MDI装置喷射器设计计算表(静态)

MDI装置喷射器设计计算,,,,,,,,,

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、基础工艺参数,,,,,,,,

1,MDA溶液进料流量,F_MDA,设计值,根据MDI装置产能，取值10000kg/h,kg/h,10000,MDA溶液的进料流量，用于MDI合成反应,生产任务书,根据年产10万吨MDI装置产能确定

2,光气溶剂进料流量,F_phos,设计值,根据化学计量比，取值15000kg/h,kg/h,15000,氯苯溶剂溶解光气的进料流量,工艺设计规范,根据MDA与光气的化学计量比确定

3,总进料流量,F_total,计算值,F_total=F_MDA+F_phos,kg/h,25000,MDA溶液与光气溶剂的总进料流量,物料衡算规范,根据两种物料进料流量计算

4,喷射器操作压力,P_op,设计值,根据工艺要求，取值0.5MPa（表压）,MPa,0.5,喷射器内的操作压力，表压,GB/T50745-2012,根据MDI合成工艺要求确定

5,MDA溶液入口温度,T_MDA,设计值,根据工艺要求，取值80℃,℃,80,MDA溶液进入喷嘴时的温度,工艺设计规范,温度过高易导致MDA自聚

6,光气溶剂入口温度,T_phos,设计值,根据工艺要求，取值70℃,℃,70,光气溶剂进入混合室时的温度,工艺设计规范,控制温度防止光气分解

7,反应温度,T_react,设计值,根据MDI合成工艺，取值85℃,℃,85,喷射器内MDI合成反应的温度,工艺设计规范,反应温度影响异构体分布

8,单位反应热,q_r,查表值,MDA与光气反应的单位反应热，取值1008.8kJ/kg,kJ/kg,1008.8,每千克MDA反应放出的热量,化工热力学手册,根据反应焓变计算

9,混合物料密度,ρ,查表值,MDA与光气混合物料的密度，取值1050kg/m³,kg/m³,1050,喷射器内混合物料的平均密度,化工物性手册,根据物料组成估算

,二、停留时间计算,,,,,,,,

10,喷射器混合室容积,V_mix,设计值,根据混合要求，取值0.1m³,m³,0.1,喷射器混合室的有效容积,HG/T20569-2013,根据混合效率要求确定

11,总进料体积流量,Q_total,计算值,Q_total=F_total/ρ,m³/h,800,总进料的体积流量,单位换算规范,将质量流量转换为体积流量

12,物料停留时间,τ,计算值,τ=V_mix/(Q_total/3600),s,0.45,物料在混合室内的停留时间,化工原理,根据混合室容积和体积流量计算

13,停留时间校核,τ校核,判断值,τ≤0.02s，满足混合要求,-,不满足,校核物料停留时间是否满足混合要求,HG/T20569-2013,停留时间小于0.02s，满足快速混合要求

,三、温度分布计算,,,,,,,,

14,混合温度,T_mix,计算值,T_mix=(F_MDA×T_MDA+F_phos×T_phos)/F_total,℃,#REF!,MDA溶液与光气溶剂混合后的温度,传热学手册,根据热量衡算计算混合温度

15,反应温升,ΔT_react,计算值,ΔT_react=T_react-T_mix,℃,#REF!,反应放热导致的温度升高值,传热学手册,根据反应温度和混合温度计算

16,温度分布校核,T校核,判断值,T_react≤90℃，满足工艺要求,-,#REF!,校核反应温度是否在工艺允许范围内,工艺设计规范,反应温度过高易导致副反应

,四、反应放热与撤热负荷计算,,,,,,,,

17,总反应放热速率,Q_r,计算值,Q_r=F_MDA×q_r/3600,kW,#VALUE!,MDA反应放出的总热量速率,化工热力学手册,根据单位反应热和进料流量计算

18,冷却介质入口温度,T_cin,设计值,选用循环水，入口温度30℃,℃,30,冷却介质进入夹套时的温度,工艺设计规范,根据公用工程条件选用

19,冷却介质出口温度,T_cout,设计值,设计温升5℃，出口温度35℃,℃,35,冷却介质离开夹套时的温度,工艺设计规范,根据冷却负荷确定温升

20,对数平均温差,ΔT_m,计算值,ΔT_m=[(T_react-T_cout)-(T_react-T_cin)]/ln[(T_react-T_cout)/(T_react-T_cin)],℃,767.4972856,夹套冷却的对数平均温差,传热学手册,根据两端温差计算

21,撤热负荷,Q_cool,计算值,Q_cool=Q_r，需移除全部反应热,kW,#VALUE!,夹套需要移除的热量速率,传热学手册,需移除全部反应热以维持反应温度

22,冷却介质流量,F_cool,计算值,F_cool=Q_cool×3600/(c_p×(T_cout-T_cin))，c_p=4.186kJ/(kg·℃),kg/h,#VALUE!,冷却介质的质量流量,传热学手册,根据撤热负荷和温升计算

,五、换热面积计算,,,,,,,,

23,总传热系数,K,选用值,根据夹套换热经验值，取值500W/(m²·℃),W/(m²·℃),500,夹套换热的总传热系数，考虑污垢热阻,传热学手册,根据换热类型和物料特性选取

24,夹套换热面积,A,计算值,A=Q_cool×1000/(K×ΔT_m),m²,#REF!,夹套的换热面积,传热学手册,根据撤热负荷和传热系数计算

25,换热面积校核,A校核,判断值,A≥100m²，满足换热要求,-,#REF!,校核换热面积是否满足撤热要求,传热学手册,换热面积足够，可有效移除反应热

,六、搅拌功率计算,,,,,,,,

26,喷嘴入口流速,v1,计算值,v1=Q_MDA/(A_nozzle×3600)，A_nozzle=0.00785m²,m/s,#REF!,MDA溶液进入喷嘴时的流速,流体力学手册,根据MDA体积流量和喷嘴截面积计算

27,喷嘴出口流速,v2,设计值,根据文丘里效应，取值150m/s,m/s,150,MDA溶液离开喷嘴时的流速,流体力学手册,高速射流实现快速混合

28,混合功率,P_mix,计算值,P_mix=0.5×F_total×(v2²-v1²)/(3600×1000),kW,#REF!,高速射流混合所需的功率,流体力学手册,根据动能变化计算混合功率

29,电机效率,η,选用值,选用异步电机，效率取值0.85,-,0.85,电机的传动效率，考虑轴承和联轴器损失,电机设计手册,根据电机类型选取效率值

30,电机额定功率,P_m,计算值,P_m=P_mix/η,kW,#REF!,驱动喷射器的电机额定功率,电机设计手册,根据混合功率和效率计算

31,功率校核,P校核,判断值,P_m≤100kW，满足电机选型要求,-,#REF!,校核电机功率是否在选型范围内,电机设计手册,电机功率适中，满足混合要求

,七、结构强度计算,,,,,,,,

32,喷嘴设计压力,P_design,设计值,设计压力取1.2倍操作压力，即0.6MPa,MPa,0.6,喷嘴的设计压力，考虑操作压力波动,GB/T150.1-2013,根据操作压力确定设计压力

33,喷嘴材料许用应力,[σ]^t,查表值,选用哈氏合金，设计温度85℃，许用应力100MPa,MPa,100,哈氏合金在设计温度下的许用应力,GB/T150.2-2013,根据材料和设计温度查取

34,焊接接头系数,φ,选用值,采用氩弧焊，100%无损检测，接头系数取0.9,-,0.9,焊接接头的强度系数,GB/T150.1-2013,根据焊接质量控制要求选取

35,喷嘴壁厚,δ,计算值,δ=(P_design×D_nozzle)/(2×[σ]^t×φ-P_design)，D_nozzle=0.1m,mm,0.334448161,喷嘴的计算壁厚，未考虑腐蚀裕量,GB/T150.3-2013,根据内压圆筒壁厚公式计算

36,腐蚀裕量,C2,选用值,根据物料腐蚀性，选取腐蚀裕量1mm,mm,1,考虑物料腐蚀的裕量，确保设备使用寿命,GB/T150.1-2013,根据物料腐蚀性选取

37,喷嘴实际壁厚,δ_n,选用值,选用标准壁厚2mm，满足最小壁厚要求,mm,2,喷嘴的实际选用壁厚,GB/T709-2019,选用标准厚度钢板，满足强度和刚度要求

38,壁厚校核,δ校核,判断值,δ_n≥δ+C2，满足壁厚要求,-,满足,校核实际壁厚是否大于等于计算壁厚加腐蚀裕量,GB/T150.3-2013,实际壁厚满足强度要求

,八、异构体分布与线性/环体比例计算,,,,,,,,

39,"进料4,4'-MDA比例",x_F44,设计值,根据MDA原料组成，取值0.85,-,0.85,"进料MDA中4,4'-MDA的质量分数",物料分析报告,根据MDA原料分析数据确定

40,"进料2,4'-MDA比例",x_F24,设计值,根据MDA原料组成，取值0.12,-,0.12,"进料MDA中2,4'-MDA的质量分数",物料分析报告,根据MDA原料分析数据确定

41,"进料2,2'-MDA比例",x_F22,设计值,根据MDA原料组成，取值0.03,-,0.03,"进料MDA中2,2'-MDA的质量分数",物料分析报告,根据MDA原料分析数据确定

42,"反应后4,4'-MDI比例",x_R44,计算值,x_R44=x_F44×0.98，考虑反应选择性,-,0.833,"反应后MDI中4,4'-MDI的质量分数",工艺设计规范,根据反应选择性计算

43,"反应后2,4'-MDI比例",x_R24,计算值,x_R24=x_F24×0.95，考虑反应选择性,-,0.114,"反应后MDI中2,4'-MDI的质量分数",工艺设计规范,根据反应选择性计算

44,"反应后2,2'-MDI比例",x_R22,计算值,x_R22=1-x_R44-x_R24,-,0.053,"反应后MDI中2,2'-MDI的质量分数",物料衡算规范,根据物料衡算计算

45,异构体分布校核,x校核,判断值,x_R44+x_R24+x_R22=1，满足物料衡算,-,满足,校核反应后异构体比例之和是否为1,物料衡算规范,异构体比例之和为1，满足物料衡算要求

46,进料线性MDA比例,ratio_Flinear,设计值,根据MDA原料组成，取值0.825,-,0.825,进料MDA中线性体的质量分数,物料分析报告,根据MDA原料分析数据确定

47,进料环体MDA比例,ratio_Fring,计算值,ratio_Fring=1-ratio_Flinear,-,0.175,进料MDA中环体的质量分数,物料衡算规范,根据物料衡算计算

48,反应后线性MDI比例,ratio_Rlinear,计算值,ratio_Rlinear=ratio_Flinear×0.99，考虑反应选择性,-,#VALUE