苯-甲苯冷凝器工艺设计.docx

化工原理课程设计课程设计（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72.1 精储塔物料横算72.2 冷凝器物料横算8五、热量横算H3.1 冷凝器热量横算11六、设备设计134.1 流体流径选择134.2 冷凝器热负荷134.3 流体两端温度的确定134.4 总传热系数134.5 换热面积134.6 初选管程及单管长度134.7 筒体直径计算144.8 数据核算14七、设备选型16、 _八九十十总结22参考文献23致谢24、附工程图纸25邵阳学院课程设计任务书年级专业12级化学工程与工艺学生姓名学号题目名称苯一甲苯溶液精储装置冷凝器设计设i-时间2014年下第1619周课程名称化工原理课程设计课程编号设计地点3L312、3L316一、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：C7H899.5%（质量分数，下同）、C6H60.5%3、原料为常温液体，原料组成：C7H870%、C6H630%4、分离要求：塔顶甲苯含量不大于1%三、任务和要求任务：1、精储单元物料衡算；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：I.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。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2002.32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2003.83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，200951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Il日一12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日一1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I、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一甲苯混合液体的精馄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一甲苯精馀装置，蒸储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。蒸锵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一一精馄。精储过程通常是在塔设备内完成的。预热器、冷凝器、再沸器是精馄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储工艺设备,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%,塔顶产品含紫99.5%、甲苯0.5%。年产量30000（吨）。苯：分子式CeH6,分子量78.11,相对密度0.8794gcm3（20°C）.熔点5.51°C,沸点80.1,燃点为562.22°C,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1.48.0%o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、乙醛、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，如五氟化漠、氯气、三氧化铝、高氯酸、硝酰、氧气、臭氧、过氯酸盐、（三氯化铝+过氯酸氟）、（硫酸+高锦酸盐）、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（U（C6式），分子量92.14,相对密度0.866gcm3（20°C）。熔点-95,沸点110.8。在常温下呈液体状，无色、易燃。不溶于水，溶于乙醇、乙酸和丙酮。甲苯容易发生氯化，生成苯一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：精储法，膜分离法，萃取法。三、设计依据1.1 苯一甲茉精储装置进料冷凝器设计任务书1.2 产品苯组成:C7H899.5%（质量分数，下同）、CE0.5%13原料液为常温液体；原料组成：C凡70%,C6H530%1.4 分离要求：塔釜苯含量Wl%四、物料衡算2.1精储塔物料衡算2.1.1年产甲苯30000,年生产时间8000小时,则平均苯产量为:g_3OOOO×1OOO=375kgh(本次设计以小时产量为计算基准)O()0()2.1.2精微塔物料衡算示意图：塔顶采出DXD进料F Xf塔底采出W XH图2.12.1.3已知各组分质量分数表2.1精镭塔各组分质量分数组分塔釜进料出料C6Hti0.5%30%99%C7Hs99.5%70%1%由于C6&分子量为78,C7H8分子量为92,则:塔顶出料组成X尸N-'=09915塔进料组成x-3Q78=0335830/78+70/92塔底出料组成X.=心/78=0.00590.5/78+99.5/92故各组分的摩尔分数为：表2.2精储塔各组分的摩尔分数C7Hs0.00850.664209942组分塔顶进料塔釜C6H60.99150.33580.0058产品的平均相对分子质量M,二09915x78+(1-0.9915)×92=78.12gmolM=0.336×78+(1-O.3358)×92=87.3g/molM,=0.00589x78+(1-0.00589)×92=91.9gmolW=3750kgh3750W=-=40.81kmolh91.9214用摩尔分率计算进料量及塔顶采出量：F=D+WYJFXF=DXD+Wxw代入数据易解得：F=64.24kmolhD=24.14kmolh2.1.5精储塔物料衡算表表2.3精镭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%苯19.271690.923023.911867.54990.4118.751甲苯44.973945.48700.2418.64140.613731.2599总量64.565636.410024.151886.4210040.8163750100=5636.4kg/h2.2冷凝器物料衡算2.2.1物料横算示意图：V,yr）D,XdXD图2.2物料衡算图2.2.2最小回流比的确定表2.4苯-甲苯气液平衡1（例1-1附表2）tC80.1859095100105110.6X1.0000.7800.5810.4120.2580.1300y1.0000.9000.7770.6330.4560.2620根据设计条件和数据作物系气液平衡线（Xy图）图2.3苯-甲苯气液平衡相图2.2.3.计算最小回流比Re确定实际回流比从以上CAD图中可读出Y轴截距为：0.553Xq,Yq(0.34,0.553)故Rlnin.XoT_0.992-0.553Rmin+1XD-XQ0.992-0.336则Rmi11=2.03取R=1.5Rmin.故R=3.05L=RD=3.05×24.15=73.76kmolhV=L+D=24.15+73.65=97.80kmolh2.3.4冷凝器物料衡算表表2.5冷凝器物料衡算表进料V出料DL组分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%苯96.8257565.699923.911864.989972.915686.9899甲苯0.97876.4210.2422.0810.7468.081总量97.807642.1210024.151887.06100730655755.06100=7642.12kg/h五热量衡算3.1冷凝器的热量衡算45水图3.1全凝京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80.1C,冷却介质为冷却进口温度20,选定出口温度45。3.1冷凝器物料衡算表进料V出料DL组分kmol/hkg/hWt%kmol/hkg/hWt%kmol/hkg/hw%苯96.8257565.699923.911864.989972.915686.9899甲苯0.97876.4210.2422.0810.7468.081总量97.807642.1210024.151887.06100730655755.06100=7642.12kg/h3.L2用CAD作出笨一甲苯泡点、露点图120从CAD图中读出7；=80.1o3. 1.3各组分热力学参数见下表：表3.2笨-甲苯汽化潜热表组分801000C120C苯394.1379.3363.2甲苯379.4367.1354.2由内差法得：r苯=393.73kJ/kg,r甲苯=379.09kJ/kg3.1.4计算放热量Q=mr-mrQ=7565.69×393.73+76.42×379.09=3043638.61kJh3.1.5冷却介质量冷凝水的平均温度：Tm二"士竺=32.5230时，Cp=4.17kJ(kg*0C)3(P33&附录六)取Q吸=2%Q,则Q吸=98%Q放=0.98x3043638.61=2982765.84kJ/h由Q吸=CP水mAt得:冷却介质量m=-CP水At2982765.844.174x(45-20)=28584.24kg/h冷凝器热负荷为：4二a=3043638.61=84546kJ/s36003600六、设备设计4.1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. 2冷凝器的热负荷qq=36003043638.613600=845.46kJsQ管程流体吸收的热量4.3流体两端温度的确定物料进口、出口温度为泡点温度80.1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）：t =(TI - t2)-(T2_ (80.1-45)-(80.1-20)=46.48 2tlIn80.1-204. 4总传热系数按照资料初选传热系数K=690Wm24. 5换热面积S= 26.36m2g_q845.46×103'Kt-690×46.484. 6初选管程数及单管长度4. 6.1确定管程流速：根据资料管程流体速度取u=15ms4. 6.2流通截面积A苯、甲苯的密度分别为p=2.687kgm3s甲茉=3.169kgm3由表2.3精镭塔物的料衡算表知ms甲米=76.42kg/h、ms不二756.69kgh76.42,十3.169Vs_2839.78u3600×157565.692.687=2839.78m3h=0.053m24. 6.3单程换热管数n及管长L选定换热管规格为25×2.5mm则换热管数n=竺=4x005368.7根五d；3.I4×O.O22取整得n=169根单根管长L = T- nnd°26.36169x3.14x25x10-3=19.9m取单管长度L=2m4. 7筒体直径计算4. 7.1管中心距：t=1.25do=1.25x25=31.25mm；取t=32mm最外列管中心距筒壁b-2do=2×25=50mm5. 7.2中心线上布管数：本设计采用正三角形排列，则nc=l.lNn=1.1169=14.3;取整ik=156. 7.3筒体直径：DN=t(nc-l)+2b,=0.032×(l6-1)+4×0.025=0.548m圆整至规格尺寸D=0.6m=600mm4.8数据核算4.8.1按照算出数据在CAD中作图：0000000000000000000QQOOOQCOOOOOO得实际管数n=217根ooooooooooo/OOOOOOOOQZ>4.8.2实际换热面积及流通面积Sz=ndoL=217×3.14×0.025×2=34.07m2N=nd>24=217×3.14×0.0224=0.068m2管程实际流速Ui=丛=A'283978 二 u.60Vs 0.068×3600贝IJ=尹。7/6.3乌X1(x)%=29.24%26.36010%29.24%30%,故初选换热器合格4.8.3当量直径为:x322 -×252)= 20.19 mm3.14×25壳程流通面积：So=-D2-11=0.176h24430下的冷却水的密度p*995.7kgm3（附表七）壳程流速：U028584 .24S0 0.176× 995.7 ×3600=0.045 m/s0.202m / s28584.243600×0.3×0.6×(l-0.781)×995.7因0.2msV0.202msV1.5ms,故符合要求。4.8.4流体流动阻力（压强降）的计算'4. 8.4.1管程流体阻力：摩擦阻力计算Pi=（P1+P2）NsNp式中：APi每程直管的压降，APl=入巴二d2p2局部阻力（包括回弯；进、出口等），AP?=Zg手号Ns壳程数Np一为一壳程的管程数Fi结垢校正因数，无因次。25×2.5mm的管子取Fi=I.4,l9×2mm的管子取E=1.5选管壁粗糙度=0.20相对粗糙度- = = 0.01 di 20管程流体物理特性4（吕35附表4得：）苯、甲苯密度分别为夕苯=879kg加 甲苯=867必/疗粘度分别为"米=G737mPa s 外苯=0.675mR7s = 0.9915 麻 + 0.(X)85 甲笨=0.9915 × 0.737 + 0.(X)85 X 0.675= 0.736机尸4 s4%。平 0.02x11.60 x 878.9 一 S=：=2.77 XIU0.736×10摩擦系数 =0.038 5 ( P52 图 1-27)p n2P. =- = 0.038 × d 20.020An 3pu2 3×878.9×11.602AP2-8789×lh6°2 = 224703 .09Pa177397 .18 Pa故 EW = SP、+凶F及NP=(286135.91 + 225896.77) ×1.4×1×1= 562940.37'4.8.4.2壳程阻力损失po = s ,D(Nb+1) Pude式中：=1.72R*9;Re=£Uo按壳程流通截面So=hE计算所得的壳程流速Nb折流挡板数目,&壳程的当量直径30下的水的密度p=995.7kgm3黏度=0.8007mPas3（附录7）则:= 5071.62_dcuoP_0.02019×0.202×995.7一U0.8007x10-3s=1.72R,9=1.72×5071.62-,9=0.3401L_1 = 2000_1 = 6B h 300"。=4生2过 2N0.6×(1+6)995.7×0.2022=0.3401×X0.02019=1437.2Pa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hmm直边高度h2mm厚度un600150256筒体筒体长L=2000m11b公称直径DN=600m,厚度=6mmtm=(20+45)/2=32.5,Tm=80.I0CTm-tm=80.1-32.5=47.6<50,故不需要设置膨胀节压力容器法兰(甲型)及垫片BBnLDD2XDN7 7-7 X ,2 . M.d.90。15Pl型密封面D公称直径DN甲型平焊法兰mm螺柱非金属软垫片DD1D3d规格数量D5d56007156806403218M1624639603管板D4C*1d固定管板式换热器的管板的主要尺寸:公称直径DD1D3D.,bCd螺栓孔数质量kg6007156806206403261824布管限定圆换热器形式Dimrnbjnun布管限定圆直径Di./mm固定管板式600(6)拉杆的直径、数量和尺寸:换热管规格：外径X壁厚mm换热管最小伸出长度lmm最小坡口深度k/mm25X2.522换热管与管板的连接(9)接管A、冷凝水进出口接管的直径计算取u=2ms时4y _ I 4 x 28584,24 VT7 - V36(X) ×3.14× 995.7 ×2=0.071m采用6 80X4.5mm热轧无缝钢管，实际物料进出口管内流速为:4x28584.24U| -3600×3.14x0.082×995.7=1.59msB、物料蒸气进出口接管的直径计算拉杆公称直径dnmm数量基本尺寸拉杆直径d/mmL/mmLbmmb/mm1241615252.0取 U2=ll 60ms,则:d24×2839.78 V3600 ×3.14×11.60=0.294 m采用 325X 12. 5mm热轧无缝钢管，实际蒸气进出口管内流速为:U2 =4x2839.783600×3.14×0.32=11.165 m/s(IO)管法兰A1Bl1K_D管子直径mm法兰内径Bmm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57591105014414012冷凝水进出口89911508018419018(11)支座本设计选用鞍式支座(Bl型)(a)32型公称直径DN/mm鞍座高度h底板腹板2肋板垫板螺栓间距I2Lb1.13b2b3,弧长b5360020055015010830012087102406400总结本次的设计任务是苯一甲苯溶液精储装置冷凝器设计，通过设计的学习，让我对冷凝器有了更深一步的认识，了解、熟悉了冷凝器的设计，并能进行一定量、一定分离要求的冷凝器设计。在本次课程设计过程中，我发现了很多以前在课程学习时的不足之处，让我在意识和认识上得到了提高，课程设计综合了好几门学科的知识让我深深地体会到了学科间的贯穿和联系，同时也让我发现并改善了其他学习学科时的不足，有了一个全新的认识。此次课程设计还让我学习了寻找解决问题的途径、思路，学会了如何查找所需的资料，在比较中设计选择、优化方案，让我的思路较之前更加缜密、态度更为审慎。参考资料：1夏清贾绍义.化工原理（下册）.2版.天津大学出版社，2013：17例IT附表2苯-甲苯气液平衡数据.2王卫东.化工原理课程设计.化学工业出版社，2011：84汽化潜热3夏清贾绍义.化工原理（上册）.2版.天津大学出版社，2013：338附录7水的物理性质.4夏清贾绍义.化工原理（上册）.2版.天津大学出版社，2013：335.5夏清贾绍义.化工原理（上册）.2版.天津大学出版社，2013：致谢