配酸1
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进行叔碳酸的工业生产,年生产量为1万吨,反应消耗85%硫酸,需要用98%硫酸配制85%硫酸,其中生产1万吨产品消耗98%硫酸4万吨,年工作日300天,98%硫酸卸车时,每次20槽,3小时卸完。
混合前酸与水的温度为25度,配酸釜可使用体积5m³,传热面积为13㎡,釜内温度维持50度,冷却水进口温度20度,出口温度32度。
98%硫酸储罐20天用量,85%硫酸储罐2天用量。
设计工艺并选型,画出带控制点的工艺流程图。
主要参数如下:在25度时
硫酸ρ酸=1831kg/m3M=98 kg/kmol μ酸=12mpa*
水ρ=998kg/m3M=18 kg/kmol μ=1mpa*s Cp=4.178kj/(kg×K)
一.物料计算
每天消耗98%硫酸M1=40000/300=133.3 t/d
98%硫酸20天储量m1=20×m=2666.7t
其体积V1=m1/ρ酸=1456.4m3
85%硫酸的密度为ρ2=1/(0.85/1831+0.15/988)=1627.3kg/m3
2天储量质量m2=2×M1×0.98/0.85=307.4t
其体积为V2=m2/ρ平=188.89m3
配酸釜由酸水的进料,按每釜量计算
消耗98%硫酸质量m酸=ρ2×5×0.85/0.98=7057.14kg
t=3h
M水=1627.3×5×0.15-7057.14×0.02=1079.33kg
V水=1.08m3
V酸=3.85m3
二.98%硫酸储罐计算
1.储罐的计算
由于工业硫酸储罐的一般容积大约为200立方米,且按实际体积的0.9进行储料,故200×0.9=180,V1/180=8.99,故取需要9个相同的储罐。
每个储罐的体积为200m3
储罐的高径比L1/D1=0.5
D1=(200×2/0.785)1/3=7.987m,L1=7.987/2=3.993m
故取D1=8000mm,L1=4000mm
装有98%的浓硫酸的储罐的材料使用碳钢
2.进储罐的泵的计算
卸料时使用3台离心泵,每台离心泵负责3个储罐的进料
q1=V1/(3×t)=161.82m3/s
液体在管道中的流速是在1~3m/s故取u=2.54m/s
根据公式0.785×d2×u=q1 得d=150mm
由于浓硫酸储罐的高为4m,故取进料口上端距泵的距离至少为0.9×4=3.6m,因此取h=3.8m。
弯头采用标准弯头45。
ξ=0.35
根据公式h f=ξ×(u2/2)=1.12m
则泵的的压头He1=3.8+1.12=4.92m
管路选择d160×5mm钢管
三.高位槽计算
1.高位槽计算
依题意配酸釜体积为5m³故高位槽的体积也设计为5m³。
按其100%体积的量进料。
设计其高位槽的高径比L2/D2=2
得D2=1.789m,L2=3.579m
故取D2=1800mm,L2=3600mm。
采用进料管管径为d160×5mm,无缝钢管。
2.泵的计算
进料口距泵7m,弯头采用标准弯头45。
ξ=0.35
设u=5m/s
泵的压头He2=7+0.35×(25/2)=11.375m
四.配酸釜计算
每天需要生产85%的浓硫酸的质量为M3=0.98×M1/0.85=153.69t
每釜生产硫酸1627.3×5=8136.5kg
换热量Q=KA△tm,△tm=[(T-t1)-(T-t2)]/[ln((T-t1)/(T-t2))],
在进行热量衡算时K根据换热要求取1000w/(m2×K) t1=25℃t2=32℃T=50℃Cp=4.178kj/(kg×K)
得Q=254kw
每釜98%硫酸在稀释的过程中总放热:
设硫酸的质量为x,水的质量为y
8136.5×85%=x×98%,x=7057.17kg,y=8136.5-x=1079.33kg
N98%=7057.17×1000×0.98/98=70571.7mol
N H2O=7057.17×1000×0.02/18=7841.3mol
N1=7841.3/70571.7=0.11
根据《制药工程》表5-1由内插法的△H1=3.4628kj·mol-1
N H2O=8136.5×1000×0.15/18=67804.1mol
N2=67804.1/70571.7=0.93
根据《制药工程》表5-1由内插法的△H1=26.36kj·mol-1
Q总=70571.7×(26.36-3.4628)=1.61×105kj
冷却时间t=Q总/Q=0.634h
冷却水流量q4=2.54×105/(10×4.178×1000)=6.079kg/s 2.配酸釜计算
按实际体积的0.9进行进料,则实际体积V实际=5/0.9=5.56m³设计其配酸釜的高径比L2/D2=2
得D4=1.52m,L4=3.048m
故取D4=1600mm,L4=3100mm。
反应釜的材料使用搪瓷碳钢,冷凝器的材料使用石墨
五.85%硫酸储罐计算
每天需要生产85%的浓硫酸的质量为M3=0.98×M1/0.85=153.69t V5=95m³,因此两天需要储罐的体积为190m³
按实际体积的0.9来储存,V=95/0.9=105.6m³。
故需要2个110m³的储罐。
设计其储料罐的高径比L5/D5=2
得D5=4.12m,L5=8.24m。
故取D5=4200mm,L5=8300mm
2.泵
进料口距泵5m,硫酸的流速为2m/s。
弯头采用标准弯头45。
ξ=0.35 泵的压头He3=5+0.35×2=5.7m
六.生产周期
1.每天生产批数n=153.69×1000/8136.5=19
2.冷却时间t=Q总/Q=0.634h
3.水进入配酸釜t=1.08/(0.785×0.15×0.15×2)=0.0085h
4.将85%的硫酸放入储存罐的时间t=5/[2×0.785×0.15×0.15]=0.039h
5.T=19×(0.634+0.0085+0.039)=12.95h
一天工作的时间是13个小时。