二氯甲烷的氯化吸收工藝設計

課程設計設計題目：年產(chǎn)4000噸氯甲烷氯化吸取工段的初步設計學院：化學工程學院專業(yè)：化學工程與工藝班級：化工082學生：原始數(shù)據(jù)：4kt/a二氯甲烷氯化吸取，年工作日330天，其余數(shù)據(jù)以工廠實際收集為準第一章總論1.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：由于自貢豐富的天然氣資源，因此就地取材三.天燃氣凈化采用變壓吸附技術(shù)(PressureSwlngAdsorptlon.簡稱PSA)脫出天然氣中C2+以上自分，重要運用吸附劑對不同氣體自分的吸附容量隨壓力變化而呈現(xiàn)差異的特性，在吸附劑選擇吸附條件下，加壓吸附原料起中C2+以上烴類組分難吸附的CH4作為產(chǎn)品起由吸附塔出口排出，減壓時吸附的C2+組分脫附，同時吸附劑獲得再生，整個過程是在環(huán)境溫度下進行的。2．1二、三氯甲烷的生產(chǎn)原理及生產(chǎn)方法2．1．1生產(chǎn)原理甲烷熱氯化機理和其它烷烴氯化機理相似，都是自由基連鎖反映。氯分子的活化是通過高溫來實現(xiàn)的，其自由基連鎖反映歷程，可分三步表達：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 下列情況存在都也許產(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映。 在甲烷熱氯化反映過程中，反映溫度不高時，反映按自由基連鎖反映進行。當反映溫度升高到370。C時，連鎖反映機理的相對作用隨之減低，反映溫度超過430。C，甲烷氯化反映事實上是一逐級取代不可逆的雙分子均相反映。反映過程中四種氯化物同時生成，所以甲烷直接氯化不也許得到單一的產(chǎn)品，其反映方程式如下： 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 甲烷氯化反映是強放熱反映。在反映開始前供應熱量，當反映開始后所需能量可由反映熱供應。由于放熱量大，如不采用措施控制反映熱并及時帶走溫度會急劇升高，這樣會產(chǎn)生劇烈的燃燒反映或氯化物產(chǎn)生裂解反映。 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，也會使反映進行極為劇烈，甚至產(chǎn)生爆炸。因此，要保證甲烷熱氯化反映順利進行的重要條件是：保證原料氣的對的配比；保證甲烷和氯氣充足均勻混合；有效和及時引出反映熱。2.1最初的甲烷熱氯化以德國Hoechst公司為代表。反映器形式有內(nèi)循環(huán)式、蓄熱式、列管式和沸騰床等多種形式。我國多采用內(nèi)循環(huán)式反映器。1．（甲烷）天燃氣熱氯化法天燃氣與氯氣反映，經(jīng)水吸取氯化氫副產(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。甲烷氯化機理是游離基連鎖反映，通過升高溫度或用3000—5000A的光源輻射來實現(xiàn)氯分子的活化。在工業(yè)操作中，為保持一個穩(wěn)定的自由基連鎖反映，需要將溫度維持在380—450℃甲烷氯化是強放熱反映，反映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映裝置設計：1、大量循環(huán)甲烷或產(chǎn)生的氯代甲烷使用的多級反映器，以保證足夠的進料比；2、采用霧化四氯化碳或較低的氯甲烷為熱載體；3、采用流化床反映器。2．氯甲烷氯化法將氯甲烷與氯氣氯化反映，光氯化法在4000Kw光照下進行，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，反映溫度為420。C，反映壓力19Kpa，反映冷卻吸取、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，反映成1mol氯化氫，此時氯化氫可返回甲醇氫化裝置作為制取氯甲烷原料，可以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，通常產(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、配氣站和反映裝置的氯氣、天然氣和循環(huán)氣，按一定配比經(jīng)計量進入混合器，混合均勻后進入反映器，進行甲烷熱氯化反映，反映組成為：甲烷氯化物、氯化氫、過量的甲烷、惰性氣體和微量的游離氯。反映氣經(jīng)空氣冷卻器冷卻后進入碳黑分離器，除去反映中產(chǎn)生的少量碳黑，進入水洗系統(tǒng)除去氯化氫。從碳黑分離器出來的反映氣（70—90。C），與稀酸分離器來的酸，進入第一膜式吸取器頂部，順流而下，進行降膜吸取氯化氫后，反映氣與稀鹽酸入鹽酸分離器進行氣液分離，大于16%濃度的副產(chǎn)鹽酸送至沉鈣車間。反映氣與計量后的吸取水，入第二膜式吸取器頂部進行第二次吸取，反映氣與稀酸入稀酸分離器，稀酸入第一膜式吸取器，反映氣則進酸霧分離器除去酸霧，進入中和塔。第一、第二膜式吸取器管間冷卻水逆流串聯(lián)使用。反映氣經(jīng)兩次水洗，除去酸霧（氯化氫含量低于1%），再進行中和，中和塔用10%—20%的氫氧化鈉溶液除去反映中殘余的氯化氫、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，進中和塔，當堿液濃度降到規(guī)定值（3%—5%）后，送至廢堿解決裝置。從中和塔塔頂出來的反映氣，進入干燥系統(tǒng)；堿液分離器底部的液體定期排放。中和后的反映氣進入硫酸干燥塔，從硫酸干燥塔底部進入進行脫水干燥；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，定期用稀硫酸泵送至稀硫酸大貯槽，以備出售。干燥后的反映氣，從干燥塔頂部出來進入固堿中和器，除去硫酸干燥過程中生成的硫酸酸霧，再經(jīng)壓縮機壓縮至0.4—0.6Mpa（表壓）。壓縮后的反映氣經(jīng)緩沖罐和機后冷卻器冷卻至40.C以下，進入熱互換器，與冷凝器來的循環(huán)氣進行換熱，使反映氣溫度降至25.C左右，熱互換器中冷凝的少量甲烷氯化物進粗氯化液貯槽。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)熱互換器后，匯同二氯甲烷蒸餾一塔頂部來的一氯甲烷（該一氯甲烷通過了氣液分離器，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）返回氯化反映器和調(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、三氯甲烷生產(chǎn)工藝流程簡圖水15%的氫氧化鈉 第二膜式吸取器空冷器第一膜式吸取器中和塔第二膜式吸取器空冷器第一膜式吸取器中和塔稀酸分離器天然氣混合器稀酸分離器反映器鹽酸分離器循環(huán)氣反映器鹽酸分離器氯氣98%的硫酸循環(huán)氣-25℃冷凍鹽水粗氯化液貯槽冷凝器熱互換粗氯化液貯槽冷凝器熱互換器機后冷凝器緩沖罐壓縮機干燥塔3.物料衡算和熱量衡算3．1計算基準以單位時間為基準，按年工作330天，天天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反映器的物料衡算和熱量衡算本反映過程是強放熱反映，由于放熱量大，如不采用措施控制反映熱并及時移走，溫度會急劇升高，這樣會產(chǎn)生強烈的燃燒反映，使反映或使氯化物產(chǎn)生裂解反映。因此運用加入過量甲烷得到的循環(huán)氣為稀釋劑而移走反映熱量。計算依據(jù)二氯甲烷產(chǎn)量505.05Kg/h.即5原料組成含Cl296%,CH495%.進反映器的原料配比（摩爾比）Cl2：CH4：循環(huán)氣=1：0.68：3.0出反映器的比例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）反映器進口氣體溫度25oC,出口溫度420oC2．物料衡算Cl2 反 CH3Cl應CH2Cl2CH4器CHCl3CCl4HCl假設循環(huán)氣不參與反映，只起帶走熱量的作用。設進口甲烷Xkmol/h,出反映器一氯甲烷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由于反映復雜，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所以反映器進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進口氣體總量：32.68+24.25+(102.19-13.89)=143.07kmol/h反映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%反映器物料平衡表表2—1組分反映器進口反映器出口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）參與反映的各物料的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反映物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映氣放出的熱量，使反映溫度保持在420℃3.2.2空冷器的物料衡算和熱量衡算由于氣體溫度太高，直接進入吸取器不利于氯化氫氣體吸取。因此，先用空冷器冷卻降溫，保證吸取的順利進行。計算依據(jù)進口氣體420℃，組成和流量與反映器出口相同；出口氣體80℃，操作壓力0.06MP熱量衡算定性溫度t=(420+80)/2=250250℃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膜式吸取器的物料衡算和熱量衡算Lx2Vy2Vy2Lx2本設計用兩個石墨降膜吸取器串聯(lián)吸取，氣體經(jīng)一 膜吸取后再經(jīng)二膜吸取，吸取劑水先經(jīng)二膜吸取成稀酸 一 二 再去一膜吸取成高濃度酸。兩膜吸取劑用量相同，惰氣 膜 膜 流量也相同，因此液氣比l/V也相同。 Lx1Vy1Lx1Vy1第一膜式吸取器1.計算依據(jù)(1).一膜進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)一膜進口氣體溫度80℃,出口氣體溫度70℃,(3).吸取水溫42(4).進口氣體組成同反映器出口(5).操作壓力0.6MPa（表壓）(6).出口酸濃度28%（質(zhì)量），即16%（摩爾）(7).冷卻水進口溫度252.物料衡算對并流高濃度氣體吸取，操作線方程為：L()=V(-)（3—5）解得：x2=0.051即一膜進口酸，二膜出口酸濃度為0.051需要的吸取劑用量：==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吸取劑的單位耗用量（氣體入口處）l=L/V=167.1/(143.07-32.68)=1.51被吸取的氯化氫氣體的量：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ΦQ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假設冷卻水溫升8℃水的Cw=4.18KJ/Kg.K=75.42KJ/Kmol.kWW=1.75×106/75.42×8=2.95×103Kmol/h第二膜式吸取器計算依據(jù)(1)進口氣體組成同一膜出口氣體組成(2)進口氣體溫度70℃，出口氣體溫度(3)出口酸濃度5.1%(4)吸取水溫42℃，冷卻水溫(5)操作壓力0.036MPa(表壓)物料衡算需要吸取劑的量同一膜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吸取劑的單位耗用量l=1.51被吸取的氯化氫氣體量：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ΦQ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入二膜，進口溫度33其溫升：Δt=0.65×105/(75.42×2.95×103)=2.87出口水溫：33+2.87=35.873．2．4中和塔（填料塔）1．計算依據(jù)（1）進塔氣體組成同二膜出口氣體組成（2）用20℃（3）出塔氣體溫度60（4）出口氣體中無氯化氫和二氧化碳氣體2.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氣體，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%H2O3/112.925×100%=2.66%4.重要設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成換熱效果?？绽淦鲹Q熱效果好，結(jié)構(gòu)簡樸，節(jié)約水資源，沒有水污染等問題，比水冷更經(jīng)濟，故選用空冷器。計算依據(jù)（1）進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）設計溫度40（3）進空冷器溫度420℃，出空冷器溫度（4）進出口壓力0.06MPa（表壓）（5）換熱量Q=2.37×106KJ/h設計計算查《化工裝置的工藝設計》表9-31得輕有機物的傳熱系數(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.℃假設空氣溫升15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=98.73m由(T2-T1)/K=1.86查《化工裝置的工藝設計》圖9-120得：最佳管排數(shù)為n=6又由n=6查表9-33得迎面風速FV=165米表面積/迎風面積=A0/F2=7.60則：F2=A0/7.60=98.73/7.60=12.99m由F1=Q/(t2-t1)FV17.3（4—2）式中Q—換熱量,Kcal/h(t2-t1)—空氣溫升FV—迎面風速，米/分代入數(shù)據(jù)F1=2.37×106/(15.3×165×17.3=12.98m取ξ=0.01F2-F1=12.99=12.98=0.01≤ξ即空氣出口溫度假設合理以光管外表面為基準的空冷器的換熱面積為98.73m管長L=98.73×4/π×0.3532=1010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=98.73m4．2第一膜式吸取器降膜式吸取器在吸取過程中不斷的將反映熱移走，其傳熱傳質(zhì)效果好，吸取效率高，在吸取系統(tǒng)內(nèi)壓力減少，所生產(chǎn)的酸溫度低，不需有后冷，且設備耐腐蝕，維修方便，使用壽命長，可制成較大規(guī)格。用于解決量較大的吸取過程。因此選用降膜式石墨吸取器吸取氯化氫氣體。計算依據(jù)（1）進出口組成同空冷器出口組成（2）進口溫度80℃，出口溫度（3）吸取水溫42℃，冷卻水溫25℃（4）進口酸濃度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）吸取氣體量21.23Kmol/h計算換熱面積（逆流）冷卻水由25℃升到33℃，氣體由△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=13.2m計算吸取面積（并流）由于有大量的冷卻水帶走熔解熱，將此過程保持等溫，因此簡化為等溫吸取，在42℃下查得HCl—H2Ox00.009980.02020.04120.06310.0860.1040.1330.151y00.000020.000080.00030.00110.00410.020.040.06x0.1610.1720.1810.1830.1890.1920.1960.199y0.0080.100.140.160.180.200.220.24并流高濃度吸取操作的操作線方程由式（3—5）：即在y1—y2之間分為10個相等的社區(qū)間，相應一個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在同一直角坐標系中作出操作線和平衡線如圖一：圖一對高濃度吸取一般用諾曼法：從圖上量出塔兩端和操作范圍的中點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《化工過程及設備設計》圖3—18得：f=△ym/△yc=0.51即△ym=0.073進口端kG的查?。涸趖=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13.2mG0=(143.07×28.81×4)/(π×0.0612×61)=3.36×105Kg/m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又由于氣相總壓不高，則ky=P.kG（4—4）所以Ky=P.kG=1.6×105×200×10-6=32.0Kmol/m2.h出口端kG的查?。翰榈胻=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/mDG0/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被吸取一半時（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.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/mDG0/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則相應于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《化工過程及設備設計》圖3—18f=Kym/Kyc=0.96即Kym=Kyc×0.96=28.2Kmol/m2.h由《化工過程及設備設計》式（3—19）F=W/Kym△ym（4—5）式中F—吸取面積，W—單位時間內(nèi)吸取的溶質(zhì)的量，Kmol/h△y—吸取過程中的平均推動力Kym—吸取系數(shù)，Kmol/m2.h代入數(shù)據(jù)F=21.23/28.2×0.073=10.3m所以由吸取面積10.3m2，換熱面積13.2m2，按《石墨制化工設備設計》3公稱直徑450mm，固定管板厚度140mm，吸取管數(shù)量61根，換熱面積15m換熱面積裕度：(15-13.2)/13.2×100%=13.6%吸取面積裕度：(12.6-10.3)/10.3×100%=22.3%4．3第二膜式吸取器計算依據(jù)（1）進口氣體組成同一膜出口處（2）進口溫度70℃，出口溫度（3）吸取水溫42℃，冷卻水溫33，溫升（4）操作壓力0.036MPa（表壓）（5）換熱量Q=0.65×106KJ/h（6）進口清水，出口稀酸濃度5.1%（7）吸取氣體量10.59Kmol/h計算換熱面積冷卻水由33℃上升到35.87℃，氣體由70則△t1=70-35.87=34.13℃△t2=60-33=27△tm=28℃S=Q/K△tm=0.65×106/3000×28=9m3.計算吸取面積操作線方程：即在y1-y2之間分為10個相等的社區(qū)間,相應一個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進口端的kG查?。阂蚨みM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《石墨制化工設備設計》表3—26初選換熱器規(guī)格：公稱直徑500mm，吸取管數(shù)量85根，φ22入口氣體質(zhì)量流速：G0=(121.84×27.47×4)/(π×0.0162×85)=2.0×105Kg/mDG0/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?。翰榈胻=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.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/mDG0/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被吸取一半時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.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/mDG0/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即相應于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《化工過程及設備設計》圖3—18f=Kym/Kyc=0.99即Kym=Kyc×0.99=19.3Kmol/m2.h由吸取速率方程式（4—5）F=W/Kym△ym=10.59/19.3×0.03=18.3m所以由吸取面積18.3m2，換熱面積9m2，按《石墨制化工設備設計》3公稱直徑500mm，固定管板厚度150mm，吸取管數(shù)量85根，換熱面積換熱面積裕度：(20-9)/9×100%=122%吸取面積裕度：(18.6-18.3)/18.3×100%=1.6%換熱面積裕度大了點，但是要滿足吸取面積只能選這種規(guī)格。事實上換熱面積大點更能維持等溫，假設為等溫更合理。4.4中和塔（填料塔）填料塔結(jié)構(gòu)簡樸，阻力小，便于耐腐蝕材料制造，并且過程需要吸取的氣體量小，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氣體（3）進口壓力1.24atm（4）25mm×25mm×2.5mm的亂堆陶瓷拉西環(huán)擬定空塔其速查《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中亂堆填料泛點線，橫標為0.01時的縱標數(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-1Ψ=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—液體密度校正吸取,Ψ=ρ水/ρlΜL—液體粘度,mPa.S取空塔氣速為泛點氣速的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=0.08×190=15.2m3/m2σ—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，0.08m3NaOH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≥1.4×104取WL=1.5×104循環(huán)液的量1.5×104-32.49×22.4=1.43×1045．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中亂堆填料泛點線，橫標為0.21時的縱標數(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1000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≥U6.計算塔壓降縱標u2φψρμL0.2/gρL=(0.882×4500.86×2.950.2)/9.8×1169=0.039橫標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中擬定塔的操作點此點位于△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氣體與NaOH溶液發(fā)生化學反映，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溶液反映生成的碳酸鈉堿性，克制反映進行，所以二氧化碳與NaOH溶液反映比氯化氫與NaOH溶液反映速度慢。因此本設計以二氧化碳為依據(jù)進行計算。被吸取的氯化氫的量為：32.68-31.82=0.86Kmol/h相稱于0.86/2=0.43Kmol/h的二氧化碳。被吸取的二氧化碳總量0.43+0.465=0.895Kmol/h即Y1=0.895/112.925×100%=0.79%由于液相中活潑組分的濃度足夠大，并且發(fā)生的是快速不可逆反映，溶質(zhì)組分進入液相后立即反映而被消耗掉，則界面上的溶質(zhì)組份分壓為0，吸取過程速率為氣膜中的擴散阻力所控制，因此可按氣膜控制的物理吸取計算。=4.8（4—9）由于無法查到二氧化碳被NaOH吸取時的KG，計算不出具體的傳質(zhì)單元高度。按一般經(jīng)驗，對25mm的填料作吸取操作時傳質(zhì)單元高度取為Hor=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)簡樸，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）進塔酸濃度98%（質(zhì)量），出塔酸濃度85%（質(zhì)量）（2）進口酸溫度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/mV=M/ρL=353.1/1833=5.35×10-5m3/s=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假設塔徑0.5—0.8m，取板間距310mm，板上液層高度所以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—氣相密度,Kg/m3umax—極限空塔氣速，m/sC—負荷系數(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=0.04m理論塔板數(shù):NT=0.19/0.04=4.75取總板效率70%，則實際板數(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=2.14．6熱互換器計算依據(jù)（1）熱流體進口溫度40℃，出口溫度（2）冷流體為冷凝器出來的循環(huán)氣，進口溫度-20計算傳熱量介質(zhì)均為粘度0.5cp以下的有機物查化學工業(yè)出版社《化工設計》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)+6.226×10-3