化工原理课程设计-苯-甲苯冷凝器工艺设计

1、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生姓名学号1040902015系、专 业 生化系2010级化学工程与工艺扌旨导教师胡建明2013 年 1 月 4 日目录一、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 14 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 1、流体流径选择142、冷凝器热负荷14 HYPERLINK l boo

2、kmark71 o Current Document 3、流体两端温度的确定 144、总传热系数145、换热面积14 HYPERLINK l bookmark105 o Current Document 6、初选管程及单管长度14 HYPERLINK l bookmark127 o Current Document 7、筒体直径计算15 HYPERLINK l bookmark131 o Current Document 8、 数据核算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设计课题：苯-甲苯精馏装置

3、进料冷凝器设计一、设计条件1、年产苯：70000 吨、 CH -CH0.5%6 53CH -CH 30%6 532、产品苯组成：、 CH -CH0.5%6 53CH -CH 30%6 53663、原料液为常温液体；原料组成： CH 70%664、分离要求：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4、冷凝器换热面积计算5、冷凝器结构、材质选择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，

4、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

5、 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，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： 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

6、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 70000 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

7、、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51.4C，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

8、。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50C，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20C。分离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：分子式CH，分子量78.11,相对密度

9、0.8794g/cm3（20C）。熔点5.51C，沸66点80.1C，燃点为562.22C，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1.4 8.0%。常态下，苯的蒸气密度为2.77，蒸气压13.33kPa（26.1 C）。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

10、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 （CH ），分子量92.14,相对密度0.866g/cm3（20C）。熔点-95C,36 5沸点110.8C。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

11、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 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。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%。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

12、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：CH99.5% （质量分数，下同）661. 3原料液为常温液体；原料组成： CH 70%661.4分离要求：塔釜苯含量设计依据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：CH99.5% （质量分数，下同）661. 3原料液为常温液体；原料组成： CH 70%661.4分离要求：塔釜苯含量0.5%、CH -CH 0.5%65CH653-CH 30%32.1 精馏塔物料衡算工艺设计计算第一部分 物料衡算2.1.1 根据工业生产特点，取平均苯产量为：G =嗔屮=8750kg/h （本次设计以小时产

13、量为计算基准） D80002.1.2 精馏塔物料衡算示意图：塔顶采出D xD塔底采出W xw进料F Xf_ F组分塔釜进料出料CH6 60.5%70%99.5%CH CH65399.5%30%0.5%2.1.3 已知各组分质量分数:由于CH分子量为78, CH CH分子量为，则:_6 53x =99.5 78=0.9958D 99.5 78 + 0.5 927078 n 7仔 x =0.7335F 70 78 + 30 92x =0.00589W 0.5 78 + 99.5 9266塔顶出料组成塔进料组成塔底出料组成故各组分的摩尔分数为：组分塔顶进料塔釜CH6 60.99580.73350.0

14、0589CH CH6530.00420.26650.99411产品的平均相对分子质量M =0.9958X78+ (1 0.9958)X92 = 78.06W故 D= d = 112.09 kmol/hM 78.06D2.1.4用摩尔分率计算进料量及塔顶采出量：y F = D + WFx = Dx + WxFDW代入数据易解得：F = 152.5kmol/h W = 40.41kmol/h2.1.5 精馏塔物料衡算表2.2 冷凝器物料衡算2.2.1 物料横算示意图D,xDL,x2.2 冷凝器物料衡算2.2.1 物料横算示意图D,xDL,xD表 2-1 精馏塔物的料衡算表进料F出料塔顶采出D塔底采

15、出W组分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%苯118.868724.7970111.628706.2599.50.2418.570.5甲苯33.643739.19300.4743.750.540.173695.4199.5总量152.512463.98100112.09875010040.413713.98100工=12463.98 kg/h2.2.2 最小回流比的确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/C80.1859095100105110a2.542.512.462.412.37X1.0000.7800.5810.4120.2

16、580.1300y1.0000.8970.7730.6330.4610.2690由 CAD 作图（下图所示 ）：可读出 Y 轴截距为：0.5186x 0.9958故d = 0.5186R +1 R +1min min则 R =0.92min取 R = 1.5 Rmin，故 R=1.382.2.3 物料横算V = (R+1)D = 112.09X (1.38+1)= 266.77 kmol/hL = RD = 1.38X112.09= 154.68kmol/h2.2.4 冷凝器物料衡算表表 2-3 冷凝器物料衡算表进料V出料DL组分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/h

17、kg/hwt%苯265.6520720.2099.5111.628706.2599.5154.0312013.9599.5甲苯1.12104.120.50.4743.750.50.6560.370.5总量266.7720824.32100111.098750100154.6812074.32100工=20824.32kg/h第二部分 热量衡算在 Excel 上试差得各位置温度为：位置进料塔顶塔釜温度110.235C80.3 C86.52C3.1.1用CAD作出苯一甲苯泡点、露点图XCYXCY从图中读出露点温度为80.3C。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，

18、温度为80.3C，冷却介质为冷水进口温度20C，选定出口温度45Co3.1.3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265.6520720.2099.5111.628706.2599.5154.0312013.9599.5甲苯1.12104.120.50.4743.750.50.6560.370.5总量266.7720824.32100112.098750100154.6812074.32100工=20824.32 kg/h3.1.4 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80 C

19、100C120 C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=20720.20X393.88+104.12X379.22=8200765.76kJ/h3.1.6 冷却介质量冷凝水的平均温度：Tm= 20 + 45 =32.5C2查化工原理附录七(水的物理性质)：32.5C时，Cp=4.17kJ/(kg*C) 取 Q 吸=5%Q，则 Q 吸=95%Q 放=0.95 X 8200765.76=7790727.47 kJ/h 由Q吸二C水mA t得：pQ 779072

20、7.47冷却介质量 m 二二=74731.20 kg/hC At 4.17 x (45-20)p水冷凝器热负荷为：q=- = 8200765.76 =2277.99kJ/s36003600设备设计与选型第一部分 设备设计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。2、冷凝器的热负荷q2、q = - = 8200765.76 二 2277.99 kJ/s360036003、3、Q 管程流体放出的热量流体两端温度的确定物料进口、出口温度为泡点温度80.3C冷却介质进口温度20C,出口温度45C4、5、6、传热温度差(按逆流方式计算)：(T -t )-(T -t )

21、(80.34、5、6、传热温度差(按逆流方式计算)：(T -t )-(T -t )(80.3-45)-(80.3-20) t =1221lnT -121总传热系数ln80!580.3 - 20=46.69 C按照资料初选传热系数 K=510W/m2C换热面积S q 2277.99 x 103S = 95.67m2KAt510 x 46.69初选管程数及单管长度6.1 确定管程流速：根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p =2.687kg/m3、p苯由冷凝器的料衡算表知 m =104.12kg/h、 mS 甲苯S 苯甲苯=3.169 kg/m3=207

22、20.20kg/hmm则V二s甲苯+s苯S p p甲苯苯104.12 * 20720.20 二 7744.13 ms/h3.1692.687=0.143m2a 二 Vs = 274413=0.143m2u 3600 x 156.3 单程换热管数 n 及管长 L选定换热管规格为屮25 X 2mm则换热管数 n = 4A =4 X 0.143=413.07 根n d23.14 x 0.0212i取整得n=414根单根管长 L = S =95.67=2.94mnn d414 x 3.14 x 25 x 10-3O取单管长度 L=3m7、筒体直径计算管中心距： t =1.25d =1.25 X 25=

23、31.25mm；取 t =32mmo最外列管中心距筒壁b，=2d =2X25=50mmo中心线上布管数：本设计采用正三角形排列，则n = 1.K Nn = 1. 414 =22.3 ；取整 n =23cc筒体直径： DN= t (n-1)+2b， =0.032X(23-1)+2X0.05=0.804mc圆整至规格尺寸 D=900mm8、数据核算8.1按照算出数据在CAD中作图：得实际管数n=493根8.2 实际换热面积及流通面积S二nn d Lo=493X3.14X0.025X3 =116.1m2A = nn d 2/4=493X3.14X0.0212/4=0.1752i管程实际流速 u 二

24、Vs 二 7744.13=12.58m/si A 0.171 x 360095.6750% 二 2小SS 116.195.6795.6750% 二 2小则丁二8.3 当量直径为： TOC o 1-5 h z 3 兀33.14 HYPERLINK l bookmark149 o Current Document 412 一 d 2) 4 x322 一x252) HYPERLINK l bookmark151 o Current Document 24 024d = 20.19 mme兀 d3.14 x 250 HYPERLINK l bookmark155 o Current Document

25、壳程流通面积：S 二 hD(l do)二 0.15 x 0.9 x (l0025)二 0.0295 m2Ot0.032由附表六i查得：32.5C下的冷却水的密度p =994.83kg/m3 水壳程流速：u = =74731.20= 0.71 m/so S0.0295 x 994.83 x 3600O因 0.2 m/sV0.71 m/sV1.5 m/s，故符合要求。8.4流体流动阻力（压强降）的计算8.4.1 管程流体阻力：摩擦阻力计算2 AP = (AP +AP )FN Ni12 i S P式中：AP每程直管的压降，AP =入丄11 d 2APAP2局部阻力（包括回弯；进、出口等），叮于些N壳

26、程数SN为一壳程的管程数PF 结垢校正因数，无因次。 屮25X2.5mm的管子取F=1.4,ii屮19X2 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 p =2.687kg/m3、 p=3.169kg/m3苯 甲苯粘度分别为 U =0.3067mPa s、u =0.3098mPa s苯 甲苯故 p =0.9958 X 2.687+0.0042 X 3.169=2.69kg/m3平u =0.9958+0.0042=0.9958X0.3067+0.0042X0.3098=0.3067 mPa s苯 甲苯d up 0.021 x 12.58 x 2.69R i_i 23

27、17.1ei u0.3067 x 10-3根据资料表1-21 选管壁粗糙度 =0.15则 0.15 0.00714d 21i由图1-25查得：摩擦系数入=0.035l p u232.69 x12.582AP 入 _ 0.035 x x 1064.27Pad20.021AP 业3 x 2.69 x 12582 638.57 Pa2所以工 AP (1064.27 + 638.57)x 1.4x 1x 1 2383.98Pa i8.4.2 壳程阻力损失AP入 D(N +1) p U2AP 人O S de式中：入式中：入1.72R -0.19 ；Sedupe_Ou按壳程流通截面S hD 1-斗计算所得

28、的壳程流速N BN B查附录九1得折流挡板数目，de0.7645x10-332.5C 下的水蒸气的密度p =994.83kg/m3 黏度u =0.7645 mPa s 则：R 吗-.2019 x 71 x 以0.7645x10-3eu入1.72R -0.19 1.72 x 18654-0.19 0.2655 SeAP02765 0.9 x (19 +1) 994.83 x 0.712P 59 35kPAP 0.2765 xx 59352.1 Pa=59.35kPao0.020191 d d bd14 + R o +亠1 d d bd14 + R o +亠 + R + a d si d 入 d

29、so ai iimOKO8.5.1管程传热系数.i查定性温度 tm=(Ts+Tw)/2=(80.3+32.5)/2=56.4C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p =840.3 kg/m3 苯p =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U 苯=0.4mPa s、u =0.3885mPa s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入 =133.01mW/mC入 =129.61mW/mC 甲苯由化学化工物性数据手册查得：苯、甲苯的汽化潜热分别是AH 苯=409.91KJ/kgH =393KJ/kg 甲

30、苯则：则:p =0.9958X840.3+0.0042X832.7=840.27 kg/m3Lp =PM/RT=101.33X 78.068.314X (56.4+273.15)=2.887kg/m3 Vu =0.9958 X 0.4+0.0042 X 0.3885=0.4mPa sL入=0.9958 X 133.01+0.0042 X 129.61=133mW/mCLH =0.9958X 409.91+0.0042X 393=409. 84 kJ/kgvt=Ts-Tw=80.3-32.5=47.8C管内冷凝传热膜系数求算:水平管：a 二 0.555 x (gPl巴 _H)(W / m2 -

31、K)i卩tdLi= 0.555 x9.8 x 840.27 x (840.27 - 2.887) x (133 x 10-3)3 x 409.84 x 103 /4= 0.555 xi0.4 x 10-3 x 47.8 x 21 x 10-3丿=1119.578.5.2 壳程传热系数 a O32.5 C下冷却水的物理特性参数查附表七1知：导热系数入=62.17 X 10-2W/mC密度 p =994.83kg/m3、黏度 u =0.7645 mPa s普朗特数 Pr=5.15=0.36de丿=0.36de丿R 0.55Pr1/3e U )0.14= 4275.01查附表二十二1知：管外污垢热阻

32、R =1.7197X 10-4m2K/Wso查资料 P 附录5512管内污垢热阻 R=0.8598X10-4m2K/Wsi不锈钢导热系数入=16.93 W/m2CdO-a diidO-a dii1+ aO0.0251119.57 x 0.021+ 0.8598 x 10-4 x 00250.0210.002x0.025+16.93 1+ aO0.0251119.57 x 0.021+ 0.8598 x 10-4 x 00250.0210.002x0.025+16.93 x 0.023+1.7197 x 10-4 +14275.01=17.0X10-4则：17.0 x10-4则：17.0 x10

33、-4二 588 W/m2C588510二 1.153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/T 437395，其厚度和圆筒相等，即 8mmpDNrhih2公称直径DN/mm曲面咼度h /mm1直边高度h /mm2厚度6 /mm900225258(2)筒体筒体长L=3000mm，公称直径DN=900mm，厚度6 =8mmt =(20+40)/2=32.5C, T =80.3C mmT t =80.3 32.5=47.8CV50C，故不需设置膨胀节 mm压力容器法兰(甲型)及垫片I)DiDmDN - 一 丁尸1型密封面公称直径DN甲型平焊法兰/mm螺柱非金

34、属软垫片DD1D36d规格数量D5d590010309909454023M2032944904(4)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kg90010309909459424082332(5)布管限定圆换热器形式D /mmib /mm3布管限定圆直径D /mmL固定管板式900(6)拉杆的直径、数量和尺寸：拉杆公称直径d /mmn数量基本尺寸拉杆直径d/mmL /mmL /mmbb/mm12419ta15252.0(7)拉杆孔(8)换热管与管板的连接换热管规格：外径X壁厚/mm换热官取小伸出长度l /mm1最小坡口深度l /mm219X222(9)接管d =12mmnl =1.5d =1.5 d =12mmnl =1.5d =1.5 X 12=18mm2ndn-H 涵A、冷凝水进出口接管的直径计算4 x 74731.2取 4 x 74731.2d =尖=0.115 mi n u 3600 x 3.14 x 994.83 x 2采用屮140X7.5mm热轧无缝钢管，实际物料进出口管内流