年产4万吨pvc热式沸腾床干燥器的设计.docx
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年产4万吨pvc热式沸腾床干燥器的设计
PVC热式沸腾床干燥器的设计
摘要:
本设计为年产4万吨聚氯乙烯聚合干燥工序的初步工艺设计,整个设计文件由设计说明书和设计图纸两部分组成。
在设计说明书中,简单介绍了聚氯乙烯的生产现状、发展趋势、性能和主要用途,也介绍了目前聚氯乙烯的四种常见的工业聚合生产方法.,并进行了比较,最后确定以悬浮聚合法作为聚合的工艺生产方法。
在设计过程中,根据设计任务书的要求,进行了较为详细的物料衡算和能量衡算,对设备进行了工艺计算和选型,同时对聚氯乙烯生产过程中的安全注意事项及“三废”治理作了相关说明,对整个装置进行了简单的技术经济评价。
绘制了相应的设计图纸,设计图纸包括工艺流程图、主要设备图的装配图、设备的平面布置图。
关键词:
聚氯乙烯,干燥,单体,生产工艺
沸腾床已知参数如下:
进入干燥器的湿物料G=5.18万吨湿物料的含水率W1=0.2
堆积密度ρb=450kg/m3颗粒密度ρp=1400kg/m3
物料的出口含水率W2=0.2空气入口温度t0=25℃
物料的比热容Cs=1.26KJ/kg℃颗粒的平均直径d=0.12mm
热风入口温度t1=150℃平衡湿含量X*=0
物料的最终含水率W2=0.03临界湿含量X0=0.015
相对湿度Φ=0.8初始湿度H0=0.02kg水/kg干气
旋风分离器的分离效率99%物料进入干燥器的温度Ө1=25℃
沸腾床干燥段已知的参数如下:
湿物料的含水率W1‘=0.03颗粒密度ρp=1400kg/m3
物料的最终含水率W2‘=0.03堆积密度ρb=450kg/m3
空气入口温度t0‘=25℃物料的比热容Cs=1.26KJ/kg℃
热风入口温度t1‘=85℃颗粒的平均直径d=0.12mm
平衡湿含量X*=0初始湿度H0=0.02kg水/kg干气
临界湿含量X0=0.015旋风分离器的分离效率99%
物料进入干燥器的温度Ө1‘=25℃
1.干燥器的物料衡算和热量衡算
1.1物料衡算
G1=51800000/(300×24)kg/h
=7194.713kg/h
X1=0.2/(1-0.2)
=0.25
X2=0./(1-0.03)
=0.030903
绝干物料量
Gc=G1(1-W1)
=7194.713(1-0.2)
=5755.771kg/h
蒸发水量
W=Gc(X1-X2)
=5755.771×(0.25-0.0309)kg/h
=1261.089kg/h
气流干燥器干燥物料出口量
G2=G1-W
=7194.713-1261.089
=5933.624kg/h
因W=L(H2-H1)
所以L=W/(H2-H1)
=719.7/(H2-0.012)
根据气流段旋风分离器的分离效率为99%,可得出进入沸腾床干燥器的物料流量G1‘
G1′=99%G
=99%×5933.624
=5933.688kg/h
X1′=0.03/(1-0.03)
=0.0309
X2′=0.003/(1-0.003)
=0.003
绝干物料量
Gc′=G1′(1-W1′)
=5933.688(1-0.03)
=5755.677kg/h
蒸发水量
W=Gc′(X1′-X2′)
=7116.807(0.0309-0.003)
=198.5589kg/h
沸腾床干燥器干燥器干燥物料出口量
G2′=G1′-W′
=5933.688-198.5589
=5735.1291kg/h
则根据沸腾床干燥段旋风分离器的分离效率为99%
于是得出最终含水率为0.5%的干燥产品产量
G=5735.1291×0.99
=5677.7778kg/h
=4.088万吨/年
因为W′=L′(H2′-H1′)
所以干空气消耗量L′=W′/(H2′-H1′)
1.2热量衡算
沸腾床干燥段空气和物料出口温度的确定:
空气的出口温度t2′应比出口处湿球温度高出20-50℃(本设计中取40℃),即
t2′=tww2′+40
由t1′=85℃及H1′=0.02kg水/kg干气,查《化工原理》[9]湿度图得tww1′=34℃,近似取
tww1′=tww2′=34℃,于是可得
t2′=34+40=74℃
物料离开干燥器的温度Θ2′由下式计算得
(t2-tww2)[rtWw2(X2-X*)-cS(t2-tww2)(X2/X0)rtW2(X0-X*)/cs(t2-tW2)]
=(t2-θ2)[rtWw2(X0-X*)-cS(t2-twW2)]
由水蒸汽表查得rtw2=2412.3KJ/Kg
将有关数据代入上式中,则
解得T2=45℃
以一小时为基准对干燥器做热量衡算,则得:
L′I0+Gc,I1′+Qp′+QD′=L′I2+Gc′I2′+QL′
或
Q,=QD,+Qp,=L,(I2-I0)+Gc,(I2'-I1')+QL,
湿空气的焓I=(1.01+1.88H)t+2490H
湿物料的焓I′=Cs+XCwT=(Cs+4.187X)ΘT=CmT
将
式和
式代入
式,可得
Q′=Qp′+QD′
=1.01L′(t2′-t0′)+W′(2490+1.88t2′)+Gc′Cm2′(T2′-T1′)+QL′(4)
式中右边第一项为加热干燥介质所需要的热量,用Q3,表示:
Q3′=1.01L′(t2′-t0′)
=1.01L′(74-25)
=49.49L′
右边第二项为湿物料中蒸发水分所消耗的热量,用Q1,表示:
Q1′=W′(2490+1.88t2′)
=198.5589×(2490+1.88×74)
=522035.175kJ/h
=145.1kW
第三项为干燥器产品带走的热量。
用Q2,表示:
Q2′=Gc′Cm2′(T2′-T1′)
=5755.677×(1.26+4.187×0.005)(45-30)
=110589.7218kJ/h
(8)
式中Q2′为干燥器的热损失,一般可按有效耗氧量即Q1′与Q2′之和的10~15%估算
本设计中选取13%:
即
QL′=(Q1′+Q2′)×13%
=(522035.175+110589.7218)×0.13kW
=882241.2368kJ/h
则
式可变成
Q′=Q1′+
Q2′+Q3′+QL′
若忽略预热器的热损失,对预热器做热量衡算,可得:
Qp′=L′(I1′-I0′)
或
Qp′=L′(1.01+1.88H0)(t1′-t0′)
=L,(1.01+1.88×0.02)(85-25)
=62.856L′kJ/h
干燥器中不补充热量,即QD,=0,则
Q′=Qp′=Q1′+Q2′+Q3′+QL′
将式(6)、(7)、(8)、(9)代入(10)式中,可得
62.856L′=484612.544+136742.5076+49.49L′+714866.1334
L′=53483.924kg/h
再由式L′=W′/(H2′-0.02)可求得空气离开干燥器的湿度H2,
则
H2′=(W′+0.02L′)/L′
=(198.5589+0.02×53483.924)/52531.139
=0.024kg水/kg干气
气流干燥器消耗总热量和加热蒸汽消耗量
Q′=Qp′=62.856L,
=62.856×53483.924
=3361785.527
由水蒸汽表查得:
表压为0.52KPa水蒸汽温度Ts=160℃,冷凝潜热r=2087KJ/kg。
取预热器的热损失为有效传热量的12%,则蒸汽消耗量Wh′为:
Wh′=3361785.527/0.88/2087
=1830.48kg/h
干燥器的热效率为η′:
η′=
×100%
=522035.175/3361785.527×100%
=15.53%
2.适宜操作气速的计算
2.1临界流化气速的计算(μmf)
公式:
μmf=4.08·Dp1.82(ρs-ρf)0.94/(Z0.88-ρf0.06)
式中:
Dp:
颗粒平均直径,以100目计算
ρs,ρf:
固体粒子和流体的密度kg/m3
ρs=1400kg/m3
由已知挡风进出口温度:
t1=85℃t2=25℃
ρf85℃=0.986kg/m3ρf25℃=1.185kg/m3
内差法得
ρf55℃=1.086kg/m3
Z85℃=2.13×10-2cpZ25℃=1.84×10-2cp
内差法得
Z55℃=1.99×10-2cp
∴临界流化气速μmf为:
μmf=4.08×(800×10-3)1.82×(1400-1.086)0.94/[(1.99×10-2)0.88×(1.086)0.06]
=0.01888m/s
按Rep,mf=(Dp·μmf·ρf)/μf
=(800×10-3×0.01888×1.086)/(1.99×10-2×10-3)
=0.0194<10
故不需进行校正
∴μmf=0.01888m/s
2.2最大流化气速μtп
公式:
μt=dp2(ρs-ρf)·g/(18μf)(Rep≤0.4)
其中:
dp:
最小颗粒粒度
dp=dmin=120目=121.1μm
μt=(121.1×10-6)2×(1400-1.086)×9.8/(18×1.99×10-5)
=0.5613m/s
校核:
Rep=(dp·μt·ρf)/μf
=(121.1×10-6×0.5613×1.086)/1.99×10-5
=3.71>0.4
∴上述公式在本设计中不适用。
假定0.4<Rep<500
公式:
μt=[(4/225)·(1400-1.086)2×9.82/(1.086×1.99×10-5)]1/3×121.1×10-6
=0.6503m/s
校核:
Rep=(dp·μt·ρf)/μf
=(121.1×10-6×0.6503×1.086)/1.99×10-5=4.30
满足条件0.4<Rep=4.30<500
综上得最大流化气速
μt=0.6503m/s
2.3适宜操作气速μ的计算
μmf<μ<μt
流化数Fn=操作速度/临界流化速度=μ/μmf
本设计中:
Fn=47~50
在Fn=47时,μ=47μmf=47×0.01888=0.0887m/s
Fn=50时,μ=50μmf=50×0.01888=0.994m/s
∴取操作气速μ=0.516m/s
此时:
Fn=0.516/0.01888=27.35
3.分布板结构设计
3.1分布板面积的计算
分布板的长宽比=2.5~2.7﹕1(本设计取a﹕b=2.6﹕1)
比容:
VH=(0.772+1.244H)×(273+t)/273×1.013×105/p
式中:
VH:
m3湿空气/kg绝干气;
冬季:
H=0.02kg/kg绝干气
G=21998.15kg干空气/hr
85℃时,VH=(0.772+1.244×0.02)×(273+85)/273
=1.044m3湿空气/kg绝干气
夏季:
H=0.02kg/kg绝干气
G=21510.25kg绝干气/hr
85℃时,VH=(0.772+1.244×0.02)×(273+85)/273
=1.045m3湿空气/kg绝干气
又V=G·VH
式中:
G:
绝干空气量kg干空气/hr
VH:
比容m3湿空气/kg绝干气
∴V冬热=21998.15×1.044=22966.07m3/hr
V夏热=21510.25×1.045=22456.7m3/hr
由已知冷风用量为热风用量的1/5,
∴F冷=1/5F热(又a/b=2.6)
∴V热=5/6ab·μ·3600(以冬季热风流量为基准)
22966.07=5/6×2.6b2×0.575×3600
∴b=[22966.07/(5/6×2.6×0.575×3600)]1/2=2.263m
∴a=2.6b=2.6×2.263=5.884m
则沸腾床分布板的面积为:
ab=5.884×2.263=13.32
校核:
冬季:
u1=22966.07/(5/6×13.32×3600)=0.575m/s
夏季:
uf=22456.7/(5/6×13.32×3600)=0.562m/s
两者均在0.0887和0.944之间,所以合理
3.2布置
∵F冷=1/5F热
∴加热区长:
5/6a=5/6×5.884=4.903m
冷却区长:
1/6a=1/6×5.884=0.981m
加热区面积:
F热=5/6×13.32=11.1m2
冷却区面积:
F冷=1/6×13.32=2.22m2
3.3开孔率和开孔数
已知:
孔径d0=0.6mm孔速u0=20m/s
开孔数:
n=空气流量/(孔速×孔面积)=V/(3600×u0×πr2)
即
n=6×22966/[3600×20×3.14×(0.6×10-3/2)2×5)
=1354451(个)
开孔率:
ф=空面积/分布板面积
=1314752×3.14×(0.6×10-3/2)2/13.32
=2.87%
3.4挡板高度的计算
3.4.1静床的高度H0
H0=ut
式中:
u—操作气速m/s;
t—物料在沸腾床内的停留时间s(本设计t=2s);
又u=0.516m/s
∴静床高度H0=ut=0.516×2=1.032m
3.4.2床层的膨胀比R
R=膨胀的体积/自然堆积时体积
=Vf/Vk=Lf/Lmf=(1-εmf)/(1-εf)
式中:
Lmf—临界流化床层高度;
Lf—流化床层高度;
ρk—堆积密度(ρk=500~600kg/m3,本设计取ρk=550kg/m3);
ρs—颗粒密度kg/m3;
εmf—临界流化床空隙率(εmf=1-ρk/ρs);
εf—流化床空隙率。
εf=1.7×[u3ufρk/dp3g2(ρs-ρf)2]1/9.3
其中:
u—适宜操作气速m/s;
uf—空气粘度kg·s/m2;
dp—PVC平均直径m。
εf=1.7×[0.51633×(1.99×10-5/9.8)×1.086/(800×10-6)3×9.82×(1400-1.086)2]1/9.3=0.715
εmf=1-ρk/ρs=1-450/1400=0.679
∴R=(1-εmf)/(1-εf)=(1-0.679)/(1-0.715)=1.13
故取整数膨胀比取R=2.0
3.4.3浓相段高度H
H1=H0R=1.032×2.0=2.3m
3.4.4挡板高度
H2=H1+0.2=2.064-0.2=1.864m
3.4.5溢流板高度
H3=H1-0.2=2.3-0.2=2.1m
3.4.6稀相段高度
H4=1.2m
3.4.7顶盖处高度(顶高):
500mm
3.4.8出料室高度:
1.25m
3.4.9床底进风处高度:
1m
3.4.10通风净截面积f=G/3600V
4.沸腾床层底面积
临界流化速度由前面算得为0.01888m/s
带出速度由下式计算
操作硫化速度u
由公式
查干燥装置化工设计手册图4-63得
物料在沸腾床中的干燥通常包括恒速和降速两个阶段,两个阶段所需底面积之和即为整个沸腾床干燥器的底面积。
由前面计算可知
代入数据得
解得
∴
物料在干燥器内的停留时间
5.附属设备的设计及选型
干燥装置的附属设备主要包括离心机,风机,预热器,旋风分离器等
5.1离心机的选型
泥料槽中含水量为60%的料浆靠位差进入离心机脱水,脱去大部分水后,含水20%的湿物料进入气流干燥器进行进一步干燥,关于离心机的选型主要是依据其对湿物料的处理量来选。
进入离心机含水60%的湿物料量G0=G1×(1-0.2)/(1-0.6)=14.389万吨/年,拟采用两台离心分离机并联操作,则每台离心机的处理量为G0=7.2万吨/年,所以根据G0=7.2万吨/年选择两台由新疆石河子化工厂使用的型卧式螺旋离心机,其处理量为G0=10万吨/年。
5.2风机和排风机的选型
为了保持干燥室基本维持常压操作,采用送风和排风系统。
5.2.1送风机
气流段
=
=37831.5196
/h
根据经验,取风机的全风压为6000
。
根据株化资料和经验可选9-27-101N08型风机。
5.2.2排风机
气流段
=44501.245
/h
流化段
=53540.2084
/h
根据计算机结果,可以选用与送风机同样的机型。
5.3旋风分离器的选择设计
选择条件气流中所含尘粒的密度为1400kg/m3,空气的质量流量为52531.139kg/h,温度为74℃,密度为1.029kg/m3,粒度为2.06×10-5Pas,拟采用标准型旋风分离器收尘,要求分离效率为99%,已知相应的临界粒径为10微米,并要求压强在1000—2000Pa之间。
旋风分离器直径的计算:
根据株洲化工集团PVC分厂提供的拟采用六台旋风分离器并联操作,故以下从分离效率和处理量来求旋风分离器的直径。
六台旋风分离器的总处理量
则每台旋风分离器的处理量
14.181/6=2.363m3/s
旋风分离器的临界粒径为
公式中对于标准型旋风分离器有:
入口宽度
入口的流速
h为入口高度,其值为
气流回转圈数Ne可取为5
则临界粒径公式可转化为
解得,
则
校核压强降
公式中
为旋风分离器的阻力系数,其值可取为8.0
可见压强降在1000—2000Pa范围内,故选6台
的标准旋风分离器并联操作可满足要求。
5.4主要管道管径计算和选型
碳钢管计算式为:
式中,D:
最经济管径,mm
G:
流量,kg/s
:
密度,kg/m3
5.5氯乙烯输料管的计算与选型
输料时间:
0.25h
质量流量:
ms=146126.34/0.25=417503.828kg/h
体积流量:
Vs=417503.828/(0.831×1000)=502.411m3/h=0.1396m3/s
查《化工原理》[9]上册表1-1
取u=1.0m/s,由Vs=uπD2/4得
查《化工容器及设备简明设计手册》[8]:
选ф450×4.5mm的冷轧无缝钢管
实际流速u=4Vs/πD2=4×0.1396/(3.14×0.4222)=1.00m/s
根据计算结果,可选用型号为[9]:
80Y—60B的输送泵。
5.6出料管的计算与选型
输料时间:
0.25h
质量流量:
ms=216580.1108/0.25=866320.4432kg/h
体积流量:
Vs=866320.4432/939.3=922.3m3/h=0.256m3/s
查《化工原理》上册表1-1
取u=1.8m/s,由Vs=uπD2
查《化工容器及设备简明设计手册》:
选ф450×4.5mm的冷轧无缝钢管
实际流速u=4Vs/πD2=4×0.256/(3.14×0.4262)=1.80m/s
6.参考文献
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[2]潘祖仁,翁志学,黄志明.悬浮聚合.北京:
化学工业出版社,1997
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化学工业出版社,2000
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化学工业出版社,2004
[5]濮存恬主编.精细化工过程及设备.北京:
化学工业出版社,1996
[6]王福安主编.化工数据导引.北京:
化学工业出版社,1995
[7]王凯,孙建中著.工业聚合反应装置.北京:
中国石化出版社,1997
[8]贺匡国主编.化工容器及设备简明设计手册.北京:
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[9]姚玉英主编.化工原理.修订版.天津:
天津科学技术出版社,2004
[10]中国石化集团上海工程有限公司编.化工工艺设计手册.第三版.北京:
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[11]陈声宗主编.化工设计.北京:
化学工业出版社,2001
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化学工业出版社,2002
[13]化工原理课程设计(湖南科技大学内部资料)
[14]陈声崇.搅拌设备设计[M].上海:
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[17]倪进芳.化工过程设计[M].北京:
化学工业出版社,1999
[18]王凯,冯连芳著.混合设备设计.北京:
机械工业出版社,2000
7.致谢
本次设计历时两个多月,在这两个多月里,本人根据设计任务书的要求,在整个设计过程中结合株洲化工集团的实际生产装置,同时通过查阅大量的文献资料,对聚氯乙烯的聚合及其干燥工艺有了一定的了解,并在指导教师的指导下成功的完成了本次设计。
通过本次毕业设计,使我对大学四年来所学的专业知识得到了进一步的巩固和提高,再一次进行了系统地学习与掌握,是一次再学习与提高的过程。
在设计过程中对于出现的一些问题和一些自己难以解决的难题,感谢指导教师给予的帮助与指导,使我的知识结构、知识的连贯统一性和灵活应用性发生了质的飞跃,设计过程中不但培养了我的吃苦耐劳的精神和独立实践能力,更多的是与同组同学之间的相互交流及学习,使得这次的毕业设计得以顺利完成。
为走上社会,走向工作打下了坚实的基础。
本次设计使我受益非浅,它将会给我以后的学习和工作打下坚实的基础。
再次感谢指导教师的悉心指导,以及同组同学给我的帮助。
作为即将踏出校园走向社会的大学毕业生,本人十分庆幸有这样一次机会,可以将理论知识与生产实际联系起来,使我们的知识不局限于理论,切实提高了我们解决问题的动手能力。
再次诚恳的感谢黄老师的指导和同组同学的帮助!
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