1、 南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 1 页 共 64 页 摘 要本次设计介绍了二硫化碳尾气处理系统的工艺设计。它包括总工艺流程设计，冷凝器的设计及校核，计量罐的设计及校核。冷凝器的设计是本次设计的重点。根据实际情况最终确定选用应用最为广泛的间壁式换热设备为此次所需冷凝器。它的设计步骤为先进行传热计算，然后进行冷凝器的尺寸计算，最后进行强度计算和校核。设计前的热力计算是本次设计的难点与重点。由于冷凝的介质中含有不凝性气体，所以加大了热力学传热计算这部分的计算难度。冷凝器的设计包括冷凝器上的筒体、封头、管箱、管板、换热管、折流板、拉杆、接管、开孔补强、支座、法兰等的设计、计算与核算。计量罐的
2、设计包括筒体、封头、接管、开口补强、液面计及支座的设计和校核，是本次设计的一个重要组成部分。关键词：总工艺流程；冷凝器；计量罐；AbstractIntroduction to the Design of the exhaust gas treatment system of the carbon disulfide Process Design. It includes the total flow structural design, the condenser design and verification, measurement can design and verification.
3、Condenser is designed to be the focus of this design. According to the actual situation to determine the final selection of the most widely used heat exchanger equipment partitions required for the condenser. It is designed to carry out the steps for the first heat transfer calculation, then the siz
4、e of the condenser, the final calculation and check for strength. Design before the thermal calculation is difficult in this design and focus. As a result of condensation of the medium containing non-condensable gas, it increased the heat transfer calculation of the thermodynamic calculation of the
5、difficulty of this part. Condenser design includes the cylinder, head, control boxes, control panels, heat exchanger, baffle, bar, take over, opening reinforcement, bearing, flange, such as design, computing and accounting.measurement can design includes cylinder, head, take over, opening reinforcem
6、ent, and the bearing surface of 南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 2 页 共 64 页 the design and verification, is an important design component.Key words: total flow; condenser; measurement can;前 言使热量冲热流体传递到冷流体的设备称为换热设备。它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占投资总量的 1020；在炼油厂中，约占总投资的 3540。在工业生产中，换
7、热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满着工艺过程上的需要。此外换热设备也是回收余热、沸腾特别是低位能的有效装置。换热设备有多种多样的形式，换热器选型时，考虑的因素很多，主要是流体的性质；压力、温度及应许压力降的范围；对清洗、维修的要求；材料价格；使用寿命等。管壳式换热器具有可靠性高、适用性广等优点，在各工业领域中的到最为广泛的应用。近年来受到其他新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身的发展。在换热器向高参数、大型化的今天，管壳式换热器仍占主导地位。这里介绍一种间壁式换热器的设计计算，它是利用间壁（固体壁面）将进行热交换的冷热两种流
8、体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。这里用水作冷却介质，用于冷却混合蒸汽的温度，从而达到冷凝的效果。间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器。在二硫化碳的生产工艺中，它是溶解二硫化碳气体净化生产装置中的冷凝冷却设备，主要是使混合气体中的二硫化碳冷凝而使有毒的硫化氢排出而处理掉。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 3 页 共 64 页 冷却机理：在冷凝器中，如果冷凝传热管表面温度低于混合气体的露点，则混合气体中的蒸汽（可凝性蒸汽为二硫化碳蒸汽，不凝性气体为硫化氢气体）冷凝，管表面被湿润，这个表面被气体界膜包围，混合气体中的蒸汽通过这个气体界膜扩散到管表面上冷凝。1
9、 二硫化碳尾气处理系统工艺设计1.1 国内外二硫化碳生产概况二硫化碳是一种重要的无机化工原料，广泛应用于树脂、燃料、医药、农药、防腐剂、多种溶剂及橡胶等多种产品的生产。由于二硫化碳用途广泛，所以国内外的需求量也比较大，仅我国国内粘胶纤维、选矿药剂、橡胶促进剂、玻璃纸及农药、医药等行业每年需求量近 30 万吨，特别是粘胶行业扩产速度很快，每年仍需 3 万吨的二硫化碳投放市场才能满足需要；其次，国际市场发达国家如美国、日本、俄罗斯、法国等因生产二硫化碳环保投入太大，生产成本增加和竞争能力下降等原因，使一部分二硫化碳生产厂关闭，这也造成了国际市场二硫化碳需求有了较大幅度的增加，市场前景十分看好。我国
10、粘胶纤维、橡胶助剂和选矿药剂等生产仍将继续发展，对其的需求也快速增长，目前产品供不应求。预计二硫化碳的生产和需求每年仍会有 15%以上的增长速度。我国现有生产二硫化碳的工厂或车间一百多处，其生产工艺普遍采用古老的电炉法，以木炭和硫磺为原料，流程简图如图 1.1反 应干 燥熔 硫除 硫木 炭硫 磺冷 凝粗二硫化碳 精 馏 冷 凝 成品二硫化碳南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 4 页 共 64 页 图 1.1 工艺流程简图这不仅大量消耗森林资源，而且在生产过程中产生有毒气体 H2S，工艺古老，生产效率低，不利于环境保护。以天然气代替木炭为原料生产二硫化碳成为目前国内外首选的先进生产路线。以天
11、然气和硫磺为原料生产 CS2,国外普遍采用三种技术,即美国的 FMC 技术、Stauffer 技术和 PPG 技术。此外还有以丙烯为原料的生产技术，但是由于以丙烯为原料不如用天然气优越，很少采用。1.2 工艺流程设计总工艺流程设计如图 1.2 所示。 冷 凝 器计 量 罐CS2储 罐 氨 水 罐硫 化 铵 罐吸 附 塔 磁 力 泵燃 烧 炉搅 拌 器吸 附 塔搅 拌 器磁 力 泵123456 789101 171819 232422015 2526293027 31403536328 3243738 3916 211312图 1.2 设计总工艺流程图整套尾气系统的工艺处理过程由四个子系统共同完
12、成。第一部分是 CS2、H 2S 混合气体的冷凝，这部分设备的主要作用是把混合气体中的 CS2 蒸汽冷凝成液体并收集起来，大部分的 CS2 蒸汽在这里被冷凝收集。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 5 页 共 64 页 第二部分是活性炭吸附塔对 CS2 的吸收，这部分设备主要是对从冷凝器接口 4 排出的 H2S 气体与未冷凝的 CS2 蒸汽进行吸收。这里采用两个相同的活性炭填料塔，以备当一个塔里的活性炭吸附饱和后能及时进行更换，保证工作的连续进行。第三部分是 H2S 与氨水的反应，这部分设备主要是对从吸附塔接口 15 和20 排出的气体进行吸收，采用低浓度氨水与 H2S 反应。这里同样采用
13、两个相同的反应罐，以便一台反应完毕后及时更替。第四部分是燃烧炉。气体在反应罐内反应完毕后，残余气体进入燃烧炉内燃烧后排出。2 冷凝器的设计2.1 冷凝器的结构选型选型应考虑的因素有蒸汽压力，蒸汽组分，冻结与污垢等多种因素。已知方案中初进水的工作温度 t5 出口工作温度 t7, 由于两种介质均无腐蚀性，也不易结垢，故可选用固定管板式管壳换热器。这类换热器相比其他类型有很多优点，如：结构简单紧凑，造价低，管程清洗方便等。管程是指介质流经换热管内的通道及与其相贯通的部分，壳程是指介质流经换热管外的通道及与其相贯通部分。因此，可采用工业清水走管程，混合气体走壳程的形式。2.2 热力计算2.2.1 设计
14、参数1）尾气组成、压力、温度：尾气中有 466.67/h 的饱和二硫化碳蒸汽和71.04kg/h 硫化氢气体，尾气压力为 0.13MPa，温度 45。2）冷凝器尾气出口温度为 10，冷却水进口温度为 5，出口温度为 7，冷却水进口压力为 0.42MPa。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 6 页 共 64 页 3）各项物性参数：H2S 的分子量 M=34；比热容 CP=0.25kcal/kgCS2 的分子量 M=76；比热容 CP=0.24 kcal/kg汽化潜热 r=84 kcal/kgCS2 饱和蒸汽压 p=-A/T+B；A=1446 ，B=7.4102.2.2 热量衡算设代号如下:
15、P0: 总压力；P1: CS2 出口蒸汽压力； P2: CS2 进口蒸汽压力；P3: H2S 出口蒸汽压力；P4: H2S 进口蒸汽压力。 （1） CS2 出口压力 P1 为：（出口温度 t=10）log P1= +B ； 其中 A=1466, B=7.410, T=273+t. TA解得 P1=26.6kPa（2）CS 2 进口压力 P2 为：（进口温度 t=45）log P 2= +B ； 其中 A=1466, B=7.410, T=273+t. T解得 P2=95.3kPa P3= P0P 1=0.103 MPa P4= P0 P2=0.045 MPa H2S 进口压力为 0.045 M
16、Pa H2S 出口压力为 0.103 MPa（3） CS 2 的出口流量为 G1根据道尔顿分压定律，压力比等于摩尔数得：G1n 1t2n1 / n2 = p1 / p3 南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 7 页 共 64 页 1213/P0.6=nG151.38 kg/h 冷凝量为 466.6751.38=415.29 kg/h（4）混合气体的入口焓为 i1其中 t 由 4510 r=84kcal=84 kJ 186.4=1.059 =1.005SpHC2KkgJ2pCSKkgJi =G CP +G1tr=(71.04 1+466.67 5) (45-10)+466.67059.0.11
17、86.4=183172.132 hkJ（5）混合气体的出口焓为 i 2其中 t 由 57 r=84kcal=84 kJ 186.4=1.059 =1.005SpHC2KkgJ2pCSKkgJi =G CP +Gtr=(71.04 1+51.38 5) (75)+51.38059.10.1186.4=18323.644 hkJ热量 Q=183172.13218323.644=164848.488 = 45.79 10 WhkJ32.3 冷却水量 的计算已知：冷却水进口温度 出口温度 Ct015Ct027故 特性温度 ts = =6 C270查在此温度下，水的比热容为 CP4199J/(kgK)根
18、据传热公式： ,21)mhcpqrt（南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 8 页 共 64 页 可得冷却水的量 QC()pwWt出 进=45.791034199(7-5)=5.453 skg2.4 初定冷凝器尺寸根据经验值可以先估算管壳式换热器的总传热系数为 200W/m2K（采用逆流）如图 2.1图 2.1 逆流温差图其中平均温度差为：t m （T 1t 2）（T 2t 1）/（T 1t 2）/（T 2t 1） (45-7)-(10-5)/ (45-7)/(10-5) 16.26传热面积 = = =14.08A估*4579120016.262.4.1 试选管子采用水走管程，蒸汽走壳程。初
19、步选取管程中的水的流速为 0.8m/s，取管径规格为：252.5 mm 则 内径 d120mm初选单管程，估算管子数如下：初选换热管管长为 2.5m，根据单管的传热面积可计算管子数目为：05 47图 .南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 9 页 共 64 页 n= 224VdGi水=5.453999.83.1440.0220.8=21.8所以取整为 22 根。则 L = = =8.15 (过长，不符和长径比值 ) 0ndA估14.083.140.02522因此选用四管程 ，采用 88 根管子。即 L= = =2.03m nd0估14.083.140.02522根据标准，取 2.5 米。采用
20、正三角形排列形式：管心距 t=1.25d0=1.2525=32mm 内径 D =1.05t =1.0532 =439.7mmiN1200.7根据标准，内径取 450mm。2.4.2 校核水的流速根据雷诺数的因素，同时初设换热器为四管程，同时设 4 根拉杆，且布管的原因，则布 92 个孔，88 为换热管管孔。则：单管程管束：n116/422查资料特性温度 t=(57)/2=6下的物理参数：比热容 CP4.19910 3 J/kgK ; 密度 =999.8 kg/m 3 黏度 =1.498 10-3 PaS ; 热导率 0.565 W/mK因在冷凝器中发生有相变的传热，为避免管内气液两相流，所以设
21、计蒸气管外冷凝，即冷凝水走管程，混合蒸气走壳程。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 10 页 共 64 页 则管内水的流速 = =0.79214undGi水5.4530.02222999.84 sm2.4.3 校核总传热系数 （1）管程对流传热系数 1u10.79m/s 441 109.1098.72Re d普兰特常数： .5.68Pr 243 C管内是混合流体被加热，根据化工原理得公式： 4.08.24.08.1 190.13rRed023. KmW2/.9（2）壳程对流传热系数 2冷凝器中壳程发生有相变的对流传热，所以按下列步骤计算：先计算纯 CS 蒸汽的传热系数 0 2有下列公式： 41032075. tdng=0.725(126329.80.16335200088230.02538010-635)=0.725528.628WmK此时特性温度为：t = w5.7104
