【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 CH H CO OH CH H CO Cat Cat 2 3 2 2 3 2 3 2         反應(yīng)速率方程式： ) / ( ) 1 ( ) 1 ( ) / ( ) 1 ( ) 1 ( 3 4 2 3 2 3 3 1 2 1 2 2 2 2 2 4 2 2 2 2 2 2 2 4 2 s m kmol P K P K P K P P K P P k r s m kmol P K P K P K P K P P k r H H CO CO CO CO O H O CH P H CO CO H H CO CO CO CO O CH P H CO CO        在SI 制下，速率方程式中各系數(shù)可表示為： 速率常數(shù)： ) / )( 10 997 . 6 exp( 10 296 . 6 ) / )( 10 043 . 5 exp( 10 175 . 6 3 3 7 20 2 3 3 7 16 1 Pa s m kmol RT k Pa s m kmol RT k      平衡常數(shù)： P=5Mpa T T K T T K P P ln 4263 . 4 1 10 9079 . 9 246 . 81 ln ln 2095 . 3 1 10 3818 . 1 707 . 75 ln 3 2 4 1          P=10Mpa T T K T T K P P ln 5112 . 9 1 10 3565 . 1 775 . 118 ln ln 013 . 7 1 10 6502 . 1 434 . 104 ln 4 2 4 1          吸附系數(shù)： T K CO 1 10 309 . 1 35763 . 5 ln 4    沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 22 T K CO 1 10 257 . 2 64851 . 21 ln 3 2     T K H 1 10 585 . 1 19395 . 12 ln 3 2     反應(yīng)器R301 1．反應(yīng)器R301 的物性數(shù)據(jù) 進(jìn)入反應(yīng)器R301 的物料數(shù)據(jù)表 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)Aspen 模擬流程圖 5 R301 1 2 3 圖41 反應(yīng)器R301 的Aspen 模擬流程圖 序 號(hào) 組分 分子式 分子量 常 壓 沸點(diǎn)℃ 摩爾分率 溫度 ℃ 壓力 MPa 1 一氧化碳 CO 210 2 二氧化碳 CO 2 3 氫氣 H 2 4 甲烷 CH 4 5 氮?dú)?N 2 6 氬氣 Ar 7 甲醇 CH 4 O 8 水 H 2 O 100 9 乙醇 C 2 H 6 O 10 甲酸甲酯 C 2 H 4 O 2 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 23 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和靈敏度分析 1．管數(shù)的靈敏度分析 管數(shù)的靈敏度分析一覽表 管數(shù) CO 轉(zhuǎn)化率 CO2 轉(zhuǎn)化率 出口CH3OH 含率 5200 5300 5400 5500 5600 5700 5800 5900 6000 6100 6200 6300 6400 6500 6600 6700 6800 6900 7000 7100 7200 7300 7400 7500 7600 7700 7800 7900 8000 5200 5300 5400 5500 5600 5700 5800 5900 6000 6100 6200 6300 6400 6500 6600 6700 6800 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 24 管數(shù) 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 . 1 2 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 0 . 1 1 0 . 1 2 0 . 1 3 0 . 1 4 0 . 1 5 0 . 1 6 0 . 1 7 0 . 1 8 0 . 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5 0 . 5 5 0 . 6 0 . 6 5 CO轉(zhuǎn)化率 CO2轉(zhuǎn)化率 出口CH3OH含率 圖42 管數(shù)Aspen 模擬結(jié)果圖 在整個(gè)流程中 CO 的轉(zhuǎn)化率為 ，CO 2 的轉(zhuǎn)化率為 ，CH 3 OH 的產(chǎn)率為 。通過(guò)以上的數(shù)據(jù)一覽表和結(jié)果圖可以得到，要滿足CO 和CO 2 的轉(zhuǎn)化率以及甲醇的產(chǎn)率，可取管數(shù)為5300 根。 2．管長(zhǎng)的靈敏度分析 管長(zhǎng)的靈敏度分析一覽表 管長(zhǎng) CO 轉(zhuǎn)化率 CO2 轉(zhuǎn)化率 出口CH3OH 含率 8 9 10 11 12 13 14 15 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 25 管長(zhǎng) m 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 0 . 1 1 0 . 1 2 0 . 1 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 0 . 1 1 0 . 1 2 0 . 1 3 0 . 1 4 0 . 1 5 0 . 1 6 0 . 1 7 0 . 1 8 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5 0 . 5 5 0 . 6 0 . 6 5 0 . 7 CO轉(zhuǎn)化率 CO2轉(zhuǎn)化率 出口CH3OH含率 圖43 管長(zhǎng)的Aspen 模擬結(jié)果圖 由以上數(shù)據(jù)一覽表和結(jié)果圖，可以得到要滿足上述所說(shuō)的CO,CO 2 的轉(zhuǎn)化CH 3 OH 的產(chǎn)率可取管長(zhǎng)為9m。 3．管徑的靈敏度分析 管徑的靈敏度分析一覽表 管長(zhǎng) CO 轉(zhuǎn)化率 CO2 轉(zhuǎn)化率 出口CH3OH 含率 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 26 管徑 m 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 0 . 1 1 0 . 1 2 0 . 1 3 0 . 1 4 0 . 1 5 0 . 1 6 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 0 . 1 1 0 . 1 2 0 . 1 3 0 . 1 4 0 . 1 5 0 . 1 6 0 . 1 7 0 . 1 8 0 . 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5 0 . 5 5 0 . 6 0 . 6 5 0 . 7 0 . 7 5 0 . 8 0 . 8 5 CO轉(zhuǎn)化率 CO2轉(zhuǎn)化率 出口CH3OH含率圖44 管徑的Aspen 模擬結(jié)果圖 由以上數(shù)據(jù)一覽表和結(jié)果圖，可以得到要滿足上述所說(shuō)的 CO,CO 2 的轉(zhuǎn)化率和 CH 3 OH 。 4．催化劑的使用條件 根據(jù)5300 根9m長(zhǎng)的反應(yīng)管條件,設(shè)計(jì)催化劑(C 301 )的顆粒密度為1500kg/m 3 , 則添裝質(zhì)量約為42000kg。 5．冷卻介質(zhì)的使用 冷卻介質(zhì)使用的是 230℃、 的飽和水,規(guī)定汽化分率為 5%,摩爾流量為 30kmol/s。 6．溫度、熱負(fù)荷隨管長(zhǎng)變化圖 圖45 溫度、熱負(fù)荷隨管長(zhǎng)變化圖 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 27 由上圖可以看出，℃，在反應(yīng)器催化劑的溫度范圍（230～285℃）內(nèi)。 7．反應(yīng)器的殼體結(jié)構(gòu)初步計(jì)算 因?yàn)榉磻?yīng)管選用的是 5300 根Φ38?0?62mm 的形式,本設(shè)計(jì)采用等邊三角形的排列方式,管中心距取 44mm,則中心排管數(shù) 80 5300 1 . 1    n ,外層管至殼體內(nèi)壁距離為 0 ,?0?=, 所以殼體的直徑約為 m 571 . 3 0475 . 0 2 ) 1 80 ( 044 . 0      。 設(shè)計(jì)高度取13m。 8．參數(shù)設(shè)定總結(jié) 設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)總結(jié)表 反應(yīng)管 管長(zhǎng) (m) 9 管內(nèi)徑 (mm) 34 管壁厚 (mm) 2 管數(shù) 5300 中心排管數(shù) 80 管間距 (mm) 44 排列形式 正三角形 反應(yīng)器殼體 殼體直徑 (m) 殼體高度 (m) 13 催化劑 裝填質(zhì)量 (kg) 42000 裝填體積 (m 3 ) 28 顆粒密度 (kg/m 3 ) 1500 堆 積 密 度 (kg/m 3 ) 3630 9．經(jīng)過(guò)校正計(jì)算,物料衡算結(jié)果表如下 反應(yīng)器物料衡算結(jié)果表 進(jìn)口物料 出口物料 溫度(176。C) 壓力(MPa) 序號(hào) 組分 摩爾 質(zhì)量 摩爾 質(zhì)量 流 量 (kmol/s) 分率 流量 (kg/s) 分率 流 量 (kmol/s) 分率 流量 (kg/s) 分率 1 CO 2 CO 2 3 H 2 4 CH 4 5 N 2 6 AR 7 CH 4 O 8 H 2 O 9 C 2 H 6 O 1 0 C 2 H 6 O 2 總計(jì) 1 6 1 1 1 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 28 換熱器的設(shè)計(jì) 換熱器設(shè)計(jì)概述 1．熱量傳遞的概念 熱量傳遞是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，簡(jiǎn)稱傳熱。由熱力學(xué)第二定律可知，在自然界中凡是有溫差存在時(shí)，熱就必然從高溫處傳遞到低溫處，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種。 2．化學(xué)工業(yè)與熱傳遞的關(guān)系 化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系密切。這是因?yàn)榛どa(chǎn)中的很多過(guò)程和單元操作，多需要進(jìn)行加熱和冷卻，例如：化學(xué)反應(yīng)通常要在一定的溫度進(jìn)行，為了達(dá)到并保持一定溫度，就需要向反應(yīng)器輸入或輸出熱量；又如在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，都要向這些設(shè)備輸入或輸出熱量。此外，化工設(shè)備的保溫，生產(chǎn)過(guò)程中熱能的合理利用以及廢熱的回收利用等都涉及到傳熱的問(wèn)題，由此可見(jiàn)；傳熱過(guò)程普遍的存在于化工生產(chǎn)中，且具有極其重要的作用?？傊瑹o(wú)論是在能源，宇航，化工，動(dòng)力，冶金，機(jī)械，建筑等工業(yè)部門(mén)，還是在農(nóng)業(yè)，環(huán)境等部門(mén)中都涉及到許多有關(guān)傳熱的問(wèn)題。 應(yīng)予指出，熱力學(xué)和傳熱學(xué)既有區(qū)別又有聯(lián)系。熱力學(xué)不研究引起傳熱的機(jī)理和傳熱的快慢，它僅研究物質(zhì)的平衡狀態(tài)，確定系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)變成另一個(gè)平衡狀態(tài)所需的總能量；而傳熱學(xué)研究能量的傳遞速率，因此可以認(rèn)為傳熱學(xué)士熱力學(xué)的擴(kuò)展。 3．傳熱的基本方式 根據(jù)載熱介質(zhì)的不同，熱傳遞有三種基本方式： （1）.熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱） 物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。 （2）熱對(duì)流（簡(jiǎn)稱對(duì)流） 流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱傳遞過(guò)程稱為熱對(duì)流。熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中，產(chǎn)生原因有二：一是因流體中各處溫度不同而引起密度的差別，使流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)位移的自然對(duì)流；二是因泵或攪拌等外力所致的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)制對(duì)流。 此外，流體流過(guò)固體表面時(shí)發(fā)生的對(duì)流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過(guò)程，即是熱由流體傳到固體表面（或反之）的過(guò)程，通常稱為對(duì)流傳熱。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 29 （3）.熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射的特點(diǎn)是：不僅有能量的傳遞，而且還有能量的轉(zhuǎn)移。 4．換熱器概念及意義 在化工生產(chǎn)中為了實(shí)現(xiàn)物料之間能量傳遞過(guò)程需要一種傳熱設(shè)備。這種設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器。在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要，往往進(jìn)行著各種不同的換熱過(guò)程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝。換熱器就是用來(lái)進(jìn)行這些熱傳遞過(guò)程的設(shè)備，通過(guò)這種設(shè)備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞到溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。它是化工煉油，動(dòng)力，原子能和其他許多工業(yè)部門(mén)廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備，對(duì)于迅速發(fā)展的化工煉油等工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，換熱器尤為重要。換熱器在化工生產(chǎn)中，有時(shí)作為一個(gè)單獨(dú)的化工設(shè)備，有時(shí)作為某一工藝設(shè)備的組成部分，因此換熱器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用是十分廣泛的。任何化工生產(chǎn)中，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，它在生產(chǎn)中都占有主導(dǎo)地位。 5．換熱器的種類 換熱器的種類繁多，以管殼式換熱器為例，按其管板和殼體的組合結(jié)構(gòu)，分成固定管板式、U 型管式、浮頭式、插管式等，此次設(shè)計(jì)用的換熱器式固定管板式換熱器。 管殼式換熱器的簡(jiǎn)介 管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。它包括:固定管板式換熱器、 U 型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。管殼式換熱器由管箱、殼體、管束等主要元件構(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導(dǎo)熱元件，決定換熱器的熱力性能。另一個(gè)對(duì)換熱器熱力性能有較大影響的基本元件是折流板（或折流桿）。管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能力及操作運(yùn)行的安全可靠性。 1．工作原理 管殼式換熱器和螺旋板式換熱器、板式換熱器一樣屬于間壁式換熱器，其換熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通道稱為管程，換熱管外構(gòu)成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過(guò)兩不同溫度的流體時(shí)，溫度較高的流體通過(guò)換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，溫度較高的流體被冷卻，溫度較低的流體被加熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 30 1—折流擋板；2—管束；3—?dú)んw；4—封頭；5—接管；6—管板 圖46 固定管板式換熱器 2．主要技術(shù)特性 一般管殼式換熱器與其它類型的換熱器比較有以下主要技術(shù)特性： （1）耐高溫高壓，堅(jiān)固可靠耐用； （2）制造應(yīng)用歷史悠