聚酯裝置酯化反應(yīng)器330t_d負(fù)荷熱能力和傳質(zhì)能力核算

1、研究論文聚酯裝置酯化反應(yīng)器330t/d 負(fù)荷熱能力和傳質(zhì)能力核算劉平(儀征化纖股份有限公司物資裝備部,江蘇儀征211900摘要:通過對增容后的第一酯化反應(yīng)器R01和第二酯化反應(yīng)器R02的熱負(fù)荷能力進行核算,并對其傳質(zhì)情況進行了簡單探討,證明原裝置完全可以達到330t/d 的產(chǎn)能。關(guān)鍵詞:酯化反應(yīng)器;熱負(fù)荷;傳熱;傳質(zhì);攪拌器中圖分類號:T Q320.5文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:10062334X (2002022*儀化公司聚酯裝置原引進德國吉瑪技術(shù),產(chǎn)能設(shè)計為200t/d 。為了挖掘裝置潛能,降低生產(chǎn)成本,擬通過對工藝參數(shù)的調(diào)整和設(shè)備改造,將負(fù)荷升到330t/d 。我們對R01和R02分別進行

2、了330t/d 負(fù)荷下的熱負(fù)荷能力和傳質(zhì)情況的核算和分析,認(rèn)為改造后的設(shè)備具備了330t/d 的運行能力。1酯化反應(yīng)器的熱負(fù)荷能力第一酯化反應(yīng)器R01是聚酯生產(chǎn)的起點,它的能力對裝置負(fù)荷尤其重要。其反應(yīng)的重要特點之一是需要大量的熱能,才能保證酯化要求,設(shè)備改造后的換熱面積為420m 2。111R 01物料衡算R01物料衡算見圖1所示 。圖1R 01物料衡算圖(1計算330t/d 負(fù)荷下R01的物料量(PT A 熔體消耗為863kg/t :進料PT A :330/24×1000×01863=11866125kg/h EG:7114×62107×11137=

3、5045kg/h 回流EG:2350kg/h回流EG 中含水:2350×2%=50kg/h 反應(yīng)生成的水量,計算得出為2313136kg/h 上升水蒸汽量:2313136+50=2363136kg/h 蒸發(fā)EG 量:2350+231313×015%=2360kg/h(2相關(guān)物性數(shù)據(jù)見表1表4。表1溶解熱k J/kg名稱數(shù)據(jù)PT A 257BHET146154表2汽化潛熱k J/kg名稱溫度/數(shù)據(jù)H 2O260747128266740122表3反應(yīng)熱k J/m ol物料溫度/數(shù)據(jù)酯化物26232189酯化物26632143縮聚物266-8136112R 01熱量衡算設(shè)定反應(yīng)溫

4、度262,進口漿料溫度25,EG第17卷第2期2002年6月合成技術(shù)及應(yīng)用SY NTHETIC TECH NO LOGY AND APP LIC ATI ON V ol 117N o 12收稿日期:2001-08;修回日期:2001-09-03。作者簡介:劉平(1972-,工程師,畢業(yè)于華東理工大學(xué),現(xiàn)從事聚酯生產(chǎn)和管理工作。和H2O從C01工藝塔回流的溫度為180,蒸發(fā)溫度為釜溫262。表4各物質(zhì)焓值k J/kgR01中共有6股熱流:1.物料升溫(25262,介質(zhì)為PT A和EG:Q1=71954×106k J/h2.反應(yīng)熱(262:Q2=酯化+縮聚=21114×106-

5、4124×5=11694×106k J/h3.蒸發(fā)吸熱(262,介質(zhì)為EG和H2O:Q3=EG蒸發(fā)熱+H2O蒸發(fā)熱=11765×106+31858×106=51423×106k J/h4.回流升溫(180262,介質(zhì)為EG與H2O:Q4=EG升溫吸熱+H2O升溫吸熱=614876×105+011932×105=6168×105k J/h5.溶解熱(酯化率為90%,介質(zhì)為酯化物:Q5=3105×105k J/h6.攪拌熱:(取攪拌器功率為30kW,40%轉(zhuǎn)化為熱量Q8=-01432×105k J/

6、hQ總=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=1411372×106k J/h113求取R01對數(shù)溫差進口熱媒溫度305,出口熱媒溫度285,釜內(nèi)物料溫度262,R01對數(shù)溫差為1:TM =305-285ln(305-262(285-262=32已知R01反應(yīng)釜傳熱系數(shù)K為1300k J/hm2。計算所需傳熱面積1:A=Q/K×T M=1411372×106/(1300×32=340m2而設(shè)計的傳熱面積為420m2,高于340m2,說明裝置有足夠傳熱能力。114R02物料衡算原第一酯化反應(yīng)器改造使用為第二酯化反應(yīng)器R02,使得其操作工況與原來有很大不同,主

7、要表現(xiàn)為所需提供的熱量大大降低,所以其換熱面積余量較大,可以通過調(diào)整工藝參數(shù)來滿足升負(fù)荷,不會對裝置增容造成制約。設(shè)備改造后的換熱面積為320 m2。R02出口酯化率為97%,聚合度80%計算。由R01進入R02的物料中有:尚未反應(yīng)的物料:PT A為1186124kg/h,EG 為1009kg/h;反應(yīng)生成的聚合物總量為1634216kg/h,其中,BHET為1160218kg/h,PET為473914kg/h;C01工藝塔回流液中:EG為600kg/h,H2O 為12kg/h?？捎嬎愠?R02中生成的水量18012kg/h;R02反應(yīng)釜內(nèi)上升水蒸汽量19212kg/h;蒸發(fā)EG量等于回流EG

8、量加上塔頂廢水中的EG量60019kg/h。115R02熱量衡算設(shè)定反應(yīng)溫度266,進口物料溫度262,EG 和H2O從C01工藝塔回流,回流溫度為180,蒸發(fā)溫度為釜溫266。R02中共有6股熱流:1.物料升溫(262266,介質(zhì)為BHET,PET,PT A和EG:Q1=8116×104k J/h2.反應(yīng)熱(266:Q2=酯化+縮聚=1162×105-5137×104=10183×104k J/h3.蒸發(fā)吸熱(266,介質(zhì)為EG與H2O:Q3=EG蒸發(fā)熱+H2O蒸發(fā)熱=4144×105+31115×105=71559×10

9、5k J/h4.回流升溫(180266,介質(zhì)為EG與H2O:Q4=EG升溫吸熱+H2O升溫吸熱=117275×105+015835×104=2131×105k J/h5.溶解熱(酯化率97%,介質(zhì)為酯化物:Q5=01915×105k J/h6.攪拌熱:(取攪拌器功率27kW,40%轉(zhuǎn)化為熱量Q8=(-014×27×3600=-31888×104k J/hQ總=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=12118×105k J/h116求取R02對數(shù)溫差進口熱媒溫度305,出口熱媒溫度285,釜內(nèi)物料溫度266,R02的對

10、數(shù)溫差為1:71TM =305-285ln(305-266/(285-266=3218已知R02反應(yīng)釜傳熱系數(shù)K為1250k J/hm2。所需傳熱面積:A=Q/K×T M=12118×105/(1250×32=30m2而設(shè)計的傳熱面積為320m2,高于30m2,說明裝置有足夠傳熱能力。2酯化反應(yīng)器的傳質(zhì)問題討論在反應(yīng)工程中,反應(yīng)器為滿足優(yōu)化操作條件時應(yīng)盡量達到或接進于兩種理想流動模型:平推流和全混流。對于吉瑪?shù)孽セ磻?yīng)器R01、R02而言,改造后的反應(yīng)器基本可以認(rèn)為是一個全混釜。由于酯化反應(yīng)大量吸熱,雖然有了足夠的傳熱面積,但其傳熱方式也是一個重要的因素。攪拌器的

11、選型如槳葉型式,直徑及轉(zhuǎn)速決定了流體的基本特征2。211R01攪拌器一般認(rèn)為酯化86%時達到清晰點,液相基本呈均相,極少有顆粒物料存在,因而對剪切顆粒要求不突出,采用單一軸流槳即可以保證傳熱要求。槳葉的循環(huán)流動是比較釜內(nèi)流動狀況要求與傳熱流動狀況而定,而為了滿足傳熱,則要有強烈的湍動,需要雷諾數(shù)Re大于4×109,所以以軸流槳首選。21111槳型選擇作為R01的攪拌器槳葉作用有:1.保證釜內(nèi)流體的充分混和;2.加強循環(huán)流動,促進列管內(nèi)傳熱;3.適當(dāng)剪切,促進漿料分散。我們選擇了80年代有代表性的高效節(jié)能型的翼型軸流槳,它是基于機翼理論設(shè)計的,具有如下優(yōu)點:1.壓頭較高;2.循環(huán)量大;

12、3.阻力脫流能力較強;4.操作效率較高;5.速度分布均勻。21112計算攪拌功率實際功率計算1:P=Np×p×n3×d5=26132kw式中,槳葉直徑d=1500mm;物料密度=1 166kg/m3;物料粘度=5×10-6Pas;功率準(zhǔn)數(shù)Np =0164;攪拌轉(zhuǎn)數(shù)n=110r/min。對于R01攪拌器,考慮機械效率0175,其電機額定功率45kw,則實際可用的功率為33175kw?？煽闯鰧嶋H可用功率大大高于實際功率,可見其攪拌器完全可以達到生產(chǎn)負(fù)荷要求。21113傳質(zhì)分析計算雷諾數(shù)Re1:Re=nd2/=9×105按照化學(xué)反應(yīng)工程理論,在雷諾數(shù)

13、Re>105的情況下,可以認(rèn)為反應(yīng)釜內(nèi)已經(jīng)達到了全混狀態(tài),達到化學(xué)反應(yīng)傳質(zhì)要求。212R02攪拌器增容后的R02攪拌器是由原來R01改造的,其操作工況已經(jīng)有了很大不同,為適應(yīng)330t/d負(fù)荷的要求,對其攪拌器進行了改造,在不降低原轉(zhuǎn)速的條件下,將原來的下葉輪取消,而原來的攪拌器,由于攪拌軸較長,沒有下軸承,震動問題比較突出,所以增加了下軸承3。3結(jié)論a計算可知R01與R02的所需熱量足夠,滿足裝置330t/d負(fù)荷的生產(chǎn)要求,說明該設(shè)計留有足夠的余量。bR01的攪拌器選型與參數(shù)設(shè)定合適,達到了傳質(zhì)要求。R02的攪拌器改造符合增容要求。參考文獻1陳敏恒,方圖南,從德滋.化工原理M.北京:化學(xué)

14、工業(yè)出版社, 19862陳敏恒,謝聲禮.化學(xué)反應(yīng)工程基本原理M.上海:華東化工學(xué)院出版社,19913應(yīng)俊信.酯化反應(yīng)器攪拌器的分析J.聚酯工業(yè),2000,13(3:9 12Calculation about thermal load and matter transmissionof prolyester unit esterification reactor under condition of330t/d loadLIU Ping(Yizheng Chemical Fiber Group Company,Materials and EquipmentSupply Department,Yizheng211900,ChinaAbstract:The thermal load and matter tranmission of esterification reactor of R01and R02were discussed and calculated.The conclusion o