140萬噸∕年pta的氧化反應-結晶系統(tǒng)工藝設計【畢業(yè)論文】_第1頁
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文檔簡介

1、<p><b>  本科畢業(yè)論文</b></p><p><b> ?。?0 屆)</b></p><p>  140萬噸∕年PTA的氧化反應-結晶系統(tǒng)工藝設計</p><p>  所在學院 </p><p>  專業(yè)班級

2、 化學工程與工藝 </p><p>  學生姓名 學號 </p><p>  指導教師 職稱 </p><p>  完成日期 年 月 </p><p><b>  摘要</b&

3、gt;</p><p>  來自于氧化反應器的TA漿料含有部分氧化中間產(chǎn)物及微量的未反應的對二甲苯,因此通過設計一個氣體分布器將一些空氣噴入液體,可以在氧化第一CTA結晶器內進一步被氧化。然后通過閃蒸蒸汽使氣體大量上升帶走大量的熱量,由于停留時間較長,連續(xù)閃蒸結晶會在結晶器內產(chǎn)生變大的小晶體。結晶器中設計一個渦輪攪拌器,有利于氣泡向中間集中帶走熱量,液體被甩向周邊促進結晶。</p><p>

4、;  來自于氧化第一結晶器的漿料通過液位控制進入到第二和第三結晶器繼續(xù)進一步結晶,而氧化第一結晶器出來的蒸汽通過氧化第一結晶器冷凝器和出口冷凝器進行冷凝,最后到氧化反應器頂部系統(tǒng)循環(huán)利用。因此設計冷凝器的時候要考慮到是氣體最大化地冷凝。</p><p>  討論了結晶的機理,以及怎么樣設計氣體分布器和攪拌器才能更好地促進結晶和帶走熱量,結果也知道了設計的器械的選型和整個結晶系統(tǒng)的工藝流程。</p>

5、<p>  【關鍵詞】:氧化;閃蒸;冷凝;結晶</p><p><b>  abstract</b></p><p>  From the oxidation of reactor TA slurry containing the partial oxidation of middle product and the trace of p-xylene no

6、t response, so the design a gas sparger will some air spray into the liquid, can be in oxidation first CTA the crystallizer further oxidation. Then through the braising steam that gas large rise away a lot of heat, due t

7、o stay longer, continuous flash vaporization crystallization in the crystallizer will produce greaten small crystals. Mould design a turbine blender, be helpful </p><p>  From oxidation first crystallizer by

8、 the slurry level control into second and third mould continue to further crystallization and oxidation first mould out by oxidation first crystallizer steam condenses the condenser and export condenser, finally to oxida

9、tion reactor top system recycling. So when designing condenser must consider is gas maximize and condensation. </p><p>  Discusses the mechanism of how, and crystallization design gas distributor and blender

10、 to better promote crystallization and take away heat, the results also know the design of the equipment selection and the whole crystalline system process flow. </p><p>  【keyword】:Oxidation; Braising; Cond

11、ensing; Crystallization </p><p><b>  目錄</b></p><p><b>  前 言1</b></p><p><b>  1.任務說明書2</b></p><p>  1.1 工業(yè)PTA生產(chǎn)方法2</p><

12、p><b>  1.2結晶機理2</b></p><p>  1.3 三個結晶器反應概述:3</p><p>  1.4 工藝流程設計3</p><p>  2.氧化結晶系統(tǒng)5</p><p>  2.1 氧化第一結晶器的設計與選型5</p><p>  2.2壓縮空氣進入到溶液中

13、傳熱過程的計算8</p><p>  2.3結晶器內氣體分布器的設計10</p><p>  2.4人孔設計12</p><p>  2.5氧化第一結晶攪拌器的設計與選型13</p><p>  2.6 氧化第一結晶器冷凝器的設計與選型16</p><p>  2.7氧化第一結晶器出口冷凝器的設計與選型18

14、</p><p>  2.8氧化第一結晶器出口分離器22</p><p>  2.9氧化第一結晶器分液罐22</p><p>  2.10氧化第二結晶系統(tǒng)22</p><p>  2.11氧化第三結晶系統(tǒng)22</p><p>  3.車間(工段)布置設計24</p><p>  3.1

15、車間(工段)布置設計的意義24</p><p>  3.2車間(工段)布置設計與評述24</p><p><b>  4.工程概算25</b></p><p>  4.1設備一覽表25</p><p>  4.2 動力(水、電、汽)消耗定額及消耗量表25</p><p>  4.3 車間

16、人員編制26</p><p>  4.4 車間成本估算26</p><p>  5.環(huán)境保護和安全措施27</p><p>  5.1環(huán)境保護27</p><p>  5.2 安全措施27</p><p><b>  6. 結論28</b></p><p>&l

17、t;b>  參考文獻29</b></p><p><b>  致 謝30</b></p><p><b>  前 言</b></p><p>  近年來,隨著中國化纖行業(yè)的大規(guī)模發(fā)展,進入21世紀以來中國PTA產(chǎn)業(yè)得到了長足的發(fā)展,PTA市場需求強勁。這就直接導致了PTA產(chǎn)能的快速發(fā)展壯大。特別是自2

18、003年PTA項目由行政審批制改為核準制以后,PTA產(chǎn)業(yè)步入了一個飛速發(fā)展時期,其發(fā)展速度之快,令人瞠目。正是由于龐大的國內市場需求,2003年至2011年間中國PTA項目和產(chǎn)能出現(xiàn)了飛速發(fā)展。</p><p>  PTA為精對苯二甲酸(Purified Terephthalic Acid)的英文縮寫,是重要的有機原料之一,其用途主要是生產(chǎn)聚酯纖維、聚酯瓶片和聚酯薄膜等,因此廣泛應用于化學纖維、輕工、電子等多個領

19、域。</p><p>  對于中國這樣一個人口大國來說,化學纖維需求量是龐大的。最近幾年來這個行業(yè)的快速發(fā)展也證明了這一點?;瘜W纖維的需求傳遞到整個產(chǎn)業(yè)鏈,無疑使整個產(chǎn)業(yè)鏈都有迅猛擴張之勢。</p><p>  而生產(chǎn)PTA,其中重要一部分是氧化反應中的結晶系統(tǒng),由此引出我研究的課題,自氧化反應器出來的漿料經(jīng)過三個串聯(lián)的結晶器降溫、降壓后,由泵送入旋轉真空過濾器(RVF)進行固液分離。&l

20、t;/p><p>  結晶階段的目的是為了減少反應產(chǎn)品的壓力和溫度,以便通過旋轉真空分離器從母液中分離CTA晶體。此外結晶器還在反應段和產(chǎn)品回收段之間提供緩沖能力。</p><p><b>  1.任務說明書</b></p><p>  1.1 工業(yè)PTA生產(chǎn)方法</p><p>  目前世界PTA生產(chǎn)廠家采用的技術雖有差異

21、,但歸納起來,大致可分為以下兩類: </p><p>  (1) 精PTA工藝,此工藝采用催化氧化法將對二甲苯氧化成粗對苯二甲酸,再用加氫還原法除去雜質(對羧基苯甲醛),就將CTA精制成PTA,這種工藝在PTA生產(chǎn)中居主導地位。 </p><p>  (2) 優(yōu)質聚合級TA工藝(QTA,EPTA),這種工藝采用催化氧化法將對二甲苯氧化成粗對苯二甲酸,再用進一步深度氧化法將粗對苯二甲酸精制成

22、聚合級對苯二甲酸。 </p><p>  兩種工藝路線產(chǎn)品質量有所差異,即兩種產(chǎn)品所含雜質總量相當,但雜質種類不一樣。PTA產(chǎn)品中所含PT酸較高,4-CBA較低,而QTA(或EPTA)產(chǎn)品中所含雜質與PTA相反,4-CBA較高,PT酸較低。</p><p>  我所研究的是PTA生產(chǎn)由粗對苯二甲酸制備(氧化單元)和粗對苯二甲酸精制(精制單元)組成,CTA氧化單元主要由工藝空氣壓縮機系統(tǒng),催

23、化劑調配系統(tǒng),氧化反應及冷凝系統(tǒng),結晶,分離,干燥系統(tǒng),溶劑脫水及雜志回收,母液處理系統(tǒng),尾氣洗滌、處理及干燥系統(tǒng)和醋酸收集系統(tǒng)等組成。反應過程中,原料對二甲苯和醋酸混合物在鈷、錳為催化劑,以溴化氫為促進劑,與空氣產(chǎn)生氧化反應,生成對苯二甲酸,該反應為放熱反應,生成的對苯二甲酸大部分在反應中結晶出來形成漿料。</p><p><b>  1.2結晶機理</b></p><

24、p>  對二甲苯氧化所得到的產(chǎn)物為粗對苯二甲酸,會隨著氧化反應的進行,對苯二甲酸從溶劑中結晶析出。此過程中反應與結晶藕合,具體過程研究起來較困難。而且目前CAT反應結晶還沒有文獻報道,因此本文從最基本的結晶機理出發(fā),了解整個CTA的結晶過程。</p><p>  溶質從溶液中結晶析出是一個固相形成的過程,同時也是一個既有熱量又有質量傳遞的過程。其實結晶機理大家都懂,在一定條件下某一種物質溶解在某一種溶劑中,

25、都會有一個最大的限度,這個限度就是溶解度。當溶質濃度小于或等于飽和濃度時,無晶體析出;當溶質濃度大于飽和濃度,并達到一定的過飽和度時,有晶體析出。所以結晶包括三個過程:形成過飽和溶液;晶核形成;晶體生成。</p><p>  1.2.1 晶體成核</p><p>  在過飽和溶液中,當能量在某一瞬間和某一區(qū)域達到一定量的高值時,就有利于形成晶核。成核過程在理論上分為兩大類:一、初級成核;二

26、、二次成核。而初級成核又分為均相初級成核和非均相初級成核兩種。但萬一只有過飽和度的存在,就并不能充分保證結晶過程的發(fā)生。因此在晶體形成以前,溶液中必須存在細小固體顆粒、晶核作為成核中心。成核可以自發(fā)產(chǎn)生,也可以人工誘發(fā)產(chǎn)生。在溶液中,成核可以由攪拌、控制溫度、控制容器內壓力等引起。</p><p>  1.2.2 晶體生長</p><p>  有一些專家從微觀角度考察了晶體生長的機理,認為

27、經(jīng)過溶液擴散的溶質分子首先吸附在晶體表面,然后再結合到晶體的晶格中。而且光滑晶體的表面可看作為一個二維平面結構,新的溶質分子只能在這些表面上遷移,才能找到有利于晶體生長的位置。譬如如果在位置A,溶質分子只能與晶體一個表面進行結合,但是對于位置B和位置C,他們分別為溶質分子提供了兩個或者三個可供結合的表面,因此更加有利于溶質分子的結合。表面吸附,表面擴散以及生長的位置決定了溶質分子是在晶體表面生長,還是重新溶解在其溶液中。經(jīng)過上面的論述,

28、晶體生長過程的實質就是溶質分子在晶體表面臺階上的遷移過程。</p><p>  1.3 三個結晶器反應概述:</p><p>  氧化結晶來自氧化反應器的漿料通過液位控制進入氧化第一結晶器內乙酸和水被閃蒸掉,蒸汽通過氧化第一CTA結晶器冷凝器冷冷凝。蒸汽在氧化第一結晶器出口冷凝器中得到進一步的冷卻。剩余的所有蒸汽進入分液罐,分液罐中分離液滴,然后氣流通過排氣預熱器流入排氣壓縮機,在排氣壓縮

29、機中經(jīng)重新壓縮后回流到氧化反應器頂部系統(tǒng)。為了提高產(chǎn)品質量,工藝空氣被噴入氧化第一結晶器,這稱為“二次氧化”,來自空氣壓縮機的壓縮空氣通過流量控制進去氧化第一結晶器。氧化第一結晶器的漿料在液位控制下進入氧化第二結晶器。氧化結晶器氣相經(jīng)氧化第一結晶器冷凝器和第一結晶器后冷凝器冷凝,凝液經(jīng)氧化第一結晶器凝液冷卻器進一步冷卻后送循環(huán)醋酸槽循環(huán)使用,氧化第一結晶器后冷凝器未凝尾氣經(jīng)氧化第一結晶器尾氣冷凝器進一步冷凝后送中壓吸收塔。氧化第二結晶器

30、的閃蒸蒸汽通過壓力控制直接進去脫水塔,漿料在液位控制下進入氧化第三結晶器。氧化第三結晶器頂部閃蒸出的蒸汽在氧化第三結晶器冷凝器中冷凝并回流到氧化第三結晶器,未凝尾氣由氧化第三結晶器真空系統(tǒng)排出,送常壓吸收塔洗滌后放空。來自第三結晶器的漿料,有第三結晶器輸送泵送給過濾進料泵,同時回流到第三結晶器。第</p><p>  1.4 工藝流程設計</p><p>  1.4.1工藝流程設計的重要性

31、</p><p> ?。?)工藝流程設計是工藝設計的基礎。工藝流程設計是工廠設計中最主要的內容,是工藝設計的核心。因為工藝流程設計的質量直接決定車間的生產(chǎn)產(chǎn)品質量、生產(chǎn)能力、操作條件、安全生產(chǎn)、三廢治理、經(jīng)濟效益等一系列根本性問題。</p><p> ?。?)工藝流程設計是物料衡算、設備選型的基礎。從哲學角度來說,工藝流程設計是定性分析工作階段,物料衡算是定量計算階段。一般來說,先定性后定

32、量,所以,工藝流程設計是物料衡算的前提和基礎。</p><p>  1.4.2 工藝流程設計</p><p><b>  參見工藝流程方塊圖</b></p><p>  圖1.4 工藝流程方框圖</p><p>  1.4.3 設計原則</p><p>  (1)遵守法則,法規(guī),貫徹黨的基本建設

33、方針,實事求是,因地制宜</p><p>  (2)合理利用國家資源和財產(chǎn),最大限度的發(fā)揮硬件設施的內在潛力,節(jié)約土地,減少投資,降低成本;</p><p>  (3)采用成熟的。先進的工藝流程,設備,學習先進的生產(chǎn)技術,努力實現(xiàn)自動化。 </p><p>  (4)盡可能創(chuàng)造良好的勞動條件,以利于勞動工人的身心健康;</p><p><

34、;b>  2.氧化結晶系統(tǒng)</b></p><p>  2.1 氧化第一結晶器的設計與選型</p><p><b>  2.1.1物料衡算</b></p><p><b>  原理</b></p><p>  對于連續(xù)穩(wěn)定過程,物料衡算的方程是:</p><p&

35、gt;  ΣM入=ΣM出 </p><p>  即: 初始輸入量=最終輸出量    對不連續(xù)過程,物料衡算的方程為:   ΣMλ=ΣM出+M累積 </p><p>  即:初始輸入量+生成輸入量=最終輸出量+消耗量</p><p&

36、gt; ?。ㄒ?00kg進料為基準)</p><p>  對于5000kg/h的產(chǎn)量:</p><p><b>  進料量為</b></p><p> ?。?00/32.74)×5000=15271.8 kg/h</p><p><b>  水的蒸發(fā)量為</b></p>&l

37、t;p> ?。?7.26/100)×15271.8=8744.6 kg/h</p><p><b>  排料量為</b></p><p> ?。?0/100)×15271.8=1527.18 kg/h</p><p><b>  2.1.2熱量衡算</b></p><p>

38、 ?。ㄒ唬崃亢馑愕幕驹?lt;/p><p>  化工生產(chǎn)過程往往伴隨著大量的能量變化,尤其是反應過程中為維持一個反應在一定溫度下,常有能量的加入或輸出,因此熱量衡算也是化工設計一個重要的組成部分。能量衡算是以熱力學第一定律為依據(jù),而化工生產(chǎn)中最常用的能量形式為熱能,故化工設計中經(jīng)常把能量計算稱為熱量計算。通過熱量的衡算可確定傳熱設備的熱負荷等,以此為設計傳熱型設備的尺寸、傳熱面積等,并為反應器、結晶器、輸送設備

39、和各種儀表等提供參數(shù),以確定單位產(chǎn)品的能量消耗指標;同時也為非工藝專業(yè)(熱工、電、給水、冷暖)設計停工設計條件做準備。</p><p><b> ?。ǘ崃坑嬎?lt;/b></p><p>  能量衡算的基本方程式</p><p>  根據(jù)熱力學第一定律,能量守恒的一般形式為:</p><p>  式中,體系總能量的變化;

40、</p><p>  體系從環(huán)境中吸收的能量;</p><p>  環(huán)境對體系所做的功;</p><p>  在熱量衡算中,如果無軸功條件下,進入系統(tǒng)的總熱量與離開系統(tǒng)的總熱量應平衡,即在實際中傳熱設備熱量衡算可表示為:</p><p>  其中: 所處理的物料帶入設備的熱量;</p><p>  換熱劑與設備和物料傳

41、遞的熱量(符號規(guī)定加熱劑加入熱量為“+”,冷卻劑吸收熱量為“-”);</p><p>  化學反應熱(符號規(guī)定過程放熱為“+”,過程吸熱為“-”);</p><p>  離開設備物料帶走的熱量;</p><p><b>  設備消耗熱量;</b></p><p>  設備向周圍散失的熱量,又稱熱損失</p>

42、<p><b>  (以1小時為基準)</b></p><p>  假設加熱蒸汽的冷凝潛熱等于二次蒸汽的汽化潛熱,且忽略循環(huán)泵的能量輸入,已查得溶液的平均比熱容為2.59 kj/kg.℃。</p><p><b>  進料放出的顯熱為</b></p><p>  15271.8×(109-54)

43、15;2.59=2.18×106 kj/h</p><p><b>  釋放的結晶熱為</b></p><p>  5000×232=1.16×106 kj/h</p><p>  蒸發(fā)水分所需要的熱量為</p><p>  8744.6×2394=2.09×107 kj

44、/h</p><p>  需要從外界補充的熱量為</p><p> ?。?0.9-1.16-2.18)×106=1.756×107 kj/h</p><p>  2.1.3 結晶器有效體積的計算</p><p>  由已知B=2.94×1010G1.83,可見K0=2.94×1010,j=0,i=1.8

45、3。代入式計算生長速率,得</p><p><b>  G==</b></p><p>  =1.0×10-8 m/s</p><p><b>  計算停留時間,得</b></p><p><b>  晶漿排出速率為</b></p><p>&

46、lt;b>  /h</b></p><p><b>  計算有效體積</b></p><p>  2.1.4 結晶器的尺寸</p><p>  結晶器的最小直徑可用下式計算,即</p><p>  (查參考文獻[11])</p><p>  式中,Vv為二次蒸汽的體積速率m

47、79;/h;為蒸汽上升速度,一般要求能保持較低,以使上升蒸汽中不致夾帶過量的霧滴。通??砂聪率接嬎悖?lt;/p><p>  式中分別為母液和蒸氣的密度,kg/h; Kv為霧沫夾帶因子。對于水溶液,可以接受的最大值為0.017 m/s。</p><p><b>  kg/m³</b></p><p><b>  器內液層深度為&

48、lt;/b></p><p>  根據(jù)析出固體的原因不同,可將結晶分為溶液結晶,熔融結晶,升華結晶和沉淀結晶等多種類型。而我采用降溫和降壓的方法是溶液達到過飽和狀態(tài),析出溶質作為產(chǎn)品,因此選用溶液結晶。</p><p>  在工業(yè)生產(chǎn)中,被結晶物系的性質各有不同,對結晶產(chǎn)品的力度,晶型以及生產(chǎn)能力大小的眼球也有所不同,因此使用的結晶器各種各樣。按照物質溶解度隨溫度變化的不同特性,基本

49、上有四種類型:冷卻結晶器,蒸發(fā)結晶器,真空結晶器和沉淀結晶器,其他類型還有如噴霧結晶器,附有反應的結晶器,兩相直接接觸制冷結晶器等。</p><p>  選擇結晶器時,要考慮物系,產(chǎn)品粒度和粒度分布,晶型的要求,處理量大小及能耗等多種因素,而我采用的既有冷卻又有蒸發(fā)的結晶器,有通入空氣控制壓力和溫度,有直接閃蒸帶走熱量,這個混合型結晶器。</p><p>  氧化第一CTA結晶器材質為覆有

50、鈦合金的碳鋼,配有排放管或通過的碳鋼殼體到焊接有鈦合金的區(qū)域的“警告線”。</p><p>  結晶器的設計容量足以提供產(chǎn)品質量控制所需要的停留時間,并在設備失常時提供一定的緩沖能力。容器的直徑能確保蒸汽流中夾帶最少量的固體顆粒,結晶器還可以承受全真空。</p><p>  第一CTA結晶器的液位保持在高于下游結晶器的位置,以便增加停留時間,從而提高“二次氧化”的效率。保持結晶器廢氣中過量

51、氧氣的設計含量所需的二次空氣量是一次反應效率的良好指標,搞流量表示進料中部分氧化的中間產(chǎn)物的濃度較高。</p><p>  可以連續(xù)向第一CTA結晶器添加溶劑稀釋液,用來提高產(chǎn)品質量。溶劑可以降低偏苯三酸的濃度,并防止容器內冷閃蒸蒸汽的偏苯三酸錳的共結晶。</p><p>  2.2壓縮空氣進入到溶液中傳熱過程的計算</p><p><b>  2.2.1

52、熱量衡算</b></p><p>  因為壓縮空氣中僅僅氧氣和蒸汽對反應有用,氧氣作為氧化劑促進“二次氧化”,“蒸汽”是為了帶走熱量。因此只要計算壓力為120kpa,流量為1500kg∕h的飽和水蒸汽冷凝后并降溫至50℃時所放出的熱量。</p><p>  查水蒸氣表,壓力為120kpa時溫度 =104℃,</p><p>  比汽化熱r=2.247 J

53、∕kg,</p><p><b>  冷凝水從 ,</b></p><p>  平均溫度t= =77℃,比熱容c=4.2 J∕(kg.℃),</p><p>  Q= = =1.03 W</p><p>  2.2.2熱平均溫度差</p><p>  Q=KA ,與傳熱基本方程式Q=KA 比較

54、,可得</p><p><b>  = =77℃</b></p><p>  2.2.3總傳熱系數(shù)計算</p><p>  蒸汽列管與物料的傳熱模式可近似為水平管內冷凝及管外物料傳熱,但由于空氣在結晶器中處于氣泡狀態(tài),其熱阻受固體粒度分布、筒體轉速、空氣列管壓力溫度等多種因素影響,傳熱過程很難用理論解析方法計算。因此,查參考文獻[9]中的傳熱系

55、數(shù)公式:</p><p><b>  已知參數(shù):</b></p><p>  結晶器直徑: =4.5m</p><p>  物料(PTA)密度: </p><p>  物料(PTA)比熱容:

56、 </p><p>  物料(PTA)導熱系數(shù): </p><p>  攪拌器轉速: n=55r/min</p><p>  代入數(shù)據(jù)解得總傳熱系數(shù)</p><p>  (5)總傳熱面積計算&

57、lt;/p><p><b>  已知參數(shù):</b></p><p>  蒸汽進口溫度: =104℃</p><p>  蒸汽出口溫度: =50℃</p><p>  結晶器進料流量:

58、 </p><p>  物料(PTA)比熱容: </p><p> ?。ú閰⒖嘉墨I[9])</p><p>  代入數(shù)據(jù)解得Q=6.2 J/s</p><p>  傳熱面積: ㎡ (查參考文獻[9])</p><

59、;p>  2.3結晶器內氣體分布器的設計</p><p>  在化工生產(chǎn)中,雖然增大攪拌轉速可以提高體系內的溶氧水平,但高剪切的機械攪拌易對晶體造成損害,因此也要安裝一個使氣體均勻分布的氣體裝置——氣體分布器。</p><p>  氣體分布器是結晶器中蒸氣傳熱的重要組成部分,分布器的設計方案決定了氣流進入反應器的形式,由此引起特定的水力學和傳遞性能,進而不同程度地影響到化學反應過程。

60、所以在具體反應器設計時必須合理地選擇分布器。本文就多孔板環(huán)流氣體分布器的設計作了初步的探討。多孔板氣體分布器結構簡單、易于設計和制造,但氣流方向正對小孔易堵塞,停</p><p>  車時固體和液體容易泄漏。</p><p>  圖2.3 多孔板環(huán)流氣體分布器</p><p>  氣體分布器只是作為局部氧化作用,因為有閃蒸蒸汽,不作為帶走熱量的設備。</p&

61、gt;<p>  (1)氧化結晶器中的宏觀反應過程包括氣-液間傳質及氣-液-固間的傳質過程。</p><p><b>  由實驗經(jīng)驗公式得</b></p><p><b>  氣-液兩相</b></p><p>  (查參考文獻[8])</p><p><b>  氣-液-固

62、三相</b></p><p>  (查參考文獻[9])</p><p>  為氧氣傳質系數(shù), 為氧的飽和濃度, 為初始氧濃度,C為時間段t的氧濃度, 平均氣含率, 三相平均固含率</p><p> ?。?)為了更好地從氧傳遞角度來表征氧傳質效果,</p><p>  引入比功耗傳氧系數(shù)這一概念,其定義為:</p>&

63、lt;p>  (查參考文獻[6])</p><p>  式中,Pg 為通氣條件下消耗的功率,W; 為反應釜攪拌料液體積,m3。</p><p>  從物理意義角度來講, 實際反映的是氧傳遞效率的概念,表明了氧傳質系數(shù) 隨單位體積功耗的變化而變化的快慢程度</p><p>  (3)另外氣體分布器的性能評價指標有壓阻△p和氣速分布不均勻度M。</p>

64、;<p>  壓阻△p定義為氣體在進料口處與氣體通過分布器后的壓強差:</p><p>  =361.4-12.4 (查參考文獻[5])</p><p><b>  =349kpa</b></p><p>  式中: 為氣體入口處的總壓</p><p>  為分布器出口處的總壓</

65、p><p>  氣體分布不均勻度M定義式</p><p>  (查參考文獻[5])</p><p>  設 分別為4.15m/s,3.64 m/s,3.03 m/s,2.89 m/s, 為3.23 m/s。</p><p>  式中 = 為接觸面, 為氣泡流速, = 為平均流速,有不均勻度公式可知,M越小,分布性越好。</p>&l

66、t;p><b> ?。?)氣含率 測量</b></p><p>  氣含率是表征容器內汽液分散特征的重要參數(shù)</p><p>  根據(jù)結晶器內料液前后液位的變化求得公式</p><p>  (查參考文獻[6])</p><p><b>  = ×100%</b></p>

67、<p><b>  =1.8%</b></p><p>  式中, 為通氣前液位高度,H為通氣后液位高度</p><p><b> ?。?)環(huán)徑比:</b></p><p>  =2.25 =0.47 (查參考文獻[7])</p><p>  整體氣含率隨著分布環(huán)直徑

68、先增大后減少,最佳環(huán)徑比 約為0.4。</p><p>  液相混合時間同樣隨分布環(huán)直徑先增大后減小,最大混合時間出現(xiàn)在環(huán)徑比 = 0.5;當環(huán)徑比 小于等于0.4 時,混合時間相差不大,之后混合時間明顯增加。</p><p>  分布器結構同樣對體積平均氣泡尺寸有很大影響, = 0.5 時的氣泡尺寸最大。</p><p>  因此,從上述結論可知,分布環(huán)d/DT=

69、 0.5 是一個非常重要的臨界參數(shù),基于整體氣含率、混合時間、氣泡大小,可知環(huán)徑比 T約為0.4 時是較為優(yōu)化的分布環(huán)環(huán)徑比。</p><p>  當氣速極低時沒有足夠的動能來克服分布板的壓降,就不能形成氣泡,當氣速增大到一定程度時才能形成氣泡。因此氣速小于某一定值時,氣泡大小與孔徑關系不大。分布器孔徑越小,所產(chǎn)生的氣泡相應較小,能有效地抑制氣穴的生長,使通氣條件下攪拌槳功耗下降程度較低,相對輸送能力較強,氣液分

70、散比較均勻。</p><p><b>  2.4人孔設計</b></p><p>  根據(jù)結晶器是在常溫及最高工作壓力為18Mpa的條件下工作,而本設計考慮人孔蓋直徑較大較重,為了停車方便人進入人孔進行清理工作,故選用結晶器底部側面開人孔。停車時只需要松開螺栓將蓋板繞固定軸旋轉一個角度即可,不必將蓋板取下。</p><p>  人孔材質為覆有鈦

71、合金的碳鋼,本設計選用的人孔直徑為d=800mm,壁厚100mm。</p><p>  2.5氧化第一結晶攪拌器的設計與選型</p><p>  2.5.1氧化第一結晶器攪拌器選型</p><p>  攪拌器的型式主要有:槳式,推進式,渦輪式,框式,螺桿式和螺帶式等,它的選型通常是工藝設計的任務。</p><p>  表2.5 結晶器的選擇

72、</p><p>  本人所設計的攪拌器主要作用在是固體顆粒保持懸浮狀態(tài),促進二次氧化,還有就是傳熱,最重要的一點是結晶作用,因此選用渦輪式攪拌器。因為液面上方有閃蒸蒸氣,通過閃蒸帶走大量蒸氣,同時通過設計的攪拌器生成大量的氣泡,從攪拌器中間上升同時帶走熱量。</p><p>  2.5.2攪拌器設備設計計算</p><p>  一.攪拌槽的結構設計</p&g

73、t;<p>  對于連續(xù)操作,攪拌槽的有效體積為</p><p>  攪拌槽的有效體積=流入攪拌槽的液體處理量×物料平均停留時間</p><p><b>  計算停留時間,得</b></p><p><b>  晶漿排出速率為</b></p><p><b> ?。?/p>

74、h</b></p><p><b>  計算有效體積</b></p><p><b>  攪拌液體深度:</b></p><p><b>  kg/m³</b></p><p><b>  器內液層深度為</b></p>

75、<p>  二.攪拌器尺寸及其安裝位置</p><p>  攪拌器有6個由鈦合金制作的彎曲徑向葉片,為渦輪式。由《化工流體流動與傳熱》教材中表4-1并根據(jù)經(jīng)驗可以選?。喝~輪直徑2.25m,其中心線位于容器基座上1125mm處,攪拌轉速為 n=388.6/πd=55r/min</p><p>  圖2.5 攪拌器葉片</p><p><b>

76、  三.攪拌槽的附件</b></p><p>  為了消除可能的打旋現(xiàn)象,強化傳熱和傳質,安裝六塊寬為(1/10)D,即0.48m的擋板。全擋板條件判斷:</p><p>  由于0.378>0.35,因此符合全擋板條件</p><p>  2.5.3攪拌器設計計算</p><p><b>  攪拌功率計算</b&

77、gt;</p><p>  采用永田進治公式法計算。</p><p><b>  Re=</b></p><p>  Fr=由于Re數(shù)值很大,處于湍流區(qū),因此,應該安裝擋板,以消除打旋現(xiàn)象。功率計算需要知道臨界雷諾數(shù)Rec,用Rec代替Re進行攪拌功率計算。根據(jù)已知條件,根據(jù)《化工原理課程設計》中攪拌器的φ曲線渦輪式攪拌器的功率曲線。從圖上讀得

78、湍流區(qū)全擋板φ曲線的延長線與層流去的全擋板φ曲線的延長線的焦點對應的雷諾數(shù)Rec=14.0</p><p>  葉片平直葉渦輪槳葉的寬度b=0.48,槳葉數(shù)z=6</p><p><b>  A=</b></p><p><b>  攪拌功率:</b></p><p>  攪拌器用來維持結晶器內統(tǒng)一

79、大小的固體懸浮液,使空氣分布在全部懸浮液中,以便于二次氧化。攪拌器的設計目的是當漿液進料及二次氧化的氣流被隔離時,保持正常操作所需固體懸浮物大小。</p><p>  攪拌器使用變速驅動裝置來優(yōu)化輸入功率,確保達到滿意的二次氧化效果,同時最大限度地降低葉尖速度以盡可能不傷及CTA結晶器。</p><p>  2.6 氧化第一結晶器冷凝器的設計與選型</p><p>

80、  2.6.1氧化第一結晶器冷凝器的選型</p><p>  列管式換熱器的設計和分析包括熱力設計,流動設計,結構設計以及強度設計,其中以熱力設計最為重要。</p><p>  換熱器的類型有:固定管板式換熱器,浮頭式換熱器,U型管換熱器,填料函式換熱器。而我選擇其中的固定管板式換熱器,這類換熱器比較適合用于溫差不大或者溫差較大但殼程壓力不高的場合。固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體,管

81、子則固定于管板上,結構簡單;在相同的殼體直徑內,排管最多,比較緊湊;由于這種結構使殼側清洗困難,所以殼程宜用于不易結垢和清潔的流體。</p><p>  2.6.2氧化第一結晶器冷凝器的設計</p><p>  數(shù)據(jù)計算:參數(shù)查詢:</p><p>  氣體工作壓力:蒸汽壓力1.67Mpa(全真空)</p><p>  殼程:冷卻水 壓力1

82、.0MPa,</p><p>  進口溫度t120 , 出口蒸汽壓力3.8公斤(0.38Mpa)對應溫度t2150(根據(jù)飽和蒸汽壓力與溫度對照表得[4])</p><p><b> ?。?).熱負荷</b></p><p>  Q=(2271.704-2123.019)×106=148.685 ×106kcal/h=1. 3

83、x105kw</p><p>  1kw=861.25kcal·h-17</p><p><b> ?。?). 溫差:</b></p><p><b>  逆流:</b></p><p> ?。?). 平均溫差:</p><p>  由《化工原理》查圖4-25得溫度

84、校正系數(shù)</p><p>  殼、管壁溫差 62.3。</p><p> ?。?). 估算傳熱面積:</p><p>  根據(jù)《化工原理》表4-7傳熱系數(shù)K傳=700W·m-2k-1</p><p>  A估=Q/(K估Δt)=1.73 x108/(700x68.5)=3607.9m2</p><p><

85、;b> ?。?).試選型號</b></p><p>  殼內冷卻水流速為570t·h-1,氣體流量為126.74 km3·h-1 選用傳熱管選mm,內徑為d1=0.014m 外徑為d2=0.019m 管長為8.4m 氣體密度10.3 kg·m-2(查PTA裝置手冊物料和能量平衡表得)</p><p>  估算單程根數(shù)根,取整為47根<

86、/p><p>  根據(jù)傳熱面積估算管子長度L</p><p><b>  m</b></p><p>  總管數(shù)N=1286.7∕8.4=153.2根,取整為154根 </p><p>  管中心距為t=1.25 d2=23.75mm 取整為24mm</p><p>  殼體內徑,取整400mm<

87、;/p><p>  折流擋板間距=120mm</p><p><b>  折流板數(shù) 塊</b></p><p>  公稱直徑840mm 管程設計壓力為1.25MP 殼程壓力為1.6MP 公程換熱面積3607.9m2 換熱管徑19mm 管長8.4m</p><p><b>  2.6.3選型說明</b

88、></p><p>  這是一個帶有整體式汽包的臥式、固定管板式換熱器。</p><p>  集成式冷凝器及汽包設計成‘汽鍋’型臥式換熱器,配有蒸汽分離內件,內部除霧器及連續(xù)排污與分析設施與安裝在常規(guī)汽包中的相似。離開汽包的蒸汽量小于0.05%濕度。</p><p>  2.7氧化第一結晶器出口冷凝器的設計與選型</p><p>  第

89、一CTA結晶器出口冷凝器可以選擇一個臥式U形管熱交換器,僅有一個管板,管子兩端均固定在同一個管板上。這類換熱器特點是:管束可以自由伸縮,不會因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應力,熱補償性能好。管程為雙管程,流程較長,流速較高,傳熱性較好。承受能力強。管束可以從客體內抽出,便于檢修和清洗,且結構簡單,造價便宜。</p><p><b>  比熱容 </b></p><p>

90、<b>  導熱系數(shù) </b></p><p><b>  密度 </b></p><p><b>  粘度 </b></p><p><b> ?。?)平均溫差計算</b></p><p>  逆流 ℃℃ </p>

91、<p><b>  ℃℃</b></p><p>  130-75=55℃</p><p>  130-25=105℃</p><p><b>  ℃</b></p><p><b>  溫差校正系數(shù)=1</b></p><p><b&

92、gt;  則 80℃</b></p><p><b> ?。?)熱負荷計算</b></p><p><b> ?。?)估算傳熱面積</b></p><p><b>  根據(jù)《化工原理》表</b></p><p><b>  取K=1500</b>

93、;</p><p><b>  則==1.98</b></p><p><b> ?。?)初選型號</b></p><p>  使用蒸汽飽和冷凝傳熱含有不凝氣體,所以蒸汽走殼程。</p><p>  根據(jù)《化工原理課程設計》 </p><p><b>  取管內水流

94、速</b></p><p><b>  選傳熱管</b></p><p><b>  內徑</b></p><p><b>  外徑</b></p><p><b>  估算單程管子根數(shù)</b></p><p><

95、b>  7(根)</b></p><p>  根據(jù)傳熱面積估算管子長度</p><p>  若用單管程,則每管程的管長選用 L=3m</p><p>  根據(jù)《冷換設備工藝計算手冊》 </p><p>  由換熱器系列標準初選浮頭式換熱器型號為BES159-1.6-2.6-3/19-2II,管總數(shù)N=15根,每管程的管數(shù)根,

96、正方形錯列。殼體內徑159mm,折流擋板間距200mm,故折流擋板數(shù)塊,傳熱面積。</p><p> ?。?)校核總傳熱面積</p><p><b>  1管程對流傳熱系數(shù)</b></p><p><b>  管內水流速</b></p><p><b>  2殼程對流傳熱系數(shù)</b&

97、gt;</p><p>  假設蒸汽在垂直管外為膜狀冷凝</p><p>  查《化工原理》 130℃液態(tài)水的物性數(shù)據(jù)</p><p><b>  =934.8</b></p><p>  冷凝液液膜沿壁面流動的Re表達式</p><p>  S——冷凝液液膜的流動截面積</p>&

98、lt;p>  ——壁面的濕潤周邊長度</p><p><b>  當量直徑</b></p><p><b>  冷凝液的質量流量</b></p><p><b>  代入上式</b></p><p><b>  根據(jù)熱負荷</b></p>

99、<p><b>  則</b></p><p>  r——比汽化熱,J/kg</p><p><b>  代入數(shù)據(jù)</b></p><p><b>  =</b></p><p><b>  Re>1800</b></p>

100、<p>  根據(jù)《化工原理》 對流傳熱系數(shù)計算式</p><p><b>  ——冷凝液的密度,</b></p><p>  ——冷凝液的熱導率,</p><p>  ——冷凝液的粘度,Pas</p><p><b>  代入數(shù)據(jù)</b></p><p><

101、b>  3總傳熱系數(shù)</b></p><p>  查《化工原理課程設計》 </p><p><b>  碳鋼的熱導率</b></p><p><b>  總傳熱系數(shù)K</b></p><p><b>  代入數(shù)據(jù)</b></p><p>

102、;<b> ?、葌鳠崦娣e</b></p><p><b>  與原估值基本相符</b></p><p>  即傳熱面積有53%的余量。</p><p>  2.8氧化第一結晶器出口分離器</p><p>  第一CTA結晶器出口分離器是一個316L不銹鋼容器,兩端切線間距離為2400 mm,直徑為1

103、600 mm,總容積為5.9 m3。 該分離器用來分離由第一CTA結晶器冷凝器及出口冷凝器除去的冷凝液。</p><p>  第一CTA結晶器分離器用來對離開第一CTA結晶器冷凝器及出口冷凝器的冷凝液進行氣液分離,其設計規(guī)格既適于分離又適于液位控制。</p><p>  2.9氧化第一結晶器分液罐</p><p>  第一CTA結晶器分液罐是一鈦合金罐,其罐頂切線到

104、罐底切線間距離為3500mm,直徑為1000mm ,容積3.0M3 。</p><p>  第一CTA結晶器分液罐用來防止由第一CTA結晶器冷凝器夾帶到第一結晶器的排氣加熱器及排氣壓縮機的液體。為了分離出殘余的夾帶液體,在分液罐中安裝了一個噴霧嘴,用溶劑的連續(xù)流動來稀釋殘留在分液罐冷凝液中的HBr。噴霧也可以分離由出口冷凝器帶進來的固體顆粒。</p><p>  分液罐中的液在自身重力作用

105、下排入第一結晶器出口分離器,分液罐標高用來確保罐中不會有殘液留存。</p><p>  2.10氧化第二結晶系統(tǒng)</p><p>  由于氧化第二結晶器和攪拌器,與氧化第一結晶器和攪拌器設計尺寸,材料,傳熱面積一樣,故不作過多的設計。</p><p>  第二CTA結晶器材質為覆有鈦合金的碳鋼,配有排放管或通過碳鋼殼體到焊接有鈦合金的區(qū)域的“警告器”。結晶器的設計容

106、量足以在設備失常時提供‘緩沖能力’。容器的直徑能確保蒸汽流中夾帶最少量的固體顆粒。最大設計壓力為18巴,最大設計溫度為190℃。結晶器還可以承受全真空。</p><p>  結晶器直徑為4500 mm,上下切線之間的高為7000 mm。該容器具有橢圓形頂部和底部,并裝有4個等間距的擋板(從底部碟形端面延伸到頂部切線處)。容器容積為135.2 m3,正常工作容積為83.5 m3,接近液位測量范圍的65%,所有容器內

107、件均為鈦合金材質。</p><p>  第二CTA結晶器攪拌器是一個鈦合金制4葉片混流下泵式葉輪,各葉片互成45角。用來保持均衡的固體懸浮液,防止固體沉降在結晶器底部。葉輪直徑為2100 mm,位于結晶器底部之上1125 mm處,運行轉速為54 rpm。攪拌器的軸用一個固定軸承支撐在結晶器中。</p><p>  2.11氧化第三結晶系統(tǒng)</p><p>  2.1

108、1.1氧化第三結晶器</p><p>  由于氧化第二結晶器和攪拌器,與氧化第一結晶器和攪拌器設計尺寸,材料,傳熱面積一樣,故不作過多的設計。</p><p>  第三CTA結晶器由雙重不銹鋼制成,結晶器的設計容量足以在設備失常時提供一定的緩沖能力。結晶器設計壓力和設計溫度分別為5巴和170℃。結晶器還可以承受全真空。</p><p>  結晶器直徑為4500 mm

109、,上下切線之間的高為7000 mm。該容器具有橢圓形頂部和底部,并裝有4個等間距的擋板(從底部碟形端面延伸到頂部切線處)。容器容積為141.8 m3,正常工作容積為70.9 m3,接近液位測量范圍的53%。</p><p>  2.11.2氧化第三結晶器冷凝器</p><p><b>  設備簡介</b></p><p>  第三結晶器冷凝器是

110、一個單程、下流、立式、管殼式換熱器。它有1147根雙向換熱管,每根長6.38 m,外徑19 mm。傳熱表面積為436.8 m2。換熱管設計壓力為4.1巴(全真空),設計溫度為170℃。</p><p>  殼體由碳鋼制成,擋板由304L不銹鋼制成,集管由316L不銹鋼制成。冷卻水設計壓力為9.0巴(全真空),設計溫度為170℃。換熱器通過增壓泵接收冷卻水。</p><p>  2.11.3

111、氧化第三結晶器輸送泵及循環(huán)</p><p>  氧化第三結晶器下游設備就是過濾機,因此氧化第三結晶器輸送泵就是過濾機進料泵。</p><p>  根據(jù)流量、揚程以及流體輸送設備的特性曲線選用合適的離心泵。</p><p><b>  已知參數(shù):</b></p><p>  結晶器輸送泵流量:

112、 </p><p>  結晶器輸送泵所需揚程: </p><p> ?。ú閰⒖嘉墨I[3] p382 IS型單級單吸離心泵規(guī)格)</p><p>  表 2.11 離心泵的選型</p><p>  3.車間(工段)布置設計</p><p>  3.1車間(工

113、段)布置設計的意義</p><p>  車間布置設計是一個廠區(qū)設計中很重要的一環(huán),一個合理的車間布置設計,不僅可以節(jié)約土地、再建設投資經(jīng)濟效益等方面取得良好效果,并且對今后的正常安全生產(chǎn)、車間管理、設備維修、能量利用、物料運輸、人流往來等多方面有極大影響。</p><p>  3.2車間(工段)布置設計與評述</p><p>  3.2.1關于車間(工段)平面布置方

114、案</p><p>  利用空間的優(yōu)勢,向上建設便于總平面布置,節(jié)約用地,而且還有利于設備排列,縮短管道,有較多可供自然采光和通風的墻面。</p><p>  結晶系統(tǒng)所有設備在同一塊方形地面上,利用空間的優(yōu)勢各設備緊密聯(lián)系。</p><p>  3.2.2車間(工段)設計布置</p><p> ?。?)保證工藝流程的通暢,即保證工藝流程在水

115、平方向和垂直方向的連續(xù)性,以便生產(chǎn)連續(xù)正常進行。</p><p> ?。?)考慮合適的設備間距,設備間距過大會增加建筑面積,拉長管道,從而增加建筑和管道的投資,同時操作和管理都不方便。設備間距過小,雖可以節(jié)省占地和投資,但會帶來操作、安裝和維修的困難。</p><p> ?。?)滿足生產(chǎn)方便操作,如彼此相連續(xù)的各工序的設備,應盡量配置靠近些,以縮短聯(lián)系它們的輸送線路,設備之間盡可能達到自動

116、流送物料,這樣可減少輸送設備。</p><p> ?。?)滿足安裝檢修拆卸的要求,一般廠房大門的寬度要比所需要通過的設備寬度大0.2m左右,本廠車間大門設計為4m。</p><p> ?。?)考慮運輸通道,如每排設備至少一側要留有通道,大的室內設備在底層還要留有移出通道,并接近主道路布置。通道的寬度取決于運輸工具、運輸物件的外形尺寸及人流、貨流通過量,主干道寬度7-8m,車間通道寬4-5m

117、。</p><p> ?。?)采光和照明 由于車間不設置圍墻,車間主要采用天然采光,夜間電燈照明。全選用開啟式照明器,用絕緣性能好的燈座,燈管選用透射性能好的鎂光燈。</p><p>  (7)取暖和通風 中控車間和外操室都設有空調。</p><p><b>  4.工程概算</b></p><p><b> 

118、 4.1設備一覽表</b></p><p>  根據(jù)工藝計算和設備選型,對所用設備列出設備一覽表。如下表:</p><p>  表4.1 主要設備一覽表</p><p>  4.2 動力(水、電、汽)消耗定額及消耗量表</p><p>  根據(jù)物料衡算和熱量衡算,換算為單位產(chǎn)品(每噸)的消耗量(即消耗定額)和單位時間(每小時和每

119、年)的消耗量。如下表:</p><p>  表4.2 動力消耗</p><p>  4.3 車間人員編制</p><p>  工作日=365-設備維修日</p><p><b>  =365-65</b></p><p><b>  =300(天)</b></p>

120、;<p>  本車間采用四班兩倒12小時連續(xù)工作制</p><p>  表 4.3 人員配備表</p><p>  4.4 車間成本估算</p><p>  表 4.4 車間成本估算表</p><p>  5.環(huán)境保護和安全措施</p><p><b>  5.1環(huán)境保護</b>&l

121、t;/p><p><b>  1、重視環(huán)境工作 </b></p><p>  為確保文明生產(chǎn),促進生產(chǎn)順利進行,工廠將采取以下環(huán)境保護措施。把環(huán)境保護作為生產(chǎn)的組成部分,并認真貫徹執(zhí)行生產(chǎn)的全過程。 </p><p><b>  2、加強環(huán)保教育 </b></p><p>  組織職工學習環(huán)保知識,加強

122、環(huán)保意識,使大家認識到環(huán)境保護的重要性和必要性。 </p><p><b>  3、貫徹環(huán)保法規(guī) </b></p><p>  認真貫徹各級政府的有關水土保護、環(huán)境保護方針、政策和法令,結合設計文件,及時申報安全環(huán)境保護設計,切實按批準的文件組織實施。 </p><p><b>  4、強化環(huán)保管理 </b></p&

123、gt;<p>  定期進行環(huán)境檢查,及時處理違章事宜,主動聯(lián)系環(huán)保機構,請示匯報環(huán)保工作,做到文明生產(chǎn)。 </p><p><b>  5、美化生產(chǎn)場地 </b></p><p>  保持排水通道暢通,工地干凈衛(wèi)生。生產(chǎn)過程中還盡量減少對周圍綠化環(huán)境的影響和破壞。 </p><p><b>  6、消除生產(chǎn)污染 <

124、/b></p><p>  生產(chǎn)廢水、生活污水源,要采用滲井或其它措施處理。工廠垃圾及時運往指定地點,使生態(tài)環(huán)境受損減到最低程度。 </p><p><b>  5.2 安全措施</b></p><p>  1、建立、健全各級各部門的安全生產(chǎn)責任制,責任落實到人。 </p><p>  2、工人應掌握本工種操作技能

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