【正文】 XO=，在塔底釜液中的純度為60%，即XW=，設(shè)進(jìn)料液為FKmol/h，塔項(xiàng)餾出物為Okmol/h，塔底釜液為Wkmol/h，則根據(jù)物料平衡可得：代入數(shù)據(jù) O+W=+=解得 O= W=則塔項(xiàng)餾出液中氯乙烷的含量：%=塔頂餾出液中氯乙烯的含量：=塔底釜液中二氯乙烷的含量：=塔底釜液中氯乙烯的含量：=由以上計(jì)算可得高沸物塔物料衡算結(jié)果如表311所示。表311 高沸塔物料衡算名稱(chēng)進(jìn)料F塔項(xiàng)餾出物O塔底釜液WKmol/hmol%Kmol/hmol%Kmol/hmol%VCEOC總計(jì)100100100第四章 熱量衡算混合氣體進(jìn)入石墨冷凝器的進(jìn)口溫度為28℃，出口溫度為15℃，冷凍鹽水進(jìn)口溫度為35℃，出口溫度為33℃，物料的熱量衡算可按下式計(jì)算：其中：Q——物質(zhì)由溫度t1到t2時(shí)放出的熱量，KJ；——物質(zhì)的質(zhì)量流量，Kg/h；CP——物質(zhì)的比熱，KJ/Kg. ℃查《聚氯乙烯生產(chǎn)原理》得混合氣中各組分的有關(guān)數(shù)據(jù)如表41所示。表41 氣體的有關(guān)數(shù)據(jù)名稱(chēng)比熱KJ/Kg. ℃溶解熱KJ/Kg冷凝熱KJ/KgHCIC2H2H2O(l)H2O(g)冷凍鹽水將數(shù)據(jù)帶入上式即可得：：Q1==:Q2==:Q3=(1528)=:Q4=(1528)=、空氣降溫時(shí)放出的熱量Q5:Q5=(+)(1528)=℃降至0℃時(shí)放出的熱量Q6:Q6=(028)=℃下降到15℃時(shí)放出的熱量Q7:Q7=(150)=℃下降至15℃放出的熱量Q8:Q8=(150)=由以上計(jì)算可得混合氣體各組分的放熱量如表42所示。表42 混合氣體各組分放熱量各組分名稱(chēng)放熱量水蒸汽冷凝熱Q1氯化氫氣體溶解熱Q2乙炔氣降溫時(shí)放熱Q3氯化氫氣降溫時(shí)放熱Q4氯、空氣降溫時(shí)放熱Q5水蒸汽降至0℃時(shí)放熱Q6冷凝水蒸汽降至15℃時(shí)放熱Q7冷凝下的水降至15℃時(shí)放熱Q8總計(jì)所需35℃冷凍鹽水的量：Wh=Q/(CPOX)=[(33+35)]=根據(jù)熱量平衡有：Q入+Q反=Q冷+Q出+Q損其中：Q入——原料混合氣體帶入轉(zhuǎn)化器的熱量，KJ；Q反——反應(yīng)熱（V入放熱為正數(shù)），KJ；Q冷——傳給熱載體帶走的熱量，KJ；Q出——產(chǎn)物和未反應(yīng)原料的混合氣帶出轉(zhuǎn)化器的熱量，KJQ損——轉(zhuǎn)化器散失的熱量，KJ若Q入、Q反、Q出和Q損已分別求得，便可確定熱載體的消耗量和作傳熱面積伯計(jì)算。Q反為轉(zhuǎn)化器內(nèi)的主反應(yīng)熱與副反應(yīng)熱之和，作反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)以0℃為基準(zhǔn)進(jìn)行熱量衡算，此時(shí)所用的反應(yīng)熱數(shù)據(jù)就是0℃時(shí)的。在合成氯乙烯時(shí)，有若干種副反應(yīng)發(fā)生，其中氯乙烯與氯化氫發(fā)生加成反應(yīng)為最主要，這種副反應(yīng)與主反應(yīng)一樣都是放熱反應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，0℃時(shí)的反應(yīng)熱與25℃時(shí)的反應(yīng)熱相差不大，在熱量衡算時(shí)就拿25℃時(shí)的反應(yīng)熱當(dāng)作0℃時(shí)的反應(yīng)熱來(lái)計(jì)算，所引起的誤差實(shí)際上可以忽略不計(jì)，現(xiàn)查25℃時(shí)下列各物質(zhì)的生成熱如表43所表示。表43 各組分生成熱組分乙炔氯化氫氯乙烯二氯乙烷生成熱KJ/mol則由乙炔和氯化氫合成1mol氯乙烯的反應(yīng)熱：（）=由氯乙烯和氯化氫合成1mol二氯乙烷的反應(yīng)熱：（）=若其他副反應(yīng)不計(jì)，則轉(zhuǎn)化器中的總反應(yīng)熱即上述主、副反應(yīng)之和，Q反取放熱為正數(shù)，得：Q主=1000=Q副=1000=Q反=Q主+Q副=+=原料氣帶入或帶出的熱量都可按下式計(jì)算——物料流量，Kg/h；CP ——比熱，KJ/Kg.℃；Q ——物料由t1到t2時(shí)所需要（或放出）的熱量，KJ如果物料在改變溫度度下發(fā)生相變，則相變熱也要計(jì)算，現(xiàn)查得各種物料的平均比熱如表44所示。表44 各種物料的平均比熱名稱(chēng)C2H2HCIN2H2O(g)VCEOC空氣比熱KJ/Kg.℃參考《聚氯乙烯生產(chǎn)原理》設(shè)轉(zhuǎn)化器中氣體入口溫度取80℃，則C2H2帶入熱Q1:Q1=(800)=HCI帶入熱Q2:Q2=(800)=N2帶入熱Q3:Q3=(800)=空氣帶入熱Q4:Q4=(800)=水蒸汽帶入熱Q5:Q5=(800)=總帶入量Q入：Q入=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=++++=參考《聚氯乙烯生產(chǎn)原理》設(shè)轉(zhuǎn)化器中氣體流出溫度為120℃，則：C2H2帶入熱Q1:Q1=(1200)=HCI帶入熱Q2:Q2=(1200)=N2帶入熱Q3:Q3=(1200)=空氣帶入熱Q4:Q4=(1200)=水蒸汽帶入熱Q5:Q5=(1200)=氯乙烯帶出熱Q6:Q6=(1200)=二氯乙烷帶出熱Q7:Q7=(1200)=則總帶出熱量Q出：Q出= Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7 =++++++ =由于熱損失Q損很小，一般經(jīng)驗(yàn)地估計(jì)為Q冷的5%（即Q損=），或把它忽略不計(jì)。計(jì)算結(jié)果表明Q反+Q入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Q出，須從轉(zhuǎn)化器導(dǎo)出的熱量：Q冷=Q反+Q入Q出Q損 =+解得Q冷=則Q損==由以上計(jì)算得轉(zhuǎn)化器中的熱量衡算如表45所示。表45 轉(zhuǎn)化器的熱量衡算熱量名稱(chēng)熱量KJ/h反應(yīng)熱Q反原料帶入熱Q入出料帶出熱Q出熱損失Q損熱載體帶走熱Q冷上述熱量的導(dǎo)出依靠熱載體來(lái)完成，選擇水作熱載體是比較理想的，從熱交換公式Q=GCP△t可知，當(dāng)傳熱量Q一定時(shí)，冷卻水進(jìn)出口溫度差越大，所耗水量就越少，但合成VC反應(yīng)為催化反應(yīng)，溫度在130～180℃范圍內(nèi)最有利。因此冷卻水溫度不能過(guò)低，進(jìn)出口溫差不宜太大，若取水進(jìn)口溫度為97℃，出口溫度為105℃，所需冷卻水量計(jì)算式為：G=P水V水=Q/(CP △t)式中：G —— 水的質(zhì)量流量，Kg/hP水——水的密度，V水——水的體積流量，m3/h所以水的體積流量V水：V水=Q/(CP△tP水)=[(10597)]= m3/h參考《聚氯乙烯生產(chǎn)原理》，(絕對(duì)壓力)，塔頂溫度tO=34℃，塔釜溫度tw=℃；沸點(diǎn)進(jìn)料，進(jìn)料液的佛點(diǎn)tf=℃。氯乙烯及其混合物沸點(diǎn)較低，常溫常壓下多是氣體，常壓下精餾得在低溫下進(jìn)行，這樣不但需消耗相當(dāng)數(shù)量的冷凍劑，而且操作不方便。因此在氯乙烯生產(chǎn)中一般為5個(gè)大氣壓，這樣可使混合物沸點(diǎn)提高到常溫或較高的溫度，使精餾在常溫下進(jìn)行。回流比的確定：回流比是精餾操作的重要條件，必須先確定適當(dāng)?shù)幕亓鞅取Ｒ话闱闆r下適宜的回流比R由最小回流比Rmm來(lái)確定。高沸塔的進(jìn)料基本上由氯乙烯與二氯乙烷組成，已知XO=，Xf=。由《氯乙烯生產(chǎn)原理》：Yf=，則：Rmm=(X0Yf)/(YfXf)=()/() =可見(jiàn)高沸塔取R=，是在R=～，是適宜的，所以取回流比R=。在精餾操作中，塔底再沸器（或塔釜）所需的熱量以及塔底冷凝器和冷卻器所需冷卻水或冷薪水劑的量，均可通過(guò)熱量衡算來(lái)確定為了對(duì)高沸塔進(jìn)行熱量衡算，現(xiàn)將該塔的物料衡算，有關(guān)物性數(shù)據(jù)和必要的符號(hào)列于表46所示。表46 高沸塔物料衡算及有關(guān)物性數(shù)據(jù)組成名稱(chēng)VCEOC合計(jì)進(jìn)料tf=℃Kg/hGg=Kmol/h摩爾分?jǐn)?shù)比熱KJ/Kg. ℃ 塔頂to=34℃Kg/h微量Go=～1`～0Kmol/h微量摩爾分?jǐn)?shù)～1～0比熱KJ/Kg.℃ 蒸發(fā)潛熱KJ/ Kg.℃ ri293塔釜tw=℃Kg/hGw=Kmol/h摩爾分?jǐn)?shù)比熱KJ/Kg.℃ 回流進(jìn)料tl=34℃Kg/h微量GL=～1～0Kmol/h微量摩爾分?jǐn)?shù)～1～0比熱KJ/Kg.℃ :QF=GF(Cfi+Gf2Cf2)tf =(+) =2. 回流液帶入的熱量QL:QL=GLCLtL =34 =3. 塔項(xiàng)蒸汽帶出熱量Qv(塔頂蒸汽量GV=GO+GL):QV=(GO+GL)(+ri) =(+)(34+293) =4. 塔釜?dú)堃簬С鰺崃縌w:QW=GW(+Gw2)tw =(+) =5. 塔釜加熱水帶入熱量QH:QHL=(QV+QW)(QF+QL) =(+)(+) =Q損=QHI=98446741=QH===由以上計(jì)算結(jié)果得高沸塔熱量衡算如表47所示。表47 高沸塔熱量衡算表名稱(chēng)熱量QV1KJ/h入塔熱量進(jìn)料帶入熱量QF回流帶入熱量QL加熱水帶入熱量QH合計(jì)出塔熱量塔項(xiàng)蒸汽帶出熱量QV塔釜?dú)堃簬С鰺崃縌W熱損失Q損合計(jì)根據(jù)前面提供的高沸塔情況。85℃熱水℃混合液90℃熱水℃混合液5℃氯化鈣鹽水8℃氯化鈣鹽水34℃氯乙烯蒸汽 再沸塔所需加熱用水量GH:GH=QH/(CP△t) =[(9085)] =冷凝器所需25%CaCl2鹽水量GC:GC=(GO+GL)Yi/(CPl△t1) =(+)293/[(5+8)] =式中：CP——水的平無(wú)比熱 CP=℃CP1——25%CaCl2比熱(10~5℃時(shí))，CP1=℃。根據(jù)QH=KF△tm得再沸器的最小傳熱面積：Fmin=QH/K△tm式中：QH——塔釜加熱水帶入的熱量KJ/h；K——再沸器的傳熱數(shù)，KJ/.℃△tm——再沸器的平均溫度差℃由計(jì)算知Qr1=，現(xiàn)取再沸器傳熱系數(shù)K=150=℃。再沸器中的熱水與塔釜的混合液并流流動(dòng)，則再沸器的平均溫度差為：△tm=[(T1t2)(T2t2)/ln[(T1t1)(T2t1)]=[()()]/ln[()/()]=36℃則再沸器的最小傳熱面積F1：F1=Q/(K△tm) =(36) =為了安全起見(jiàn)，再沸器所需的最小傳熱面積需乘以安全系數(shù)才能作為再沸器的傳熱面積，即：F===根據(jù)Q冷=KF△tm將冷凝器所需的最小傳熱面積：F1=Q冷/(K△tm)其中：Q冷=Grr式中：Gr——塔項(xiàng)的蒸汽量Kg/h； r——氯乙烯的蒸發(fā)潛熱KJ/Kg現(xiàn)取冷凝器的傳熱數(shù)K=180=℃，則冷凝器的平均溫度差：△tm=[(T2t1)(T1t1)/lm[(T2t2)/(T2t1)]=[(34+8)(34+5)]/ln[(34+8)/(34+5)]=40℃則冷凝器的最小傳熱面積為：QH=(GO+GL)ri=(+)293=F1=QH/(K△tm)=(40)=為了安全起見(jiàn)，冷凝器所需的最小傳熱面積也需乘以安全系數(shù)才能作為冷凝器的傳熱面積，即：F===第五章 設(shè)備型計(jì)算15℃混合氣35℃冷凍鹽水33℃冷凍鹽水28℃混合氣圖為石墨冷卻器換熱器的工作情況可用右圖示意，混合氣石墨冷卻器的上進(jìn)下出，冷凍鹽水則從石墨冷卻器的下部進(jìn)入由上部出來(lái)，冷、熱流體以相反的方向（逆流）流動(dòng)，在流動(dòng)過(guò)程中熱流體因不斷放出熱量其溫度由下逐漸降至T2而冷流體因不斷的吸收熱量其溫度由t1逐漸升至t2，當(dāng)兩泫體以逆流方式流動(dòng)時(shí)，溫度隨過(guò)程不斷變化的情況下，其平均溫度差△tm通常采用對(duì)數(shù)平均值，計(jì)算公式為： （51）當(dāng)傳熱總量和平均溫度差確定之后，傳熱效果則由傳熱系數(shù)K和傳熱面積S的大小來(lái)決定。但現(xiàn)在K和F值都是未知數(shù)，怎樣確定兩個(gè)未知數(shù)呢？常采用試算的辦法。在選用（或套用）設(shè)備時(shí)，由于設(shè)備的尺寸常常是已定的，F(xiàn)值即有一定的選擇余地，但又受到限制，所以常常先依設(shè)備規(guī)格選取F值。求K值，然后再驗(yàn)算K值，以確定F值取得是否合適，下面就用這種計(jì)算方法來(lái)選擇設(shè)備。現(xiàn)試選擇一種120根圓形直管（φ32/22，長(zhǎng)為5米）石墨冷凝器是否適用。為此計(jì)算其傳熱面積F:F=nπdmL （52）式中：F——傳熱面積m2n——列管數(shù)120根L——管長(zhǎng) mdm——管的對(duì)數(shù)平均直徑，其值為 (53)式中：d——管外徑32mmdo——管內(nèi)徑22mm將上數(shù)據(jù)代入式（53）中得：所以由式（52）得傳熱面積F:F=12000275=傳熱系數(shù)K:列管式換熱器的傳熱系數(shù)與傳熱管的管徑有一定的聯(lián)系，因?yàn)楣茏拥膫鳠崦娣e隨圓管直徑的增大而增大列管式傳熱系數(shù)的計(jì)算公式為： (54)式中：a1,a2——分別為管外，管內(nèi)流體的給熟系數(shù)，KJ/. ℃d,do——分別為列管的外徑和內(nèi)徑，mr1,r2——分別為管外，管內(nèi)污垢系數(shù)，. ℃/KJδ——列管厚度mλ——列管的導(dǎo)熱系數(shù)KJ/. ℃dm——列管的對(duì)數(shù)平均直徑m現(xiàn)就用式（54）計(jì)算所選冷凝器的傳熱系數(shù)K式中下列數(shù)據(jù)已知：石墨導(dǎo)熱系數(shù)λ= KJ/. ℃由《