MDI装置管式光气反应器设计计算表

MDI装置管式光气反应器设计计算表,,,,,,,,,

序号,计算项目,符号表示,参数来源,计算公式,国际单位,计算结果,参数说明,规范依据,其他说明

一、设计参数,,,,,,,,,

1,反应温度,T,设计值,T=180,℃,180,反应温度,工艺设计要求,

2,反应压力,P,设计值,P=0.3,MPa,0.3,反应压力,工艺设计要求,

3,进料流量（苯胺）,F_An,设计值,F_An=10000,kg/h,10000,苯胺进料流量,工艺设计要求,

4,进料流量（光气）,F_Ph,设计值,F_Ph=25000,kg/h,25000,光气进料流量,工艺设计要求,

5,进料流量（溶剂）,F_Sol,设计值,F_Sol=50000,kg/h,50000,溶剂进料流量,工艺设计要求,

6,苯胺摩尔质量,M_An,查表值,M_An=93.13,kg/kmol,93.13,苯胺摩尔质量,文献数据,

7,光气摩尔质量,M_Ph,查表值,M_Ph=98.92,kg/kmol,98.92,光气摩尔质量,文献数据,

8,溶剂摩尔质量,M_Sol,查表值,M_Sol=119.38,kg/kmol,119.38,溶剂摩尔质量,文献数据,

9,反应转化率,X,设计值,X=0.99,-,0.99,苯胺转化率,工艺设计要求,

10,反应选择性,S,设计值,S=0.98,-,0.98,MDI选择性,工艺设计要求,

11,反应停留时间,τ,设计值,τ=60,s,60,反应停留时间,工艺设计要求,

12,管内径,d_i,设计值,d_i=0.05,m,0.05,反应器管内径,设计经验值,

13,管长度,L,计算值,L=u*τ,m,12,反应器管长度,流体力学计算,

14,管数,N,计算值,N=V/(π*d_i²/4*L),-,100,反应器管数,几何计算,

15,反应器体积,V,计算值,V=F*τ,m³,3,反应器总体积,物料衡算,

二、物料衡算,,,,,,,,,

16,苯胺摩尔流量,F_An_mol,计算值,F_An_mol=F_An/M_An,kmol/h,107.38,苯胺摩尔流量,物料衡算,

17,光气摩尔流量,F_Ph_mol,计算值,F_Ph_mol=F_Ph/M_Ph,kmol/h,252.74,光气摩尔流量,物料衡算,

18,溶剂摩尔流量,F_Sol_mol,计算值,F_Sol_mol=F_Sol/M_Sol,kmol/h,418.79,溶剂摩尔流量,物料衡算,

19,总进料摩尔流量,F_total_mol,计算值,F_total_mol=F_An_mol+F_Ph_mol+F_Sol_mol,kmol/h,778.91,总进料摩尔流量,物料衡算,

20,反应消耗苯胺摩尔流量,F_An_react,计算值,F_An_react=F_An_mol*X,kmol/h,106.31,反应消耗苯胺摩尔流量,物料衡算,

21,反应消耗光气摩尔流量,F_Ph_react,计算值,F_Ph_react=F_An_react*2,kmol/h,212.62,反应消耗光气摩尔流量,化学计量比,

22,生成MDI摩尔流量,F_MDI_mol,计算值,F_MDI_mol=F_An_react*S,kmol/h,104.18,生成MDI摩尔流量,物料衡算,

23,出口苯胺摩尔流量,F_An_out,计算值,F_An_out=F_An_mol-F_An_react,kmol/h,1.07,出口苯胺摩尔流量,物料衡算,

24,出口光气摩尔流量,F_Ph_out,计算值,F_Ph_out=F_Ph_mol-F_Ph_react,kmol/h,40.12,出口光气摩尔流量,物料衡算,

25,出口MDI摩尔流量,F_MDI_out,计算值,F_MDI_out=F_MDI_mol,kmol/h,104.18,出口MDI摩尔流量,物料衡算,

26,出口溶剂摩尔流量,F_Sol_out,计算值,F_Sol_out=F_Sol_mol,kmol/h,418.79,出口溶剂摩尔流量,物料衡算,

27,总出口摩尔流量,F_out_total,计算值,F_out_total=F_An_out+F_Ph_out+F_MDI_out+F_Sol_out,kmol/h,564.16,总出口摩尔流量,物料衡算,

三、能量衡算,,,,,,,,,

28,进料温度,T_in,设计值,T_in=100,℃,100,进料温度,工艺设计要求,

29,出料温度,T_out,设计值,T_out=180,℃,180,出料温度,工艺设计要求,

30,反应热,ΔH_r,查表值,ΔH_r=-120,kJ/mol,-120,反应热,文献数据,

31,苯胺比热容,C_p_An,查表值,C_p_An=1.8,kJ/(kg·℃),1.8,苯胺比热容,文献数据,

32,光气比热容,C_p_Ph,查表值,C_p_Ph=0.8,kJ/(kg·℃),0.8,光气比热容,文献数据,

33,溶剂比热容,C_p_Sol,查表值,C_p_Sol=1.2,kJ/(kg·℃),1.2,溶剂比热容,文献数据,

34,MDI比热容,C_p_MDI,查表值,C_p_MDI=1.5,kJ/(kg·℃),1.5,MDI比热容,文献数据,

35,进料焓,H_in,计算值,H_in=F_An*C_p_An*T_in+F_Ph*C_p_Ph*T_in+F_Sol*C_p_Sol*T_in,kJ/h,9800000,进料焓,能量衡算,

36,出料焓,H_out,计算值,H_out=F_An_out*M_An*C_p_An*T_out+F_Ph_out*M_Ph*C_p_Ph*T_out+F_MDI_out*250.26*C_p_MDI*T_out+F_Sol_out*M_Sol*C_p_Sol*T_out,kJ/h,15800000,出料焓,能量衡算,

37,反应热负荷,Q_r,计算值,Q_r=F_An_react*1000*ΔH_r,kJ/h,-12760000,反应热负荷,能量衡算,

38,换热器热负荷,Q,计算值,Q=H_out-H_in-Q_r,kJ/h,18760000,换热器热负荷,能量衡算,

39,加热介质温度,T_steam,设计值,T_steam=220,℃,220,加热介质温度,工艺设计要求,

40,冷却介质温度,T_cool,设计值,T_cool=80,℃,80,冷却介质温度,工艺设计要求,

四、反应器尺寸计算,,,,,,,,,

41,进料体积流量,F_vol_in,计算值,F_vol_in=(F_An/ρ_An+F_Ph/ρ_Ph+F_Sol/ρ_Sol)/3600,m³/s,0.05,进料体积流量,流体力学计算,

42,苯胺密度,ρ_An,查表值,ρ_An=1022,kg/m³,1022,苯胺密度,文献数据,

43,光气密度,ρ_Ph,查表值,ρ_Ph=1380,kg/m³,1380,光气密度,文献数据,

44,溶剂密度,ρ_Sol,查表值,ρ_Sol=1190,kg/m³,1190,溶剂密度,文献数据,

45,空管流速,u,计算值,u=F_vol_in/(N*π*d_i²/4),m/s,0.25,空管流速,流体力学计算,

46,反应器体积,V,计算值,V=F_vol_in*τ,m³,3,反应器总体积,物料衡算,

47,单管体积,V_tube,计算值,V_tube=π*d_i²/4*L,m³,0.03,单管体积,几何计算,

48,管长度,L,计算值,L=u*τ,m,12,反应器管长度,流体力学计算,

49,管数,N,计算值,N=V/V_tube,-,100,反应器管数,几何计算,

50,反应器直径,D,计算值,D=sqrt(4*N*(d_i+0.01)²/π),m,1.2,反应器直径,几何计算,

51,反应器高度,H,计算值,H=L+2,m,14,反应器高度,设计经验值,

52,反应器总表面积,A_total,计算值,A_total=N*π*d_i*L,m²,188.5,反应器总表面积,几何计算,

五、流体力学计算,,,,,,,,,

53,雷诺数,Re,计算值,Re=ρ*u*d_i/μ,-,12500,雷诺数,流体力学计算,

54,混合密度,ρ,计算值,ρ=(F_An+F_Ph+F_Sol)/F_vol_in,kg/m³,1700,混合密度,流体力学计算,

55,混合粘度,μ,计算值,μ=(μ_An*F_An+μ_Ph*F_Ph+μ_Sol*F_Sol)/(F_An+F_Ph+F_Sol),Pa·s,0.001,混合粘度,流体力学计算,

56,苯胺粘度,μ_An,查表值,μ_An=0.001,Pa·s,0.001,苯胺粘度,文献数据,

57,光气粘度,μ_Ph,查表值,μ_Ph=0.0008,Pa·s,0.0008,光气粘度,文献数据,

58,溶剂粘度,μ_Sol,查表值,μ_Sol=0.0012,Pa·s,0.0012,溶剂粘度,文献数据,

59,摩擦系数,f,计算值,f=0.046/Re^0.2,-,0.006,摩擦系数,流体力学计算,

60,压力降,ΔP,计算值,ΔP=f*(L/d_i)*(ρ*u²/2),Pa,1275,压力降,流体力学计算,

61,压力降校验,ΔP_check,判断值,ΔP<=50000,Pa,满足,压力降校验,设计规范要求,

62,雷诺数校验,Re_check,判断值,Re>4000,-,满足,雷诺数校验,设计规范要求,

63,流速校验,u_check,判断值,u<=2,m/s,满足,流速校验,设计规范要求,

六、传热计算,,,,,,,,,

64,总传热系数,U,设计值,U=500,W/(m²·℃),500,总传热系数,设计经验值,

65,对数平均温差,ΔT_m,计算值,ΔT_m=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2),℃,36.1,对数平均温差,传热计算,

66,温差1,ΔT1,计算值,ΔT1=T_steam-T_out,℃,40,温差1,传热计算,

67,温差2,ΔT2,计算值,ΔT2=T_steam-T_in,℃,120,温差2,传热计算,

68,传热面积,A,计算值,A=Q/(U*ΔT_m),m²,1037,传热面积,传热计算,

69,传热面积校验,A_check,判断值,A<=A_total,m²,不满足,传热面积校验,设计规范要求,

70,冷却介质流量,F_cool,计算值,F_cool=Q/(C_p_cool*(T_cool_out-T_cool_in)),kg/h,226800,冷却介质流量,能量衡算,

71,冷却介质比热容,C_p_cool,查表值,C_p_cool=4.18,kJ/(kg·℃),4.18,冷却介质比热容,文献数据,

72,冷却介质进口温度,T_cool_in,设计值,T_cool_in=25,℃,25,冷却介质进口温度,工艺设计要求,

73,冷却介质出口温度,T_cool_out,设计值,T_cool_out=45,℃,45,冷却介质出口温度,工艺设计要求,

七、强度计算,,,,,,,,,

74,设计压力,P_d,设计值,P_d=0.5,MPa,0.5,设计压力,工艺设计要求,

75,设计温度,T_d,设计值,T_d=200,℃,200,设计温度,工艺设计要求,

76,管材许用应力,σ,查表值,σ=130,MPa,130,管材许用应力,GB150.2-2011,

77,焊接接头系数,φ,设计值,φ=0.85,-,0.85,焊接接头系数,GB150.1-2011,

78,腐蚀裕量,C,设计值,C=2,mm,2,腐蚀裕量,设计经验值,

79,管壁厚,δ,计算值,δ=(P_d*d_i)/(2*σ*φ-P_d),mm,0.01,管壁厚,GB150.3-2011,

80,实际管壁厚,δ_a,计算值,δ_a=δ+C,mm,2.01,实际管壁厚,强度计算,

81,反应器壳体壁厚,δ_s,计算值,δ_s=(P_d*D)/(2*σ*φ-P_d),mm,2.8,反应器壳体壁厚,GB150.3-2011,

82,实际壳体壁厚,δ_sa,计算值,δ_sa=δ_s+C,mm,4.8,实际壳体壁厚,强度计算,

83,水压试验压力,P_test,计算值,P_test=1.5*P_d,MPa,0.75,水压试验压力,GB150.4-2011,

84,水压试验应力,σ_test,计算值,σ_test=(P_test*(D-δ_s))/(2*δ_s),MPa,150,水压试验应力,GB150.4-2011,

85,水压试验应力校验,σ_test_check,判断值,σ_test<=0.9*σ,MPa,不满足,水压试验应力校验,GB150.4-2011,

八、结论与建议,,,,,,,,,

86,反应器管数,N