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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学生姓名罗伟学号0740920027系、专业生化系2007级化学工程与工艺指导教师胡建明2009年1月7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…………………………………………………………………82.1精馏塔物料横算…………………………………………………………82.2预热期物料横算…………………………………………………………92.3冷凝器物料横算………………………………………………………102.4再沸器物料横算…………………………………………………………11六、热量横算…………………………………………………………………123.1预热器热量横算…………………………………………………………123.2冷凝器热量横算…………………………………………………………133.3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x………………………………173、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306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)、C6H5-CH31%3、原料液为常温液体；原料组成：C6H640%,C6H5-CH360%4、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、设计说明书的编写化工原理课程设计4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：胡建明二OO九年十二月十四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。化工原理课程设计6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78.11，相对密度0.8794g/cm3(20℃)。熔点5.51℃，沸点80.1℃，燃点为562.22℃，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℃)。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92.14，相对密度0.866g/cm3(20℃)。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。化工原理课程设计74．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%。化工原理课程设计8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：C6H699%(质量分数，下同)、C6H5-CH31%1.3原料液为常温液体；原料组成：C6H640%,C6H5-CH360%1.4分离要求：塔釜苯含量≤1%工艺设计计算第一部分物料衡算2.1精馏塔物料衡算2.1.1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：GD=24300100020000=2777.78kg/h（本次设计以小时产量为计算基准）2.1.2精馏塔物料衡算示意图：2.1.3已知各组分质量分数:进料FxF塔顶采出DxD塔底采出WxW组分塔釜进料出料C6H61%40%99%C6H5—CH399%60%1%由于C6H6分子量为78，C6H5—CH3分子量为，则：塔顶出料组成xD=92178997899=0.9915塔进料组成xF=926078407840=0.4402塔底出料组成xW=9299781781=0.0118故各组分的摩尔分数为：化工原理课程设计9组分塔顶进料塔釜C6H60.99150.44020.0118C6H5—CH30.00850.55980.9882产品的平均相对分子质量WM=0.9915×78+（1－0.9915）×92=78.12故D=DMDG=12.7878.2777=35.56kmol/h2.1.4用摩尔分率计算进料量及塔顶采出量：F=D+WFxF=DxD+WxW代入数据易解得：F=81.32kmol/hW=45.76kmol/h2.1.5精馏塔物料衡算表表2-1精馏塔物的料衡算表进料F出料塔顶采出D塔底采出W组分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%苯35.782792.034035.262750990.5442.021甲苯45.544188.05600.327.78145.224160.2899总量81.326980.0810035.562777.7810045.764202.3100Σ=6980.08kg/h2.2预热器物料衡算2.2.1预热器是工作在精馏塔与贮槽或者精馏塔与精馏原料的的提供工序。根据精馏的特点，可对其进行相应的物料衡算：物料衡算示意图：进料=出料出料进料化工原理课程设计102.2.2热器物料横算表：表2-2预热器物料横算表组分进料出料kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%苯35.782792.034035.782792.0340甲苯45.544188.056045.544188.0560总量81.326980.0810081.326980.081002.3冷凝器物料衡算2.3.1物料横算示意图：2.3.2最小回流比的确定由《化工原理》下册中例1