6）85%,丙烷（C3H8）15% C.进反应器的原料配比（摩尔比）为

C3H6????????????1???????????

D.反应后各产物的单程收率为：

表4-1 反应后各产物的单程收率 物质 摩尔收率 丙烯腈（AN） 氰化氢（HCN） 乙腈（CAN） 丙烯醛（ACL） 0.6 0.065 0.07 0.007 二氧化碳 0.12 E.操作压力：进口0.023MPa，出口0.162MPa

F.反应器进口气体温度110℃，反应温度470℃，出口气体温度360℃ 4.2.2 物料衡算

A.反应器进口原料气中各组分的流量

C3H6128.51?214.18kmol/h?8995.56kg/h 0.6214.18?0.15?37.80kmol/h?1663.2kg/h 0.85C3H8NH3214.18?1.05?224.89kmol/h?3823.11kg/h

O2214.18?2.3?492.61kmol/h?15763.65kg/h H2O214.18?3?642.54kmol/h?11565.72kg/h N2492.61?0.79?1853.15kmol/h?51888.25kg/h 0.21B.反应器出口原料气中各组分的流量 丙烯腈128.51kmol/h?6823.75kg/h 乙腈214.18?3?0.07?22.49kmol/h?922.09kg/h 2丙烯醛214.18?0.07?14.99kmol/h?840.34kg/h

CO2214.18?3?0.12?77.10kmol/h?3392.61kg/h HCN214.18?3?0.065?41.77kmol/h?1127.66kg/h

4

C3H837.80kmol/h?1663.2kg/h N21853.15kmol/h?51888.25kg/h

39???????????????????????????????? O223?2???????kmol/h????????kg/h492.6?121????????????????????????????????? C3H6333??????kmol/h???????kg/h214.18?NH3224.89?????????????????????????kmol/h???????kg/h

H2O642.54????????????????????????????????????

????????kmol/h?????????kg/hC.反应器物料平衡表如表4-2

表4-2 反应器物料平衡表

组分

kmol/h

C3H6 C3H8 NH3 O2 N2 H2O AN ACN HCN ACL CO2 合计

214.18 37.80 224.89 492.61 1853.15 642.54 0 0 0 0 0 3465.17

反应器进口 kg/h %(mol) 8995.56 1663.2 3823.11 15763.65 51888.25 11565.72

0 0 0 0 0 83290.49

6.2 1.09 6.49 14.22 53.48 18.54 0 0 0 0 0 100

%(wt) 10.8 2.0 4.59 18.93 62.3 1.39 0 0 0 0 0 100

kmol/h 16.06 37.80 32.12 104.94 1853.15 1248.68 128.51 22.49 41.77 14.99 77.10 3577.61

反应器出口 kg/h %(mol) 674.52 1663.2 546.04 3357.92 51888.25 22476.24 6823.75 922.09 1127.66 840.34 3392.61 93712.62

0.45 1.06 0.90 2.93 51.80 34.90 3.59 0.63 1.17 0.42 2.16 100

%(wt) 0.72 1.77 0.58 3.58 55.37 23.98 7.28 0.98 1.20 0.90 3.62 100

4.2.3 能量衡算

各物质0~t℃的平均定压比热容如下

表4-3 各物质0~t℃平均定压比热容

5

A.浓相段热衡算求浓相段换热装置的热负荷及产生蒸汽量 假设如下热力学途径：

110℃,反应器入口混合气 ?H1 25℃，反应器出口混合气 ?H2 ?H 470℃，浓相段出口混合气 ?H3 25℃，浓相段入口混合气 各物质25～t℃的平均比热容用0～t℃的平均比热容代替，误差不大，因此，

?H1???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????kJ/h???????????????????????????????????????????????????????????

????????????????????????????????????????????????????kJ/h????????H3?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????kJ/h?????????????????????????????????????????????kJ/h???若热损失取?H的5%，则需由浓相段换热装置取出的热量（即换热装置的热负荷）为：

Q??????????????????????????kJ/h

浓相段换热装置产生0.405 MPa的饱和蒸汽（饱和温度143℃） 143℃饱和蒸汽焓：isteam?2736kJ/kg 143℃饱和水焓：iH2O?601.2kJ/kg

????107??????????产生的蒸汽量??????????kg/h

2736?601.2B. 稀相段热衡算求稀相段换热装置的热负荷及产生蒸汽量 以0℃气体为衡算基准 进入稀相段的气体带入热为：

6

Q1????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????kJ/h离开稀相段的气体带出热为：

Q2????????????????????? ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????kJ/h若热损失为4%，则稀相段换热装置的热负荷为：

Q??????????Q??Q2?

?????????????????????????????????????????kJ/h稀相段换热装置产生0.405MPa的饱和蒸汽，产生的蒸汽量为：

1.69?107G??7916.43kg/h

2736?601.24.3 空气饱和塔物料衡算和热量衡算

4.3.1计算依据

A.入塔空气压力0.263MPa，出塔空气压力0.243MPa

B.空压机入口空气温度30℃，相对温度80%，空压机出口气体温度170℃ C.饱和塔气、液比为152.4(体积比)，饱和度0.81 D.塔顶喷淋液为乙腈解吸塔釜液，温度105℃，组成如下

表4-4 塔顶喷淋液的组成

组分 %（Wt）

AN 0.005

ACN 0.008

氰醇 0.0005

ACL 0.0002

水 99.986

合计 100

E.塔顶出口湿空气的成分和量按反应器入口气体的要求为

Q2????492.61kmol/h?????即????15763.65kg/hN2????1853.15kmol/h????即????51888.25kg/h H2O????642.54kmol/h????即????11565.72kg/h4.3.2物料衡算

A.进塔空气量

进塔干空气量?????????????????????????kmol/h?????????kg/h 查得30℃，相对湿度80%时空气温含量为0.022kg水气/kg干空气．因此，进塔空气带入的水蒸汽量为：0.022?????????????????kg/h

B.进塔热水量

气、液比为152.4，故进塔喷淋液量为

7

2345.76??????273?1700.10131???215.5m3/h

2730.263152.4塔顶喷淋液105℃的密度为958kg/m3，因此进塔水的质量流量为：

215.5???????????kg/h

C.出塔湿空气量

出塔气体中的O2,N2,H2O的量与反应器入口气体相同，因而

Q2????492.61kmol/h????即????15763.65kg/hN2????1853.15kmol/h????即????51888.25kg/h H2O????642.54kmol/h????即????11565.72kg/hD.出塔液量

塔内水蒸发量??????????????????????????kg/h ?出塔液流量??????????????????????????kg/h

4.3.3热量衡算

A.空气饱和塔出口气体温度

空气饱和塔出口气体中，蒸汽的摩尔分数为：

642.54?????

?????????????????????根据分压定律．蒸汽的实际分压为：

PHO?yHOP????????????????????MPa

22因饱和度为0.81，所以饱和蒸汽分压应为：

0.05225/0.81?0.0645MPa?64500Pa

查饱和蒸汽表得到对应的饱和温度为90℃，因此，须控制出塔气体温度为90℃，才能保证工艺要求的蒸汽量。

B.入塔热水温度入塔水来自精制工段乙腈解吸塔塔釜，105℃。 C.由热衡算求出塔热水温度t热衡算基准：0℃气态空气，0℃液态水。 (a)170℃进塔空气带入热量Q1

170℃蒸汽焓值为2773,k.J3kg/干空气在0~l70℃的平均比热容

cp?1.004kJ?/( kgK)Q1??????????????????????????????????????????????????????????kJ/h(b)出塔湿空气带出热量Q2

8

90℃蒸汽焓2660kJ/kg，空气比热容取cp?1.004kJ/(kg?K)

Q2????????????????????????????????????????????????????????kJ/h(c)105℃入塔喷淋液带入热量Q3

Q3??????????????????????????????kJ/h

(d)求出塔热水温度t 出塔热水带出热量用Q4表示，则

Q4????????????????t??????????t

热损失按5%计，则Q损?????????????????????????????????kJ/h 热平衡方程Q1?Q3?Q2?Q4?Q损 代入数据，

????????????????????????????????????t????????? 解得 t=78.1℃

因此，出塔热水温度为78.1℃

4.4 氨中和塔物料衡算和热量衡算

4.4.1计算依据

A.入塔气体流量和组成与反应器出口气体相同 B.在中和塔内全部氨被硫酸吸收，生成硫酸铵 C.新鲜硫酸吸收剂的含量为93％(wt) D.塔底出口液体(即循环液)的组成如下

表4-5 塔底出口液体的组成

组分 %（wt）

水 68.53

AN 0.03

ACN 0.02

HCN 0.016

硫酸 0.5

硫酸铵 30.90

合计 100

E.进塔气温度180℃，出塔气温度76℃，新鲜硫酸吸收剂温度30℃ F.塔顶压力0.122MPa，塔底压力0.142MPa

9

图2 氨中和塔局部流程 1—氨中和塔； 2—循环冷却器

4.4.2物料衡算

A.排出的废液量及其组成

进塔气中含有??????kg/h的氨，在塔内被硫酸吸收生成硫酸铵 氨和硫酸反应的方程式：2NH3?H2SO4?(NH4)2SO4

(NH4)2SO4的生成量，即需要连续排出的(NH4)2SO4流量为：

546.04?132?2119.92kg/h 2?17塔底排出液中，(NH4)2SO4的含量为30.9%（wt），因此，排放的废液量为：

2119.92/0.309?6860.58kg/h

排放的废液中．各组分的量：

H2O????????6860.58?0.6853?4701.56kg/hANACNHCNH2SO4(NH4)2SO4????????6860.58?0.0003?2.058kg/h????????6860.58?0.0002?1.372kg/h?????????6860.58?0.00016?1.098kg/h????????6860.58?0.005?34.30kg/h6860.58?0.309?2119.92kg/h

B.需补充的新鲜硫酸吸收剂（93%的H2SO4）的量为：

98??6860.58?0.005?546.04???/0.93?1729.23kg/h

17?2??C.出塔气体中各组分的量

10

214.18?1000?0.883molC3H6/(h.kgcat)

242432实验装置的推化剂负荷可达到1.77molC3H6/(h.本设计的值小于实kgcat)，验值，是可靠的。

5.1.4扩大段（此处即稀相段）直径

?0.6m/s 取扩大段气速为操作气速的一半即u气体流量为

V?3577.61?22.4?273?3600.1013??116192.1m3/h?32.28m3/s2730.162

扩大段直径为

d?5.1.5扩大段高度

32.28 9m ?8.28m取0.785?0.6根据流化床直径9m，空塔气速1.2m/s，查图得H2/D?0.6 稀相段高度H2?2D?0.6?9?5.4m取6m 5.1.6浓相段冷却装置的换热面积

换热装置用套管式，总差传热系数取233W/(m2?K)

换热装置的热负荷已由热衡算求出Q?8.5?107kJ/h?2.36?107J/s

?????107换热面积为F??309.75m2

233(470?143)取30%的设计裕量，则换热面积为309.75??1?0.3??402.68m2 5.1.7稀相段冷却装置的换热面积

℃）蒸汽。 用套管式换热装置，水为冷却剂，产生0.405MPa（143总传热系数取20W/(m2.k)，换热装置热负荷为

Q?1.69?107kJ/h ?4.69?106J/s

又?tm??470?143???360?143?ln470?143360?14326

?267℃

4.69?106?878.28m2 换热面积为F?20?267取30%设计裕量，则换热面积为1141.76m2

5.2空气饱和塔

5.2.1计算依据

A. 进塔空气的组成和流量

表5-1 空气饱和塔进塔空气的组成和流量

组分 kmol/h kg/h

氧 492.61 15763.65

氮 1853.15 51888.25

水 236.41 4255.38

合计 2582.17 71907.28

B. 出塔温空气的组成和流量

表5-2 空气饱和塔出塔温空气的组成和流量

组分 kmol/h kg/h

氧 492.61 15763.65

氮 1853.15 51888.25

水 994.21 17895.75

合计 3339．97 85547.65

C．塔顶喷淋液量206449kg/h，温度105℃。 D．塔底排出液量196379.87kg/h，温度84.58℃。 E．塔底压力0.263MPa，塔顶压力0.243MPa。 F．入塔气温度170℃，出塔气温度90℃。 G．填料用?50?50?4.5陶瓷拉西环(乱堆)。 5.2.2塔径的确定

根据拉西环的泛点速度计算公式

2wFlg[g1/41/8?a???G?3???????L?0.2?L???G??]?0.022?1.75?L?(A) ???G????L??A.塔顶处

?G?85547.65?2.063kg/m3

273?900.10133339.97?22.4??2730.243?L?958kg/m3?????????????????L?0.282mPa?SL?206449kg/h?????????????G?85547.65kg/h把数据代入(A)式解得wF?1.84m/s

泛点率取75％，则气体空塔速度为w?0.75?1.84?1.38m/s

27

出塔操作条件下的气量：

273?900.1013V?3339.97?22.4???41470.35m3/h?11.52m3/s

2730.243塔径应为：d?B.塔底处

11.52?3.35m

0.785?1.307?G?71907.28?2.243kg/m3

273?900.10132582.17?22.4??2730.243?L?975kg/m3???????? ?L?0.38mPa?SL? 196379.87kg/h??????G?71907.28kg/h?把数据代入(A)式 解得wF?1.65m/s

气体空塔速度为w?0.75?1.65?1.24m/s

入塔气在操作条件下的气量：

273?1700.1013V?2582.17?22.4???36151.61m3/h?10.04m3/s

2730.263塔径应为：d?10.04?3.15m

0.785?1.291取塔径为：3.5m 5.2.3填料高度

空气水饱和塔的填料高度确定须考虑两方面的要求 A.使出塔气体中蒸汽含量达到要求。

B.使塔顶喷淋液中的ACN等在塔内脱吸以使出塔釜液中ACN等的含量尽量低，以减少朽污水处理负荷并回收ACN等副产物。按工厂实践经验。取填料高度11m。

5.3 水吸收塔

5.3.1计算依据

A.进塔气体流量和组成

表5-3 水吸收塔进塔气体流量和组成

组分

C3H6 16.06 674.52

C3H8 37.80 1663.2

O2 104.94 3357.92

N2 1853.15 51888.25

28

H2O 994.21 17895.75

合计

kmol/h kg/h

组分

kmol/h kg/h

AN 128.51 6823.75 ACN 22.49 922.09 ACL 14.99 840.34 HCN 41.77 1127.66 CO2 77.10 3392.61

3291.02 88586.09

B.出塔气体流量和组成

表5-4 水吸收塔出塔气体流量和组成

组分

C3H6 16.06 674.52

C3H8 37.80 1663.2

O2 N2 H2O CO2 AN

少量 少量

合计

kmol/h kg/h 104.94 1853.15 236.41 77.10 3357.92 51888.25 4255.38 3392.61 2325.46 65231.88

随入塔气进入的凝水15075.85kg/h

C.塔顶喷淋液量351322.57kg/h，含AN0.005％(wt)，温度5℃。 D.塔底排出液量379097.22kg/h，温度18.35℃。 E.塔底压力112kPa，塔顶压力101kPa。 F.入塔气温度40℃，出塔气温度10℃， G.出塔气体中AN含量不大于0.055%(wt)。 H.填料用250Y型塑料孔板波纹填料。 5.3.2塔径的确定

塑料孔板渡纹填料的泛点气速计算公式为：

w?a???lg[?3??Gg?????L2F1/41/8?0.2?L???G??]?0.291?1.563?L? (A) ???G?????L?按塔底情况计算WF

?G?88586.09?1.159kg/m3

273?40101.33291.02?22.4??273112?L?997kg/m3??????????????????L?1.154mPa?SL?351322.57 kg/h???????G? 88586.09kg/h a?240m2/m3????????????????????0.97把数据代入(A)式 解得wF?2.624m/s

空塔气速为(泛点率取70%)wF?0.7?2.624?1.84m/s

气体在操作条件下的流量为

273?40101.3V?3291.02?22.4???76445.45m3/h?21.23m3/s

273112塔径应为：d?21.23?4.07m

0.785?1.63129

取塔径为：4.1m 5.3.3填料高度

液体的喷淋密度U?351322.57/999.8?26.63m3/(m2/h) 20.785?4.1塑料孔板液纹填料250Y的液相传质单元高度HOL： 当U?20m3/(m2?h)时，25℃下的HOL为0.187m

U?40m3/(m2?h)时，25℃下的H为0.225m

OL内插得到U?26.63m3/(m2?h)时，25℃下的HOL为0.200m 又(HOL)25?C?(HOL)i?e0.0234(t?25)

℃ 塔内液体的平均温度为?5?18.35?/2?11.68则HOL?0.200/e0.0234(11.68?25)?0.280 液相传质单元数计算式如下

NOL?X1?X2 *(X1*?X1)?(X2?X2)X1*?X1lg*X2?X2塔底X1?128.51?6.24?10?3

20729.72?128.51E1?810kPaP?112kPa

X1*?pAN0.052?112??0.0072E1810 0.0072?0.00731?0.0072

?X1*?塔顶X2?0.005/53?1.698?10?5

(100?0.005)/18E2?506.6kPaP?101.3kPa

出口气体中含有AN不小于0.055％(wt)，因此pAN?5.5?10?4?101.3?0.055

*X2??

pAN0.055??1.095?10?4E2506.6

30

NOLX1?X26.24?10?3?1.698?10?5???15.51**?3?4?5(X1?X1)?(X2?X2)(0.0073?6.24?10)?(1.095?10?1.698?10)0.0073?0.00486X1*?X1lnln*1.095?10?4?1.698?10?5X2?X2?填料高度为Z?NOL?HOL?15.51?0.280?4.34m

取填料高度为：4.5m

5.4 丙烯蒸发器

5.4.1计算依据

A.丙烯在管外蒸发，蒸发压力0.405MPa，蒸发温度-13℃，管内用0℃的冷冻盐水(17.5％NaOH水溶液)与丙烯换热，冷冻盐水出口温度-2℃。

B.丙烯蒸发量8416.4kg/h，冷冻盐水用量645533.14kg/h。 C.丙烯蒸发器热负荷4.48?106kJ/h 5.4.2丙烯蒸发器换热面积

A.总传热系数 (a)管内给热系数?1

蒸发器内安装?38?3.5的U型钢管80根。

冷冻盐水平均温度-1℃．此温度下的有关物性数据如下；

??2.485?10?3kg/(m?s)??0.545W/(m2?K)?0.545J/(m?K?s)Cp?.0473kJ/(kg?K)?3.473?103J/(kg?K)

??1130.8kg/m3?冷冻盐水流速为

??645533.14?2.63m/s

1130.8?3600?80?0.785(0.038?2?0.0035)2(0.038?2?0.0035)?2.63?1130?37074?10000湍流 ?32.485?10Re?37074?2.485?10?3Pr??169.04

0.545?6?105???1?0.023RePr?1??11567.37W/(m2?K) 1.8?dRe???0.80.4(b)管外液态丙烯沸腾给热系数取?2?2326W/(m2?K)

31

(c)总传热系数冷冻盐水方污垢热阻取0.264?10?3(m2?K)/W，丙烯蒸发侧污垢热阻取0.176?10?3(m2?K)/W，钢管导热系数45W/(m2?K)。

1110.0035????0.264?10?3?0.176?10?3 K11567.37232645K?966.98W/(m2?K)

B.传热平均温差热端温差0-(-13)=13℃，冷端温差-2-(-13)=11℃，传热平均温差为?tm?(13?11)/2?12?C

C.换热面积

热负荷Q?4.48?106kJ/h?1.24?106J/s 换热面积为

1.24?106A=?106.86m2 966.98?12取安全系数1.2，则换热面积为128.23m2

5.5 循环冷却器

.5.5.1计算依据

A.管内循环液流量229491.96kg/h。进口温度81℃，出口温度70.0℃。 B.管外冷却剂为循环水，进口温度32℃，出口温度36℃，循环水流量为

4864000kg/h。

C.热负荷为8.14?106kJ/h。 5.5.2计算换热面积

初选GH90-105型石墨换热器，换热面积为105m2，设备壳体内径D=880mm，内有外径32mm、内径22mm、长3m的石墨管417根。换热管为正三角形排列，相邻两管的中心距t=40mm

A．总传热系数

(a)管内循环液侧的给热系数?1

平均流体温度t?(81?70.04)/2?75.5?C，该温度循环液的物性数据如下

??1140kg/m3?????????0.85?10?3kg/(m?s)Cp?3.305kJ/(kg?K)?3.305?103J/(kg?K)

??0.547W/(m2?K)?0.547J/(m?K?s)32

管内流体的流速为

u?229491.96?0.353m/s 21140?3600?417?0.785(0.022)Re?0.022?0.353?1140?10416?10000

0.85?10?33.305?103?0.85?10?3Pr??5.136

0.547?0.80.46?105?????1?0.023RePr[1?]

dRe1.8?1?1738.4W/(m2?K)

(b)壳程(循环水侧)的给热系数?2

℃，34℃水的物性数据为 循环水平均温度?32?36?/2?34??0.7371?10?3kg/(m?s)?????????0.621W/(m2?K)??994kg/m???????????????????????????Pr?5.183

?32?2?4?t?d0?24??正三角形排列时，当量直径de的计算公式为de? ?d0管外流体的流速根据流体流过的最大截面积S来计算，S的计算公式为

S?hD(1?d0/t)

已知t=40mm，d0=32mm，h=374mm, D=888mm． 代入数据得

?32?2?4?t?d0?24?de???0.02316m

?d0S?hD(1?d0/t)0.347?0.888(1?0.032/0.04)?0.0664m2

管外流体的流速为

u?4864000?20.47m/s

994?3600?0.0664994?Re?deu??0.02316?20.47???639317 3?0.7371?10Re值在2000～1000000范围内可用下式计算给热系数

33

????2?0.36Re0.55Pr0.33??de??w??0.14

???代入数据得?2?0.36Re0.55Pr0.33??de??w??0.14?25914W/(m2?K)

(c)总传热系数石墨的导热系数??38.4W/(m2?K)，石墨管壁厚5mm，循环冷却水侧污垢热阻0.6?10?3(m2?K)/W，循环液侧污垢热阻0.2?10?3(m2?K)/W。

代入数据求K：

111220.00522??????0.6?10?3?0.2?10?4 K1738.4259143238.427?K?753.1W/(m2?K)

B.对数平均温差

?tm?C.面积

(81?36)?(70?32)?41.4?C81?36ln70?32

热负荷Q?8.14?106kJ/h?2.26?106J/s 换热面积为

2.26?106A??72.49m2

753.1?41.4取安全系数1.2则换热面积为86.99m2。因此，选GH90—105-1型石墨换热器，其换热面积已足够。

5.6 氨蒸发器

5.6.1计算依据

A.氨蒸发压力0.405MPa，蒸发温度-7℃ B.加热剂为0.405MPa蒸汽，温度143℃。 C.热负荷5.37?106kJ/h?1.49?106J/s 5.6.2计算换热面积

A.总传热系数蒸汽冷凝时的给热系数取8000W/(m2?K)，液氨沸腾的给热系数取2000W/(m2?K)，不锈钢导热系数45W/(m2?K)，管壁厚4mm，两侧污垢

34

热阻取0.2?10?3(m2?K)/W

代入数据求K：

1110.004????0.2?10?3?0.2?10?3K8000200045

?K?898W/(m2?K)

B.平均温度差

?tm?143?(?7)?150?C

C.换热面积氨蒸发器热负荷为1.49?106J/s 换热面积为

1.49?106A=?11.06m2 898?150取换热面积为：12m2

5.7 氨气过热器

5.7.1计算依据

A.进口气氨温度-7℃．出口气氨温度65℃。 B.加热剂为0.405MPa蒸汽，温度143℃。 C.热负荷6.72?105kJ/h?1.87?105J/s

5.7.2计算换热面积

A.总传热系数管壳式换热器用作加热器时，一方为蒸汽冷凝、一方为气体情况下，K值的推荐范围是28~250W/(m2?K))．取200W/(m2?K)

B.平均温度差冷端温差为143-(-7)=150℃，热端温差为143-65=78℃。

150?78?tm??110?C150ln78 C.换热面积热负荷为1.87?105J/s 换热面积为

1.87?105A=?8.5m2 200?110取安全系数1.2，则换热面积为10.2m2：，选浮头式热交换器

35

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