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甲苯
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设计
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化工原理课程设计课程设计题目名称苯甲苯冷凝器工艺设计课程名称学生姓名学号系、专业指导教师20年月日化工原理课程设计2目录一、课程设计任务书3二、概述5三、设计依据7四、物料横算721精馏塔物料横算722冷凝器物料横算8五、热量横算1131冷凝器热量横算11六、设备设计1341流体流径选择1342冷凝器热负荷1343流体两端温度的确定1344总传热系数1345换热面积1346初选管程及单管长度1347筒体直径计算1448数据核算14七、设备选型16八、总结22九、参考文献23十、致谢24十一、附工程图纸25化工原理课程设计3课程设计任务书年级专业学生姓名学号题目名称苯甲苯溶液精馏装置冷凝器设计设计时间20年下第1619周课程名称课程编号设计地点一、课程设计目的化工原理课程设计是综合运用化工原理、工程制图、物理化学等专业基础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、年产甲苯30000吨（年生产时间按8000小时计算）2、产品甲苯的组成C7H8995（质量分数，下同）、C6H6053、原料为常温液体，原料组成C7H870、C6H6304、分离要求塔顶甲苯含量不大于1三、任务和要求任务1、精馏单元物料衡算；2、冷凝器热量衡算；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。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、编写设计说明书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；8参考文献；9致谢；（10）附工程图纸。6、绘制主要设备的装配图用A2图纸绘制冷凝器装配图（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。注1此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。化工原理课程设计4四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）1刘光启马连湘刘杰主编化学化工物性数据用册有机卷化学工业出版社200232中国石化集团上海工程有限公司编化工工艺设计手册化学工业出版社200383匡国柱化工单元过程及设备课程设计北京化学工业出版社，20094申迎华化工原理课程设计北京；化学工业出版社，20095兰州石油机械研究所主编换热器（上）化学工业出版社19866谭天恩化工原理（上、下）北京化学工业出版社，20067陈敏恒化工原理（上、下）北京化学工业出版社，2006五、进度安排2014年12月16日12月21日课程设计动员大会，查阅、收集相关资料2014年12月22日12月31日根据设计任务进行工艺比较并进行工艺设计计算2015年1月1日1月5日根据工艺计算结果进行设备设计计算2015年1月6日1月10日根据设备设计结果绘制并打印设备装配图2015年1月11日12月13日整理完善设计资料、数据，编制规范的设计说明书。2015年1月14日1月17日设计评阅和成绩评定，资料整理归档。六、教研室审批意见选题科学、合理，设计工作量饱满，同意按计划进行。教研室主任（签字）2014年12月13日七|、主管教学主任意见同意实施主管主任（签字）2014年12月14日八、备注化工原理课程设计5指导教师（签字）学生（签字）二、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。本次课程设计仅对苯甲苯混合液体的精馏装置冷凝段进行设计，设计苯年产量为30000吨。根据生产要求设计苯甲苯精馏装置，蒸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。蒸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。预热器、冷凝器、再沸器是精馏过程必不可少的设备。他们承担着将物料预热、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。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。根据换热条件，采用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514，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，故要采用浮头式换热器。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。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化工原理课程设计6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30（质量分数，下同）、甲苯70的混合溶液，温度为20。分离要求为塔釜苯含量不大于1，塔顶产品含苯995、甲苯05。年产量30000（吨）。苯分子式C6H6，分子量7811，相对密度08794G/CM320。熔点551，沸点801，燃点为56222，在常温常压下是无色透明的液体，并具强烈的特殊芳香气味，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1480。常态下，苯的蒸气密度为277，蒸气压1333KPA261。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。苯能与氧化剂发生剧烈反应，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、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CH3（C6H5），分子量9214，相对密度0866G/CM320。熔点95，沸点1108。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。甲苯容易发生氯化，生成苯氯甲烷或苯三氯甲烷，它们都是工业上很好的溶剂；它还容易硝化，生成对硝基甲苯或邻硝基甲苯，它们都是染料的原料；它还容易磺化，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形成爆炸性物质，因此它可以制造梯思梯炸药。分离苯与甲苯的生产工艺精馏法，膜分离法，萃取法。化工原理课程设计7三、设计依据11苯甲苯精馏装置进料冷凝器设计任务书12产品苯组成C7H8995质量分数，下同、C6H50513原料液为常温液体；原料组成C7H870,C6H53014分离要求塔釜苯含量1四、物料衡算21精馏塔物料衡算211年产甲苯30000，年生产时间8000小时，则平均苯产量为GD3750KG/H（本次设计以小时产量为计算基准）8013212精馏塔物料衡算示意图进料FX塔顶采出D塔底采出W图21213已知各组分质量分数表21精馏塔各组分质量分数组分塔釜进料出料C6H6053099C7H8995701由于C6H6分子量为78，C7H8分子量为92，则化工原理课程设计8塔顶出料组成XD0991592178塔进料组成XF0335803塔底出料组成XW0005992578故各组分的摩尔分数为表22精馏塔各组分的摩尔分数C7H8000850664209942组分塔顶进料塔釜C6H6099150335800058产品的平均相对分子质量0991578（109915）927812G/MOLDMG/MOL8739203578360F00058978100058992919G/MOLWW3750KG/HW4081KMOL/H915214用摩尔分率计算进料量及塔顶采出量FDWFXFDXDWXW代入数据易解得F6424KMOL/HD2414KMOL/H215精馏塔物料衡算表表23精馏塔物的料衡算表出料进料F塔顶采出D塔底采出W组分KMOL/HKG/HWTKMOL/HKG/HWTKMOL/HKG/HWT苯19271690923023911867549904118751甲苯449739454870024186414061373125992415188642100408163750100总量64565636410056364KG/H化工原理课程设计922冷凝器物料衡算221物料横算示意图图22物料衡算图222最小回流比的确定表24苯甲苯气液平衡1（例11附表2）T/8018590951001051106X1000078005810412025801300Y1000090007770633045602620根据设计条件和数据作物系气液平衡线（XY图）V,DL化工原理课程设计10图23苯甲苯气液平衡相图223、计算最小回流比RMIN，确定实际回流比从以上CAD图中可读出Y轴截距为0553XQ，YQ034,0553）故670392051MINQDX则RMIN203取R15RMIN，故R305LRD30524157376KMOL/HVLD241573659780KMOL/H化工原理课程设计11234冷凝器物料衡算表表25冷凝器物料衡算表出料进料VDL组分KMOL/HKG/HWTKMOL/HKG/HWTKMOL/HKG/HWT苯9682575656999239118649899729156869899甲苯0978764210242208107468081241518870610073065575506100总量9780764212100764212KG/H五热量衡算31冷凝器的热量衡算311进料状况及冷却介质20水苯756569KG/H801苯756569KG/H801甲苯7642KG/H甲苯7642KG/H45水图31全凝器热量衡算图物料进料为气体，在露点温度下冷凝为液体，温度为801，冷却介质为冷却化工原理课程设计12进口温度20，选定出口温度45。31冷凝器物料衡算表进料V出料DL组分KMOL/HKG/HWTKMOL/HKG/HWTKMOL/HKG/HWT苯9682575656999239118649899729156869899甲苯0978764210242208107468081总量9780764212100241518870610073065575506100764212KG/H312用CAD作出笨甲苯泡点、露点图化工原理课程设计13图32笨甲苯泡点、露点图从CAD图中读出。180DT313各组分热力学参数见下表表32笨甲苯汽化潜热表2组分80100120苯394137933632甲苯379436713542由内差法得R苯39373KJ/KG，R甲苯37909KJ/KG314计算放热量21RMQQ放75656939373764237909304363861KJ/H315冷却介质量冷凝水的平均温度TM325245030时，CP417KJ/KG3（P338附录六取Q吸2Q，则Q吸98Q放098304363861298276584KJ/H化工原理课程设计14由Q吸CP水MT得冷却介质量2858424KG/H204517896水吸C冷凝器热负荷为Q84546KJ/S30Q13六、设备设计41流体流径的选择根据流体流径的选择规则以得出结论冷凝水走管间，物料走管内。42冷凝器的热负荷QQ84546KJ/S360Q61438Q管程流体吸收的热量43流体两端温度的确定物料进口、出口温度为泡点温度801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）486201845LN0TTLNT12144总传热系数按照资料初选传热系数K690W/2M45换热面积S2364869015TKQ46初选管程数及单管长度461确定管程流速根据资料管程流体速度取U15M/S462流通截面积A苯、甲苯的密度分别为苯2687KG/M3、甲苯3169KG/M3由表23精馏塔物的料衡算表知MS甲苯7642KG/H、MS苯75669KG/H化工原理课程设计15则M3/H782967519342MVSS苯苯甲苯甲苯0053M2560782UA463单程换热管数N及管长L选定换热管规格为2525MM则换热管数1687根22I01435D取整得N169根单根管长199M3O1569NSL取单管长度L2M47筒体直径计算471管中心距T125DO125253125MM；取T32MM最外列管中心距筒壁B2DO22550MM472中心线上布管数本设计采用正三角形排列，则143；取整NC15169NN1C473筒体直径DNTNC12B0032161400250548M圆整至规格尺寸D06M600MM48数据核算481按照算出数据在CAD中作图得实际管数N217根化工原理课程设计16482实际换热面积及流通面积SNDOL217314002523407M2ANDI2/42173140022/40068M2管程实际流速1160M/S360879AVUSI则41362074S因，故初选换热器合格910483当量直径为MM1920251434202DTE壳程流通面积0276MNDDS30下的冷却水的密度水9957KG/M33（附表七壳程流速M/S4595176084VUOSMTDHDVS/207981032100水因02M/S0202M/S15M/S，故符合要求。484流体流动阻力（压强降）的计算4841管程流体阻力摩擦阻力计算PSI21INFP式中P1每程直管的压降，2UDL1P2局部阻力（包括回弯；进、出口等），3P22NS壳程数NP为一壳程的管程数FI结垢校正因数，无因次。2525MM的管子取FI14，192MM的管子取FI15选管壁粗糙度020化工原理课程设计17相对粗糙度012ID管程流体物理特性4附表4得35P苯、甲苯密度分别为3/KG879M苯3/867MKG甲苯粘度分别为SA0苯SPA50甲苯1505910甲苯苯P736502982平IEIUDR摩擦系数00385（图127）52PA9473617032DLP21PAPA83961987U322故PSIINFP2114756A3759404842壳程阻力损失2UD1DPOEBSO式中；190R7EDUO按壳程流通截面计算所得的壳程流速TD1HDSOONB折流挡板数目,DE壳程的当量直径30下的水的密度9957KG/M3黏度08007MPAS3附录7）则625071180792UDR3OE46572119ES630HLNB2P0OUDNDEBS20795214PA17化工原理课程设计18七、设备设计1封头选取椭圆形封头，标准号为JB/T437395，其厚度和圆筒相等，即6MM公称直径DN/MM曲面高度H1/MM直边高度H2/MM厚度/MM6001502562筒体筒体长L2000MM，公称直径DN600MM，厚度6MMTM2045/2325，TM801TMTM80132547650，故不需要设置膨胀节3压力容器法兰（甲型）及垫片化工原理课程设计194管板固定管板式换热器的管板的主要尺寸公称直径DD1D3D4BCD螺栓孔数质量KG60071568062064032618245布管限定圆换热器形式DI/MMB3/MM布管限定圆直径DL/MM甲型平焊法兰/MM螺柱非金属软垫片公称直径DNDD1D3D规格数量D5D56007156806403218M1624639603化工原理课程设计20固定管板式6006拉杆的直径、数量和尺寸基本尺寸拉杆公称直径DN/MM数量拉杆直径D/MMLA/MMLB/MMB/MM124161525207拉杆孔DN12MML215DN151218MM8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L1/MM最小坡口深度L2/MM2525229接管A、冷凝水进出口接管的直径计算取U2M/S时M071295143608UV4DS1采用8045MM热轧无缝钢管，实际物料进出口管内流速为化工原理课程设计21M/S591708143625U1B、物料蒸气进出口接管的直径计算取U21160M/S，则M29406143682D2采用325125MM热轧无缝钢管，实际蒸气进出口管内流速为M/S51304367892210管法兰管子直径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法兰理论重量KG物料进口325328395300231244022物料出口575911050
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