化工原理课程设计-氯乙烯精馏装置塔顶冷凝器设计.doc

课程设计（论文）全套图纸加扣3012250582 课 程 名 称 化工原理 题 目 名 称 氯乙烯精馏装置塔顶冷凝器设计 学 生 姓 名 学 号 系 、专 业 生化系2011级化学工程工程与工艺 指 导 教 师 2013年 12月 30 日目录课程设计任务书 2一、物料衡算 61.1精馏塔物料衡算61.2冷凝器物料衡算 7二、热量衡算10三、设备设计 13 1.流体流径选择 132、冷凝器热负荷 143、流体两端温度的确定 144、总传热系数145、换热面积 156、初选管程及单管长度 157、筒体直径 168、数据核算189、 流体流动阻力（压强降）的计算19四、设备选型 19五、总结25六、参考文献 28七、致谢 29八、附工程图纸 302011级化工工程专业化工原理课程设计任务书设计课题氯乙烯精馏装置塔顶冷凝器设计一、课程设计目的化工原理课程设计是综合运用化工原理课程、化工制图课程和其他相关先修课程所学知识，完成以化工单元设计为主的一次工程设计，对学生进行一次设计技能的综合训练，培养学生综合运用所学的知识解决实际问题的能力，也为以后的专业设计和毕业设计打下基础。因此，化工原理课程设计是提高学生实际工作能力的重要教学环节。二、已知技术参数和条件1、年产氯乙烯：110000吨2、产品氯乙烯组成C2H3Cl 99.95%（质量分数，下同）、 C2H4Cl2 0.05%3、原料为20的冷液体，原料组成：C2H3Cl 95%、C2H4Cl2 5%4、分离要求：塔底氯乙烯含量0.05%5、操作压力：350kPa（绝压） 三、设计任务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；4、冷凝器换热面积计算；5、冷凝器结构、材质设计；6、冷凝器结构尺寸、工艺尺寸的设计计算等；7、冷凝器总传热系数的校核；8、冷凝器装配图的绘制。四、设计要求要求：1、设计方案简介 ：对产品的性能、用途、工业状况及未来的发展前景进行概括和总结，对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述； 2、工艺设计：选定工艺参数，对单个设备作出衡算示意图，进行物料衡算、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（经验公式）必须交待来源（即何种参考书目，并在参考文献中列出）；3、 设备计算：选择设备的结构形式，并说明理由。进行设备的结构尺寸和工艺尺寸的设计计算；4、 辅助设备选型：典型辅助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：严格按照邵阳学院毕业设计（论文）格式进行编写。设计说明书应按顺序包括以下内容： 1)设计说明书封面；(2)设计任务书； (3)目录； (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、辅助设备设计或选型）； (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A2图纸绘制再沸器装配图（图面应包括设备主视图、俯（左）视图、局部视图等，并配备明细表、管口表、技术性能表、技术要求等），要求采用CAD绘制图纸。五、概 述课程设计是综合应用本门课程和有关先修课程所学知识，完成以单元操作为主的一次设计实践，是培养我们实际动手能力的一个重要环节，是从学生走向工程师必然程序。通过课程设计能使我们掌握工程设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料，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能力方面得到一次基本训练。在设计过程中我们更应该注重树立正确的设计思想和实事求是、严肃认真的工作作风。为我们将来更快的融入社会，更好的适应新的工作提供有力的保障。本次课程设计仅对氯乙烯二氯乙烷混合液体的精馏装置进行设计，设计氯乙烯年产量为110000吨。根据生产要求设计氯乙烯精馏装置，精馏是化工生产中分离均相液体混合物的典型单元操作，其历史悠久，应用广泛。精馏的基本原理是将液体混合物部分汽化、全部冷凝，利用其中各个组分挥发度不同而将其分离。其本质是液、气相间的质量传递和热量传递。为使分离彻底，以获得较纯的产品，工业生产中常采用多次部分汽化、多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。冷凝器是精馏过程必不可少的设备。它承担着将物料冷凝的重要任务。而固定管板式换热器更是因其具有工艺简单、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。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。根据换热条件,采用水作为冷却介质,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。由于介质为有机质蒸气和水，所以水走壳程，有机质走管程。原料液为含氯乙烯95%（质量分数，下同）、二氯乙烷5%的混合溶液。分离要求为塔釜氯乙烯含量不大于0.05%，年产量110000（吨）。氯乙烯又名乙烯基氯（Vinyl chloride）是一种应用于高分子化工的重要的单体，可由乙烯或乙炔制得。为无色、易液化气体，沸点-13.9，临界温度142，临界压力5.22MPa。氯乙烯是有毒物质，肝癌与长期吸入和接触氯乙烯有关。它与空气形成爆炸混合物，爆炸极限4%22%（体积），在加压下更易爆炸，贮运时必须注意容器的密闭及氮封，并应添加少量阻聚剂。本次设计采用填料精馏塔。其优点为：1生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大 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能力的泡罩塔的 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产能力的泡罩塔的 50%80%，但是比筛板塔高 20%30%。1.物料衡算1.1设计依据（已知技术参数和条件）1.1.1 化工原理课程设计任务书1.1.2 年产年产氯乙烯110000吨，根据工业生产中连续生产的特点，取年均生产时间为8000小时，即小时产量为：110000103/8000=13750kg/h，本设计以小时产量为计算基准。含氯乙烯 1375099.95%=13743.125kg/h=219.89kmol/h含二氯乙烷 137500.05%=6.875kg/h=0.0694kmol/h1.1.3 原料为常温液体，原料组成：C2H3Cl 95%、C2H4Cl2 5% 1.1.4 分离要求：塔釜氯乙烯含量不大于0.05%1.2精馏塔物料衡算 1.2.1物料衡算示意图图1 1.2.2用质量分率计算进料量及塔釜采出量 由 = + XF= XD+ XW 其中XF =95% XD =99.95% XW 0.05% 求得=14466kg/h =716kg/h 1.2.3计算摩尔量、摩尔分率 由于氯乙烯分子量为62.58，二氯乙烷的分子量为99 则D= kg/kmolkg/kmol kg/kmol 1.2.4精馏塔物料衡算表表1精馏塔物的料衡算表进料F出料塔顶采出D塔底采出W组分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%氯乙烯219.913742.795219.81373999.970.050.360.05二氯乙烷7.3723.350.042110.03 7.23715.6499.95总计227.214466100219.8137501007.28716100总量进=14466kg/h出= 14466kg/h进=出13冷凝器物料衡算1.3.1、 操作回流比选取图2冷凝器物料衡算示意图冷凝器 1）根据设计条件和数据作物系气液平衡线（xy图）安托尼方程： P：在溶液温度下纯组分的饱和蒸汽压 Pa t：温度 K查化工手册得氯乙烯安托尼方程因数A:6.83589 B:992 B:230二氯乙烷的安托尼方程因数A:7.18531 B:1358.46 C:232.24 表2 X-Y计算温度T318.6压强kPa350组成xilgPiPipixiyi0.13.2364705521723.735205172.37352050.4924957732.295949217197.6738481177.90646330.508304181350.27998381.000799954温度T308.1压强kPa350组成xilgPiPipixiyi0.23.0939058431241.383141248.27662820.7093617952.103915521127.0326977101.62615820.290360452349.90278640.999722247温度T300.4压强kPa350组成xilgPiPipixiyi0.32.981966146959.3258477287.79775430.8222792981.95321941389.7882305562.851761380.179576461350.64951571.001855759温度T294.4压强kPa350组成xilgPiPipixiyi0.42.889987056776.2239821310.48959280.8871131221.82945130367.5229336440.513760180.115753601351.0033531.002866723温度T289.5压强kPa350组成xilgPiPipixiyi0.52.811549229647.9615404323.98077020.9256593431.72394471952.9596027726.479801390.075656575350.46057161.001315919温度T285.5压强kPa350组成xilgPiPipixiyi0.62.745168351556.1197905333.67187430.9533482121.63468484743.1206051217.248242050.049280692350.92011641.002628904温度T282.1压强kPa350组成xilgPiPipixiyi0.72.686998323486.4053273340.48372910.9728106551.55648759236.0153460310.804603810.030870297351.28833291.003680951温度T279.1压强kPa350组成xilgPiPipixiyi0.82.634280512430.8047791344.64382330.9846966381.48563726430.594070536.1188141060.017482326350.76263741.002178964温度T276.5压强kPa350组成xilgPiPipixiyi0.92.587495996386.8084882348.12763930.9946503981.42277500426.471283782.6471283780.007563224350.77476771.002213622温度T274.2压强kPa350组成xilgPiPipixiyi12.545232561350.9397485350.93974851.0026849961.36599882823.2273052800350.93974851.0026849961) X-Y图图3 回流比计算2) 计算最小回流比Rmin，确定实际回流比利用平衡线（xy图）求取最小回流比Rmin（泡点进料q=1）由图得最小截距：XD/(Rmin +1)=0.9685：Rmin =0.033) 确定实际回流比： R=1.2Rmin =0.0361.3.2进料量及组成确定D = 219.8 kmol/hV = (R+1)D = （0.36+1）219.8=298.9 kmol/h V/=V L = RD =0.036 219.8=79.1 kmol/h VYD=LXD+DXD YD=XD=0.9997 表3冷凝器物料衡算表冷凝器进料V出料冷凝器顶采出D冷凝器底采出L组分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%氯乙烯298.818669.599.97219.713731.2599.9779.14941.999.97二氯乙烷0.065.90.0030.00650.650.003 0.0611.560.003总计298.914234.54100219.813731.9100.0079.1284943.5100.00总量进=18675.4kg/h 出=18675.4kg/h进=出2、热量衡算2.1 冷凝器的热量衡算 2.1.1确定塔顶、塔底控制温度表4.1进料温度T274.9压强kPa350组成xFlgPiPipixiyi0.96782.558184092361.5630925349.92076090.9997736031.38339661524.176677360.7784890110.002224254350.69924991.001997857表4.2塔顶温度T274.1压强kPa350组成xDlgPiPipixiyi0.99972.543375937349.4426714349.33783860.998108111.36350490923.094305620.0069282921.97951E-05349.34476690.998127906表4.3塔底温度T压强kPa350组成xWlgPiPipixiyi0.00083.4187353322622.619782.0980958240.0059945592.54163734348.0465553347.76811810.993623195349.86621390.999617754泡点温度T=274.1K=1OC 露点温度T= 333.3 K=60.3OC进料温度T=274.9 K=1.8OC2.1.2已知条件1）变化过程：冷却水从-20OC升温到-10 OC，物料由饱和蒸汽变为饱和液体2）冷凝器的物料组成表 表3冷凝器物料衡算表冷凝器进料V出料冷凝器顶采出D冷凝器底采出L组分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%氯乙烯298.818669.599.97219.713731.2599.9779.14941.999.97二氯乙烷0.0685.90.030.00650.650.030.0161.560.03总计298.918675.4100219.813731.9100.0079.134943.5100.00总量进=18675.4kg/h 出=18675.4kg/h进=出2.1.3、各组分热力学参数见下表：查化学化工物性数据手册得： 表4汽化潜热组分1氯乙烯19.97 kJ/mol二氯乙烷31.61 kJ/mol2.1.4、计算 1）物料冷凝所放出的热量 =227640*19.97+68*31.61 =4548120.28kJ/h2）冷却水量的计算冷凝水的平均温度：Tm=-15查化工原理附录六（水的物理性质）：-20时，Cp=4.254kJ/(kg) -10时，Cp=4.233kJ/(kg)取Q吸=1.03Q放 =1.03*4548120.28 =4684563.88kJ/h由得： =4684563.88/（4.254+4.233）*10/2=110367.86kg/h3、冷凝器的工艺设计3.1流体流径的选择因盐水有腐蚀性所以：冷盐水水走管程，有机质走壳程。3.2冷凝器的热负荷q=4684563.88/3600=1301.26kJ/sQ 壳程流体放出的热量3.3流体两端温度的确定物料进口、出口温度为泡点温度1冷却介质进口温度-20,出口温度-10传热温度差（按逆流方式计算）： =15.463.4总传热系数K初选传热系数K=700W/m23.5换热面积S的计算=1301260/（700*15.46）=1583.6初选管程数3.6.1 确定管程流速u：取管程流体速度为u=0.6m/s 3.6.2流通截面积A Vs=m/=110367.86/1000=110.36m/h=0.031m/sA= Vs /U =0.031/0.6=0.0673.6.3 单程换热管数根据物料特性，选定换热管规格为252mm流体流通截面积则换热管数n=40.067/(3.140.0210.021)=193.7圆整194 3.6.4单根换热管长度L 单根管长=158/(1943.140.025)=10.3圆整12则管长为6m管程为2 n=3883.7.1 管中心距：t =1.25do=1.2525=31.25mm；取t =32mm （焊接） 最外列管中心距筒壁t=50mm3.7.2 中心线上布管数：本设计采用正三角形排列，则 =22 取整=223.7.3筒体直径的计算：DN= t (nc-1)+2t=32(21-1)+250=740mm 圆整为800mm3.8数据核算3.8.1按照算出数据在CAD中作图： 图4 实际管数得实际管数n实=432根3.8.2实际换热面积SS=Ln实d0 =64323.140.025=203m2=28% 所以符合条件3.8.3折流挡板壳程流速： Vs=nRT/P=227700*8.314*274/350000=1482m3/h=0.412m3/s0.412/（3.14*0.8*0.8/4-3.14*432*0.025*0.025/4）=1.86m/s故需添加折流挡板h=(0.51)D ,D=800mm,取h=0.5D=400mm =6000/400-112壳程流速： =1.86/0.8*0.4(1-0.025/0.032)=7.7m/s因5m/s7.7 m/s15 m/s，故符合要求。管程流速： =0.031/(0.0210.021（432/2）/4)=0.54m/s当量直径：mm 3.8.4管程流体对流 传热系数 定性温度:定性温度下:冷盐水的密度为1000 kg/m3， 比热容为4.24 kj/kg， 黏度为0.00231Pas， 导热系数为0.526W/mk。=0.021*0.54*1000/0.00231=4893（湍流）=4.24*1000*0.00231/0.526=18.6=0.86=1433W/m23.8.5壳程流体传热系数=14234.5*350000/274.5*227700*8.314=9.6kg/m=11.1=0.75*(19.97/0.0625/0.0002254/0.025/11.10.666666/16*9.81*944.32*0.13393*1000)0.25=1855/m23.8.6核算总传热系数K值=0.021/1320/0.025+0.00017197*21/25+0.002*25/23/45+0.00008598+1/816=712W/m2KK3.9 流体流动阻力（压强降）的计算根据资料表1-21选管壁粗糙度=0.2则由化工原理上册52页-Re图查得：摩擦系数=0.048 式中：P1每程直管的压降， P2局部阻力（包括回弯；进、出口等）， NP为一壳程的管程数 Fi 结垢校正因数，无因次。252 mm的管子取Fi=1.4， =0.526*(6/0.02)*(1000*0.542/2)=21765.6Pa =3*1000*0.542/2=437.4Pa=（7101+135）*1.4*2=62168.5Pa壳程压力降：=0.5*20*0.74（12+1）*9.6*7.7/2=27377.8Pa=12*(3.5-2*0.4/0.8)*9.6*7.7/2=8537.8Pa=（27377.8+8537.8）*1.4*1=50281.8Pa4 结构尺寸设计4.1筒体 筒体长L=6000mm，公称直径DN=800mm，厚度=8mm 4.2椭圆形封头选取椭圆形封头，标准号为：JB/T 4746-2002，其厚度和圆筒相等，即10mm图5.1 封头表5.1封头尺寸公称直径DN/mm曲面高度h1/mm直边高度h2/mm厚度/mm8002002584.3压力容器法兰（甲型） 图5.2容器法兰 表5.2法兰尺寸公称直径DN甲型平焊法兰/mm螺柱DD1D3d规格数量8009308908454023M20244.4膨胀节 Tm=1 小于50，故不需设置膨胀节。4.5管板图5.3管板固定管板式换热器的管板的主要尺寸： 表5.3管板尺寸公称直径DD1D3D4bcd螺栓孔数80093089084584236820244.6拉杆的直径、数量和尺寸：图5.4拉管表5.4拉杆尺寸拉杆公称直径dn/mm数量基本尺寸拉杆直径d/mmLa/mmLb/mmb/mm12419152.0 4.7拉杆孔 图5.5拉杆孔 dn=16mm l2=1.5dn=1.512=24mm 图5.5 4.8换热管与管板的连接 表5.4换热管尺寸换热管规格：外径壁厚/mm换热管最小伸出长度l1/mm最小坡口深度l2/mm25222 4.9接管的计算 1）冷凝水进出口接管的直径计算 取u=0.54m/s时m 采用2997mm热轧无缝钢管，实际物料进出口管内流速为： 2）物料蒸气进出口接管的直径计算 取u2=7.7m/s，则：m 采用2456.5mm热轧无缝钢管，实际蒸气进出口管内流速为：m/s实际蒸气出口：采用5609mm热轧无缝钢管，实际蒸气进出口管内流速为：m/s3）管法兰 图5.6管法兰表5.5管法兰尺寸管子直径A1/mm法兰内径B1/mm螺栓中心圆直径K/mm公称直径DN/mm螺栓孔直径L/mm螺栓孔数量n法兰外径D/mm法兰厚度C/mm物料进口245276235250181237524物料出口560636705600262075530冷凝水进出口2993283953002212440244)支座 本设计选用鞍式支座（BI型） 图5.7支座公称直径DN/mm鞍座高度h底板腹板2肋板垫板螺栓间距l2l1b11l3b2b33弧长b438002007201501010400120109402606530表5.6支座尺寸 课程设计总结三周的课程设计结束了，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。我的课程设计是氯乙烯二氯乙烷冷凝器设计图。在开始时，我们不知道如何下手，书中的计算步骤看起来比较简单，但其书上的计算步骤与我们自己的计算步骤有少许差异，在这些差异面前，我们显得有些不知所措，通过查阅化工原理，化工工艺设计手册，物理化学，化工原理课程设计等书籍，和在网上搜索到的理论和经验数据。我们慢慢地找到了符合我们课程设计是实验数据。并逐渐建立了自己的模版，自己的计算过程。在实际计算过程中，我们还发现由于没有及时将所得结果总结，以致在后面的计算中不停地来回翻查数据，这会浪费了大量时间。为此，在计算完物料衡水后，把其可能被后来计算所用到的重要数据列于几张数据表中，方便自己在计算时