畢業設計〔2011屆〕題目年產一萬噸碳酸二甲酯的工藝設計學院化學化工學院專業化學工程與工藝年級學生學號學生姓名指導教師2011年5月3日年產一萬噸碳酸二甲酯工藝設計寧夏大學化學化工學院〔化學工程與工藝〕專業2011屆畢業生摘要：本設計介紹了碳酸二甲酯的性質、用途及碳酸二甲酯工業生產中的幾種工藝，并對各種工藝進行了比擬。本人采用甲醇氣相氧化羰基化法制碳酸二甲酯工藝，用氮氣為保護氣。主要對由氧氣、甲醇、一氧化碳為原料制取碳酸二甲酯的過程進行設計，對系統進行了物料衡算，并根據相關反響條件進行熱量衡算。根據工藝流程與操作條件對工序中的關鍵設備進行了計算與選型。關鍵詞：碳酸二甲酯AnnualoutputoftenthousandtonsofdimethylcarbonateprocessdesignAbstract:Thisdesignfirstintroducedthedevelopmentofformaldehydeandformaldehydedomesticnature,purpose.Meanwhile,domesticindustrialproductionofformaldehydewereintroducedtwoprocesses.Bycomparison,thedesigndecisionprocessofformaldehydewithsilvermethod(electrolyticsilverasacatalyst.)Thenthesystemofmaterialbalanceandheatbalance,whilethekeyprocessandselectionofequipmentwascalculated.Finally,theconclusiontocompletethedesign.Keywords:dimethycarbonatesynthesis,materialbalance,heatbalance,design,equipmentSelection目錄第一章緒論 11.1選題的意義和作用 11.2碳酸二甲脂的性質及用途 11.2.1物理性質和化學性質 1碳酸二甲脂的用途 11.2.3中國碳酸二甲酯的產量分析 21.3碳酸二甲酯的生產方法及工藝簡介 2已工業化的工藝過程及其研究狀況 21.3.2碳酸二甲酯生產工藝的評述 51.3.3本設計的工藝選擇 5第二章工藝計算 62.1工藝原理及流程簡介 62.1.1工藝原理 6工藝流程 62.2設計依據 72.3物料衡算 72.4熱量衡算 8第三章設備的計算與選型 113.1本設計設備選型的原則 113.2反響器的計算 113.2.1催化劑床層體積 113.2.2反響器管數確實定 113.2.3管的排列方式 123.2.4反響器的內徑 123.2.5反響器殼體壁厚的計算 123.3換熱器的計算與選型 13估算傳熱面積和初選換熱器型號 13核算壓降 16核算總傳熱系數 18第四章結論 21參考文獻 22致謝 23第一章緒論1.1選題的意義和作用隨著人類可持續開展戰略的實施，化學工業面臨著嚴峻的挑戰。工業化和城市化給環境帶來了巨大的壓力，對人類健康也造成了一定威脅。積極研究和開發新的化學方法和技術，盡量減少使用或不使用對人類健康，生態環境有害的化學物質，“清潔生產工藝〞和“綠色化學品〞已成為21世紀化學工業開展的主導方向[1]。本設計為甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯〔以下稱為DMC〕。碳酸二甲酯〔DMC〕這種用途廣泛的有機產品，既可取代光氣、硫酸二甲酯等劇毒試劑，也可憑借其獨特的化學性質合成許多新的衍生產品。具有廣闊的市場前景，并屬于環保型綠色甲酯，受到國內外廣泛關注。其可用于制備西維因苯、甲醚、氟派酸、環丙殺星、呋喃丹等多種農藥、醫藥產品。還可用于制備光電子材料、粘合劑、潤滑油、基襯等多種產品。碳酸二甲酯可作為無鉛汽油添加劑，將其參加油品中可提高辛烷值并降低尾氣中NO和CO的排放量。碳酸二甲酯本身無毒無味，能與其它有機物混溶。在油漆、噴霧劑等方面有很大的市場潛力。國內以碳酸二甲酯為原料已能生產近20種醫藥產品。近年來，美國已提出用DMC逐步替代MTBE作為汽油添加劑，碳酸二甲酯被我國列入國家九五重點開發的50個精細化工產品范圍。碳酸二甲酯的開展將對我國的煤化工、甲醇化工起到巨大的推動作用。因此，該選題有很高的研究價值和商業價值。1.2碳酸二甲酯的性質及用途1.2.1物理性質和化學性質碳酸二甲酯是透明無色可燃液體，沸點90.1℃，熔點4℃，略帶香味。碳酸二甲酯能以任何比例與醇、酮、酯等有機溶劑混溶，無腐蝕性；微溶于水。碳酸二甲酯可燃，在空氣中的爆炸極限為3.8%-21.3%碳酸二甲酯屬無毒或微毒化學品，但對人體皮膚、眼睛和粘膜有刺激性。碳酸二甲酯是優良的溶劑，作為溶劑的主要特點表現為熔點、沸點范圍窄、外表張力大、粘度低、介質介電常數小、蒸發熱低、相對蒸發速度快[2]。碳酸二甲酯的化學性質可以根據其所提供的官能團分為羰基化反響、甲基化反響和羰基甲氧化反響。1.2.2碳酸二甲酯的用途碳酸二甲酯〔DMC〕這種用途廣泛的有機產品，既可取代光氣、硫酸二甲酯等劇毒試劑，也可憑借其獨特的化學性質合成許多新的衍生產品。具有廣闊的市場前景，并屬于環保型綠色甲酯。受到國內外廣泛關注。其可用于制備西維因苯、甲醚、氟派酸、環丙殺星、呋喃丹等多種農藥、醫藥產品。還可用于制備光電子材料、粘合劑、潤滑油、基襯等多種產品。碳酸二甲酯可作為無鉛汽油添加劑，將其參加油品中可提高辛烷值并降低尾氣中NO和CO的排放量。碳酸二甲酯本身無毒無味，能與其它有機物混溶。在油漆、噴霧劑等方面有很大的市場潛力。國內以碳酸二甲酯為原料已能生產近20種醫藥產品。近年來，美國已提出用DMC逐步替代MTBE作為汽油添加劑，碳酸二甲酯被我國列入國家九五重點開發的50個精細化工產品范圍[3]。1.2.3中國碳酸二甲酯的產量分析碳酸二甲酯的開展將對我國的煤化工、甲醇化工起到巨大的推動作用。但目前國內大都酯交換法，由于其工藝復雜、投資大，且原料環氧乙烷或環氧丙烷受石化行業制約，直接影響了該工藝技術的大規模化生產。圖1-12003年-2008年我國碳酸二甲酯〔DMC〕產量趨勢1.3碳酸二甲酯的生產方法及工藝簡介1.3.1已工業化的工藝過程及其研究狀況1、光氣法傳統的DMC生產方法是以甲醇與光氣，堿反響制取DMC，反響物經中和，洗滌和蒸餾而制得。該工藝為高壓液相反響，腐蝕性大，產率低，設備費用高。其化學反響式如下：COCl2+CH3OH=ClCOOCH3+HClClCOOCH3+CH3OH+NaOH=H3OCOOCH3+NaCl反響分兩步進行：①甲醇和光氣在低溫(0～10℃)下進行液相反響，脫除釋放出的HCl并加以回收;②氯甲酸甲酯與補充的甲醇反響，速度較慢且在較高溫度下進行，用叔胺或通過與冷堿液一起攪拌可加速反響進行。堿液一起攪拌可加速反響進行。該法DMC總收率約為80%(mol)。由于該工藝采用劇毒的光氣，消耗大量的燒堿，生產中的副產物腐蝕嚴重，因此已逐步被淘汰[4]。2、酯交換法酯交換法又稱為酯基轉移法。工藝分兩步進行第一步是環氧丙烷與二氧化碳作用先合成碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯；第二步以甲醇和碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯為原料，在不同的條件下，制得碳酸二甲酯。酯基轉移法，是近年來合成DMC開展較快的一種方法。可以硫酸二甲酯〔DMS〕，碳酸乙烯酯〔EC〕或碳酸丙烯酯〔PC〕與甲醇進行酯交換生產DMC。但是DMC有劇毒，污染環境且產品收率底，無工業化意義。因此主要采用碳酸乙烯酯〔EC〕或碳酸丙烯酯〔PC〕酯交換工藝生產。DMC的反響方程式：R-CH20+CO2→〔CH2O〕nCO(CH2O)nCO+2CH3OH→〔CH3O〕2CO+EC/PC近年英國Shell公司開發了以環氧丙烷為原料生產DMC并以DMC為原料生產聚碳酸酯的新工藝，該工藝可以明顯降低投資和操作費用。雖然酯交換法產品收率高，反響條件比擬溫和，但是在我國由于目前碳酸乙〔丙〕烯酯的產量還很小，原料不容易得到，產品本錢高，要采取此法必須同時開展乙〔丙〕烯酯才可以。酯交換工藝用于大規模裝置有明顯優勢，尤其是靠近石油化工廠建廠。此外，這一工藝的副產品也是重要的化工原料。此工藝主要受限于原料的來源，受地域限制。3、甲醇氧化羰基法甲醇氧化羰基法是以一氧化碳、氧氣和甲醇為原料，在催化劑的作用下直接合成碳酸二甲酯。此法原料容易得到，原料廉價，毒性小，產品質量好，但生產本錢高，系統腐蝕性強，設備材質要求高。與光氣化生產工藝相比，氧化羰基化法規模大，單位投資低，環境污染小，生產平安性高，產品本錢也比擬低，是目前興旺國家的主要生產方法。該工藝的關鍵是選擇適宜的催化體系[5]。4、甲醇液相氧化羰基化法ENI法CuCl是一種優良的甲醇液相氧化羰化合成DMC催化劑，但是該催化劑與反響物之間形成多相催化體系，降低了反響效率；此外催化劑中氯離子流失會引起活性下降以及對設備的嚴重腐蝕。而Cu〔11〕相對Cu〔1〕在甲醇中的溶解性較好，但是活性和選擇較差，將其與可溶性高分子化合物配合改良。甲醇液相氧化羰基化法：設備腐蝕和催化劑別離回收困難等特點，原料廉價，控制了氧氣濃度在爆炸極限以下，實現工業化生產。甲醇氣相氧化羰基化法存在工藝復雜，副產物草酸二甲酯易堵管路等等問題目前是各大工業國家重點研究開發的技術路線。2CH3OH+1/2O2→〔CH3O〕2CO+H2O甲醇液相氧化羰基化法：參加助劑和載體的方式進一步開發性能更好的催化劑，并提高催化劑的活性和選擇性，延長催化劑的使用壽命，減少腐蝕性。液相法是由ENI公司率先工業化，采用多項催化劑淤漿反響器。將甲醇和白色粉狀CuCl催化劑參加高壓反響釜，加熱攪拌，通入一氧化碳和氧氣，甲醇發生氧化羰基化反響生成碳酸二甲酯，由于催化劑在反響體系中成泥漿狀，故稱之液相泥漿法。甲醇在催化劑的作用下，通過兩步生成碳酸二甲酯：R-CH20+CO2→〔CH2O〕nCO(CH2O)nCO+2CH3OH→〔CH3O〕2CO+EC/PC氯化亞銅被氧化Cu(OCH3)Cl，反響比擬容易實現，反響活性和選擇均較高。對甲醇和金屬氯化鹽的反響研究說明，反響活性和選擇性均較好，這是CuCl作為甲醇氧化羰基化制備DMC優選催化劑的根底。而第二步反響較難，需要較高的CO分壓，通常反響在80-120攝氏度，和2-4Mpat條件下進行，雖然已經工業化，但是仍然存在催化劑對設備腐蝕性和壽命短等缺點。為了克服這些缺點，通過參加助劑和配位題等方式進行改良，讓銅系催化劑的活性和穩定性提高，腐蝕性降低。我國目前主要的碳酸二甲酯的生產企業及使用的工藝路線、生產能力具體見下表。國內目前總的生產能力約為60Kt/a。甲醇液相氧化羰基法：采用氯化亞銅催化劑及管式反響器循環工藝，甲醇既是反響物又是溶劑，分為氧化和復原兩步進行。第一步，氯化銅，甲醇和氧氣反響生產甲氧基氯化銅；第二步，甲氧基氯化銅被復原生產DMC，并再生氯化亞銅。反響溫度大120攝氏度，壓力2.5Mpa。DMC選擇性以CO計為89.1%-90.6%，以甲醇計為98%。5、甲醇氣相氧化羰基化法日本Ube公司在液相法的根底上，于1992年實現了氣相法合成碳酸二甲酯。當前有兩種氣相氧化羰基化法：亞硝酸酯法和氣相直接氧化羰基化法。〔1〕亞硝酸酯法該方法反響原理是：采用亞硝酸酯作為中間介質，通過氣相亞硝酸酯的羥基化反響可以合成碳酸二甲酯，其反響也分兩步進行：2NO+2CH3OH+1/2O2=2CH3ONO+H2O2CH3ONO+CO=(CH3O)2CO+2NO該法的顯著特點是采用了兩個氣相反響。第一步反響較易進行，且放出大量的反響熱。第二步是關鍵步驟，反響為亞硝酸甲酯和CO在催化劑存在下，發生羥基化反響生成碳酸二甲酯，并生成NO氣體。甲醇和反響生成的水只涉及第一步反響，而DMC則在第二步反響中生成，防止了甲醇-水-DMC之間形成共沸物而難以別離。〔2〕直接氧化羰基化法該法的化學原理與液相法相同，催化劑的活性組分根本上仍然是CuCl，它采用了固載化的CuCl催化劑，以解決液相法的腐蝕問題，且便于產品別離和回收。將氣相甲醇和CO、O2的混合氣體通過裝有催化劑的固定床反響器中，直接氣相氧化羰基化生成碳酸二甲酯：2CH3OH+CO+1/2O2=(CH3O)2CO+H2O氣相氧化羰基化法具有如下優點：(1)與液相法比，采用固定床反響器，不需要別離生成物和催化劑的裝置，設備投資降低。(2)使用亞硝酸甲酯合成DMC，反響在無水條件下進行，催化劑壽命增加。(3)合成所需參加的氧氣在亞硝酸甲酯再生器中反響，合成器中不參加氧，所以CO2等副產物少而且非氧氣氣氛使得爆炸危險性降低[6]。1.3.2碳酸二甲酯生產工藝的評述表1-1DMC各生產方法優缺點比擬工藝優點缺點光氣法〔1〕可工業化生產〔2〕產率高操作周期長，原料光氣劇毒，環境污染嚴重，生產平安性差，副產品氯化氫對設備、管道腐蝕嚴重，且產品含氯高，質量較差酯交換法〔1〕已實現工業化。〔2〕產率較高〔3〕清潔生產，對環境友好〔1〕原料本錢受石油價格影響大〔2〕生產規模和利潤受副產物限制〔3〕此工藝主要受限于原料的來源，受地域限制。氧化羰基法〔1〕原料廉價易得。〔2〕對環境友好。〔3〕毒性小，產品質量〔4〕生產平安性高〔5〕產品本錢也比擬低〔1〕催化劑對設備腐蝕〔2〕催化劑壽命短1.3.3本設計的工藝選擇鑒于對各種方法的比擬，本設計所采用的工藝為甲醇氣相氧化羰基化法，其具有以下幾個方面的優勢：1、原料方面甲醇氣相羰基法：原料一氧化碳，甲醇，氧氣，保護氣氮氣。(1)原料廉價易得；(2)對環境友好；(3)原料毒性小，產品質量好。 2、工藝流程方面甲醇氧化羰基化法是以CH4O、CO和O2為原料，在催化劑存在下，直接合成DMC。該法幾乎無副反響發生。3、工藝路線單耗、投資預算比擬甲醇氣相氧化羰基化DMC生產裝置，是以一氧化碳和甲醇為原料，產品是DMC，比擬簡單。投資少，本錢低且理論上甲醇全部轉化為碳酸二甲酯，無其它有機物生成[7]。第二章工藝計算2.1工藝原理及流程簡介2.1.1工藝原理將氣相甲醇、一氧化碳和氧氣的混合氣體通過裝有催化劑的固定床反響器中，直接氣相氧化羰基化生成碳酸二甲酯(DMC)，其反響方程式如下：2CH3OH+1/2O2+CO→(CH3O)2CO+H2O此反響還伴隨著副反響生成如下反響：2CH3OH+CO→(CH3O)2CH2+O22CO+O2+2CO2→2CO22.1.2工藝流程本設計工藝流程為：反響原料一氧化碳、氧氣、保護氣氮氣和甲醇從閃蒸罐回流的氣相以及回流的混合液相氣化后預熱到130℃進入反響器進行反響，固定床反響器操作壓力為2000kPa，為了控制反響器的“飛溫〞，使用導熱油維持反響溫度在130℃。控制反響器進料中的甲醇、一氧化碳以及氧氣三者的摩爾比為0.9：1.6：1.0。反響器中使用催化劑及活性炭作為載體并負載CuCl2。催化劑活性組分為20wt%的CuCl2和5wt%的KCl，在操作60h后，催化劑開始失活，使用10%的HCl蒸汽進行有效再生3h[8]。反響工藝流程概略圖如下列圖所示。DMC甲縮醛DMC甲縮醛水甲醇儲罐氣化裝置CO2反應器氮氣分離裝置導熱油氧氣CO2.2設計依據操作壓力：2000kPa[9]反響溫度：130℃生產規模：年產一萬噸生產時間：330天〔8000小時〕2.3物料衡算本設計為年產一萬噸碳酸二甲酯反響工段的初步設計，通過查閱文獻得到工藝要求為：碳酸二甲酯純度≥99%，甲醇含量≤0.5%，水含量≤0.3%，催化劑活性組分20wt%的CuCl2，5wt%的KCl，甲醇轉化率80%，碳酸二甲酯的選擇性為80%，碳酸二甲酯的年消耗量為0.5%[10]。1、產物碳酸二甲酯的流量DMC全年實際產量M=10000×〔1+0.5%〕=10050噸單位時間內產量W=10050×103÷8000=1256.25kg/hn=1256.25÷90.08=13.95kmol/h2、各原料的進料流量根據甲醇的轉換率為80%，DMC的選擇性為80%，甲醇的相對分子量為32.4，一氧化碳的相對分子量為30.1，氧氣的相對分子量為32，以甲醇為標準計算，三種原料的進料比為0.9：1.6：1.0[11]，則：〔1〕CH3OH的進料量n1=13.95÷0.8÷0.8×2=43.59kmol/hF1=43.59×32.04=396.74kg/h〔2〕CO的進料量n2=43.59×1.6/0.9=77.49kmol/hF2=77.49×30.01=2356.57kg/h〔3〕O2的進料量n3=43.59×1/0.9=48.43kmol/hF3=48.43×32=1549.87kg/h〔4〕為了防止爆炸，氮氣的取值范圍應大于202.67%，故本設計N2的進料選擇為211.13kmol/h。3、各物料出料口流量〔1〕DMC的流量n4=13.95kmol/hF4=13.95×90.08=1256.62kg/h〔2〕水的流量n5=13.95kmol/hF5=251.24kg/h〔3〕甲縮醛的流量n6=3.49kmol/hF6=256.27kg/h〔4〕氧氣的流量n7=3.49kmol/hF7=111.68kg/h表2-1物料衡算物料輸入物料輸出名稱kmol/hkg/h名稱kmol/hkg/h原料甲醇43.59396.74碳酸二甲酯13.151256.62CO77.492356.57甲縮醛13.95251.24O248.431549.87H2O3.49256.27保護氣N2211.13O23.49111.682.4熱量衡算通過查詢《化工數據手冊》得知甲醇在2000kPa時，沸點為130℃，為簡化計算，可設在2000kPa時，碳酸二甲酯、水、甲縮醛的沸點為115℃，查詢純物質化學性質手冊得到如下數據〔各物質的CpJ/mol.K〕[12]表2-2各物質的Cp30℃30℃〔g〕40℃115℃115℃〔g〕130℃甲醇82.1544.3284.31106.4550.7451.96CO29.1429.1429.1529.35O229.3729.4230.10DMC170.43182.49121.73125.16水75.3275.2476.4134.1534.27甲縮醛162.61113.30164.99187.3113.30117.07CO237.4937.4937.9941.76標準狀態下各物質生成焓：=-5070.09kJ/kmol=-241.81kJ/kmol=-348.21kJ/kmol=-393.51kJ/kmol=-200.94kJ/kmol各物質在115℃時候的氣化焓：r(CH3OH)=3.11×107J/kmolr(H2O)=4.01×107J/kmolr(DMC)=3.20×107J/kmolr(甲縮醛)=2.23×107J/kmol〔1〕主反響的反響熱2CH3OH+CO+1/2O2→(CH3O)2CO+H2O公式〔2-1〕=-241.81+〔-570.09〕-〔-110.53〕-2×〔-200.94〕=-299.49kJ/mol130℃時，△rCp隨溫度的變化可取其平均值公式〔2-2〕=666J/mol.K反響焓：公式〔2-3〕=-299.49+6.66×〔403-298〕×103=-299.79kJ/mol反響熱：即放熱：〔2〕副反響的反響熱2CH3OH+CO→〔CH3O〕2CH2+O2=-348.21-〔-110.53〕-2×〔-200.94〕=164.20kJ/mol*44.32*51.96)]/2=9.11J/mol.K則副反響的反響熱：=164.20+9.11×〔4.3-298〕×10-3=165.16kJ/mol副反響熱：〔3〕〔a〕反響器原料帶入的熱量〔b〕反響器出口帶出的熱量=2.36×106kJ/h則反響器的移出熱量〔4〕換熱器的熱量蒸汽原料氣30蒸汽原料氣30℃加熱蒸汽原料氣圖2-2換熱簡圖進口CO、O2帶入熱量：公式〔2-4〕=29.14×77.49×103×〔273+30〕+29.37×48.43×103×〔273+30〕=1.12×106kJ/h出口CO、O2帶出熱量：=〔29.35×77.49×103+30.1×48.43×103〕×〔273+130〕=1.5×106kJ/h甲醇汽化吸熱：115℃氣相甲醇升溫到130℃吸熱：公式〔2-5〕=51.96×43.59×103×〔130+273〕-50.74×43.59×103×〔115+273〕=0.055×106kJ/h則換熱器的換熱量：第三章設備的計算與選型3.1本設計設備選型的原則本設計反響器選擇為列管式固定床反響器。選擇反響器一般有四大原則分別是：從物料的相態選擇反響器、從傳熱的要求選擇反響器、從相際間的傳質選擇反響器和從反響的轉化率和選擇性考慮反響器[13]。甲醇直接氧化羰基化合成碳酸二甲酯從相態上分析為氣―固反響，而對于這類反響一般采用固定床反響器或流化床反響器。前者多用于反響速率高、需要嚴格控制副反響或需要分段控制溫度的反響系統，后者則適用于需要強化熱、質傳遞的反響系統。從傳熱和傳質的角度考慮，盡管流化床的效果要優于固定床，但流化床的返混程度大，以致使其傳質和傳熱良好的優越性不免有所抵消。且固定床反響器體積相對較小，操作費用相對較低。綜上所述，因具有返混小，傳熱面積大，容易控制溫度，操作費用較流化床低的特點，本設計選擇列管式固定床為甲醇直接氧化羰基化合成碳酸二甲酯的反響器[14]。3.2反響器的計算本設計采用空速為5000h-1，列管采用Φ25mm×2.5mm，管長為12m，給定填料高度為11.4m[15]。3.2.1催化劑床層體積VR進入反響器的氣體總流量由物料衡算可知：F總為381kmol/h，空速為5000h-1。則公式〔3-1〕r——反響器的空速F——反響器進口氣體總流量3.2.2反響器管數確實定根據列管數計算公式有：公式〔3-2〕列管的排列方式為正三角形，經過查詢相關標準，列管實際取517根。3.2.3管的排列方式由于殼程介質污垢少，且不需要進行機械清晰，因此管的排列方式采用正三角形排列方式，經查閱資料的，層數12，取管間距a=32mm，示意圖如下圖3-1列管排列方式3.2.4反響器的內徑D計算反響器內徑的公式為公式〔3-3〕式中D——反響器內徑a——管的間距b——正六邊形對角線上的管數，b=25l——最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，取l=2d圓整取整后殼體內勁D=1000mm3.2.5反響器殼體壁厚的計算材料選用20R鋼，計算壁厚為：式中公式〔3-4〕Pc——計算壓力〔由于反響的操作壓力為2000kPa，即2Mpa〕D——反響器內徑則D=1000mm設殼壁溫度為100℃則故鋼板厚度附加值C=C1+C2式中C1——鋼板厚度負偏差C2——腐蝕余量由于介質為壓縮空氣、水蒸氣，故腐蝕余量取值應大于等于1.0mm，故取C2=1.00mm。又鋼板厚度介于7.5到25之間，通過查閱資料可取C1=0.80鋼板厚度：圓整后，鋼板厚度取14mm3.3換熱器的計算與選型本設計中流經換熱器的兩流體均為不發生相變的傳熱過程，其中熱流體為水蒸氣，冷流體為甲醇，根據流體流徑的選擇原則和兩流體的實際情況，因為甲醇是無色、易燃、易爆和有毒性的液體，同時為滿足工藝要求，使甲醇得以充分預熱，提高預熱效果，令甲醇走管程，水蒸氣走殼程[16]。如圖下列圖所示250℃水蒸氣250℃水蒸氣換熱器T2=130.0℃150℃水蒸氣T1=25.0℃圖3-2換熱器能量交換示意圖該換熱器的主要功能為：將25℃的原料氣體甲醇升溫至130℃，溫度變化較大，且甲醇由液態變為氣態，壓強會發生變化，加熱介質采用250℃低壓水蒸氣。要求換熱器的管程和殼程壓降不大于10KPa，試選用適宜型號的換熱器。3.3.1估算傳熱面積和初選換熱器型號〔1〕根本物性數據的查取甲醇的定性溫度=(25+130)/2℃=77.5℃根據設計經驗，選擇加熱水的溫度降為100℃，則水的出口溫度為t=150℃水的定性溫度=()℃=200℃查得甲醇在定性溫度下的物性數據：ρ(與4℃水的密度之比)=740kg/m3比熱容Cp=2.95kJ/kg℃導熱系數k=0.202w/m℃粘度μ=0.314×10-3Pa.s查得水在定性溫度下的物性數據：飽和蒸汽壓=1554.77KPa密度ρ=863.0Kg/m3焓H=852.43KJ/Kg比熱容Cp=4.505KJ/Kg℃熱導率K=66.29×102w/m℃粘度μ=13.63×10-5Pa.s〔2〕熱負荷的計算Q=Wh.Cph(T1-T2)公式〔3-5〕=×2.95kJ/kg×(130-25)℃=8.669×105W加熱水蒸氣消耗量Wc=eq\f(Q,Cp(t1-t2))公式〔3-6〕==1.924kg/s〔3〕確定流體的流經該設計任務的熱流體為水蒸氣，冷流體為甲醇，因為甲醇是無色、易燃、易爆和有毒性的液體，同時為滿足工藝要求，使甲醇得以充分預熱，提高預熱效果，令甲醇走管程，水蒸氣走殼程。〔4〕計算平均溫度差〔按逆流計算〕暫時按單殼程、雙管程考慮，先求逆流時平均溫度差甲醇：25.0℃→130.0℃水蒸氣：150℃←250℃Δt：125.0℃120.0℃根據冷熱流體進出口溫度算逆流條件下的對數平均溫度差Δtm′=eq\f(Δt1-Δt2,ln(Δt1÷Δt2))公式〔3-7〕==126.32℃計算R和PR=eq\f(熱流體溫降,冷流體溫升)==1.025P=eq\f(冷流體溫升,兩流體的最初溫度差)==0.434由R、P值查《化工設計》P328附圖3-2各種換熱器的平均溫度差校正因子圖〔a〕，FT[17]〔MTD校正系數〕=0.88，因為FT>0.8，所以選用單殼程可行。Δtm=FTΔtm公式〔3-8〕=0.88×126.32=111.16℃〔5〕選K值，估算傳熱面積依據管殼式換熱器的計算公式：總傳熱系數eq\f(1,K)=eq\f(1,h0)+eq\f(1,hi)(eq\f(A0,Ai))+r0+ri(eq\f(A0,Ai))+rw(eq\f(A0,Aav))h0管外流體傳熱膜的系數Kcal/h.m2℃；hi管內流體傳熱膜的系數Kcal/h.m2℃；r0，ri分別為管外、管內流體污垢熱阻h.m2℃/Kcal；A0，Ai單位管長的外表、內表傳熱面積m2/m；Aav單位管長的管內和管外的平均面積m2/m；rw--管壁熱阻〔eq\f(lw,λw)〕h.m2℃/Kcal；λw管壁材料導熱系數Kcal/h.m2℃；lw管壁厚度m因為此工序設計中某些參數值查取困難，所以依據《化學工程手冊》管殼式換熱器總傳熱系數K的推薦值表[18]，當高溫流體是水蒸氣，低溫流體是甲醇時，總傳熱系數取1000-3400Kcal/h.m2℃。在此根據工廠的實際情況取K=1000Kcal/h.m2℃〔單位換算〕即是K=1162.8W/m2℃S=eq\f(Q,KΔtm)公式〔3-9〕==6.71≈(圓整)7〔6〕初選換熱器的型號由于兩流體的溫差較大，固選用浮頭式換熱器。由浮頭式換熱器的系列標準，初選換熱器的型號為：F325-5.0-10。如表3-1所示表3-1初選換熱器的主要參數如下表所示名稱數值名稱數值公稱直徑325mm公稱壓力2.5MPa公稱面積10m2管子尺寸Φ19×2mm管子數76管長3000mm管中心距25mm管程數NpⅡ管子排列方式正三角形實際換熱面積S0=n.π.d0(L-0.1)=76×3.14×0.019×(3-0.1)=12.75m2采用此換熱面積的換熱器，要求過程的總傳熱系數為：K0=eq\f(Q,S0.Δtm)公式〔3-10〕==593.05W/m2℃3.3.2核算壓降〔1〕管程壓降據管程總阻力的計算公式[19]：ΣΔPi=(ΔP1+ΔP2)Ft×Ns×Np公式〔3-11〕ΔP1因直管摩擦阻力引起的壓降，Pa；ΔP2因回彎阻力引起的壓降，Pa；Ft管程結垢校正系數，無量綱，對Φ25×2.5mm的管子Ft=1.4；Ns串聯的殼程數；Np管程數。則有Ft=1.5Ns=1Np=2本設計中甲醇走管程，管程流速是：Rei=eq\f(di.Ui.ρ,μ)==2.153×104據流體在管內流動時雷諾準數Re〈2000層流2000-4000過渡流〉4000湍流所以Rei=21530〉4000〔湍流〕對于碳鋼管，取管壁粗糙度ε=0.1mmeq\f(ε,di)=eq\f(0.1,20)=0.0067由《化工原理流體傳質與傳熱》P104圖1-35摩擦系數與雷諾準數及相對粗糙度關系〔λ-Re關系圖〕查得：λ=0.033ΔP1=λ.eq\f(L,di).eq\f(ρui2,2)公式〔3-12〕=0.037××=905.69ΔP2=3(eq\f(ρui2,2))公式〔3-13〕=3×()=411.68PaΣΔPi=(905.69+411.68)×1.5×1×2=4738.64Pa=4.739KPa<10KPa(2)殼程壓力降〔埃索計算公式〕ΣΔP0=〔ΔP1′+ΔP2′〕Fs×Ns公式〔3-14〕ΔP1′流體橫過管束的壓降Pa；ΔP2′流體通過折流擋板缺口的壓降Pa；Fs殼程結垢校正系數，無量綱，對蒸汽Fs=1.0；F管子排列方式對壓降的校正系數，對正三角形排列F=0.5；其中ΔP1′=F.f0.nc(NB+1)eq\f(ρu02,2)公式〔3-15〕ΔP2′=NB(3.5-eq\f(2Z,D))eq\f(ρu02,2)公式〔3-16〕f0殼程流體摩擦系數〔因為Re0>500，f0=5.0Re0-0.228，其中Re0=eq\f(d0u0ρ,μ)〕；NB折流擋板數；Z折流擋板間距m；U0按殼程流通截面積A0計算的流速，m/s；而A0=Z〔D-NCd0〕.則計算ΔP1′=F.f0.nc(NB+1)eq\f(ρu02,2)有管子為三角形排列F=0.5；nc=1.1=1.1=9.59；取折流擋板間距因eq\f(1,5)D<Z<D→0.065〈Z〈0.325得取Z=0.2mNB=eq\f(L,Z)-1=-1=14殼程流通截面積A0=Z(D-NCd0)=0.3×〔0.325-9.59×0.019〕=0.0286m2殼程流速U0=eq\f(Vs,A0)=eq\f(1.117,917×0.01173)=0.078m/sRe0=eq\f(d0u0ρ,μ)==9.38×103>500f0=5.0Re0-0.2285.0×(6.26×103)-0.228=eq\f(5.0,8.64)=0.6213所以ΔP1′=F.f0.nc(NB+1)eq\f(ρu02,2)公式〔3-17〕=0.5×0.6×9.59×〔9+1〕×=117.31PaΔP2′=NB(3.5-eq\f(2Z,D))eq\f(ρu02,2)公式〔3-18〕=14×(3.5-)×eq\f(917×0.10382,2)=83.40PaΣΔP0=〔ΔP1′+ΔP2′〕Fs×Ns公式〔3-19〕=(117.31+83.40)×1.0×1=285.94Pa<10KPa計算結果說明，管程和殼程壓降都能滿足設計要求。3.3.3核算總傳熱系數〔1〕管程對流傳熱系數hiRei=2.153×104>1×104Pri=eq\f(CP.μ,k)==4.586hi=0.023eq\f(k,di)Rei0.8Pri0.4公式〔3-20〕=0.023××(1.757×104)0.8×4.5860.4=1667.27w/(m2℃)(2)殼程傳熱對流系數hO〔Kern法〕由hO=0.36〔eq\f(k,de)〕(eq\f(deu0ρ,μ))0.55.eq\f(μ,μw))0.14公式〔3-21〕管子為三角形排列，則de=[4(t2-d02)]/〔〕=[4××0.0252-×0.0192]/(3.14×0.019)=0.0174mA=ZD(1-eq\f(d0,t))=0.2×0.325×(1-)=0.0156m2U0=eq\f(Vs,A)==0.143m/s殼程走的是水蒸氣，用來預熱甲醇，則水蒸氣會被冷卻，取eq\f(μ,μw))0.14=1.05得hO=0.36〔eq\f(k,de)〕(eq\f(deu0ρ,μ))0.55〔eq\f(μ,μw))0.14公式〔3-22〕=0.36××()0.55×()×1.05=2713.73w/m2℃(3)污垢熱阻因為甲醇走管程，水蒸氣走殼程，參照《化工原理流體傳質與傳熱》書P520附錄表二十二壁面污垢熱阻[20]〔污垢系數〕，管內、管外側污垢熱阻分別取為：RSi=1.7197×10-4m2℃/wRS0=0.8598×10-4m2℃/w(4)總傳熱系數K管壁熱阻可忽略時，總傳熱系數K為：K=1/(eq\f(1,ho)+RSi+RS0eq\f(d0,di)+eq\f(d0,hidi))=1/(+1.7197×10-4+0.8598×10-4×+)=709.69w/m2℃eq\f(K計,K選)==1.197根據換熱器設計選型原則，因eq\f(K計,K選)=。則初選的換熱器是適宜的，平