1、南华大学机械工程学院毕业设计 第 1 页 共 60 页 年产 5000 万吨二硫化碳尾气系统及冷凝器设计 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
2、孔补强、支座、法兰等的设计、计算与核算。 计量罐的设计包括筒体、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 南华大学机械工程学院毕业设计 第 2 页 共 60 页 An annual output of 50 million tons of carbon disulfide exhaust systems and condenser design Abstract： Introduction to the Design of the exhaust gas treatment system of the carbon
3、disulfide Process Design. It includes the total flow structural design, the condenser design and verification, measurement can design and verification. 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 hea
4、t exchanger equipment partitions required for the condenser. It is designed to carry out the steps for the first heat transfer calculation, then the size of the condenser, the final calculation and check for strength. Design before the thermal calculation is difficult in this design and focus. As a
5、result of condensation of the medium containing non-condensable gas, it increased the heat transfer calculation of the thermodynamic calculation of the difficulty of this part. Condenser design includes the cylinder, head, control boxes, control panels, heat exchanger, baffle, bar, take over, openin
6、g reinforcement, bearing, flange, such as design, computing and accounting. measurement can design includes cylinder, head, take over, opening reinforcement, and the bearing surface of the design and verification, is an important design component. Key words: total flow; condenser; measurement can 前
7、言 我们把热量由热流体传递到冷流体的设备称为换热设备。换热设备在人们生活生产的领域应用广泛，在我们生活中换热设备也举不胜数，是不可或缺的工艺设备之一。 冷凝器是通过取走潜热而用于蒸汽液化的特殊传热设备。冷却冷凝器是有相变南华大学机械工程学院毕业设计 第 3 页 共 60 页 发生的换热设备，是化工生产的重要换热设备之一。主要用于单组分可凝蒸汽和含不凝性气体的混合气体的冷却冷凝。冷凝器可以分为两种类型，一是壳管式冷凝器，需要一个管式的传热面把冷凝的蒸汽和冷凝剂分开。二是接触式冷凝器，冷凝剂和水进行混合，然后作为唯一的物流流出冷凝器。间壁 式换热器，就是采用固体壁面把传递热量的热流体和吸收热量的冷
8、流体隔开，热量透过间壁传递的换热器。在生产二硫化碳工艺中，间壁式换热器是溶解 SO2 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 HS 气体排出并进行处理。 冷却机理 :在冷凝器中，如果冷凝传热管的表面温度低于混合气体的露点，则混合气体里的蒸气（可凝性蒸气为二硫化碳蒸气，不凝性气体为硫化氢气体）冷凝，湿润整个管的表面，表面被气体界膜所包裹，而混合气体中通过气体界膜的蒸汽，一直扩散到管的表面上冷凝。 1 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 二硫化碳是一种非常重要的无机化工原料，主要应用于燃料、树脂、药品、农业、防腐溶剂、其他多种溶剂以及
9、橡胶等各种各样产品的生产。 由于二硫化碳用途广泛， 而 国内外 各行业 的需求量也较大，仅我国国内橡胶促南华大学机械工程学院毕业设计 第 4 页 共 60 页 进剂、选矿药剂 、 粘胶纤维、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 的飞速发展 ，每年仍需 3 万吨的二硫化碳 的供应 才能满足需要；其次，国际市场发达国家如美、日、俄、法等 国 因生产二硫化碳 环境 投入 成本 太大，生产成本增加 以及 竞争能力下降等原因，使 得有较大部分的 二硫化碳生产厂关闭，这也直接 造成了国际市场二硫化碳 的需求极大增加 ， 有非常好的市场前景 。 而我国一些重点需求二硫化碳的医药橡
10、胶行业的发展 ， 市场 需求 量 也 稳步 增长，目前 出现短暂的 产品供不应求。 而市场评估其需求量和生产量每年将以 15%的速度增长。 我国现有生产二硫化碳的工厂或生产车间约有一百来处 ，其生产工艺基本采用比较古老的电炉法，原来使用木炭和硫，流程如下图所示： 图 1.1 电炉法流程图 电炉法不仅消耗大量的森林资源，而且会产生有毒气体 H2S，工艺古老，效率低，破坏自然环境。现在国内外先进的生产技术普遍以天然气代替木炭为原料生产二硫化碳 。美国的 技术、 技术和技术。是比较常用的几种技术路线。 此外还存在着以丙烯为原料的生产工艺，但是由于以丙烯为原料不如用天然气，极少采用。 1.2 工艺流程
11、设计 整套尾气系统的工艺流程由四个子系统共同配合交替完成。 第一部分是将 CS2、 H2S 混合气体进行冷凝，这部分设备的主要功能是把 CS2蒸汽冷凝成液体并收集起来，绝大部分的 CS2 蒸汽被冷凝收集。 第二部分是活性炭吸附塔吸收 CS2 的过程，这部分设备主要作用是对从冷凝器接口 4 排出来的 H2S 气体与从第一部分还未冷凝的 CS2 蒸汽进行吸收。第二个部分反应 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 第 5 页 共 60 页 有两个相同的活性炭填料塔，当一个塔里的活性炭吸附饱和后，及时进行更换另外一个吸附塔，保证吸附工作
12、的连续不断进行。 第三部分是 H2S 与氨水的反应，这部分设备主要的功能是对从吸附塔接口 15和 20 排出的气体进行处理，采用的原理是低浓度氨水与 H2S 的反应。这个部分同样是采用两个相同的反应罐，以便其中一台反应 罐反应完毕后及时更替。 第四部分是燃烧炉。气体在反应罐内进行充分反应后，残余气的体随流程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 已知有：初进水的工作温度 t 5 出口工作温度 t 7 , 两种介质都无腐蚀性，不易结垢，所以我们选用固定管板式管壳换热器。采用的形式为工业清水走管程，而混合气体走壳程。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 6 页 共 60
13、 页 2.2 冷凝器设计的各种参数的计算 2.2.1 计算传热量 Q 已知初始数据 1）、尾气的气体性质：组成成分为 600 /h 的饱和二硫化碳蒸汽和91.33kg/h 硫化氢气 体，气体压力为 0.13MPa，尾气温度为 45。 2）、冷凝器的尾气出口温度 10，冷 却水进口温度为 5，出口温度 为 7，冷却水 的进口压力 0.42MPa。 3）、各物性参数： H2S 的 分子量 M=34；比 热容 CP=0.25kcal/kg CS2 的 分子量 M=76；比 热容 CP=0.24 kcal/kg 汽化潜热 r=84 kcal/kg CS2 的饱和蒸汽压 p=-A/T+B； A=1446
14、， B=7.410 热量衡算 设 P0 为总 压力 P1 为 C， S2 出口蒸气压力， P2 为 CS2 进口蒸气压力，P3 为 H2S 出口蒸气压力， P4 为 H2S 进口蒸气压力。 （ 1） . CS2 出口压力 P1 为：（出口温度 t=10） log P1= TA +B ； 其中 A=1466, B=7.410, T=273+t. 得到 P1=26.6kPa （ 2）计算 CS2 进口 压力 P2：（进口温度 t=45） logP 2= TA +B ； 其中 A=1466, B=7.410, T=273+t. 得到 P2=95.3kPa 所以； P3= P0 P1=0.103 MP
15、a P4= P0 P2=0.045 MPa H2S 的进口 压 力为 0.045 MPa， H2S 的出口 压力为 0.103 MPa （ 3） . CS2 的出口流量为 G1 有道尔顿分压定律，压力比 =摩尔数 得到 G1 n1 t2 南华大学机械工程学院毕业设计 第 7 页 共 60 页 2121nn PP 1 0 3.00 2 6.0212121 PPPPnn 则有 G1 51.38 hkg 其冷凝量为 600 51.38=548.62 hkg （ 4）设混合气体的入口焓为 i1 t 由 45 10 r=84kcal=84 1868.4 kJ SpHC2=1.059 KkgkJ 2pCS
16、C=1.005 KkgkJ i1 =G CP t +G r =(91.33 059.1 1+600 00.1 5) (45-10)+600 1868.484 =235502.155 hkJ （ 5）设混合气体的出口焓为 i2 t 由 5 7 r=84kcal=84 1868.4 kJ SpHC2=1.059 KkgkJ 2pCSC=1.005 KkgkJ i2 =G CP t +G r =(91.33 059.1 1+51.38 00.1 5) (7 5)+600 1868.484 =18366.634 hkJ =235502.155 18366.634 =217135.521 hkJ = 6
17、0.32 103 W 2.2.2 冷凝时需要的冷却水量的计算 由已知中知道冷却水的进、出口温度为 Ct 01 5 Ct 02 7 其特性温度 ts 221 tt = 275 =60 C 南华大学机械工程学院毕业设计 第 8 页 共 60 页 查在此温度时的物性参数： CP 4199J/(kg K) W= )(进出 wwp ttCQ = ）（ 574199 1032.60 3 =7.18 skg =7.18 sg310 2.2.3 冷凝器尺寸初步选定 根据经验值，估算管壳式换热器的总传热系数约为 200W/m2 K（采用逆流）如下图： 图 2.1 逆流 计算平均温度差为： tm （ T1 t2）
18、（ T2 t1） / （ T1 t2） /（ T2 t1） =(45-7)-(10-5)/ (45-7)/(10-5) 16.26 2m m55.1826.162 0 06 0 3 2 0tK P 估 A （ 1）初选管子 方案采用水走管程，蒸汽走壳程的形式。初选取管程中的水的流速为 0.8 sm ，取管径的规格为： 25 2.5 mm 则 内径 d1 20mm 南华大学机械工程学院毕业设计 第 9 页 共 60 页 初选为单管程，估算管子数为 : n =222 4 VdGi 水=8.002.0414.38.99918.72 =28.59 所以取 29 根。 则 L =0ndA 估 = 290
19、25.014.3 55.18 =8.4 (过长，不符和长径比值 ) 所以需取四管程，采用 116 根管子。 即 L=ndA0 估= 116025.014.3 55.18 =2.03m 即取 2.5 米。 采用的排列形式为正三角形，得到管心距 t=1.25d0=1.25 25=32mm 内径 Di =1.05t N =1.05 32 7.0120 =439.7mm 所以取 450mm。 （ 2）校核水的流速 根据雷诺数，初选换热器为四管程，同时设有 4 根拉杆，考虑布管，则布有120 个孔， 116 个换热管管孔。 则：对于单管程管束有： n 116/4 29 查得在特性温度 t=(5 7/2)
20、=6下的物理参数： CP 4.199 103 J/k K ; =999.8 kg/m3 =1.498 10-3 Pa S ; 0.565 W/m K 在冷凝器中有相变发 生的传热，为避免管内产生气液两相流，所以设计蒸气在管外冷凝，即冷凝水走的是管程，而蒸气走的是壳程。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 10 页 共 60 页 得到管内水的流速 224u1 ndGi 水=2902.048.9 9 918.72 =0.79 sm （ 3）、校核总传热系数 管程对流传热系数 1 u1 0.79m/s 4411 1009.11098.14 8.9 9 979.002.0Re ud普兰特常数： 1.11105.56 1098.1410199.4Pr 2 43 PC管内流体温度上升，为加热，查资料得到公式： 4.08.024.08.01 1.111 0 9 0 002.0 105.56023.0PrRed023.0 KmW 2/4.2889 壳程对流传热系数 2 冷凝器中壳程有相变发生的对流传热，所以根据以下的步骤进行计算： 纯 CS2 蒸气的传热系数 0 41032320 7 2 5.0 tdng 416323235103 8 00 2 5.01 1 63 2 5 0 0 016.08.91 2 6 37 2 5.01.5 0 67 2 5.0 KmW 29.366 KmW 2367
