1、課程設計（論文）題 目 名 稱 苯-甲苯精餾裝置塔底再沸器工藝設計 課 程 名 稱 化工原理 學 生 姓 名 學 號 1040902023 系 、專 業(yè) 生化系2010級化學工程與工藝 指 導 教 師 2012年 12月21 日 目錄概 述3再沸器的工藝設計主要內(nèi)容和步驟71物料衡算771.2 精餾塔物料衡算7 再沸器的物料衡算102熱量衡算11w時的泡點溫度tb12123再沸器的工藝設計131313131314143.7 筒體直徑計算153.8 總傳熱系數(shù)的較核16 壓降的計算204 結(jié)構(gòu)尺寸設計222223244.4箱管結(jié)構(gòu)2526274.274.8殼體、管子與管板連接結(jié)構(gòu)設計2829總

2、結(jié)32參考資料33致 謝34 概 述精餾的本質(zhì)是利用不同物質(zhì)的揮發(fā)度不同，通過多次汽化、多次冷凝的精餾過程而達到物質(zhì)分離的單元操作過程，而多次汽化所需的能量即通過再沸器提供的，這就是再沸器的作用。本次課程設計針對苯甲苯溶液精餾裝置進行設計，設計年產(chǎn)量為65000噸。根據(jù)生產(chǎn)要求設計苯甲苯精餾裝置，蒸餾是化工生產(chǎn)中分離均相液體混合物的典型單元操作，其歷史悠久，應用廣泛。蒸餾的基本原理是將液體混合物部分汽化、部分冷凝，利用其中各個組分揮發(fā)度不同而將其分離。其本質(zhì)是液、氣相間的質(zhì)量傳遞和熱量傳遞。為使分離徹底，以獲得較純的產(chǎn)品，工業(yè)生產(chǎn)中常采用多次部分汽化、多次部分冷凝的方法精餾。精餾過程通常是在塔

3、設備內(nèi)完成的。預熱器、冷凝器、再沸器是精餾過程必不可少的設備。他們承擔著將物料預熱、氣化、冷凝等重要任務。而固定管板式換熱器更是因其具有工藝簡單、造價低廉、工藝設計成熟、熱效率較高等優(yōu)點而得到廣泛的應用，尤其在很多大工業(yè)生產(chǎn)中。再沸器是一種廣泛使用的工藝設備，是化工行業(yè)中主要的工藝設備之一。根據(jù)換熱條件，采用水蒸氣作為加熱介質(zhì)，選用列管式換熱器。用飽和水蒸汽對冷流體加熱屬于一側(cè)為恒溫流體的傳熱。由于傳熱溫差為，溫差不太大所以不需在殼體上設置膨脹節(jié)。由于介質(zhì)為苯甲苯溶液和飽和水蒸氣，所以苯甲苯溶液走管程，飽和水蒸氣走殼程。原料液為含苯70%（質(zhì)量分數(shù)，下同）、甲苯30%的混合溶液。分離要求為塔釜

4、C6H6含量不大于0.5%，塔頂產(chǎn)品含C6H6 99.5%、C7H8 0.5%。年產(chǎn)量65000（噸）。原料液進入預熱器加熱至泡點，在轉(zhuǎn)入精餾塔提餾段，開始精餾操作，當釜中建立起適當?shù)囊何粫r，再沸器進行加熱，使之部分氣化返回塔內(nèi)；氣相沿塔上升至塔頂，由塔頂冷凝器將其進行部分冷凝。將塔頂蒸氣凝液部分作為塔頂產(chǎn)品采出，稱為餾出物。另一部分凝液作為回流液返回塔中，回流液從塔頂沿塔流下，在下降過程中與來自上升蒸氣多次逆向接觸和分離。當流至塔底時，被再沸器加熱部分氣化，其氣相返回塔內(nèi)作為氣相回流，而其液相則作為塔底產(chǎn)品采出。本次設計采用的基本參數(shù)有：常壓操作（a）、飽和液體進料（q = 1）、塔頂部分冷

5、凝。 苯的性能 苯（benzene， C6H6)平面六邊形結(jié)構(gòu)，摩爾質(zhì)量78.11 g mol-1，密度 0.8786 g/mL，相對蒸氣密度(空氣，蒸汽壓，臨界壓力，熔點 278.65 K (5.51 )，沸點 353.25 K (80.1 )，在水中的溶解度0.18 g/ 100 ml 水，閃點（閉杯），冰點：5 ，溶解性：不溶于水，可與乙醇、乙醚、乙酸、汽油、丙酮、四氯化碳和二硫化碳等有機溶劑互溶。苯在常溫下為一種無色、有甜味的透明液體，其密度小于水，具有強烈的芳香氣味。可燃，有毒，為IARC第一類致癌物。苯不溶于水，易溶于有機溶劑，本身也可作為有機溶劑。其碳與碳之間的化學鍵介于單鍵與雙

6、鍵之間，稱大鍵，因此同時具有飽和烴取代反應的性質(zhì)和不飽和烴加成反應的性質(zhì)。苯的性質(zhì)是易取代，難氧化，難加成。苯的用途苯是一種石油化工基本原料。早在1920年代，苯就已是工業(yè)上一種常用的溶劑，主要用于金屬脫脂。由于苯有毒，人體能直接接觸溶劑的生產(chǎn)過程現(xiàn)已不用苯作溶劑。 苯有減輕爆震的作用而能作為汽油添加劑。苯在工業(yè)上最重要的用途是做化工原料。苯可以合成一系列苯的衍生物。可作為脂肪、樹脂和碘等的溶劑。測定礦物折射指數(shù)。有機合成。光學純?nèi)軇８邏阂合嗌V溶劑、用作合成染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、照相膠片、以及石油化工制品的原料、清漆、硝基纖維素漆的稀釋劑、脫漆劑、潤滑油、油脂、蠟、賽璐珞、樹脂、人造革等。 苯

7、生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展前景 我國苯主要來自催化重整油、裂解汽油和焦化輕油。隨著石油化工的發(fā)展，石油苯和甲苯已成為主要產(chǎn)品，而且苯和甲苯的重要來源是現(xiàn)代化的芳烴聯(lián)合裝置。我國大約有50多套苯生產(chǎn)裝置，總生產(chǎn)能力超過250萬t/a。石油石化來源（即重整、裂解汽油、甲苯脫烷基和甲苯歧化）大體占總產(chǎn)能90以上，煤焦油來源大約占10。近幾年來，中國純苯消費增速較快，2001年表觀消費量突破200萬t，達萬t，2005年增加到萬t。我國化學工業(yè)是純苯的主要消費領域，約占總消費量的71，輕工業(yè)約占2，醫(yī)藥工業(yè)約占0.5，其他方面約占26.5。 根據(jù)我國大型石油、石化企業(yè)的新建和擴建計劃，到2006年我國苯的生產(chǎn)能力

8、已達到400萬t/a，2011年達到620萬t/a。由于經(jīng)濟發(fā)展的需要，純苯下游產(chǎn)品生產(chǎn)裝置不斷擴建和新建，中國市場對純苯的需求量將會不斷增長。 再沸器的工藝設計主要內(nèi)容和步驟1物料衡算設計依據(jù)苯甲苯溶液精餾裝置塔底再沸器設計任務書 產(chǎn)量：年產(chǎn)99.5%苯65000噸。 據(jù)工業(yè)生產(chǎn)特點，取年平均生產(chǎn)時間為8000小時，則平均苯產(chǎn)量為：= 8125.00 kg/h（本次設計以小時產(chǎn)量為計算基準）1.1.3 原料組成：C6H6 70%、C7H8 30%（均為質(zhì)量分數(shù)，下同）。1.1.4 分離要求：塔釜苯含量不大于0.5%。 精餾塔物料衡算.1精餾塔物料衡算示意圖： 塔頂采出 進料 塔底采出.2 用

9、摩爾分率計算進料量F及塔底采出量W 已知各組分質(zhì)量分數(shù):組分塔頂D進料F出料WC6H6995%70%0.5%C7H80.5%30%99.5%由于C6H6分子量為78g/mol，C7H8分子量為92g/mol，則：=×7892× g/mol kmol/h F=D+W，F(xiàn)=104.09+W ，F(xiàn)××0.9958+W×得出：W=kmol/h，F(xiàn)=kmol/h.3精餾塔物料衡算表進料F出料塔頂采出D塔底采出W組分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%苯 70 0.22 0.5 甲苯 30 99.5 總量 100

10、100 100 總量進=kmol/h 出=+=kmol/h操作回流比選取（1）查閱相關(guān)資料 ABC苯甲苯 苯 ： （1） 甲苯 ： (2) P=x1´p苯+（1-x1）´p甲苯 (2) 由Atoine方程計算得到物系的汽液平衡數(shù)據(jù)：T/p1s(kp)p2sx1y1110.59 237.71 101.33 0.00 0.00108.29 224.12 94.87 0.05 106.11 211.81 89.05 0.10 1104.04 200.63 83.81 0.15 0.30102.08 190.43 79.06 8100.22 181.11 74.74 598.44

11、172.57 70.80 0.30 96.75 164.71 67.20 0.35 795.13 157.47 63.90 0.40 93.58 150.78 60.87 0.7092.10 144.58 58.08 0.50 90.68 138.83 55.50 0.55 89.32 133.48 53.11 88.01 128.49 50.89 86.76 123.83 48.83 685.55 119.47 46.91 84.38 115.38 45.11 0.80 83.25 111.55 43.44 0.85000 482.17 107.94 41.86 0.90000 681.12

12、 104.54 40.39 0.95000 80.10 101.33 39.01 1.00000 （3）由CAD作出平衡線（t-x-y圖）： （4） 利用平衡線（x-y圖）求取最小回流比Rmin： 設計為泡點進料，則q=1,則q線方程為：X=XF=，,從而求得: Rmin=0.8537 (5) 確定實際回流比：根據(jù)工藝要求2.0)Rmin，取min則實際回流比為min× 物料橫算L=RD=×= koml/hV=L+D=(R+1)D=(+1)× kmol/h 再沸器的物料衡算 物料衡算示意圖:1.3.2 物料橫算 因本次設計采取飽和液體進料，故：q = 1則：L =

13、 L+qF=+1× = kmol/hV = L-W = - = kmol/h在氣液平衡線上對應的y由Lx = Vy+ 有：x =××則：x=1241.3.3 再沸器物料橫算表 再沸器物料衡算表進料L出料WV組分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%C6H6C7H8總量100100100 = 25238.60 kg/h2熱量衡算確定xw時的泡點溫度tb 由t-x-y圖得：再沸器的泡點溫度tb2.2再沸器的熱量衡算2.2.1過程描述從塔底來的液體在再沸器中部分加熱成氣體回流，部分液體采出。2.2.2 進料狀況及加熱介質(zhì)由于物料進

14、出口溫度相差不大，即為泡點溫度110.32；加熱介質(zhì)：采用0.3MPa，1飽和水蒸氣加熱。2.2.3 熱力學參數(shù)查書2可知： 汽化熱（kJ/kg） 100 120 苯 379.3 363.2 甲苯 367.1 354.2 則用內(nèi)查法查得110.32時，C6H6的=370.99 kJ/kg，C7H8的=360.44kJ/kg； kJ/kg；查書1可知：0.3MPa，1時，飽和水蒸氣的汽化潛熱=21kJ/kg。2.2.4 熱量衡算 被汽化部分V'=273.33 kmol/h由于進出口溫度相差不大，且忽略了(pv)和W，則Q吸= H=V'=3×273.33=9056942.

15、62 kJ/h熱損失， 取即Q放=Q損 + Q吸= ，則則所需加熱介質(zhì)的量為:m=J/h3再沸器的工藝設計 流體流徑的選擇根據(jù)流體流徑的選擇規(guī)則以得出結(jié)論：飽和水蒸汽走殼程，物料走管程。熱負荷q的計算q= /3600=3600= kW 管程流體吸收的熱量流體兩端溫度的確定物料和加熱介質(zhì)的進口溫度不變，只發(fā)生相變化。加熱介質(zhì)溫度T=1，物料溫度為t=110.32.傳熱溫度差（按逆流方式計算）：tm=T-t=1= 初選總傳熱系數(shù)K按照化工原理（上冊）附表23初設總傳熱系數(shù)K=800W/m2·換熱面積SS=初步計算管程數(shù)3.6.1 確定管程流速：設氣化率為20；則 =78×0.0

16、13492×g/mol=kg/m3m3/h查書2可知：100時，kg/m3 kg/m3 120時, kg/m3 kg/m3則內(nèi)查得t=110.32時，苯=780.32kg/m3，甲苯=779.83kg/m3；kg/m3m3/hm3/hm3/s3.6.2 流通截面積A根據(jù)工藝要求再沸器的管程流速一般取68m/s；則選管程流體速度取u=8 m/s；3.6.3 單程換熱管數(shù)n及管長L選定換熱管規(guī)格為25×2mm則換熱管數(shù)根（圓整取n=761根）單根管長m則取單管長度L=2m按單根管長為2m，則換熱管數(shù)為(圓整n=606根）計算殼程流速1時，飽和水蒸汽的密度為kg/m3，則殼程流速

17、為：3.7 筒體直徑計算3.7.1 管中心距do(焊接），do(脹接）該再沸器采用焊接；則管中心距：o(圓整取t=32mm)；最外列管中心距筒壁t=(1.52)do。取t=2do=2×25=50mm；本設計采用正三角形排列，則中心線上布管數(shù)：（圓整取nc =28）；筒體直徑為：DN= 32×（28-1）+2×50=964 mm圓整至規(guī)格尺寸D=1000mm求算實際換熱面積(1)實際管數(shù)n=721根 (2)實際換熱面積:3.8 總傳熱系數(shù)的較核3.8.1殼程傳熱系數(shù)由附錄七1查得：溫度/140150密度導熱系數(shù)黏度內(nèi)查得t=1時，水的導熱系數(shù)46W/（m·

18、）水的密度=9 kg/ ，水的粘度=0.1960mPa·s3.8.2管程傳熱系數(shù)(1)相關(guān)物性數(shù)據(jù)參數(shù) 管內(nèi)液體平均密度L= 779.83 kg/； 由公式求得氣態(tài)C6H6密度= kg/； 由公式求得氣態(tài)C7H8密度= kg/； 平均密度= kg/；查閱參考資料2查得，得苯、甲苯的物料數(shù)據(jù)（如下）： 溫度100120度粘氣態(tài)甲苯 液態(tài)苯甲苯 比熱容100120液態(tài)苯kJ/(kg·k)甲苯kJ/(kg·k)熱導率100120液態(tài)苯甲苯內(nèi)查得110.32時： 液態(tài)比熱容kJ/(kg·k) 熱導率 苯 甲苯 則液體平均粘度L=mPa·s 氣態(tài)平均粘度

19、g= µPa·s 平均導熱系數(shù)= mW/（m·K） 液體平均比熱容= kJ/(kg·k)(2)計算易揮發(fā)組分含量： =(3)兩相運動增強因子：F= =(4)兩相對流傳熱膜系數(shù)計算：設氣化率為20%，則總循環(huán)量為： kg/h= kg/（·s） ×(5)泡核沸騰傳熱膜系數(shù)：查書2得：甲苯的臨界壓力為pc=4079 kPa W/ = (6)計算管內(nèi)傳熱系數(shù)：(7)壓制因子： (8)計算總傳熱系數(shù)：已知，m，m，m，查書1附表5可知：不銹鋼材質(zhì)的導熱系數(shù)為：W/（m·）查書1附表17可知：水蒸氣的污垢熱阻（m·/W）；有機

20、化合物污垢熱阻（m·/W）代入數(shù)據(jù)得：求得)而10%<<30%故初選的再沸器符合要求。 3.9 壓降的計算3. 管程流體阻力式中:每程直管的壓降，局部阻力， NS殼程數(shù)； NP為一殼程的管程數(shù)； Fi結(jié)垢校正因數(shù)，無因次。的管子，取Fi=1.4；19×2mm的管子，取Fi。氣相的體積分數(shù)為：液相的體積分數(shù)為：氣液平均密度為：氣液平均粘度為：由于 則取不銹鋼管的絕對粗糙度為，故相對粗糙度查書1圖127摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)及相對粗糙度的關(guān)系圖得：摩擦系數(shù)3.9.2 殼程阻力損失(1)計算公式式中： 按殼程流通截面計算所得的課程流速；折流擋板數(shù)目；殼程當量直徑；(2)

21、計算當量直徑 （表示濕潤周邊）4 結(jié)構(gòu)尺寸設計筒體厚度計算筒體長L=2000mm， 直徑DN=1000mm；殼程設計壓力為0.6Mp 焊接采用對接焊局部無損探傷，焊接接頭系數(shù)=1，材料用16MnR，設計溫度160下得許用應力。取鋼板厚度負偏差，腐蝕余量，則 取計算壓力，則名義厚度： 考慮到換熱器立體擺放，殼體上需要安裝支座，為此應適當增加壁厚，且對合金鋼最小壁厚要求，取壁厚為6mm。水壓試驗壓力為 所用16MnR材料在常溫是，則 因故水壓強度滿足要求。氣壓試驗 因故氣壓試驗滿足要求。 再沸器設計壓力為0.25Mp 焊接采用對接焊局部無損探傷，焊接接頭系數(shù)=1，材料用16MnR，設計溫度。取鋼板

22、厚度負偏差，腐蝕余量，則 取計算壓力，則 管箱名義厚度為： 圓整取 水壓試驗壓力 所用材料16MnR在常溫時，則 因，故水壓試驗滿足要求。氣壓試驗壓力： 因，故水壓試驗滿足要求。4.3.封頭選取橢圓形封頭，材料采用16MnR,標準號為：JB/T 47462002封頭名義厚度： 由于管箱壁厚取6mm，故封頭厚度圓整取6mm。在此情況了壓力試驗一般都滿足要求。查閱參考資料3附錄三知：公稱直徑DN/mm曲面高度h1/mm直邊高度h2/mm厚度/mm 1000 250 25 48 40 1018 50 2030 圖：標準橢圓形封頭公稱直徑DN/mm曲面高度h1/mm直邊高度h2/mm厚度/mm1000

23、2502564.4箱管結(jié)構(gòu)4.4.1箱管長度確定管箱長度尺寸的確定是以保證流體分布均勻、流速合理以及強度因素來限定最小長度，而已制造安裝方便來限制最大長度的。還要求管箱上各相鄰焊縫之間距離大于或等于4，且應大于或等于50mm，為管箱壁厚，單程管箱采用軸向接管時，接管中心線上的管箱長度應大于或等于接管內(nèi)徑的1/3。 即 綜合考慮管箱應有足夠空間來均勻輸送流體，由標準橢圓形封頭曲面高度，直邊高度為25mm。 取，則管箱筒節(jié)長為125mm。壓力容器法蘭（甲型）及墊片查閱參考資料4Pg251254以及Pg265甲型平焊法蘭的標準號為：JB/T47012000非金屬軟墊片的標準號為:JB/T470420

24、00公稱直徑DN甲型平焊法蘭/mm螺柱非金屬軟墊片DD1D2D3D4d規(guī)格數(shù)量D5d51000113010901055104510424823M203610441004 圖：甲型平焊法蘭 圖：非金屬軟墊片4.5.支座 再沸器設備一般選擇立式換熱器，故選用4個耳式支座。查閱參考資料4Pg347，本設計選用懸掛式支座（B型），標準號：JB/T 472592。公稱直徑DN/mm高度H底板墊板筋板地角螺栓l1b11S1l3eb33b22d規(guī)格10002001601051050250402008205125830M24 當Tm-tm50時，需設置膨脹節(jié)。 而t=110.32，T=1Tt=1110.32=

25、<50，故不需設置膨脹節(jié)。4.7.管程結(jié)構(gòu)4.7.1 換熱管(1)規(guī)格：25×(2) 長度：2m （3）排列形式：正三角形 （4）管中心距：32mm 最外列管中心距筒壁t=(1.52)do4.7.2管板厚度:查書4Pg408表16-8管板厚度表：設計壓力pMPa殼體內(nèi)徑×壁厚mm換熱管數(shù)n 管板厚度/mm 計算值設計值計算值設計值1000×10749 而再沸器設計時：設計壓力pMPa殼體內(nèi)徑×壁厚mm換熱管數(shù)n 1000×6 721 故管板厚度=50mm滿足要求。換熱管與管板連接形式： 換熱管與管板的連接形式為焊接。 換熱管與管板的連接換

26、熱管規(guī)格：外徑×壁厚/mm換熱管最小伸出長度l1/mm最小坡口長度l3/mm25×224.8殼體、管子與管板連接結(jié)構(gòu)設計殼體與管板連接殼體與管板連接采用甲型平焊法蘭。如下圖所示： 4.8.2換熱管與管板連接換熱管與管板的連接形式選強度焊接。如圖所示： 4.9.接管4.9.1進料接管根據(jù)書1附表19，選取管子規(guī)格為核算流速4.9.2 出料接管取，根據(jù)書1附錄19，選取管子規(guī)格為核算流速4.9.3 水蒸氣進口管取，根據(jù)書1附錄19，選取管子規(guī)格為核算流速4.9.4 液態(tài)水出口管，根據(jù)書1附錄19，選取管子規(guī)格為核算流速 排污管排污管型號選擇 接管及接管法蘭尺寸表表：各接管尺寸代

27、號接管接管外徑/mm 壁厚/mma水蒸汽進口管219 6b液態(tài)水出口管45 c出料接管530 9d進料接管530 9e排污管25查參考資料4Pg278表10-19，得表：各接管法蘭尺寸/mm代號公稱通徑DN鋼管外徑A1密封面厚度f1連接尺寸板式平焊法蘭法蘭外徑D螺孔中心圓直徑K螺孔直徑L螺孔數(shù)量n螺紋Th法蘭內(nèi)徑B1坡口寬度b法蘭厚度Ca2002193320280188M16222022b40453130100144M1246016c50053046456002220M20535/534032d50053046456002220M20535/534032e202529065114M1026014 總 結(jié) 本次化工原理課程設計歷時四周，是學習化工原理以來第一次獨立的工業(yè)設計。化工原理課程設計是培養(yǎng)學生化工設計能力的重要教學環(huán)節(jié)，通過課程設計使我們初步掌握化工設計的基礎知識、設計原則及方法；學會各種