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甲苯
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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8四、工艺设计计算8五、物料横算821精馏塔物料横算822预热期物料横算923冷凝器物料横算1024再沸器物料横算11六、热量横算1231预热器热量横算1232冷凝器热量横算1333再沸器热量横算15七、设备设计与选型17八、设备设计171、精馏塔理论塔板数172、确定实际塔板数N，确定实际加料位置X173、流体流径选择184、冷凝器热负荷185、流体两端温度的确定186、总传热系数197、换热面积198、初选管程及单管长度199、筒体直径计算1910、数据核算20九、设备选型24十、总结29十一、参考文献30十二、致谢31十三、附工程图纸32化工原理课程设计3课程设计任务书设计课题苯甲苯精馏装置进料冷凝器设计一、设计条件1、年产苯20000吨2、产品苯组成C6H699质量分数，下同、C6H5CH313、原料液为常温液体；原料组成C6H640,C6H5CH3604、分离要求塔釜苯含量1二、设计内容1、物料衡算（精馏塔、预热器、冷凝器、再沸器）2、热量衡算（预热器、冷凝器、再沸器）3、精馏塔理论塔板数4、冷凝器热负荷计算5、冷凝器换热面积计算6、冷凝器结构、材质选择7、冷凝器结构尺寸、工艺尺寸的设计计算等8、冷凝器总传热系数的校核9、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、辅助设备选型化工原理课程设计4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、设计说明书的编写要求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A1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，并配备明细表、管口表、技术性能表、技术要求等），要求采用CAD制图。指导老师二O年月日化工原理课程设计5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进行设计，设计苯年产量为20000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。化工原理课程设计6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40（质量分数，下同）、甲苯60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99、甲苯1。年产量20000（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。本次设计采用浮阀精馏塔。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2040，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化工原理课程设计7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5080，但是比筛板塔高2030。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5080，但是比筛板塔高2030。化工原理课程设计8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C6H699质量分数，下同、C6H5CH3113原料液为常温液体；原料组成C6H640,C6H5CH36014分离要求塔釜苯含量1工艺设计计算第一部分物料衡算21精馏塔物料衡算211根据工业生产特点，取年平均工作日为300天，则平均苯产量为GD277778KG/H（本次设计以小时产量为计算基准）24301212精馏塔物料衡算示意图213已知各组分质量分数进料FX塔顶采出D塔底采出W组分塔釜进料出料C6H614099C6H5CH399601由于C6H6分子量为78，C6H5CH3分子量为，则塔顶出料组成XD099159217化工原理课程设计9塔进料组成XF044029260784塔底出料组成XW001181故各组分的摩尔分数为组分塔顶进料塔釜C6H6099150440200118C6H5CH3000850559809882产品的平均相对分子质量0991578（109915）927812WM故D3556KMOL/HDG1278214用摩尔分率计算进料量及塔顶采出量FDWFXFDXDWXW代入数据易解得F8132KMOL/HW4576KMOL/H215精馏塔物料衡算表表21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357827920340352627509905442021甲苯45544188056003277814522416028993556277778100457642023100总量8132698008100698008KG/H23冷凝器物料衡算231物料横算示意图232最小回流比的确定V,YXL化工原理课程设计10由化工原理下册中例11附表3的苯甲苯气液平衡数据T/801859095100105110254251246241237X1000078005810412025801300Y1000089707730633046102690由CAD作图右图所示可读出Y轴截距为03943故39401R5XMININD则RMIN151取R15RMIN，故R227取R23233物料横算VR1D355623111735KMOL/HLRD2335568179KMOL/H234冷凝器物料衡算表表23冷凝器物料衡算表出料进料VDL组分KMOL/HKG/HWTKMOL/HKG/HWTKMOL/HKG/HWT苯11635907571993526275099810963255499甲苯10916710327781076389135562777781008179638943100总量11735916738100916738KG/H化工原理课程设计11第二部分热量衡算32、冷凝器的热量衡算20水805苯907571KG/H苯907571KG/H805甲苯9167KG/H甲苯9176KG/H40水图22全凝器热量衡算图321用CAD作出笨甲苯泡点、露点图从图中读出露点温度为805。322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805，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。323冷凝器物料衡算表出料进料VDL组分KMOL/HKG/HWTKMOL/HKG/HWTKMOL/HKG/HWT苯11635907571993526275099810963255499甲苯10916710327781076389135562777781008179638943100总量11735916738100916738KG/H324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）组分80100120苯394137933632甲苯379436713542由内差法得R苯39373KJ/KG，R甲苯37909KJ/KG325计算放热量Q放90757139373976737909361032627KJ/H326冷却介质量冷凝水的平均温度TM30240查化工原理附录六（水的物理性质）30时，CP417KJ/KG取Q吸3Q，则Q吸97Q放097361032627350201648KJ/H由Q吸CP水MT得化工原理课程设计13冷却介质量4195037KG/H204178356TQMP水吸C冷凝器热负荷为Q100287KJ/S0设备设计与选型第一部分设备设计。3、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。4、冷凝器的热负荷QKJ/S241036850QQ管程流体吸收的热量5、流体两端温度的确定物料进口、出口温度为泡点温度805冷却介质进口温度20,出口温度40传热温度差（按逆流方式计算）83492058LN40TTLNT1216、总传热系数按照资料初选传热系数K520W/M27、换热面积S23M68495201TKQ8、初选管程数及单管长度81确定管程流速根据资料管程流体速度取U15M/S82流通截面积A苯、甲苯的密度分别为苯2687KG/M3、甲苯3169KG/M3由表21精馏塔物的料衡算表知MS甲苯9176KG/H、MS苯907571KG/H化工原理课程设计14则M3/H5940687219163MVSS苯苯甲苯甲苯0063M256094UA83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2006根22I01436D取整得N201根单根管长27M3O158NSL取单管长度L3M9、筒体直径计算91管中心距T125DO125253125MM；取T32MM最外列管中心距筒壁B2DO22550MM92中心线上布管数本设计采用正三角形排列，则156；取整NC16201NN1C93筒体直径DNTNC12B003216140025058M圆整至规格尺寸D06M600MM10、数据核算101按照算出数据在CAD中作图得实际管数N217根102实际换热面积及流通面积化工原理课程设计15SNDOL21731400253511M2ANDI2/42173140022/40068M2管程实际流速139M/S3608594AVUSI则16385S103当量直径为MM1920251434202DTE壳程流通面积M273560TDHDSOO由附表六1查得30下的冷却水的密度水9957KG/M3壳程流速M/S3607950142VUO因05M/S06M/S24M/S，故符合要求。104流体流动阻力（压强降）的计算1041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查附表四1得管程流体物理特性苯、甲苯密度分别为苯2687KG/M3、甲苯3169KG/M3粘度分别为苯03067MPAS、甲苯03098MPAS故KG/M309152687051692IX平化工原理课程设计1609915苯00085甲苯0991503067000850309803067MPAS6243810367982UDR3IEI根据资料表121选管壁粗糙度015则5201DI由图125查得摩擦系数0035PA341622893603ULP21PA712所以PA1594871364I1042壳程阻力损失2UDDNPOEBSO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壳程的当量直径查附录九1得30下的水蒸气的密度9957KG/M3黏度08007MPAS则150648079621UDROE2779ESPA3578KPA921650PO105总传热系数的核算OSOMOISIO1RDBDK1051管程传热系数I查定性温度TMTSTW/2805430/25525下苯、甲苯的物理特性参数由附录十七1查得苯、甲苯的密度分别是苯84152KG/M3化工原理课程设计17甲苯83379KG/M3由附录十五1查得液态苯、甲苯的粘度分别是苯04057MPAS、苯甲03934MPAS由附录十一1查得液态苯、甲苯的导热系数分别是苯13339MW/M甲苯12999MW/M由附录十一1查得苯、甲苯的汽化潜热分别是H苯41062KJ/KGH甲苯39364KJ/KG则则L0991584152000858337984145KG/M3VKG/M3PM1037829RT8451（）L0991504056000850393304056PASL09915133380008501299813336MW/MHV09915410600085393641048KJ/KGTTSTW80530505管内冷凝传热膜系数求算水平管132405/LVLIIGHWMKTD4/133310251045608468981911174451052壳程传热系数O30下冷却水的物理特性参数查附表六1知导热系数6176102W/M密度9957KG/M3、黏度08007MPAS普朗特数PR542则014051/30E36RPRD3051/3329697422987383879化工原理课程设计18查附表二十二1知管外污垢热阻RSO17197104M2K/W管内污垢热阻RSI08598104M2K/W查资料P512附录5不锈钢导热系数1693W/M2OSOMOISIO1DBRDK17938107190259316025185902417441561104则W/M2165K4O2301O故换热设计符合要求。第二部分设备选型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/MM600150256化工原理课程设计192筒体筒体长L3000MM，公称直径DN600MM，厚度6MMTM2040/230，TM805TMTM8053050550，故需设置膨胀节3压力容器法兰（甲型）及垫片4管板固定管板式换热器的管板的主要尺寸甲型平焊法兰/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DN12MM化工原理课程设计21L215DN151218MM8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/MM192229接管A、冷凝水进出口接管的直径计算取U2M/S时M086279514360UV4DS1采用1084MM热轧无缝钢管，实际物料进出口管内流速为M/S321B、物料蒸气进出口接管的直径计算取U21389M/S，则M295081343607D2采用325125MM热轧无缝钢管，实际蒸气进出口管内流速为M/S14360782210管法兰化工原理课程设计22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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