氢氯化回流冷凝器及气液分离器工艺计算

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关于氢氯化回流冷凝器换热面积的估算

一、已知

1、分子量

CH₂Cl₂

84.933

CHCl₃

119.378

CCl₄

153.823

2、二氯甲烷和三氯甲烷共

3.5

万吨/年

且比例为1：1

3、四氯化碳为三氯甲烷的5%

二、计算甲醇理论耗量

1、各产品的单位时间产量

（1）二氯甲烷

W₂=

3.5×0.5×10000×1000÷8000=

2187.50

Kg/h

W₂=

2187.5÷3600×1000÷84.933 =

7.1543

mol/s

2)三氯甲烷

W₃=

3.5×0.5×10000×1000÷8000 =

2187.50

Kg/h

W₃=

2187.5÷3600×1000÷119.378 =

5.0900

mol/s

(3)四氯化碳

W₄=

2187.5 × 0.05 =

109.375

Kg/h

W₄=

109.375÷3600×1000÷153.823=

0.0092

mol/s

2、甲醇单位时间理论消耗量

W_{1 =}

7.1543 ＋ 5.09 ＋ 0.0092 =

12.2536

mol/s

若按正常运行,需两个反应釜,则每釜的甲醇量为:

W₁^′₌

12.2336 ÷ 2 =

6.1268

mol/s

三、氯化氢量的估算

1.甲醇与氯化氢的摩尔量的比为1:1.2

假设氯化氢的纯度为80%,其余组分为一氯甲烷。

则:氢化氢的进料量W₅为(含一氯甲烷)

W₅=

6.1268×1.2÷0.8 =

9.1902

mol/s

2.进料中纯氯化氢流量为:

W₆=

9.1902 × 80% =

7.3522

mol/s

3.进料中一氯甲烷的流量为

W₇=

9.1902 × 20% =

1.8380

mol/s

四、氢氯化反应釜出口气体的估算

假设甲醇的转化率为100%,一氯甲烷的选择性为100%

1.一氯甲烷量

CH₃Cl =

6.1258＋1.8380 =

7.9648

mol/s

2.生成水

H₂O =

6.1268

mol/s

3.剩余氯化氢量

HCl =

1.2254

mol/s

4.蒸发水量W_蒸

根据热量守恒定律

Q_进+Q_反=Q_出

(1). 进气的热量(进气温度为130℃)

入口

①.查表得130℃时各组分的热容为:

名称

温度

热容常数

热容

组成

移入热

C_P1=

29.113

J/mol.K

C_P1

——

HCl的热容

a*10^-1

b*10³

c*10⁶

d*10⁹

J/mol.K

mol/s

KJ/s

C_{P2 =}

48.907

J/mol.K

C_P2

——

CH₃Cl的热容

HCl

403.15

3.03088

-7.609

13.2608

-4.33363

29.112552

7.3522

48.000055

86.290282

C_{P3 =}

48.870

J/mol.K

C_P3

——

CH₃OH的热容

CH₃Cl

403.15

0.305

25.96

-12.44

2.3

48.907349

1.8380

12.000014

36.24063

②.各组分的热能Q

CH₃OH

403.15

3.44925

-29.189

286.844

-312.501

48.869512

6.1268

39.999931

120.7083

Q₁ =

29.133 × 7.3522 × 403.15 ÷ 1000 =

86.29028

KJ/s

合计

15.316982

100

243.23921

Q₂ =

48.907 × 1.8380 × 403.15 ÷ 1000 =

36.24063

KJ/s

Q₃ =

48.870 × 6.1268 × 403.15 ÷ 1000 =

120.7083

KJ/s

式中:

出口

Q₁

——

HCl的热能

名称

温度

热容常数

热容

组成

移入热

Q₂

——

CH₃Cl的热能

a*10^-1

b*10³

c*10⁶

d*10⁹

J/mol.K

mol/s

KJ/s

Q₃

——

CH₃OH的热能

HCl

423.15

3.03088

-7.609

13.2608

-4.33363

29.135128

1.2254

8.0000092

15.106887

③.进气的热能Q_入

CH₃Cl

423.15

0.305

25.96

-12.44

2.3

50.323491

7.9648

51.999945

169.606

Q_入=

86.2903＋36.2406＋120.708 =

243.239

KJ/s

CH₃OH

423.15

3.44925

-29.189

286.844

-312.501

49.824995

(2).出口气体的热能(不包含蒸发水,出口温度为150℃)

H₂O

423.15

3.40471

-9.6506

32.9988

-20.4467

34.322867

6.1268

40.000046

88.983934

①.查表得150℃时各组分的热容为:

合计

15.316982

100

273.69682

C_P1=

29.135

J/mol.K

C_P1

——

HCl的热容

C_{P2 =}

50.323

J/mol.K

C_P2

——

CH₃Cl的热容

C_{P3 =}

34.323

J/mol.K

C_P3

——

H₂O的热容

②.各组分的热能Q

Q₁ =

29.135 × 1.2254 × 423.15 ÷ 1000 =

15.10689

KJ/s

Q₂ =

50.323 × 7.9648 × 423.15 ÷ 1000 =

169.606

KJ/s

Q₃ =

49.825 × 6.1268 × 423.15 ÷ 1000 =

88.98393

KJ/s

式中:

Q₁

——

HCl的热能

Q₂

——

CH₃Cl的热能

Q₃

——

H₂O的热能

③.出口气体的热能Q_出

Q_出=

88.9839＋15.1069＋169.606 =

273.697

KJ/s

(3).反应放热Q_反

①.查表得,在150℃是时,各组成的生成焓为:

△H_f1⁰=

-95.256

KJ/mol

△H_f1⁰

——

HCl的生成焓

△H_f2⁰₌

-86.646

KJ/mol

△H_f2⁰

——

CH₃Cl的生成焓

△H_f3⁰₌

-201.25

KJ/mol

△H_f3⁰

——

CH₃OH的生成焓

△H_f4⁰₌

-242.76

KJ/mol

△H_f4⁰

——

H₂O的生成焓

②.单位量的生成热:

Q =

(－95－201.25)－(－86.646－242.76) =

32.9

KJ/mol

③.反应热

Q_反=

32.9 × 6.1268 =

201.571

KJ/s

(4).系统放热

Q_放=

Q_进＋ Q_反－ Q_出 =

171.114

KJ/s

(5).蒸发水量W_蒸

根据能量守恒定律,这171.1135KJ/s的热,是靠蒸发水来移走的

查表得:在150℃时,水的汽化潜热为

2118.5

KJ/Kg

W_蒸 =

171.114÷2118.5×1000÷18.016=

4.4873

mol/s

生成热

5.氢氯化反应釜出口气体的实际流量

名称

△H_f⁰

反应量

△H

反应热

需移走的热

CH₃Cl=

7.9648

mol/s

KJ/mol

mol/s

KJ/s

HCl=

1.2254

mol/s

HCl

-95.256

6.1268

H₂O=

4.4873 ＋ 6.1268 =

10.6141

mol/s

CH₃Cl

-86.646

6.126782

五.回流冷凝器气相出口的组成和流量

CH₃OH

-201.25

6.126782

1.为了保证氢氯化反应中催化剂浓度的恒定,回流冷凝的物质应为蒸发的水量,

H₂O

-242.76

6.126782

回流冷凝器出口气相流量为

合计

-201.5711381

201.571

171.114

CH₃Cl=

7.9648

mol/s

HCl=

1.2254

mol/s

H₂O=

6.1268

mol/s

所以,每秒有4.4873mol水蒸气被冷凝

2.冷凝后的温度

水在冷凝器中的平衡常数为

1.3654

根据公式:

K =

P⁰/P

式中:

P⁰

——

水的饱和蒸气压

——

操作压力(绝压)

组成

出口温度

安托尼系数

分压

平衡常数

P⁰是与温度有关的函数,用试差法算出冷凝器出口温度为:

℃

lnP

T = 130.6℃

H₂O

#######

16.5362

######

(39.00)

######

#######

1.36540

六.冷凝器的换热量

1. 进气的热量

(1).查表得150℃时各组分的热容为:

1.入口热量

C_P1=

29.135

J/mol.K

C_P1

——

HCl的热容

名称

温度

热容常数

热容

组成

移入热

C_{P2 =}

50.323

J/mol.K

C_P2

——

CH₃Cl的热容

a*10^-1

b*10³

c*10⁶

d*10⁹

J/mol.K

mol/s

KJ/s

C_{P3 =}

34.323

J/mol.K

C_P3

——

H₂O的热容

HCl

423.15

3.03088

-7.609

13.2608

-4.3336

29.13513

1.2254

6.1873542

15.106887

(2).各组分的热能Q

CH₃Cl

423.15

0.305

25.96

-12.44

2.3

50.32349

7.9648

40.217713

169.606

Q₁ =

29.135 × 1.2254 × 423.15 ÷ 1000 =

15.10689

KJ/s

CH₃OH

423.15

3.44925

-29.189

286.844

-312.5

49.82499

Q₂ =

50.323 × 7.9648 × 423.15 ÷ 1000 =

169.606

KJ/s

H₂O

423.15

3.40471

-9.6506

32.9988

-20.447

34.32287

10.6141

53.594932

154.15597

Q₃ =

34.323 × 10.6141 × 423.15÷ 1000 =

154.156

KJ/s

合计

19.804264

100

338.86885

(3).进口气体的热能Q_入

Q_入 =

15.1069＋169.606＋154.156 =

338.86885

KJ/s

2.气体出口的热能(出口温度为130.6℃)

(1).查表得130.6℃时各组分的热容为:

C_P1=

29.113

J/mol.K

C_P1

——

HCl的热容

C_{P2 =}

48.950

J/mol.K

C_P2

——

CH₃Cl的热容

C_{P3 =}

34.184

J/mol.K

C_P3

——

H₂O的热容

2.出口气热量

(2).各组分的热能Q

名称

温度

热容常数

热容

组成

移入热

Q₁ =

29.113 × 1.2254 × 423.15 ÷ 1000 =

14.40341

KJ/s

a*10^-1

b*10³

c*10⁶

d*10⁹

J/mol.K

mol/s

KJ/s

Q₂ =

48.950 × 7.9648 × 423.15 ÷ 1000 =

157.4142

KJ/s

HCl

403.75

3.03088

-7.609

13.2608

-4.3336

29.11314

1.2254

8.0000092

14.403407

Q₃ =

34.184 × 6.1268 × 423.15 ÷ 1000 =

84.56126

KJ/s

CH₃Cl

403.75

0.305

25.96

-12.44

2.3

48.9503

7.9648

51.999945

157.41424

(3).气相出口的热能Q_出

CH₃OH

403.75

3.44925

-29.189

286.844

-312.5

48.89931

0.0000

Q_出 =

14.4304＋157.414＋84.5613 =

256.37891

KJ/s

H₂O

403.75

3.40471

-9.6506

32.9988

-20.447

34.18418

6.1268

40.000046

84.561261

3.水蒸气液化放热Q_放

合计

15.316982

100

256.37891

查表得:150℃时单位水蒸气液化放热为

2118.5

KJ/Kg

则:

Q_放 =

171.114

KJ/s

4.液相热量

(1).查表得:在130.6℃时水的热容C_P

C_P =

77.173315

J/mol.K

(2).液相热量Q_液

名称

温度

热容常数

热容

组成

移入热

Q液 =

77.173×403.75÷1000×4.4873 =

139.818

KJ/s

b*10¹

c*10³

d*10⁶

J/mol.K

mol/s

KJ/s

5.冷凝器移走的热量Q_移

H₂O

403.75

18.2964

4.72118

-1.3388

1.31424

77.17332

4.4873

139.818

Q_移 =

Q_入＋Q_放－Q_出－Q_液=

113.7855

KJ/s

七.换热面积的估算

1.单位冷凝水吸热量

循环水的温度为32℃,循环回水的温度为70℃.

状态

温度

热容常数

热容

单位热量

单位热量差

换热量

分子量

用水量

对数平均温度

温差修正

传热系数

传热面积

查表得:

a*10^-1

b*10

c10³

d*10⁶

J/mol.K

KJ/mol

KJ/s

mol/s

Kg/s

Nm³/h

℃

W/m².K

m²

C_P32=

75.0442

J/mol.K

C_P32

——

32℃水的热容

进口水

305.15

1.82964

4.72118

-1.3388

1.31424

75.04415

22.899723

18.016

C_{P70 =}

75.7637

J/mol.K

C_P70

——

45℃水的热容

出口水

343.15

1.82964

4.72118

-1.3388

1.31424

75.76371

25.998316

单位冷凝水热量

3.0985931

1.1E+02

3.7E+01

6.6E-01

2.382

85.755677

-53.75568

400

3.3171413

Q₃₂=

75.0442 × 305.15 ÷ 1000 =

22.8997

KJ/mol

2.382

Q₇₀=

75.7637 × 318.15 ÷ 1000 =

25.9983

KJ/mol

则:单位冷凝水吸热量ΔQ

ΔQ =

25.9983－22.8997 =

3.0986

KJ/mol

2.冷凝水量

L =

113.7855÷3.0986 =

36.7217

mol/s

L =

2.38

m³/h

3.平均温差Δt_m

Δt_m=

〔(150－32)－(130.6－70)〕÷ln〔(150－32)/(130.6－70)〕

Δt_m=

85.7557

℃

4.估算换热面积

S′=

Q/(KΔtm)

已知:圆块孔式石墨换热器冷却盐酸时的换热系数K=400～600W/(㎡.℃)

本计算K取400

则:

S′=

113.7855×1000÷(400×85.7557)

S′=

3.32

㎡

八.换热面积的确定

考虑有气液夹带现象,安全系数取1.5

换热面积S =

5.0

㎡

所以，回流冷凝器的换热面积为 5㎡的圆块孔式石墨换热。

15.317

mol/s

0.3431

Nm³/s

0.23231

m³/s

取流速为

m/s

则进气通道截面积为

0.023231

㎡

所以进气口径为 DN =

0.172028

圆整DN=

200

实际气速为

7.4

m/s

气液分离器的估算

一.已知

15.31698231

mol/s

1.气体温度:

130℃

0.343100404

Nm³/s

2.气体压力:

0.2MPa(绝压)

3.气体流量:

15.3170

mol/s

4.分子量

CH₃Cl=

50.4888

HCl=

36.4600

H₂O=

18.0160

5.气体的组分流量

取流速为

m/s

CH₃Cl=

7.9648

mol/s

则进气通道截面积为

0.0232311

㎡

HCl=

1.2254

mol/s

所以进气口径为 DN =

0.1720282

H₂O=

6.1268

mol/s

圆整DN=

200

二.进口直径的估算

实际气速为

7.4

m/s

1.气体的标准体积流量

V =

22.4 × 15.3170 ÷1000 =

0.3431

Nm³/s

2.进气的实际流量

根据理想气体状态方程

V =

0.2323

m³/s

3.进口气速的确定

根据设计规范,进口气速一般为 12～25 m/s.

取 u =

m/s

4.进口直径的估算

(1).截面积S₁

S₁ =

0.2323 ÷ 18 =

0.01548737

㎡

(2).进口直径

D₁ =

( 0.012906 × 4 ÷π )^0.5=

0.140

取整:

D =

0.150

5.实际气速

u =

0.2323÷(0.12×0.12×π)÷4=

13.15

m/s

3.1915383

三.分离器筒体D的确定

对于进口为方形口的气液分离器有:

D = 2H

——

进口高度

H = 2B

——

进口长度

则截面积比为

S : S₁ =

32 : π

则 D² = D₁² * 32 / π

D =

0.4787307

圆整 D = 0.5 m

四.气相出口直径D₂的确定

根据设计规范,D₂= (0.3～0.5) D

将就现有管道,则D₂= 0.2 m

D₂/D =

0.4

属于规定范围内

那么,D₂= 0.2 m

五..分离器筒体高度H₁的确定

根据设计规范,H₁= (1.5～2.0) D

取 H₁= 2D

H₁=

0.5×2 =

六.插入浓度S的确定

S = D/4 =

0.5÷4 =

0.125

圆整后S=0.13

七.压力降的计算

1.气体组分的组成(mol/mol)

CH₃Cl=

0.5200

HCl=

0.0800

H₂O=

0.4000

2.气体的平均分子量 M

M =

50.488×0.520＋36.4600×0.080＋18.0160×0.40 =

36.3773

g/mol

3.气体密度ρ

ρ =

(P⁰/P)MT₀/(22.4(T₀＋t))

ρ =

0.2÷0.1×36.3773×273.15÷(22.4×(273.15＋130)=

2.2006

Kg/m³

4.压力降的计算

ΔP =

ξρu²/2

ΔP =

0.8 ×2.2006 × 13.15²÷ 2 =

152.1

(已知标准旋液分离器的阻力系数ξ=0.8)

八.校核临界粒度

1.气体的平均粘度

(1).查表得:在130℃时各组分的动力粘度为

μ₁ =

0.0198

mPa.s

μ₁

——

HCl的动力粘度

μ_{2 =}

0.147

mPa.s

μ₂

——

CH₃Cl的动力粘度

μ_{3 =}

0.1343

mPa.s

μ₃

——

H₂O的动力粘度

(2).气体平均粘度

μ =

0.52×＋0.08×＋0.4×

μ =

1.317E-07

Pa.s

2.校核临界粒度

根据公式:

d_e =

〔9μD³/(32πN_eρ_sV〕^0.5

式中:

N_e

——

旋转圈数

4.06176E-11

ρ_s

——

颗粒密度

本计算N_e=5

ρ_s为水的密度:1000Kg/m³

所以:

d_e =

6.4

μm

九.总结

经工艺计算确定,该旋液分离器的主要工艺参数如下:

进气口直径 D₁= 150 mm

出口气直径 D ₂= 200 mm

筒体直径 D = 500 mm

筒体高度 H = 1000 mm

插入浓度 S = 130 mm

流体压降 ΔP = 152.1 Pa

临界粒度 d_e = 6.4 μm

冷凝器气液分离器

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