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

[1]聚氯乙烯生产工艺（株化内部资料）

[2]潘祖仁，翁志学，黄志明.悬浮聚合.北京：

化学工业出版社，1997

[3]周菊兴主编.合成树脂与塑料工艺.北京：

化学工业出版社，2000

[4]陈昀主编.聚合物合成工艺设计.北京：

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：

化学工业出版社，2002

[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：

化学工业出版社，2003

[11]陈声宗主编.化工设计.北京：

化学工业出版社，2001

[12]刘光启，马连湘，刘杰.化学化工物性数据手册[M].北京：

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：

上海科学技术出版社，1985

[15]刁玉玮，王立业.化工设备机械基础（第五版）[M].大连理工出版社，2003

[16]郭鲁生.化工设备的选择与工艺设计[M].长沙：

中南工业大学出版社，1994

[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！