化工原理课程设计苯甲苯冷凝器工艺设计..docx

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1、=WORD -可编辑专业资料共享=课程设计论文题目名称苯-甲苯冷凝器工艺设计课程名称化工原理学学生姓名号1040902023系 、专 业生化系 2023 级化学工程与工艺指 导 教 师胡建明2023 年 1 月 4 日名目-学习资料共享-一、课程设计任务书3二、概述5三、设计依据8四、工艺设计计算8五、物料衡算82.1 精馏塔物料衡算82.2 冷凝器物料衡算9六、热量衡算113.1 冷凝器热量衡算11七、设备设计与选型14八、设备设计141、流体流径选择142、冷凝器热负荷143、流体两端温度确实定144、总传热系数145、换热面积146、初选管程及单管长度147、筒体直径计算158、数据核算

2、15九、设备选型19十、总结25十一、参考文献26十二、致谢27十三、附工程图纸2810 级化学工程专业化工原理课程设计任务书一、设计条件设计课题：苯-甲苯精馏装置进料冷凝器设计1、年产苯：70000 吨2、产品苯组成：C H 99.5% (质量分数，下同) 、C H -CH 0.5%6 66 533、原料液为常温液体；原料组成：C H70%C H -CH30%6 64、分别要求：塔釜苯含量0.5%二、设计内容1、物料衡算精馏塔、冷凝器2、热量衡算冷凝器3、冷凝器热负荷计算,6 534、冷凝器换热面积计算5、冷凝器构造、材质选择6、冷凝器构造尺寸、工艺尺寸的设计计算等7、冷凝器总传热系数的校核

3、8、冷凝器装配图的绘制三、设计要求1、设计方案简介对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进展简要的论述。2、工艺设计选定工艺参数，对单个设备作出衡算示意图，进展物料衡算、热量衡算，以表格形式表达衡算结果，其中的数据非给定数据及计算公式阅历公式必需交待来源即何种参考书目，并在参考文献中列出。3、设备计算选择设备的构造形式，并说明理由。进展设备的构造尺寸和工艺尺寸的设计计算。4、关心设备选型典型关心设备的主要工艺尺寸的计算，设备规格型号的选定。5、设计说明书的编写要求严格依据邵阳学院毕业设计论文格式进展编写。设计说明书应按挨次包括以下内容：(1) 设计说明书封面；(2)设计任务书； (3)名目；

4、(4)概述设计方案简介； (5) 工艺计算物料衡算、热量衡算； (6)设备设计主要设备设计、关心设备设计或选型； (7)设计总结、评述； (8) 参考资料； (9)致谢；10附工程图纸。6、绘制主要设备的装配图用 A 图纸绘制预热器装配图图面应包括设备主视图、俯左视图局部视图等，1并配备明细表、管口表、技术性能表、技术要求等，要求承受 CAD 制图。指导教师：胡建明二 O 一二年十二月十五日概述课程设计是综合应用本门课程和有关先修课程所学学问，完成以单元操作为主的一次设计实践，是培育我们实际动手力气的一个重要环节，是从学生走向工程师必定程序。通过课程设计能使我们把握工程设计的根本程序和方法，并

5、在查阅技术资料， 选用公式和数据，用简洁的文字、图表表达设计结果及制图等力气方面得到一次根本训练。在设计过程中我们更应当留意树立正确的设计思想和实事求是、严峻认真的工作作风。为我们将来更快的融入社会，更好的适应的工作供给有力的保障。本次课程设计仅对苯甲苯混合液体的精馏装置进展设计，设计苯年产量为70000 吨。依据生产要求设计苯甲苯精馏装置，蒸馏是化工生产中分别均相液体混合物的典型单元操作，其历史悠久，应用广泛。蒸馏的根本原理是将液体混合物局部汽化、全部冷凝，利用其中各个组分挥发度不同而将其分别。其本质是液、气相间的质量传递和热量传递。为使分别彻底，以获得较纯的产品，工业生产中常承受屡次局部汽

6、化、屡次全部冷凝的方法精馏。精馏过程通常是在塔设备内完成的。预热器、冷凝器、再沸器是精馏过程必不行少的设备。他们担当着将物料预热、气化、冷凝等重要任务。而固定管板式换热器更是因其具有工艺简洁、造价低廉、工艺设计成熟、热效率较高等优点而得到广泛的应用，尤其在很多大工业生产中。预热器是一种广泛使用的工艺设备，是化工行业中主要的工艺设备之一。依据换热条件，承受水蒸气作为加热介质，选用列管式换热器。用饱和水蒸汽对冷流体加热属于一侧为恒温流体的传热。由于传热温差为 51.4，温差较大所以需在壳体上设置膨胀节。由于物料需要拆卸清洗，故要承受浮头式换热器。浮头式换热器适用于壳体与管束间壁温差较大或壳程介质易

7、结垢的场合。由于介质为苯和水蒸气，所以苯走管程，水蒸气走壳程。冷凝器同样是一种广泛使用的精馏工艺设备 ,在炼油,化工行业中是主要的工艺设备之一。依据换热条件,承受水作为冷却介质,选用列管式换热器.用自来水对热流体冷却属于一侧为恒温流体的传热。由于传热温差小于50，不设置膨胀节。由于介质为苯蒸气和水，所以水走壳程，苯走管程。工业再沸器主要有容积式与虹吸式两种，本次设计选用容积式再沸器，用水蒸气作为加热介质，物料走管程，蒸气走壳程。原料液为含苯70%质量分数，下同、甲苯30%的混合溶液，温度为20。分别要求为塔釜苯含量不大于0.5%，塔顶产品含苯99.5%、甲苯0.5%。年产量70000吨。苯：分

8、子式 C H ，分子量 78.11，相对密度 0.8794g/cm3(20)。熔点 5.51，沸6 6点 80.1，燃点为 562.22，在常温常压下是无色透亮的液体，并具猛烈的特别芳香气味，有毒。苯遇热、明火易燃烧、爆炸，苯蒸气与空气混合物的爆炸限是 1.4 8.0%。常态下，苯的蒸气密度为 2.77，蒸气压 13.33kPa(26.1 )。苯是常用的有机溶剂，不溶于水，能与乙醇、氯仿、乙醚、二硫化碳、四氯化碳、冰醋酸、丙酮、油等混溶，因此常用作合成化学制品和制药的中间体及溶剂。苯能与氧化剂发生猛烈反响，如五氟化溴、氯气、三氧化铬、高氯酸、硝酰、氧气、臭氧、过氯酸盐、 (三氯化铝+过氯酸氟)

9、、(硫酸+高锰酸盐)、过氧化钾、(高氯酸铝+乙酸)、过氧化钠等。. 苯是染料、塑料、合成橡胶、合成树脂、合成纤维、合成药物和农药等的重要原料，也是涂料、橡胶、胶水等的溶剂，也可以作为燃料。甲苯：分子式CH C H ，分子量 92.14，相对密度 0.866g/cm3(20)。熔点-95，36 5沸点 110.8。在常温下呈液体状，无色、易燃。不溶于水，溶于乙醇、乙醚和丙酮。甲苯简洁发生氯化，生成苯氯甲烷或苯三氯甲烷，它们都是工业上很好的溶剂；它还简洁硝化，生成对硝基甲苯或邻硝基甲苯，它们都是染料的原料；它还简洁磺化， 生成邻甲苯磺酸或对甲苯磺酸，它们是做染料或制糖精的原料。甲苯的蒸汽与空气混合

10、形成爆炸性物质，因此它可以制造梯思梯炸药。分别苯与甲苯的生产工艺：精馏法，膜分别法，萃取法。本次设计承受浮阀精馏塔。其优点为：1. 生产力气大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产力气比泡罩塔板大 20%40%，与筛板塔接近。2. 操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。3. 塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。4. 塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产力气的泡罩塔的 50%80%，但是比筛板塔高 20%30%。5. 塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生

11、产力气的泡罩塔的 50%80%，但是比筛板塔高 20%30%。设计依据1.1 苯甲苯精馏装置进料冷凝器设计任务书1.2 产品苯组成：C H 99.5% (质量分数，下同) 、C H -CH 0.5%6 66 531.3 原料液为常温液体；原料组成：C H70%C H -CH30%1.4 分别要求：塔釜苯含量0.5%6 6,6 53工艺设计计算第一局部 物料衡算2.1 精馏塔物料衡算2.1.1 依据工业生产特点，取平均苯产量为：70000 1000DG =8000= 8750kg/h本次设计以小时产量为计算基准2.1.2 精馏塔物料衡算示意图：组分塔釜进料出料C H6 60.5%70%99.5%

12、C H CH99.5%30%0.5%6 53塔顶采出 D xD进料 F xF塔底采出 W xW2.1.3 各组分质量分数:由于 C H 分子量为 78，C H CH分子量为，则：99.5 78 99.5 78 + 0.5 926 66 53塔顶出料组成 x =D=0.995870 7870 78 + 30 92塔进料组成x =F=0.73350.5 780.5 7899.5 92塔底出料组成 x =W=0.00589故各组分的摩尔分数为：组分塔顶进料塔釜C H6 60.99580.73350.00589C H CH0.00420.26650.994116 53产品的平均相对分子质量 M=0.9

13、95878+10.995892 = 78.06WG故D= MDD8750= 78.06= 112.09 kmol/h2.1.4 用摩尔分率计算进料量及塔顶采出量 ：F = D + WFx = DxFD+ WxW代入数据易解得：F = 152.5kmol/hW = 40.41kmol/h2.1.5 精馏塔物料衡算表出料进料 F塔顶采出 D塔底采出 W组kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%分苯118.86甲33.64苯总152.5量 = 12463.98 kg/h表 2-1 精馏塔物的料衡算表8724.7970111.628706.2599.50.2418

14、.570.53739.19300.4743.750.540.173695.4199.512463.98100112.09875010040.413713.98100DDL,xD2.2 冷凝器物料衡算2.2.1 物料横算示意图：V,yD,x2.2.2 最小回流比确实定由化工原理下册中例 1-1 附表 3 的苯-甲苯气液平衡数据：t/80.18590951001051102.542.512.462.412.37X1.0000.7800.5810.4120.2580.1300y1.0000.8970.7730.6330.4610.2690由 CAD 作图(以以下图所示)： 可读出 Y 轴截距为：0.

15、5186x0.9958故RD+ 1 = minRmin+ 1 = 0.5186WFD则 R =0.92min取 R = 1.5 Rmin，故 R=1.382.2.3 物料横算V = (R+1)D = 112.09(1.38+1)= 266.77 kmol/hL = RD = 1.38112.09= 154.68kmol/h2.2.4 冷凝器物料衡算表出料进料 VDL表 2-3 冷凝器物料衡算表组分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%苯265.6520720.2099.5111.628706.2599.5154.0312023.9599.5甲1.1210

16、4.120.50.4743.750.50.6560.370.5苯总266.7720824.32100111.098750100154.6812074.32100量= 20824.32kg/h其次局部 热量衡算位置进料塔顶塔釜温度110.23580.386.52在 Excel 上试差得各位置温度为：3.1 、 冷凝器的热量衡算20水80.3 苯 20720.20kg/h甲苯 104.12kg/h苯 20720.20kg/h80.3甲苯 104.12kg/h45水图 2.2 . 全凝器热量衡算图=WORD -可编辑专业资料共享=3.1.1 用 CAD 作出苯-甲苯泡点、露点图D从图中读出露点温度为

17、 80.3。3.1.2 进料状况及冷却介质：物料进料为气体，在露点温度下冷凝为液体，温度为 80.3，冷却介质为冷水进口温度 20，选定出口温度 45。出料进料 VDL3.1.3冷凝器物料衡算表组分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%苯265.6520720.2099.5111.628706.2599.5154.0312023.9599.5甲1.12104.120.50.4743.750.50.6560.370.5苯总266.7720824.32100112.098750100154.6812074.32100量= 20824.32 kg/h3.1.4

18、 各组分热力学参数见下表：查化学化工物性数据手册得：汽化潜热kJ/kg-学习资料共享-组分80100120苯394.1379.3363.2甲苯379.4367.1354.2由内差法得：r 苯=393.88 kJ/kg，r 甲苯=379.22 kJ/kg3.1.5 计算放热量Q 放=20720.20393.88+104.12379.22=8202365.76kJ/h3.1.6 冷却介质量冷凝水的平均温度：Tm= 20 + 45 =32.52查化工原理附录七水的物理性质：32.5时，Cp=4.17kJ/(kg*)取 Q 吸=5%Q，则 Q 吸=95%Q 放=0.958202365.76=77907

19、27.47 kJ/h由 Q 吸=Cp水 m D t 得：Q7790727.47冷却介质量m =吸=74731.20 kg/hC Dt4.17 (45 - 20)p水冷凝器热负荷为：q=Q=36008202365.76 =2277.99kJ/s3600设备设计与选型第一局部 设备设计1、流体流径的选择依据流体流径的选择规章以得出结论：冷凝水走管间，物料走管内。2、冷凝器的热负荷qq =Q=8202365.76= 2277.99kJ/s36003600Q 管程流体放出的热量3、流体两端温度确实定物料进口、出口温度为泡点温度 80.3 冷却介质进口温度 20,出口温度 45 传热温度差按逆流方式计算

20、：2(T - t) - (T - t )(80.3 - 45) - (80.3 - 20)t =12 T - t 21=80.3 - 45= 46.69 4、总传热系数ln1T - t21ln 80.3 - 20依据资料初选传热系数 K=510W/m25、换热面积Sq2277.99 103S = 95.67m2KDt510 46.696、初选管程数及单管长度6.1 确定管程流速：依据资料管程流体速度取 u=15m/s6.2 流通截面积 A苯、甲苯的密度分别为 由冷凝器的料衡算表知 m=2.687kg/m3、苯=104.12kg/h、m=3.169 kg/m3甲苯=20720.20kg/hS 甲

21、苯S 苯则V =mS甲苯m+ S苯104.1220720.20=+= 7744.13 m3/hS3.1692.687甲苯苯V7744.13A =S =0.143m2u3600 156.3 单程换热管数n 及管长L选定换热管规格为252mm则换热管数n = 4A =4 0.143=413.07 根d23.14 0.0212i取整得 n=414 根单根管长L =SndO=95.67414 3.14 25 10-3=2.94m取单管长度 L=3m7、筒体直径计算7.1 管中心距：t =1.25d =1.2525=31.25mm；取 t =32mmo最外列管中心距筒壁 b=2d =225=50mmo7

22、.2 中心线上布管数：本设计承受正三角形排列，则nc = 1.1 Nn = 1.1 414 =22.3；取整 nc=237.3 筒体直径：DN= t (n -1)+2b=0.032(23-1)+20.05=0.804mc圆整至规格尺寸 D=900mm8、数据核算8.1 依据算出数据在CAD 中作图：=WORD -可编辑专业资料共享=得实际管数 n=493 根8.2 实际换热面积及流通面积S=nd Lo=4933.140.0253=116.1m2A= nd 2/4=4933.140.0212/4=0.171m2i-学习资料共享-管程实际流速uiV7744.13=S=12.58m/sA”0.171

23、 3600则S”S= 116.195.67 100% = 21.35%S95.678.3 当量直径为：34(t 2- p d3.143-2 )4(322252 )d=240=epd0243.14 25d= 20.19 mm0.025壳程流通面积： SO= hD(1O ) = 0.15 0.9 (1) = 0.0295 m2 t0.032由附表六1查得：32.5下的冷却水的密度 =994.83kg/m3水壳程流速： uO= V =SO74731.200.0295 994.83 3600= 0.71 m/s因 0.2 m/s0.71 m/s1.5 m/s，故符合要求。8.4 流体流淌阻力压强降的计

24、算8.4.1 管程流体阻力：摩擦阻力计算DPi= (DP1+ DP2)F N NiSP式中： D P 每程直管的压降， DP=l u 211d2D P 局部阻力包括回弯；进、出口等， DP= x u 2 3u 22222N 壳程数SN 为一壳程的管程数PF 结垢校正因数，无因次。252.5mm的管子取 F =1.4 ，ii192 mm 的管子取 F =1.5i查附表四1得管程流体物理特性：苯、甲苯密度分别为 =2.687kg/m3、苯=3.169kg/m3甲苯粘度分别为 =0.3067mPas、苯=0.3098mPas甲苯故 =0.99582.687+0.00423.169=2.69kg/m3

25、平=0.9958+0.0042=0.99580.3067+0.00420.3098=0.3067 mPas苯甲苯d u 0.02112.58 2.69R=ii= 2317.1ei0.3067 10-3依据资料表 1-21选管壁粗糙度=0.15则 =di0.1521= 0.00714由图 1-25 查得：摩擦系数=0.035DP =l u2= 0.035 3 2.69 12.582= 1064.27Pa1d20.0212DP =3u2 =3 2.69 12.582= 638.57Pa2所以DPi22= (1064.27 + 638.57) 1.4 11 = 2383.98Pa8.4.2 壳程阻力

26、损失D(N+ 1) u 2DP= BO OSd2e式中：= 1.72R -0.19 ； R= de u OSeeu 按壳程流通截面Sd= hD1 -O 计算所得的壳程流速oOt N 折流挡板数目,d 壳程的当量直径Be查附录九1得：32.5下的水蒸气的密度=994.83kg/m3 黏度=0.7645 mPasd u 0.02023 0.71 994.83则： Re=eO= 186540.7645 10-3* = 1.72R-0.19 = 1.72 18654 -0.19 = 0.2655SeDP= 0.2765 0.9 (19 + 1) 994.83 0.712 O0.020232= 5935

27、2.1Pa=59.35kPa8.5 总传热系数的核算1ddbd1=O+ RO +O+ R+Ka dOiisi ddimsoaO8.5.1 管程传热系数ai查定性温度 tm=(Ts+Tw)/2=(80.3+32.5)/2=56.4下苯、甲苯的物理特性参数:由化学化工物性数据手册查得：苯、甲苯的密度分别是=840.3 kg/m3苯=832.7kg/m3甲苯由化学化工物性数据手册查得：液态苯、甲苯的粘度分别是苯=0.4mPas、=0.3885mPas苯甲由化学化工物性数据手册查得：液态苯、甲苯的导热系数分别是 苯=133.01mW/m =129.61mW/m甲苯由化学化工物性数据手册查得：苯、甲苯的

28、汽化潜热分别是H苯=409.91KJ/kgH =393KJ/kg甲苯则：则： =0.9958840.3+0.0042832.7=840.27 kg/m3L =PM/RT=101.3378.068.314(56.4+273.15) =2.887kg/m3V =0.99580.4+0.00420.3885=0.4mPasL =0.9958133.01+0.0042129.61=133mW/mLH =0.9958409.91+0.0042393=409.84 kJ/kgvt=Ts-Tw=80.3-32.5=47.8管内冷凝传热膜系数求算:1水平管：a= 0.555(g r (rLL- r )l3 H

29、VLV )4 (W / m2 K )im tdLi 9.8 840.27 (840.27 - 2.887) (133 10-3 )3 409.84 103 1/ 4= 0.555 0.4 10-3 47.8 2110-3=1119.578.5.2 壳程传热系数aO32.5下冷却水的物理特性参数查附表七1知：导热系数 =62.17 10-2W/m密度 =994.83kg/m3、黏度 =0.7645 mPas 普朗特数 Pr=5.15 则a= 0.36 R0.55Pr1/3 0.140dee= 4275.01查附表二十二1知：管外污垢热阻 Rso管内污垢热阻 R=1.719710-4m2K/W=0

30、.859810-4m2K/W查资料 P512si附录5不锈钢导热系数=16.93 W/m21ddbd1=O+ RO +O+ R+Ka dOiisi ddimsoaO0.025+ 0.8598 10- 4 0.025 + 0.002 0.025 + 1.719710- 4 +11119.57 0.0210.02116.93 0.0234275.01= 17.010-4则： K=O117.0 10- 4= 588 W/m2=WORD -可编辑专业资料共享=K588O = 1.153K510K1.15 O 1.25 K故换热设计符合要求。其次局部 设备选型(1)封头选取椭圆形封头，标准号为：JB/T

31、 437395，其厚度和圆筒相等，即 8mm公称直径 DN/mm 900曲面高度 h /mm1225直边高度 h /mm225厚度/mm 8(2) 筒体筒体长 L=3000mm，公称直径 DN=900mm，厚度 =8mm t =(20+40)/2=32.5，T =80.3mmT t =80.332.5=47.850，故不需设置膨胀节mm(3) 压力容器法兰甲型及垫片-学习资料共享-=WORD -可编辑专业资料共享=公称直甲型平焊法兰/mm螺柱非金属软垫片径 DNDDDd规格数量Dd135590010309909454023M2032944904(4) 管板固定管板式换热器的管板的主要尺寸：公称

32、直径DDDDbcd螺栓孔数质量 kg13490010309909459424082332(5) 布管限定圆-学习资料共享-=WORD -可编辑专业资料共享=换热器形式D /mmb /mm布管限定圆直径 D /mm固定管板式i3L900(6)拉杆的直径、数量和尺寸：拉杆公称直径 d /mm 数量n拉杆直径 d/mm根本尺寸L /mmaL /mmbb/mm1241915252.0(7)拉杆孔d =12mmnl =1.5d =1.512=18mm2n(8)换热管与管板的连接换热管规格：外径壁厚/mm换热管最小伸出长度 l /mm最小坡口深度 l /mm1219222(9) 接收A、冷凝水进出口接收的

33、直径计算取 u=2m/s 时4Vd=S=4 74731.2= 0.115 m1u3600 3.14 994.83 2承受1407.5mm 热轧无缝钢管，实际物料进出口管内流速为：-学习资料共享-=WORD -可编辑专业资料共享=u=4 74731.2= 1.70 m/s13600 3.14 0.1252 994.83B、物料蒸气进出口接收的直径计算取 u =12.58m/s，则： d22=4 7744.13= 0.467 m3600 3.14 12.58承受48015mm 热轧无缝钢管，实际蒸气进出口管内流速为：(10) 管法兰u=4 7744.1323600 3.14 0.452= 13.5

34、3 m/s管子直径 A /mm1法兰内 螺栓中 公称直径心圆直径B /mm径 K/mmDN/mm1螺栓螺栓孔直孔数径量 nL/mm法兰外径D/mm法兰法兰理论厚度重量C/mmkg物料48048555045022进口1659526物料76781306514416016出口冷 凝水 进14013520012518824018出 口(11) 支座-学习资料共享-=WORD -可编辑专业资料共享=本设计选用鞍式支座BI 型鞍底板公称腹座直径板高螺肋板垫板栓间DN/mml度h1bl1123bb233弧长b距44l2900200 810 150101045012010 10602606590-学习资料共享-=WORD -可编辑专业资料共享=总结对于本次的课程设计，主要是解决相应的工业生产中的物系分别，精馏作为一项比较常用的、成熟的工艺，有着其独特之处。其在化工行业的应用