化工原理課程設(shè)計(jì)朱聰

1、化工原理課程設(shè)計(jì)（ 2012 級(jí)）題目苯甲苯連續(xù)精餾塔的設(shè)計(jì)學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院專業(yè)制藥工程班級(jí)12 化學(xué)制藥班學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師許海丹完成日期2014年 月 日1 物料衡算物料衡算即應(yīng)用質(zhì)量守恒定理，對(duì)物料質(zhì)量的變化進(jìn)行衡算。對(duì)于一般體系， 物料衡算均可表示為：物料的積聚率 =（物料進(jìn)入率）-（物料流出率）+（反應(yīng)生成率）-（反應(yīng)消耗率）對(duì)于無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程時(shí)，表達(dá)式為：物料的積聚率 =（物料進(jìn)入率）-（物料流出率）1.1 苯、甲苯分離工段圖 1苯、甲苯精餾分離流程模擬圖1.2 精餾塔的物料衡算表 1精餾塔物料衡算表Stream NoINOUTFEEDDWPhaseLIQUIDVAPORLIQU

2、IDTemperature 2080.14054110.6504Pressure atm1.0000001.0000001.006805Vapor Frac0.00.00.0ComponentMass FlowMassMass FlowMass FracMass FlowMass Frackg/hrFrackg/hrkg/hrC6H65686.980.695675.606040.999281712.665570.0049405C7H82555.020.312.555020.00071832550.9410.9950595Total824215678.39312563.6071824282421

3、.3 換熱器的物料衡算表 2換熱器物料衡算表Stream NoINOUTWWATER46PhaseLIQUIDLIQUIDLIQUIDLIQUIDTemperature 110.650422.0000040.0000051.73891Pressure atm1.0068051.0000001.0047780.9999087Liquid Frac1.0000001.0000001.0000001.000000ComponentMass Flow kg/hrMass Flow kg/hrMass Flow kg/hrMass Flow kg/hrC6H612.665570.012.665570.0

4、C7H82550.9410.02550.9410.0H 2O0.03000.0000.03000.000Total5563.6075563.6071.4 總物料衡算表 3 總物料衡算表Stream NoINOUTFEEDWATERD46PhaseLIQUIDLIQUIDVAPORLIQUIDLIQUIDTemperature 20.0000022.0000080.1405440.0000051.73891Pressure atm1.0000001.0000001.0000001.0047780.9999087Vapor Frac0.00.00.00.00.0ComponentMass Flow

5、Mass FlowMass FlowMass FlowMass Flowkg/hrkg/hrkg/hrkg/hrkg/hrC6H65686.980.05674.31412.665570.0C7H82555.020.04.0785532550.9410.0H2 O0.03000.0000.00.03000.000Total11242112422 能量衡算物料平衡計(jì)算之后，我們還需要根據(jù)各階段的物料量，進(jìn)行熱平衡計(jì)算，熱量平衡計(jì)算可以為生產(chǎn)過(guò)程提供熱能的供需量，如換熱器的換熱面積、熱介質(zhì)或冷介質(zhì)的消耗量、設(shè)備能量消耗等，從而可以求得原材料、燃料和能量的消耗定額，計(jì)算成本和經(jīng)濟(jì)效益、通過(guò)熱量或能量平

6、衡計(jì)算，可以從各個(gè)環(huán)節(jié)找出不合理的消耗，依此作為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、低耗的重要手段。因此進(jìn)行熱量衡算是工廠規(guī)劃必要的前提。工藝工程中輸入和輸出的熱量和能量、 能量或熱量的轉(zhuǎn)換是基于能量守恒定律的。 在一個(gè)封閉的體系中， 各個(gè)能量之總和將維持不變， 熱平衡是以物料平衡為基礎(chǔ)的， 在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中我們以單位時(shí)間來(lái)計(jì)算， 把裝置或過(guò)程中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)、 物理變化的熱效應(yīng)、 從外界輸入的熱量和隨反應(yīng)物、 反應(yīng)產(chǎn)物帶出的熱量以及設(shè)備、 器壁散失熱量等都考慮在內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。即：Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6式中： Q1 物料帶入設(shè)備的熱量，KJ;Q2 加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備及所處理物料的熱量，KJ;Q3

7、 過(guò)程的熱效應(yīng)，KJ;Q4物料帶出設(shè)備的熱量，KJ;Q5 加熱或冷卻設(shè)備所消耗的熱量或冷量，KJ;Q6 設(shè)備向環(huán)境散失的熱量， KJ.（1）化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)可以通過(guò)與過(guò)程有關(guān)化合物的生成熱和燃燒熱來(lái)求得，而根據(jù)蓋斯定律： 不管化學(xué)過(guò)程是一步完成或分步完成，其過(guò)程的熱效應(yīng)是相同的。因此，我們進(jìn)行熱量衡算的時(shí)候可以不必考慮反應(yīng)的中間過(guò)程，而只考慮始末狀態(tài)。即：Q 反應(yīng) = 生成物- 反應(yīng)物其中： Q 化學(xué)反應(yīng)熱；生成物 生成物的生成焓之和；反應(yīng)物 反應(yīng)物的生成焓之和。（ 2）熱量散失計(jì)算模擬過(guò)程中該部分熱在簡(jiǎn)化過(guò)程中被忽略不計(jì)。綜合考慮各部分熱量，在整個(gè)體系中，熱量應(yīng)滿足守恒定律

8、，即：輸入系統(tǒng)中的能量 從系統(tǒng)中輸出的能量= 系統(tǒng)中積累的能量而在本流程模擬中系統(tǒng)能量的積累等于物料進(jìn)出焓差， 輸入輸出的能量差都體現(xiàn)在設(shè)備的熱負(fù)荷中，故：進(jìn)出物流焓變 =設(shè)備的熱負(fù)荷Q =Hout - Hin其中： Q 設(shè)備的熱負(fù)荷；Hout 設(shè)備的熱負(fù)荷；Hin 進(jìn)入設(shè)備的各物料焓之和。本熱量平衡計(jì)算書(shū)以單元設(shè)備為衡算對(duì)象進(jìn)行熱量衡算。2.1 精餾塔的能量衡算表 4 精餾塔能量衡算表Stream NoINOUTFEEDDWPhaseLIQUIDVAPORLIQUIDTemperature 2080.14054110.6504Pressure atm1.0000001.0000001.006

9、805Vapor Frac0.00.00.0Mole Flow kmol/hr100.533572.6860527.84748Mass Flow kg/hr82425678.3932563.607Volume Flow cum/sec0.00261980.00193290.0009142Enthalpy Watt10572091152347211593 H Enthalpy Watt306731設(shè)備名稱塔底再沸器塔頂冷凝器負(fù)荷 Watt1998677.92-1691947.4Q= 1998677.92-1691947.4=306730.52 = H熱量守恒2.2 換熱器的能量衡算表 5換熱器能

10、量衡算表Stream NoINOUTWWATER46PhaseLIQUIDLIQUIDLIQUIDLIQUIDTemperature 110.650422.0000040.0000051.738889Pressure atm1.0068051.0000001.0047780.9999087Liquid Frac1.0000001.0000001.0000001.000000Mole Flow kmol/hr27.84748166.525327.84748166.5253Mass Flow kg/hr2563.6073000.0002563.6073000.000Volume Flow0.000

11、91420.00083630.00083890.0008615cum/secEnthalpy Watt211593-13224483113977-13126867 H Watt0H=0 ，能量守恒3 換熱器的選型設(shè)計(jì)通常所需要的換熱面積與實(shí)際換熱面積是有差異的，需要做出調(diào)整。 調(diào)整應(yīng)考慮以下原則：1、由于本工藝中所需換熱器的傳熱面積較大，需要把兩個(gè)或以上的換熱器并聯(lián)或串聯(lián)使用。 當(dāng)流股的體積流量較大時(shí)， 流體在換熱器內(nèi)的湍動(dòng)程度充分， 使用并聯(lián)的換熱器不會(huì)引起傳熱系數(shù)的較大變化， 而可以有效的降低壓降； 當(dāng)流股的體積流量較小時(shí)， 為了使流體有較高的湍動(dòng)程度， 提高傳熱系數(shù)， 可以使用多管程的換

12、熱器。為了避免壓降過(guò)大，也可以將換熱器串聯(lián)使用。2、調(diào)整擋板數(shù)和擋板間距可以改變流體的湍動(dòng)程度，從而改變傳熱系數(shù)，但在計(jì)算中影響不大，主要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，為了減少壓降可以選擇較大的板間距。3、列管式固定板換熱器內(nèi)的管數(shù)與關(guān)的布置有關(guān)，一般情況下不可以隨意改動(dòng)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的換熱器都有骨固定的管數(shù)，但是，可以封死某幾根管子以減少管子數(shù)，來(lái)改變傳熱面積，以滿足要求。4、冷卻水的用量對(duì)所需的換熱面積有很大的影響。5、冷卻水的出口溫度一般不宜超過(guò)45，因?yàn)楣I(yè)冷卻水所含的部分鹽類的溶解度隨著溫度的升高而減小，如出口溫度過(guò)高，鹽類析出，將會(huì)形成傳熱性很差的污垢，使傳熱過(guò)程惡化。6、對(duì)于消耗公用設(shè)施的節(jié)

13、點(diǎn)，不應(yīng)該再用冷卻水向外界排熱。對(duì)需要熱公用設(shè)施進(jìn)行加熱的節(jié)點(diǎn)，不要用冷公用設(shè)施對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行冷卻。7、對(duì)于用冷卻水向外界排熱的節(jié)點(diǎn)，不應(yīng)該再以熱公用設(shè)施加熱。對(duì)需要冷公用設(shè)施進(jìn)行冷卻的節(jié)點(diǎn)，不要用熱公用設(shè)施對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加熱。首先用 Aspen Plus 對(duì)每個(gè)換熱器進(jìn)行模擬，得到以下數(shù)據(jù)：表 6 選型計(jì)算換熱器名稱C104換熱器類型無(wú)相變換熱器換熱器管程傳熱特點(diǎn)液體無(wú)相變換熱器殼程傳熱特點(diǎn)氣體無(wú)相變（ 0.975）換熱器管程物料選擇水換熱器殼程物料選擇熱甲苯設(shè)備數(shù)據(jù)項(xiàng)目結(jié)果換熱器殼內(nèi)徑1.00m換熱器管長(zhǎng)3.00m換熱器管數(shù)200換熱管外徑0.036m換熱管內(nèi)徑0.035m換熱管間距0.04m

14、換熱管排列方式三角形換熱管程數(shù)1擋板切割高度0.263m換熱器折流擋板間距0.05882352m換熱器折流擋板數(shù)50換熱器緩沖擋板（是/否）是傳熱數(shù)據(jù)項(xiàng)目單位數(shù)值換熱器總傳熱系數(shù)kW/(m 2 ·K)0.04926534換熱器熱負(fù)荷MW0.09761618換熱器對(duì)數(shù)平均溫差（沒(méi)有就空白）換熱器實(shí)際換熱面積m267.8584013（小數(shù)點(diǎn)）換熱器理論換熱面積m257.4244575換熱器管程平均溫度36.869換熱器殼程平均溫度75.325換熱器管程流體流量kg/hr3000換熱器殼程流體流量kg/hr2563.60676換熱器管程流速m/s0.00441101換熱器殼程流速m/s0.

15、07720940換熱器管程程數(shù)1換熱器殼程程數(shù)1換熱器管程壓力降MPa9.2504e-06換熱器殼程壓力降MPa0.0001977換熱器殼程設(shè)計(jì)壓力MPa2.0265e-07換熱器管程腐蝕裕度1.3換熱器殼程腐蝕裕度1.34 精餾塔的設(shè)計(jì)舉例浮閥的閥片可以浮動(dòng)，隨著氣體負(fù)荷的變化而調(diào)節(jié)其開(kāi)啟度，因此， 浮閥塔的操作彈性大，特別是在低負(fù)荷時(shí)，仍能保持正常操作。浮閥塔由于氣液接觸狀態(tài)良好，霧沫夾帶量?。ㄒ驓怏w水平吹出之故），塔板效率較高，生產(chǎn)能力較大。塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造費(fèi)用便宜，并能適應(yīng)常用的物料狀況，是化工、煉油行業(yè)中使用最廣泛的塔型之一。圖 2 為其結(jié)構(gòu)示意圖：1-出料口接管； 2- 接管； 3

16、-塔盤(pán)； 4-回流管； 5- 塔頂接管； 6-進(jìn)料管圖 2 浮閥塔結(jié)構(gòu)示意圖我們首先通過(guò)Aspen Plus 軟件計(jì)算得到相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)和物性資料，然后使用 Hydrodyn和 Mechanic 兩個(gè)軟件，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的精餾塔進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。表 7 精餾塔 T-401 具體數(shù)據(jù)一序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值1塔板數(shù)（理想精餾塔）2第幾塊，進(jìn)料板（理想精餾塔）3最小回流比4回流比5塔板數(shù)（實(shí)際精餾塔）6第幾塊，進(jìn)料板（實(shí)際精餾塔）7F（ kg/hr）8D（ kg/hr）9W （kg/hr ）表 8 精餾塔 T-401 具體數(shù)據(jù)二序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值1塔徑 D/m2塔板間距 HT/m3塔板型式4堰型式5堰長(zhǎng) lw/m2.

17、2046受液盤(pán)型式凹型受液盤(pán)7板上清液層高度hl/m0.068降液管底隙 ho/m0.079閥數(shù) N/個(gè)齒型堰堰深 hn10堰高 hw0.03511堰上液流高度 how0.02312降液管寬度 Wd0.35213中心降液管寬度 Wd'0.114降液管總面積Af/m 252815塔板截面積 At/m 211.341116浮閥型式F-1 型浮閥17閥孔動(dòng)能因子10.8918閥孔速度 m/s18.7619閥孔直徑 do/mm3920閥孔數(shù)目 n/個(gè)168021閥孔總面積 Ao/m 22.006922鼓泡區(qū)面積 Aa/m29.443223開(kāi)孔率0.2124孔中心距 t/mm7425外堰前安定區(qū)

18、寬度Ws/mm9526內(nèi)堰前安定區(qū)寬度Ws'/mm7527無(wú)效區(qū)寬度 Wc/mm6028泛點(diǎn)率0.78629單板壓降 hp/mm 液柱6930干板壓降 hc/mm 液柱4031板上清液層阻力 hl/mm 液柱3032降液管阻力 hd/mm 液柱233降液管內(nèi)清液高度 h/mm13134泡沫層相對(duì)比重0.535液相流程長(zhǎng) Z/mm3096表 9 精餾塔 T-401 具體數(shù)據(jù)三序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值1工作壓力 /MPa2工作溫度 /3設(shè)計(jì)壓力 /MPa4設(shè)計(jì)溫度 /5材料Q235-A6許用應(yīng)力 MPa/1117材料的屈服極限 /MPa2358鋼板負(fù)偏差 C1/mm0.89腐蝕余量 C2/mm110焊縫系數(shù)0.8511筒體最小壁厚碳鋼 DI =3800 Smin=7.612名義厚度 /mmSn=4013有效厚度 /mm38.214液壓試驗(yàn) /MPa211.515封頭曲面深度 H f/mm95016形狀系數(shù)117計(jì)算厚