年产5000吨晶体丙烯酰胺工艺设计.docx

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年产5000吨晶体丙烯酰胺工艺设计

年产5000吨晶体丙烯酰胺工艺设计

　　第一章　　概述

　　丙烯酰胺的介绍

　　丙烯酰胺是一种有机化合物，纯品为结晶固体，易溶于水、甲醇、乙醇、丙醇，稍溶于乙酸乙酯、氯仿，微溶于苯，在酸碱环境中可水解成丙烯酸。

职业性接触主要见于丙烯酰胺生产和树脂、黏合剂等的合成，在地下建筑、改良土壤、油漆、造纸及服装加工等行业也有接触机会。

日常生活中，丙烯酰胺可见于吸烟、经高温加工处理的淀粉食品及饮用水中。

丙烯酰胺属中等毒类，对眼睛和皮肤有一定的刺激作用，可经皮肤、呼吸道和消化道吸收，在体内有蓄积作用，主要影响神经系统，急性中毒十分罕见。

密切大量接触可出现亚急性中毒，中毒者表现为嗜睡、小脑功能障碍以及感觉运动型多发性周围神经病。

长期低浓度接触可引起慢性中毒，中毒者出现头痛、头晕、疲劳、嗜睡、手指刺痛、麻木感，还可伴有两手掌发红、脱屑，手掌、足心多汗，进一步发展可出现四肢无力、肌肉疼痛以及小脑功能障碍等。

　　丙烯酰胺的合成方法

　　硫酸水合法

　　19世纪末，丙烯酰氯与氨首次合成了丙烯酰胺。

1954年，美国Cyanamid公司采用丙烯腈硫酸水合法实现了工业化生产，并被各国广泛应用。

　　丙烯腈在硫酸存在下水合成丙烯酰胺的硫酸盐，然后用液氨中和即生成丙烯酰胺和硫酸铵。

反应时，过长的停留时间和过高的反应温度都会增加副产物的收率，特别是聚合物和丙烯酸。

必须严格控制反应物的比例，以便抑制副反应。

从反应混合物中回收丙烯酰胺是整个过程中成本最高和最困难的一步。

通常采用苯结晶提纯法和离子交换树脂法。

硫酸水合法投资大，丙烯腈等原料消耗定额高，并产生大量含丙烯酰胺的硫酸盐或硫酸废液污染环境，从20世纪60年代开始，美国、日本等国积极研制开发无公害的工艺路线。

到目前为止，采用硫酸水合法制备丙烯酰胺的工艺已经基本被淘汰。

铜催化法

　　70年代初日本和美国同时开发了以铜为主的各类催化水合法生产丙烯酰胺，于它合硫酸法比有很多优越性，纯度及转化率都有很大的提高，环境污染少。

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　　成本低，在70年代中期基本上取代了硫酸水合法。

流程图如图1-1　　

　　图1-1铜催化法流程方块图

　　微生物催化法

　　采用微生物催化法效率大大的提高了，生产工艺大为简化，除了省去丙烯腈回收、除Cu等工段外，微生物催化法的其他工段的生产工艺过程如脱色、浓缩、结晶、干燥等均合化学合成法相同。

微生物法的核心技术在于生产高效率的微生物催化剂。

如图1-2　　

　　图1-2微生物催化法方块流程图

　　产品丙烯腈水水合反应100~150C催化剂分离未反应丙烯腈分离催化剂产品浓缩除Cu脱色丙烯腈水固定化细胞水合反应10~25C催化剂分离脱色浓缩目前，世界各国生产丙烯酰胺的主要厂商、生产能力和生产方法见表一。

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　　表一生产丙烯酰胺的主要厂商和生产能力和生产方法

　　国别美国西西德荷兰欧日本英国公司名称氰胺公司道化学公司纳尔科公司小计司道克豪生化学公司道化学公司氰胺公司同盟胶体制造公司小计二菱化成二井东压日东小计生产能力4．544．530．689．750．250．552．70．754．253．01．52．06．5催化水合催化水合催化水合催化水合微生物生产方法硫酸水合催化水合硫酸水合催化水合催化水合催化水合

　　丙烯酰胺聚合物的发展历史

　　丙烯酰胺（AM）最早于1893年Moureu首次合成成功，至今已有一百多年的历史。

PAM在1983年实验室制得。

1954年首先在美国实现商业化生产，初期的品种仅是单一的非离子型PAM。

不久开发了碱性水解的阴离子型PAM和阴离子型PAM。

PAM的优良的水溶性、增稠性、絮凝性能和化学反应活性显示出了巨大的市场潜力和广阔的应用前景。

丙烯酰胺单体丙烯腈经硫酸催化水合制取。

20世纪70年代初美国和日本开发了丙烯腈铜催化水合法，1985年在日本又有丙烯腈酶催化水合法问世。

　　我国丙烯酰胺的发展状况

　　我国聚丙烯酰胺产品的开发始于五十年代末期，1962年上海天原化工厂建成我国第一套聚丙烯酰胺生产装置，生产水溶胶产品。

目前国内生产厂家有70多家，总生产能力约为65kt/a（折合为100%），产量约为55kt/a，消费量约为70-

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　　75kt/a。

其中大庆油田化学助剂厂于1995年从法国SNF公司引进的50kt/a聚丙烯酰胺生产装置是目前我国最大的生产厂家（分子量为1500万），1998年产量达到5kt。

　　我国聚丙烯酰胺的应用研究开始于六十年代。

最早用于矿物精选，而后在制糖、造纸、钢铁、水处理等领域的应用逐渐扩大。

目前聚丙烯酰胺的主要应用领域为石油开采、水处理、造纸、高吸水树脂、冶金和洗煤等。

其消费结构为：

油田开采占81%、水处理占9%、造纸占5%、矿山占2%、其它占3%。

　　PAM最有价值的性能是分子量很高，水溶性强，可以制作出亲水而水不溶性的凝胶，可以引进各种离子基团并调节分子量以得到持定的性能，对许多固体表面和溶解物质有良好的粘附力。

于这些性能，使得PAM被广泛应用于增稠、絮凝、稳定胶体、减阻、粘结、成膜、阻垢、凝胶及生物医学材料等许多方面。

PAM的最大用途是在水处理、造纸、采油、冶矿等领域。

近年来，我国应用最多的是三次采油方面。

　　在水处理方面，主要利用PAM中酰胺基可与许多物质亲和、吸附、形成氢键的特性。

高分子分子量PAM在被吸附的粒子间形成“桥联”，生成絮团。

达到微粒沉降的目的。

依水质的不同，可应用非离子、阴离子、阳离子型等不同类型的聚合物。

目前我国用于水处理方面的絮凝剂80%是聚丙烯酰胺产品。

随着水资源保护和环境意识的增强。

PAM在工业水处理方面将拥有巨大的潜在市场。

据国外某公司预测，至21世纪初，我国50万人口以上的城市，用于水处理方面的PAM将达到万吨/年。

　　丙烯酰胺聚合物的应用

　　国际上丙烯酰胺聚合物用量最大的领域是水处理。

于其特有的结构和性能特点因而在水处理领域具有极广泛的用途，主要用作：

絮凝剂、污泥脱水剂、助滤剂。

在原水处理中与活性炭配合使用，用于水的澄清，以得到符合要求的生活水源和工业水源；在污水达标处理中用做污泥脱水剂，以减少对环境的污染；在工业废水处理中用作配方剂，以提高水的重复利用率。

絮凝技术是一种用来提高水质处理效率的最常用技术。

目前，絮凝技术是国内外普遍用来提高水质处理效率的一种既经济又简便的水质处理方法，广泛地被用来处理工业废水、生活污水、循环冷却水等，对于加强全球环境保护和促进人类身体健康，具有重大意

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　　义。

目前，丙烯酰胺聚合物的研究开发主要有两个方向：

一方面具有新型结构和性能特点的丙烯酰胺衍生物聚合物的研究开发使聚丙烯酰胺衍生物的应用领域不断拓展；另一方面对原有聚丙烯酰胺衍生物进行改性和进一步开发新的应用。

　　我国聚丙烯酰胺聚合物的应用范围正日益扩大，用量在逐步增加。

目前国内丙烯酰胺聚合物生产企业多数规模较小，技术水平低，产品牌号少，产品分子质量低，一些高分子质量产品还不能生产，需要依赖进口，且价格较高。

今后应重视在技术开发上的投入，通过引进国际先进技术，研究开发具有新型结构和性能特点的丙烯酰胺聚合物，使丙烯酰胺聚合物的应用领域不断拓展，同时对原有聚丙烯酰胺聚合物进一步改性并开发新的应用。

　　在石油开采方面，聚丙烯酰胺具有增稠、絮凝和对流体变性的调节作用。

可用作钻井泥浆的增稠剂、稳定剂和沉降絮凝剂。

将聚丙烯酰胺加入钻井泥浆中，可以增加泥浆的稠度，提高悬浮力，使泥浆分散均匀，控制失水，增加稳定性，降低摩阻，提高固井速度；在水处理中，聚丙烯酰胺用作絮凝剂，可用于城市污水、生活污水、工业废水等的处理以及各种地下水和工业悬浮液固液分离工程中；在纺织工业中，聚丙烯酰胺作为织物后处理的上浆剂、整理剂，可以生成柔顺、防皱、耐霉菌的保护层。

利用它的吸湿性强的特点，能减少纺细纱时的断线率；在造纸工业中，聚丙烯酰胺用作分散剂，可以改善纸页的均匀度。

用作增强剂，能有效地提高纸张的强度。

用作助留剂、滤水剂、沉降剂，能提高填料和细小纤维的存留率，加速脱水速度，还可沉淀污水、减少污染；在电解冶金或铜、锌的电解精炼时，添加聚丙烯酰胺，可改善金属在阴极沉积的质量，并增加电流效率。

在采矿、洗煤中，采用聚丙烯酰胺作絮凝剂，可促进固体沉降，使水澄清，同时可回收大量有用的固体颗粒，避免对环境造成污染。

聚丙烯酰胺作印染助剂时，可使产品附着牢度大，鲜艳度高。

在制糖业，聚丙烯酰胺可加速蔗汁中细粒子下沉，促进过滤和提高滤液清澈度；在养殖业中，聚丙稀酰胺可改善水质，增加水的透光性能，从而改善水的光合作用。

此外，聚丙烯酰胺还可以用作隧道、水坝等工程堵水固沙的化学灌浆和水下、地下建筑物的防腐剂，还可用作土壤改良剂、纤维改性剂、粘结剂、光敏树脂交联剂等。

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　　国内外丙烯酰胺生产现状及消费情况

　　日本生产的丙烯酰胺在各行业中消耗量的比例如下：

　　纸张增强剂　　48%水处理　　30%纤维处理剂及其他　　8%出口　　14%

　　美国及西欧生产的丙烯酰胺在各行业中消费量的情况如下：

　　美国　　水处理　　50%　　造纸　　20-25　　选矿　　10-15%　　石油工业　　10-15%　　其他　　5%　　

　　我国丙烯酰胺在各行业中的消费情况如下：

　　石油工业　　%煤矿工业　　%纺织工业　　%造纸工业　　15%水处理　　%冶金　　32%化工　　%制糖　　%其他　　%

　　6

　　西欧

　　56%17%22%5%　　

　　第二章工艺流程

　　工艺流程方块图

　　粗原料罐过滤水汽　　

　　提浓塔冷凝器AM离心分离结晶精制干燥包装图2-1工艺流程方块图

　　工艺流程说明

　　浓度为30%的丙烯酰胺经粗过滤后进入原料储罐中，离心泵送入提浓塔中

　　进行提浓，为了在提浓塔中更快的提浓，在送入提浓过程中要进行预热，提浓的热源是热空气，热空气是风机从外面吸入大气与蒸汽在空气加热器中进行加热而获得的，空气与蒸汽进行热交换后进入提浓塔中从下而上进行加热提浓，提浓是一个间歇过程，一次性提浓不会达到结晶所要的浓度，所以要反复的提浓，当浓度达到35%后送入冷凝器进行冷凝，防止温度过高引起聚合。

经过冷凝后温度降到35度左右，送入粗丙烯酰胺罐，在储罐外面要接冷凝套管通过泵进行循环，防止外界温度过高引起丙烯酰胺自发聚合。

再配制浓度约为35%的盐酸溶液存入盐酸配制槽中和配制浓度约为35%的氢氧化钠溶液存入碱液配制槽中。

再用泵从

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　　粗丙烯酰胺罐中输送原料进入粗过滤器，除去粗原料中大颗粒的杂质，再粗过滤器送入活性炭过滤罐，吸附一些小颗粒的杂质，再活性炭过滤罐送入阳离子交换柱，用泵送配制好的盐酸溶液进入阳离子交换柱中除去金属离子如Ca2+、Mg2+和Cu2+等，再送入阴离子交换柱，用泵送配制好的碱液加入阴离子交换柱中，除去酸根离子如SO42-和NO3-等。

经过这些过滤后，丙烯酰胺溶液符合结晶的标准，送入精制储罐中。

再泵从储罐送入结晶釜中进行结晶，在结晶过程中采用-10℃的冷冻盐水通入结晶釜的外面夹套中，控制釜中的温度，同时要慢慢的搅拌。

结晶后的物料送入离心机进行离心分离，分离的晶体输送机送往干燥段。

离心的溶液送入原料罐重复上面的步骤。

干燥主要除去晶体中的水分，干燥的热源是用蒸汽与空气进行热交换，用热空气干燥晶体，再送入包装机进行包装。

　　工艺流程控制说明

　　提浓塔温度的控制

　　通过调节液体的流量和提浓平衡罐内的液体流量来控制塔内的温度，提浓平衡罐采用连锁的形式，当温度和液位超过设定数值时就自动调整阀门。

容器液位的控制

　　间歇操作时，反应器中液位是通过每批加料量来决定的。

进料时打开进料泵。

　　物料达到预定夜位时，关闭进料泵。

泵的控制

　　流体输送设备为离心泵时，管路中流体流量通常有两中调节方式，直接流量调节和旁观流量调节。

本设计采用直接流量调节。

　　直接流量调节。

流量计及调节阀安装在输出管道上，流量计在前，调节阀在

　　后，通过调节阀门的开启度，调节管路中流体流量的大小，该控制方案简单、易操作。

　　旁路流量调节。

调节阀设在循环旁路管道上，流量计设在输出管道上，泵的流量是固定的，通过调节循环旁路中阀们的开启度来调节流量。

换热气的控制

　　通常采用调节载热体流量的方法，检测点一般放在物料出口处，也可以放在

　　载热体出口处通过控制凝液流量大小。

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　　报警、切断及连锁

　　为了保证安全生产，虽然采用了各种常规的复杂的调节系统使工艺参数保持在安全范围内，但仍不排除在特殊情况下发生意外。

对于种种不正常的状态都应考虑到，并在设计中采用充分的附加防范措施。

本设计采用连锁报警装置。

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　　第三章物料计算

　　物料计算方块流程图

　　物料计算方块流程图如图3-1

　　粗AM罐水汽炭酸碱提浓精制结晶干燥离心　　图3-1

　　物料计算

　　年生产330天，每天生产24小时。

　　年产5000吨晶体，需浓度为30%的粗原料年用量为：

　　W总18000吨/年水分总损失=原料总量-产品总量-损失总量

　　经过提浓后损失5吨/年，浓度达到35%，除去水分为：

　　吨

　　年、精制过程损失的主要是除去的杂质。

如下：

浓度为30%盐酸用量：

400吨/年。

浓度为30%碱用量：

450吨/年。

炭用量：

100吨/年。

　　其中在精制过程中年纯水用量约20XX吨。

　　精制过程中碳吸附杂质约5吨/年、离子交换除去杂质约5吨/年。

废液=水+盐酸量+碱量+炭+除去的杂质。

　　10

　　废液=20XX+400+450+100+5+5=2960吨/年经提浓后总物料量为：

　　÷=吨/年

　　、结晶过程　　

　　结晶损失2吨/年　　、离心过程

　　离心分离为35%其中损失5吨/年。

经分离后物料总量为：

　　×35%=吨/年

　　经离心返回提浓段为：

　　=吨/年、干燥过程

　　干燥损失5%其中损失2吨/年。

离心过来的总量为：

吨/年。

经干燥工序后产品为：

　　×=吨/年。

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　　第四章设备计算

　　主物料管径的计算

　　u4qAV4qdVV2dq4

　　uu　　流体的流速，ms；

　　qV　　流体的体积流量，m3h；

　　d　　管子内径，m。

　　查表取流速：

u=，q=10mV3h计算得：

　　d

　　q4Vu10

　　3600

　　取d=50mm。

　　循环水管径计算

　　u=2ms，q=10mh，根据上面公式计算得

　　Vd3q4Vu1036002取循环水管道直径为40mm

　　釜体的计算

　　结晶釜的体积计算：

①间歇操作

　　12

　　a．根据年产量确定日产量Wd，Kgd1b．确定生产周期或每天生产批数　　

　　=TRa

　　式中：

　　T　　一个生产周期的时间，h；　　结晶达到预期的时间，h；　　辅助操作时间，h。

　　Ra　　24

　　1T式中：

　　每天生产批数，Bd。

c．选择反应器的装料系数　　VR

　　VT式中VR　　液体的体积，m3　　VT　　反应器的实际体积，m3

　　搅拌釜，取~，有起泡或沸腾时，取~d．计算反应器体积及台数　　VRWdTm24或VRWdm

　　R　　VTV

　　12　　

　　12式中：

　　反应液的混合密度，Kgm。

　　m13m　　组分1所占的份数，%；

　　1　　组分2所占的份数，%；

　　2

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　　1组分1的密度，Kgm；

　　32组分1的密度，Kgm。

　　3间歇操作便于设备的设计与制造，降低设备费，取每个反应器体积相同，此时：

　　VTiVR

　　nT式中：

nT　　反应器台数，个。

结晶釜日产量为：

　　15400=td1330Wd=

　　间歇操作：

　　R=9h　　，

　　a=h

　　112m12=

　　9981122=kg/m3取，

　　H/D=~2，上下封头均用标准椭圆封头。

　　1间歇操作周期：

　　=TRa

　　=+=h液体体积为：

　　V　　=WRdmT2446700

　　24=20m3釜的总体积为：

　　VT=VR=2014

　　取每个釜体积为VTi，则需要釜的个数为：

nT=查表得标准椭圆封头的体积为：

、h封D。

　　4令：

h为釜体直边高度、H为结晶釜总高度，则：

　　4个h2h封　　hD2

　　若取HD，则有：

h=D

　　V　　T4D2h

　　4=3V'于釜的上下封头仍为标准封头，因为HD取的较小，所以此处按公称尺寸选釜体直径

　　D。

　　釜体的直边高度为：

　　h=V'T2V封2232m

　　224釜的实际高度为：

　　Hh2V封根据表取封头的直边高度为50mm。

釜体圆形直筒部分高度：

　　hh25'2.0结晶釜的实际体积为：

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　　V422223D2hD3

　　釜的实际长径比：

　　3　　HD

　　2取釜的体积为。

　　提浓循环泵的计算

　　根据伯努力方程式得：

　　W（z2z1）gP2P1u2u1Hf222　　

　　式中：

W　　外加机械能，J/kg；

　　z1,z2　　所选取两截面距离地面的高度，m；　　P1，P2　　所选取两截面的压力，Pa；　　u1,u2　　所选取两截面的液体流速，m/s；　　

　　Hf　　两截面间管路中的压头损失，m

　　u22u12WHf2　　

　　已知管内物料的流速：

u=/s，所以

　　1122Re104　　

　　经查表得/d，压头损失计算公式为：

　　dulleu2　　Hf　　

　　dd2式中：

　　Hf　　两截面间管路中的压头损失，m

　　u　　管道内流体流速，m/s

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　　设管道的总长l=10m，管径d=。

在整个管路中，共有4个90°弯头；2个截止阀；1个止回阀；1个流量计。

经查表可得：

代入公式计算得：

　　le4940;99，将数据d10494099/kgHf2所以

　　u220HfHf　　W22又因为

　　入数据计算得

　　HHWg　　

　　267.　　

　　在选择泵的扬程时，应放大5%～10%，所以，泵的扬程可以选为

　　H（1%）　　计算轴功率及电机功率

　　①有效功率单位时间内液体从泵获得的能量，W。

　　式中：

　　pQHeV3eg

　　QV　　体积流量，m　　扬程，m；

　　s1；

　　He　　流体密度，Kgm3；

　　g　　重力加速度，ms。

　　2pe10

　　3600　　=

　　轴功率单位时间内泵轴所提供的能量，W。

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　　pape

　　式中：

　　泵效率。

　　取92%得

　　pa=　　②电机功率电机转动所提供的功率，W。

　　pK式中：

传　　电机传动效率；

　　K　　选用电动机富裕系数，与轴功率有关，取值范围如下：

　　pa

　　传paKW　　75

　　K　　

　　选择皮带轮传动的电机，则取传=90%，K=得　　p　　=1481W

　　提浓塔的计算

　　M式中：

　　进（1MM122）

　　MM1　　组分1的摩尔质量，g/mol；　　组分2的摩尔质量，g/mol；

　　21　　组分1的百分含量，%；　　组分2百分含量，%。

　　2原料组分的含量为：

　　AM单体1=30%，　　

　　M1=71gmol；

　　2水　　2=70%，　　

　　18

　　M=18gmol

　　则；

　　M进（1MM122）

　　7118/mol经提浓后AM浓度为35%，根据上式计算M釜得；

　　M釜（1MM122）

　　7118/mol12根据公式　　得；

　　12　　式中：

　　组分1的密度，Kg/m113；

　　21组分2的密度，Kg/m3；

　　组分1的百分含量，%；　　组分1的百分含量，%。

　　2已知　　=　　，　　=

　　12查表得　　

　　1=1122Kg/m3，20C时水得密度=/m3，则

　　2112进12/m360C水的密度为

　　1

　　2=/m3，经提

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　　12釜12/m311

　　气相重度　　

　　进馏2/32m

　　进釜L21030Kg32/m

　　D/h/hW/hF/h

　　LSRD；VSLSD，取R=2

　　L/SVSLSD/SLSLSqF，

　　取q=1

　　LS

　　/S釜/22.410.6257360273/m3进27350273馏/m327340273进馏V2/m3

　　20

　　V进2釜/m

　　VLV1030

　　CC20式中：

　　20

　　C　　表面张力为20mN/m时的C值；　　液体表面张力，mN/m；C　　表面张力为时的C值。

　　选塔板间距HT400mm，查表得C20，查表得=/m

　　CC2020

　　u

　　CmaxLVV2/103~umax则

　　u/s

　　计算塔径得

　　D式中：

　　TV4SuDT　　塔径，m；

　　3m/S；　　塔内气相的体积流量，VSu　　气相的空塔速度，m/s。

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　　则，　　

　　DT4

　　风机的计算

　　输送60℃的热空气，风量为40mmin，出风口位置为90度的风机，并配用电机，风压为60mmH2O。

　　根据工况要求风量和风压，考虑加10%的附加值，即：

　　3Qx4m03min　　Px606mmH62O风机的使用工况的空气密度按气体状态方程式求，即：

　　PVnRT　　3207360风机的实测标准状态为P0，t020C，空气密度0/m3将使用工况状态下的风量和风压换算为实测标准状态下的风量和风压

　　Q=Q=44m3/min

　　0x　　P0Px06681mmH2O查离心式风机性能表选择转速为1450r/min，轴功率为的风机。

　　冷凝器的计算

　　耗水量，根据推动力tm及水消耗两两方面考虑，选择水的出口温度t=30℃，则水的平均温度为：

　　11　　t（t1t2）（2030）25℃

　　22在25℃时水的有关物理量为：

　　密度　　

　　=997Kg/m3

　　22

　　热容　　Cp=/（Kg·℃）导热系数=/（m·℃）粘度　　=×10-3Pa·S

　　普兰特准数Pr=

　　热负荷：

　　Qq　　m1c（TTp112）120XX103（5035）3600173KW水消耗量为：

　　W2Q173/S

　　cp（t2t1）（3020）从腐蚀性、传热面积和价格三方面综合考虑后，选用25×无缝钢管，此管内径d0=。

　　工业上水和类似的流体流速一般取1~/s，则选AM的流速为1m/s。

估算传热面积和管子的根数

　　tmtTtTt　　TlnTt11221122t1t2t1lnt2（5020）（4030）30ln10C于AM的粘度小于1，所以K取值范围在50~350W/，初选K=250W/

　　估算传热面积为：