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1、化工過程設(shè)計課程設(shè)計間甲苯酚制備工藝流程設(shè)計姓 名學(xué) 號學(xué) 院化工學(xué)院專 業(yè)應(yīng)用化學(xué)2012年11月30號目錄一、產(chǎn)品概述31.1 間甲酚的用途31.2 間甲酚的市場前景31.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.3.1 間甲酚的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法41.3.2 本文的路線設(shè)計71.4 設(shè)計的目的和意義7二、設(shè)計基礎(chǔ)7三、工藝設(shè)計83.1 工藝過程原理83.2 工藝流程簡圖93.3 工藝流程說明93.4 物料平衡及操作條件10四、物料平衡及熱量衡算104.1 水解反應(yīng)釜物料衡算104.2 精餾塔物料衡算114.3 熱量衡算12五、主要設(shè)備設(shè)計125.1 高壓水解反應(yīng)釜的設(shè)計125.1.1 反應(yīng)釜罐體的設(shè)計135.1
2、.2 封頭155.1.3 視鏡的設(shè)計155.1.4 軸的設(shè)計155.1.5 反應(yīng)釜夾套的設(shè)計165.1.6 支座的選型及設(shè)計185.1.7 反應(yīng)釜的軸封裝置設(shè)計185.2 精餾塔的設(shè)計185.2.1 設(shè)計方案的確定和結(jié)構(gòu)介紹185.2.2 精餾塔的工藝設(shè)計195.2.3 理論塔板的計算265.2.4 塔徑和塔高的初步設(shè)計285.2.5 溢流裝置305.2.6 精餾塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計315.2.7 塔的強度校核34六、設(shè)計體會和收獲35七、參考文獻35間甲苯胺制備間甲苯酚的工藝研究一、產(chǎn)品概述間甲苯酚(m-CH3C6H4OH),又名間甲酚,是農(nóng)藥及其他精細化學(xué)品的重要中間體。它的性質(zhì)如下:無色到微黃色
3、液體,具有如苯酚的氣味。分子量:108.13 ,熔點:10.9 ,沸點202 (0.1 Mpa),凝固點12.22 ,相對密度1.034(20 ),折射率1.9638(20 ),閃點86.1 (閉杯)。微溶于水,可溶于乙醇、乙醚、氫氧化鈉溶液氯仿1。毒性:毒性較小,有腐蝕性,LD50 2020 mg/kg,空氣中最高容許濃度22 mg/m3。它的結(jié)構(gòu)式如下:1.1 間甲酚的用途間甲酚是醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料、染料的重要原料。由高純間甲酚為原料合成的維生素E,在醫(yī)藥、食品、保健以及動物飼料添加劑等行業(yè)均有較為廣泛的用途。用其合成的農(nóng)藥有殺螟松、倍硫磷、擬除蟲菊醋等高效、低毒、具有廣譜性的殺蟲劑、除草劑
4、。另外也可用于合成百里酚,并可進一步合成薄荷醇。薄荷醇目前價格約10萬元/t,國際市場有較大需求,我國每年出口3kt/a;用其合成的染料C.I.有分散黃104(分散黃SE-5R)、分散橙55、C.I.酸性黃183、C.I.酸性黃199(酸性黃A-4R)、C.I.酸性橙67(酸性橙R×L)等2,3。間甲酚還用于合成阻燃劑、增塑劑、防腐劑以及染料的增白劑等4。間甲苯酚也是彩色膠片、樹脂的中間體5。此外,間甲酚與異丁烯反應(yīng)得6-特丁基間甲酚。再和SCl2縮合得4,4-硫代雙一(6-特丁基間甲酚),這是聚乙烯和聚丙烯的重要抗氧化劑。1.2 間甲酚的市場前景目前,在國內(nèi)間甲苯酚尚未有很大的生產(chǎn)
5、能力,這是一類由于工藝落后,生產(chǎn)能力較小,產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量均不能滿足國內(nèi)需求的重要精細化工產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計,間甲酚的需求量將保持年均8% 10%左右的高速增長,目前產(chǎn)量不能滿足國內(nèi)市場需求,每年需要進口相當數(shù)量的間甲酚,2006年17月份累計進口3543. 8噸2。據(jù)統(tǒng)計間甲酚的需求量將保持年均8%10%左右的高速增長,目前產(chǎn)量不能滿足國內(nèi)市場需求,每年需要進口相當數(shù)量的間甲酚6。近年來,工業(yè)上由間甲苯胺重氮化水解制備間甲酚,其生產(chǎn)工藝采用的是間歇釜式反應(yīng)工藝,重氮化反應(yīng)屬于自由基反應(yīng),反應(yīng)時放出大量的熱,在工藝中釜式反應(yīng)器中導(dǎo)致局部過熱,從而使亞硝酸、重氮鹽容易分解;間歇式工藝造成重氮鹽停留時間
6、長,重氮鹽容易發(fā)生偶合反應(yīng)、分解反應(yīng)等副反應(yīng),從而導(dǎo)致間甲酚的得率不高。因此,隨著國內(nèi)精細化工行業(yè)的快速穩(wěn)定發(fā)展,從目前的情況來看,間甲苯酚未來的發(fā)展前景是非常樂觀的,它具有很大的市場前景。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1 間甲酚的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法1 主要合成方法有異丙基甲苯法、鄰二甲苯氧化法、苯酚烷基化法、氯甲基水解法以及甲苯磺化堿熔法等,常用的是異丙基甲苯法,甲苯磺化堿熔法以及鄰二甲苯氧化法:1、異丙基甲苯法 以甲苯為原料,在催化劑存在下,用丙烯進行烴化反應(yīng),再經(jīng)氧化、酸解而得,其主要反應(yīng)式如下:1) 烷基化: 烷基化以三氯化鋁為催化劑(用量為1%2% ),反應(yīng)溫度85115, 丙烯/甲苯=0
7、.4mol0.6mol在此條件下可以獲得收率較高的間位異構(gòu)體。 2) 氧化:異丙基甲苯氧化所用氧化劑有空氣、純氧或過氧化氫。一般以空氣氧化比較經(jīng)濟。氧化反應(yīng)在引發(fā)劑(過氧化苯甲酞或偶氮二異丁腈)存在下進行,加入量為異丙基甲苯m1%左右,反應(yīng)溫度138140,反應(yīng)時間130 min 150min,通氣量按理論過量5%;反應(yīng)液pH控制在5左右,氧化深度控制15%。在此條件下總的異丙基甲苯氫過氧化物約為85%90%。3) 分解: 異丙基甲苯過氧化氫在硫酸存在下,分解為甲酚和丙酮。此法合成的混甲酚,間、對二異構(gòu)體大致為6:4。經(jīng)酸分解后的分解液的組成大致為:丙酮34.4%。間、對混甲酚30.7%,異丙
8、基甲苯6.9%, a-甲基一甲基苯乙烯3.9%,過氧化物4.4%。4) 分離精制: 鄰甲酚與間、對甲酚沸點差較大,選擇適當設(shè)備即可分離,但間甲酚(202.9)和對甲酚(202.5)沸點很接近,不能采用分餾法分離。采用異丁烯烷基化法,可以得到良好效果。其工藝過程為:將混甲酚在催化劑存在下,用異丁烯進行烴化,得到二叔丁基對甲酚混合物,其反應(yīng)式如上。甲酚叔丁基化所得產(chǎn)物是一種復(fù)雜的混合物,其中除含單叔丁基甲酚和異丁烯聚合物,利用其沸點差異,可將其蒸餾分離。分離后所得的4.6一二叔丁基間甲酚,在催化劑存在下,經(jīng)加熱至202,可脫烴分解為間甲酚和異丁烯,所得產(chǎn)品間甲酚含量可達98%以上,回收率達95%左
9、右。異丁烯回收率在95%以上,可以循環(huán)套用。由此法分離間甲酚,還可聯(lián)產(chǎn)2,6一二叔丁基對甲酚抗氧劑。2、甲苯磺化堿溶法 甲苯和硫酸(98%)進行反應(yīng)(110-110)然后升溫至150 ,繼續(xù)加入甲苯,接著升溫至190進異構(gòu)化,最后堿熔得甲醇,其組成如下:苯酚3.1 %,對甲苯酚3 7.4%鄰甲苯酚4.70%,間甲苯酚54.8%,其反應(yīng)式如下: 如上述反應(yīng)所得的間、對甲酚,用高效蒸餾塔重蒸,切割出201-208的窄餾分,即得到間、對甲酚等的混合物;以此物料,用苯稀釋后,加入尿素,在-10下反應(yīng)離心抽濾,用-10的苯或甲苯洗滌二次,得到間甲酚一尿素的白色固體絡(luò)合物。然后在15-18用甲苯水解絡(luò)合物
10、。取上面液層,在精餾塔內(nèi),常壓下蒸出甲苯和水后,在真空度0.1 Mpa下切取91-104餾分,即得含量為95%以上的間甲酚。本法是最早工業(yè)化的方法,工藝路線成熟,國外早期采用此法生產(chǎn)。但由于此法耗用大量酸堿,因此三廢量大,設(shè)備腐蝕嚴重,且工藝過程中還需多次處理固體物料,使生產(chǎn)連續(xù)化較困難,而且質(zhì)量差,在技術(shù)經(jīng)濟上,不如異丙基甲苯法優(yōu)越。3、鄰二甲苯氧化法鄰二甲苯在環(huán)烷酸鉆催化下,由空氣氧化得鄰甲基苯甲酸,再以CuO和 MgO為催化劑,將鄰甲基苯甲酸氧化脫羧轉(zhuǎn)化而得間甲酚。反應(yīng)式如下:該方法反應(yīng)條件要求高,而間甲酚總收率卻較低,約36%7,產(chǎn)品成本較高。4、重氮化法制備間甲苯酚間甲苯胺的重氮水解
11、法制備間甲苯酚主要分為兩個步驟:一是間甲苯胺的重氮化,二是重氮鹽的水解。重氮化過程為速率控制步驟。目前,據(jù)有關(guān)資料報道,由間甲苯胺制間甲苯酚的產(chǎn)率約為41%8,郝艷霞等間甲苯胺重氮化水解報道的收率有77%9,董云等報道的收率有90%,產(chǎn)品純度為99.7%2。1.3.2 本文的路線設(shè)計催化劑為磷酸。1.4 設(shè)計的目的和意義甲苯的硝化是化工生產(chǎn)的重要有機反應(yīng),可以得到60%的鄰硝基甲苯,36%的對硝基甲苯和4%的間硝基甲苯。在三種一硝基甲苯異構(gòu)體中,對硝基甲苯的市場需求很大;鄰硝基甲苯雖然供大于求的時間居多,但過剩的鄰硝基甲苯可用于TNT的生產(chǎn);間硝基甲苯在國內(nèi)市場需求很小,一般是作為鄰、對硝基甲
12、苯的副產(chǎn)物直接焚燒或經(jīng)進一步硝化后焚燒,這不僅造成巨大原資源浪費,而且嚴重污染了環(huán)境。為解決此問題,通過成熟的加氫技術(shù),進行間甲苯胺的直接水解來制備間甲苯酚,不但可為大量的副產(chǎn)物間硝基甲苯找到出路,而且可緩解國內(nèi)市場間甲酚持續(xù)供不應(yīng)求的局面。二、設(shè)計基礎(chǔ)1、間甲苯酚制造過程反應(yīng)裝置包括:反應(yīng)物配料裝置、中和反應(yīng)裝置、加壓水解裝置、萃取分離裝置、精餾裝置等;2、間甲苯酚的制造按照間歇式生產(chǎn)方式,年產(chǎn)量為間甲苯酚1.8 t·a-1(0.25 kg·h-1);3、間甲苯酚制造過程中涉及的化學(xué)品包括:間甲苯胺(固體)、濃度為85%的磷酸、氮氣、甲苯及其產(chǎn)生的廢水、廢氣,這些物質(zhì)的規(guī)
13、格及理化學(xué)性質(zhì)可查閱相關(guān)手冊;4、根據(jù)間甲苯酚制備研究結(jié)果,最佳反應(yīng)條件如下:在溫度280285,反應(yīng)時間1220h,H3PO4/胺摩爾比為1.962.55,水/胺摩爾比為2035條件下,間甲苯酚收率83.2%84.6%。根據(jù)上述結(jié)果,選擇采用如下條件來設(shè)計間甲苯酚產(chǎn)品中試裝置:間甲苯胺投料3.6Kg/次,H3PO4/胺摩爾比2.20,水/胺摩爾比=29.80;反應(yīng)溫度280;反應(yīng)時間14h。具體見表2.5.2。表1 間甲苯酚產(chǎn)品設(shè)計采用的主要反應(yīng)工藝條件項 目R2101(間甲苯酚)反應(yīng)配料比例(mol)磷酸/間甲苯胺2.20水/間甲苯胺29.80甲苯/間甲苯胺4.85氮氣(用于置換裝置內(nèi)的空
14、氣)適量反應(yīng)溫度280285反應(yīng)壓力(a)MPa3.05.0反應(yīng)時間h145、在進行工藝流程設(shè)計之前,應(yīng)對公用工程的條件做必要的了解,并針對本設(shè)計的公用工程供應(yīng)提出要求;另外,在流程設(shè)計中還要對產(chǎn)品儲存、“三廢”排放等作相應(yīng)考慮。三、工藝設(shè)計3.1 工藝過程原理在高溫、高壓條件下,間甲苯胺與磷酸和水反應(yīng),生成間甲苯酚和磷酸二氫銨,化學(xué)反應(yīng)式如下:除上述主反應(yīng)以外,在高溫、高酸度反應(yīng)條件下,還伴隨有重質(zhì)焦油物產(chǎn)生等副反應(yīng),其中最主要的副反應(yīng)是產(chǎn)物間甲苯酚與反應(yīng)物間甲苯胺之間脫水生成3,3-二甲基二苯胺:影響上述主副反應(yīng)的主要因素包括反應(yīng)物料比、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力等。在弄清上述這些因素對
15、反應(yīng)的影響之后,最佳工藝的確定還需要對這些變量進行協(xié)同優(yōu)化,強化主反應(yīng)速度、提高反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率和目標產(chǎn)物的選擇性、抑制副反應(yīng)的發(fā)生將是降低原材料消耗、減化反應(yīng)后處理程序和提高技術(shù)先進性的關(guān)鍵。3.2 工藝流程簡圖圖1 流程簡圖3.3 工藝流程說明設(shè)計間甲苯胺在磷酸作用下的直接水解反應(yīng)采用間歇式工藝,磷酸與間甲苯胺之間的中和反應(yīng)以及反應(yīng)液進一步水解反應(yīng)分開進行,其中水解反應(yīng)采用折葉式攪拌鼓泡反應(yīng)工藝。由原料計量、酸胺中和、高壓水解、甲苯萃取、副產(chǎn)物分離、間甲苯酚產(chǎn)品精餾、甲苯再生等單元構(gòu)成。生產(chǎn)過程大致如下:先將濃度為85%的磷酸加水稀釋溶解,然后加入間甲苯胺進行酸胺中和反應(yīng)。將上述混合物轉(zhuǎn)入
16、高壓釜中,密閉后通入氮氣以置換高壓釜內(nèi)的空氣,緩慢升溫至設(shè)定的反應(yīng)溫度,攪拌反應(yīng)一定時間使水解反應(yīng)完全。反應(yīng)結(jié)束后,從高壓釜內(nèi)取出反應(yīng)混合物冷卻至設(shè)定溫度后,加入溶劑甲苯萃取。水相經(jīng)濃縮結(jié)晶可得到副產(chǎn)物磷酸二氫銨;有機相經(jīng)減壓蒸餾,分離出主產(chǎn)物間甲苯酚并回收溶劑甲苯。3.4 物料平衡及操作條件間甲苯酚裝置物料平衡見表2,部分物料的物理性質(zhì)匯總于表3。表2 間甲苯酚裝置物料平衡表入 方kg/ht/天t/年出 方kg/ht/天t/年間甲苯胺0.29500.00702.124間甲苯酚0.25000.00601.80085%磷酸0.69700.01655.0184磷酸二氫銨0.35000.00842.
17、5200去離子水*4.4800.107532.26冷凝水甲苯1.2300.02928.8811反應(yīng)排放氣氮氣*1.11450.02758.2448廢液2.50000.06018.00冷卻水801.92576損失蒸汽1253900合計合計*:包括甲苯萃取液水洗用;*:氮氣流量以一段時間內(nèi)的消耗累計與時間的比值來表示。表3 部分物料的物理性質(zhì)表物質(zhì)正常沸點/真空下沸點/-0.030MPa(表壓)-0.072MPa(表壓)-0.096MPa(表壓)甲苯110.8926533間甲苯酚202193175152四、物料平衡及熱量衡算4.1 水解反應(yīng)釜物料衡算水解反應(yīng)釜進口物料組成按照上述的條件對間甲苯酚產(chǎn)
18、品進行物料恒算,具體見表4(其中間甲苯胺每天投料兩次,一天生產(chǎn)24個小時,一年300個工作日)。間甲苯胺:3.6kg/次×2次×1000/(107g/mol×24h)=2.80mol/h=0.3kg/h反應(yīng)磷酸/間甲苯胺比為2.2磷酸:2.80mol/h×2.2=6.16 mol/h=0.6kg/h反應(yīng)水/間甲苯胺比29.8水:2.80mol/h×29.8=83.44 mol/h=1.5kg/h水解反應(yīng)釜出口物料組成間甲苯酚:2.75 mol/h×84%=2.31 mol/h =0.25kg/h磷酸二氫銨:2.75 mol/h
19、5;84%=2.31 mol/h =0.27kg/h水:83.44 mol/h-2.31 mol/h=81.13 mol/h =1.46kg/h表4 間甲苯酚裝置物料平衡表入 方kg/hkg /天t/年間甲苯胺0.37.22.16磷酸0.614.44.32水1.536.010.8出 方kg/hkg /天t/年間甲苯酚0.256.01.8磷酸二氫銨0.276.481.94水1.4635.0410.514.2 精餾塔物料衡算工藝要求:塔頂甲苯含量98%,塔底甲苯含量為0.5%;已知甲苯摩爾質(zhì)量92kg/kmol;間甲苯酚摩爾質(zhì)量108kg/kmol由高壓反應(yīng)釜的物料平衡數(shù)據(jù)可知,進入精餾塔的混合物
20、中甲苯:1.23kg/h,間甲苯酚:0.25kg/h,所以原料液中甲苯的質(zhì)量分數(shù)為W=1.23/(1.23+0.25)=83.11原料液組成(摩爾分數(shù),下同):=0.8524=85.24%塔頂組成:=0.9829=98.29%塔底組成:=0.00586=0.586%原料液的平均摩爾質(zhì)量:=0.8524×92+(1-0.8524)×108=94.36kg/kmol進料量:=(1.23+0.25)/94.36kg/h=15.68 mol/h物料衡算式:=+,= 其中為塔頂產(chǎn)品流量,mol/h;為塔釜殘液流量,mol/h聯(lián)立解得:=13.59mol/h,=2.09mol/h4.3
21、 熱量衡算水解反應(yīng)釜熱量衡算圖2 熱量衡算由上圖知,涉及物料的比熱容如表5所示(取定性溫度為155)。表5 物料比熱容間甲苯胺間甲苯酚水磷酸磷酸二氫銨比熱容/(J/mol.K)238.326977.18182.28148.4所以,水解反應(yīng)釜的熱負荷為355.3kJ/h。五、主要設(shè)備設(shè)計5.1 高壓水解反應(yīng)釜的設(shè)計間甲苯胺的直接水解反應(yīng)在水解反應(yīng)釜R-2102中進行。根據(jù)中試規(guī)模,設(shè)計R-2102的容積為30L,設(shè)計壓力10MPa,工作壓力3.05.0MPa,最高工作溫度350;由于水解反應(yīng)在高溫、高壓和酸性條件下進行,因此選用不銹鋼材料制作,并在釜內(nèi)壁襯鋯材,增強設(shè)備的抗腐蝕性能力。工藝上要求
22、滿足氣、液兩相攪拌及傳熱傳質(zhì)需要。采用四片折葉式攪拌器,達到鼓泡攪拌的效果,以促進氣、液的充分混合,并在反應(yīng)器內(nèi)壁設(shè)有四塊擋板以強化攪拌效果;釜外設(shè)蒸汽加熱夾套,為強化傳熱,在冷卻夾套內(nèi)設(shè)導(dǎo)流板。此外在內(nèi)構(gòu)件上還設(shè)有測溫套管、視鏡等。在密封上要求嚴格不泄漏,推薦采用機械密封或磁力攪拌,其潤滑和冷卻方式由工程設(shè)計單位同制造廠家商定,原則上是不能造成釜內(nèi)物料的污染。如采用密封液,最好是用自身工藝介質(zhì)。5.1.1 反應(yīng)釜罐體的設(shè)計10反應(yīng)釜可視為內(nèi)壓容器。其各種設(shè)計參數(shù)如下:. 設(shè)計壓力該反應(yīng)釜在高壓下操作,設(shè)計壓力取為10MPa. 設(shè)計溫度由于反應(yīng)釜中的水解反應(yīng)在高溫下進行,最高工作溫度為350,
23、因此設(shè)計溫度定為350。. 許用應(yīng)力由于水解反應(yīng)在高溫、高壓和酸性條件下進行,因此選用不銹耐酸鋼材料制作,并在釜內(nèi)壁襯鋯材,增強設(shè)備的抗腐蝕性能力。在鋼中加入Ti元素可顯著提高鋼材對高溫蠕變的抗力,故可提高使用溫度。因此材料選擇0Cr18Ni10Ti,根據(jù)GB-4237,查得: 在反應(yīng)溫度280下的許用應(yīng)力. 焊縫系數(shù)按照GB150規(guī)定,焊縫系數(shù)主要考慮焊縫形式與對焊縫進行無損檢驗長度兩個因素,本設(shè)計采用全焊透對接焊,對焊縫作局部無損探傷,則=0.85表6反應(yīng)釜罐體的設(shè)計參數(shù)設(shè)計壓力/MPa設(shè)計溫度/許用應(yīng)力/MPa焊縫系數(shù)103501180.85反應(yīng)釜的工作壓力為3.05.0MPa,所以最大
24、允許工作壓力=5.0MPa,計算壓力=1.1=1.15.0MPa=5.5MPa 反應(yīng)釜筒體直徑和高度的確定表7 幾種攪拌罐的長徑比種類設(shè)備內(nèi)物料類型H/一般攪拌罐液固相或液液相物料11.3發(fā)酵罐類1.72.5本設(shè)計中取長徑比為1.2罐體的全容積V和罐體的公稱容積(即操作時盛裝物料的容積)有如下的關(guān)系:=V(為裝料系數(shù))根據(jù)所查資料,本設(shè)計中取=0.8罐體的內(nèi)徑=0.32m=320mm查公稱直徑表將計算直徑圓整為標準直徑=350mm罐體高度壁厚的確定:計算厚度由計算厚度查得,鋼板負偏差=0.8mm該系統(tǒng)中間甲苯胺和磷酸對筒體腐蝕相對較小,腐蝕裕量取2mm則筒體的設(shè)計厚度。則筒體的名義厚度取圓整值
25、=1.33,則筒體壁厚則筒體的有效厚度=校核水壓試驗強度:強度校核的思路:式子是否成立式中=11.20mm 查表得=270MPa= = 可見,所以水壓試驗強度足夠。5.1.2 封頭10本設(shè)計采用標準橢圓形封頭,除封頭的拼接焊縫需100%探傷外,其余均為對接焊縫局部探傷,則=0.85封頭的名義厚度取圓整值=0.85,則封頭壁厚則封頭的有效厚度=標準橢圓形封頭滿足條件=2,所以封頭高度hi=87.5mm,取直邊高度h=8mm5.1.3 視鏡的設(shè)計視鏡可用來觀察設(shè)備內(nèi)部情況,也可用做物料液面指示鏡。視鏡的直徑d取100mm,在封頭上開口,視鏡玻璃容易因沖擊、振動或溫度劇變而發(fā)生事故,故采用雙層玻璃安
26、全視鏡,材料選擇高合金鋼板0Cr18Ni10Ti。5.1.4 軸的設(shè)計攪拌軸直徑的設(shè)計:電機的功率2.2 ,一般攪拌軸的轉(zhuǎn)速85,查文獻取用材料為1Cr18Ni9Ti , 40,剪切彈性模量8.1×104,許用單位扭轉(zhuǎn)角1°/m。 由得:=() 利用截面法得:=()由 得:= 攪拌軸為實心軸,則:= 31.38mm 取40mm攪拌軸剛度的校核:由得: =0.17()因為最大單位扭轉(zhuǎn)角max0.17 1攪拌抽臨界轉(zhuǎn)速校核計算由于反應(yīng)釜的攪拌軸轉(zhuǎn)速=85200,故不作臨界轉(zhuǎn)速校核計算。葉輪的長度應(yīng)小于筒體的半徑,取100mm。5.1.5 反應(yīng)釜夾套的設(shè)計 夾套的、的確定夾套的確
27、定:由夾套的筒體內(nèi)徑與釜體筒體內(nèi)徑之間的關(guān)系可知:350+100=450 考慮到450一般不在取值范圍,故取=500mm夾套的確定由設(shè)備設(shè)計條件知,夾套內(nèi)介質(zhì)的工作壓力為高壓,取5 夾套筒體的設(shè)計夾套筒體壁厚的設(shè)計因為工作環(huán)境是高壓,所以需要根據(jù)剛度條件設(shè)計筒體的最小壁厚。 5003800,取min2 /1000且小于3 另加腐蝕裕量,min1+2=3,圓整=5。對于碳鋼制造的筒體壁厚取6。 夾套封頭的設(shè)計夾套的下封頭選標準橢球型,內(nèi)徑與筒體相同(500)。夾套的上封頭選帶折邊錐形封頭,且半錐角??紤]到封頭的大端與夾套筒體對焊,小端與釜體筒體角焊,因此取封頭的壁厚與夾套筒體的壁厚一致,即6。圖
28、3 下封頭的結(jié)構(gòu)夾套的液壓試驗液壓試驗壓力的確定:液壓試驗的壓力:且不小于(+0.1) ,查=1.0 =1.25×5.5×0.1×1.0=0.6875,(+0.1)= 5.6(+0.1), 取=0.6875液壓試驗的強度校核 由 得: = 43.31() 43.31 0.9 =0.9×270×0.85=206.6() 液壓強度足夠5.1.6 支座的選型及設(shè)計查文獻得出選耳式B型支座,支座數(shù)量為4個。標記: JB/T4725-92 耳座B3 材料:Q235-A·F5.1.7 反應(yīng)釜的軸封裝置設(shè)計反應(yīng)釜中應(yīng)用的軸封結(jié)構(gòu)主要有兩大類,填料箱
29、密封和機械密封。考慮到釜內(nèi)的物料具有一定的腐蝕性,因此選用機械密封。根據(jù)5、350、。查文獻選用d型釜用機械密封。5.2 精餾塔的設(shè)計5.2.1 設(shè)計方案的確定和結(jié)構(gòu)介紹塔板類型精餾塔的塔板類型主要有三種:泡罩塔板,篩孔塔板,浮閥塔板。篩孔塔板是一種帶有降液管的塔板,其上開以篩孔,氣體通過篩孔上升,穿越液層,形成鼓泡區(qū),進行傳質(zhì)。其結(jié)構(gòu)簡單,操作容易,壓降低,通量大,效率高,設(shè)計方法成熟,而且安裝檢修容易。尤其是導(dǎo)向篩板,壓降更小,效率更高,有一定彈性范圍,是近年來被廣泛應(yīng)用的板型。因此,本設(shè)計采用篩孔塔板。加料方式加料方式共有兩種:高位槽加料和泵直接加料。采用泵直接加料,具有結(jié)構(gòu)簡單,安裝方
30、便等優(yōu)點,而且可以引入自動控制系統(tǒng)來實時調(diào)節(jié)流量及流速。因此,本設(shè)計采用泵直接加料。進料狀況進料方式一般有兩種:冷液進料及泡點進料。對于冷液進料,當進料組成一定時,流量也一定,但受環(huán)境影響較大;而采用泡點進料,不僅較為方便,而且不受環(huán)境溫度的影響,同時又能保證精餾段與提餾段塔徑基本相等,制造方便。因此,本設(shè)計采用泡點進料。塔頂冷凝方式苯與甲苯不反應(yīng),且容易冷凝,故塔頂采用全凝器,用水冷凝。塔頂出來的氣體溫度不高,冷凝后的回流液和產(chǎn)品無需進一步冷卻,所以,選用全凝器符合要求。回流方式回流方式可分為重力回流和強制回流。為便于檢修和清理,本設(shè)計可以采用強制回流。加熱方式加熱方式分為直接蒸氣和間接蒸氣
31、加熱。直接蒸氣加熱在一定回流比條件下,塔底蒸氣對回流液有稀釋作用,從而會使理論塔板數(shù)增加,設(shè)備費用上升。因此,本設(shè)計采用間接蒸氣加熱方式。操作壓力甲苯和間甲苯酚在常壓下相對揮發(fā)度相差比較大,因此在常壓下容易分離,因此,本設(shè)計采用常壓精餾。綜上所述,本設(shè)計任務(wù)為分離甲苯-間甲苯酚混合物,對于二元混合物的分離,應(yīng)采用連續(xù)精餾的工藝流程,由于甲苯和間甲苯酚屬于易分離的體系,所以采用常壓精餾。由于冷液進料加大提餾段的回流液流量,從而增大其負荷,所以本設(shè)計中采用泡點進料,將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi),塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝,冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi),其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至
32、儲罐。塔釜采用間接蒸汽加熱,塔底產(chǎn)品經(jīng)產(chǎn)品冷卻后送至儲罐。5.2.2 精餾塔的工藝設(shè)計1、精餾塔全塔物料衡算已知甲苯摩爾質(zhì)量92kg/kmol;間甲苯酚摩爾質(zhì)量108kg/kmol原料液組成(摩爾分數(shù),下同):=0.8304=83.04%塔頂組成:=0.9899=98.99%塔底組成:=0.0101=1.01%原料液的平均摩爾質(zhì)量:=0.8304×92+(1-0.8304)×108=94.71kg/kmol進料量:=1525g/h=1525/94.71mol/h=16.10mol/h物料衡算式:=+,=+ 其中為塔頂產(chǎn)品流量,mol/h;為塔釜殘液流量,mol/h聯(lián)立解得:
33、=13.40mol/h,=2.61mol/h2、基本數(shù)據(jù)常壓下甲苯-間甲苯酚氣液平衡組成(摩爾)與溫度關(guān)系表8 常壓下甲苯-間甲苯酚氣液平衡組成(摩爾)與溫度關(guān)系苯的摩爾分數(shù)溫度/K苯的摩爾分數(shù)溫度/K液相(%)氣相(%)液相(%)氣相(%)0.00.0475.3523.486.0419.252.527.3462.1525.387.0418.355.846.6454.1527.888.5415.357.853.5448.9533.090.9410.759.758.8446.9549.395.1400.9510.3608446.0552.895.8398.9511.967.4440.8566.5
34、97.2393.9512.569.4438.9576.598.2390.1515.075.6432.95100100383.8517.378.2430.25利用表中數(shù)據(jù)由拉格朗日插值法求得下列溫度-:, =114.7 tD::, tD=110.97tW:=, tW=198.51 精餾段平均溫度: =112.84 提餾段平均溫度: =156.61 氣體溫度: ,=114.24; :,=201.71 精餾段平均組成液相組成: ,=0.9202氣相組成: ,=0.9939提餾段平均組成液相組成: ,=0.1757氣相組成: ,=0.7855(1)密度已知密度,其中對比溫度= ,為飽和液體的密度,A和
35、B為物質(zhì)特性常數(shù),Yaws從飽和液體密度實驗數(shù)據(jù)回歸得到有機化合物特性常數(shù)A、B值對于甲苯:A=0.2906,B=0.265;對于間甲苯酚:A=0.304,B=0.240已知混合液密度和混合氣的密度分別為: 11 其中a為質(zhì)量分率,為平均相對分子質(zhì)量。 精餾段:= =92×0.9202108×(10.9202)=93.28 kg/kmol=92×0.9939108×(1-0.9939)=92.098kg/kmol, 提餾段:156.61= =92×0.1757108×(10.1757)=105.19kg/kmol=92×0.
36、7855108×(1-0.7855)=95.43kg/kmol, (2)粘度查物質(zhì)粘度共線圖,可得: 精餾段:112.840.0135mPa·s =0.0245mPa·s 則精餾段粘度:=0.0135×0.9202+0.0245×(1-0.9202)=0.01438mPa·s 提餾段:156.610.009mPa·s =0.020mPa·s則提餾段粘度:0.009×0.17570.020×(10.1757)=0.01807mPa·s(3)相對揮發(fā)度12 精餾段:=0.9202 =1-=
37、0.0798=0.9939 =1-=0.0061 則1=14.13 提餾段:=0.1757 =1-=0.8243=0.7855 =0.2145則2=17.18(4)實際回流比的確定 最小回流比12根據(jù)甲苯和間甲苯酚的汽液平衡數(shù)據(jù)用Excel畫出平衡曲線,即x-y圖,如圖4所示: 圖4甲苯和間甲苯酚的平衡曲線圖用Excel對曲線進行五次方擬合得曲線方程為:y = x5 - x4 + 0.007x3 0.3519x2 + 8.6818x + 3.6565從點(,)做垂線,即為進料線q線(因為是泡點進料,所以q線是x= ),由圖可讀得:該線與平衡線即曲線y = x5 - x4 + 0.007x3 0
38、.3519x2 + 8.6818x + 3.6565的交點坐標為=0.9091 =0.8304 實際回流比12在實際操作中,常取最小回流比的(1.12.0)倍作為實際回流比,在本設(shè)計系統(tǒng)中,當回流比最小時,塔板數(shù)為無窮大,故設(shè)備費為無窮大。當R稍大于時,塔板數(shù)便從無窮多銳減到某一值,塔的設(shè)備費隨之銳減。當R繼續(xù)增加時,塔板數(shù)固然仍隨之減少,但已較緩慢。另一方面,由于R的增加,上升蒸汽量隨之增加,從而使塔徑、蒸餾釜、冷凝器等尺寸相應(yīng)增大,故R增加到某一數(shù)值以后,設(shè)備費又回升。精餾過程的操作費用主要包括再沸器加熱介質(zhì)和冷凝器冷卻介質(zhì)的費用。當回流比增加時,加熱介質(zhì)和冷卻介質(zhì)消耗量隨之增加,使操作費
39、用相應(yīng)增加??傎M用是設(shè)備費用與操作費用之和,在設(shè)計時,當總費用最小時的R即為適宜的回流比。查閱相關(guān)資料得,本設(shè)計中當R/=1.9時,設(shè)備費用和操作費用的和相對較小,故本課程設(shè)計中取R/=1.9。(5)氣液相體積流量 精餾段液相流量:氣相流量:液相體積流量:氣相體積流量: 提餾段由前言中所述,本系統(tǒng)為泡點進料,則:液相流量:=氣相流量:液相體積流量:氣相體積流量:表9 精餾段提餾段數(shù)據(jù)總匯精餾段提餾段平均溫度t/112.84156.61平均液相摩爾質(zhì)量ML/kgkmol-193.28105.19平均氣相摩爾質(zhì)量MV/kgkmol-192.09895.43平均液相密度L/kgm-3749.3922
40、.7平均氣相密度V/kgm-32.912.71粘度/mPas0.014380.01807平均氣相組成y0.99390.7855平均液相組成x0.92020.1757液相摩爾流量L/kmolh-126.2242.32液相體積流量L/m3h-13.2644.825氣相摩爾流量V/kmolh-139.6239.62氣相體積流量V/m3h-11.2541.564相對揮發(fā)度14.1317.185.2.3 理論塔板的計算1、理論塔板數(shù)13理論板:指離開這種板的氣、液兩相互成平衡,而且塔板上的液相組成也可視為均勻的。本系統(tǒng)平衡線已經(jīng)畫出,故采用圖解法求理論塔板數(shù)如圖5所示精餾段操作線方程:提餾段操作線方程:
41、圖5 理論塔板數(shù)分別在圖中做出兩條操作線,在平衡線與操作線之間畫階梯,從圖中可看出,共得到理論板數(shù)=4(包括再沸器),加料板在第2塊板。即=1塊,=3塊(包括再沸器)2、實際塔板數(shù)13已知Oconnell公式塔板效率ET=0.49 (1.4)其中為平均相對揮發(fā)度,為平均粘度(1)精餾段塔板效率塊(2)提餾段塔板效率塊則實際塔板數(shù)=2+4=6塊,加料板在第3塊板。5.2.4 塔徑和塔高的初步設(shè)計13,141、塔徑的計算塔徑計算可依據(jù)流量公式: (1.5)式中 塔徑,m 氣體體積流量,m3/s 空塔氣速,m/s。表觀空塔氣相速度(按全塔截面計)按下式進行計算: (1.6)安全系數(shù)(0.60.8)。
42、安全系數(shù)的選取與分離物系的發(fā)泡程度密切相關(guān)。對于不發(fā)泡的物系,可取較高的安全系數(shù),對于直徑較小及減壓操作的以及嚴重起泡的物系,應(yīng)取較低的安全系數(shù)。本設(shè)計中取0.7。其中, (1.7) 其中(為液相密度,為氣相密度,kg/m3 C為負荷因子,為極限空塔氣速,m/s)。C值可由Smith關(guān)聯(lián)圖查得:在關(guān)聯(lián)圖中,橫坐標為;參數(shù)反映了液滴沉降空間高度對負荷因子的影響(為板間距,為板上液層高度)設(shè)計中,板上液層高度由設(shè)計者選定,對常壓塔一般取為0.050.08m,對減壓塔一般取為0.0250.03m。本設(shè)計取0.07m。(1)精餾段= 查圖得:=4.6× 經(jīng)過圓整,=300mm (2)提餾段=
43、 查圖得:=4.9× 經(jīng)過圓整,=300mm 2、塔高的確定板式塔有效段(氣、液接觸段)高度由實際板層數(shù)和板間距決定。即其中Z為塔的有效段高度,為實際的板層數(shù),為板間距。板間距的數(shù)值大都是經(jīng)驗值。按規(guī)定應(yīng)選取整數(shù),參看化學(xué)工程手冊得表10。表10 板間距的確定塔 徑D,m0.30.50.50.80.81.61.62.02.02.42.4板間距,mm200300300350350450450600500800800所以本設(shè)計取=0.28m所以塔頂及塔釜高度之和取為0.5m,全塔高度之和應(yīng)為有效段、塔頂及塔釜三部分高度之和。所以全塔高度H= + = 5.2.5 溢流裝置11溢流裝置包括降
44、液管、溢流堰、受液盤等幾個部分,它們都是液體的通道,其結(jié)構(gòu)和尺寸對塔的性能有著非常重要的影響,因此它的設(shè)計就顯得極為重要。1、降液管降液管是液體自上層塔板流到本層塔板的通道。塔內(nèi)液體從上一層塔板的降液管進入該塔板的受液盤上,在上層塔板降液管內(nèi)清液層靜壓作用下,液體穿過降液管底隙,越過入口堰,進入塔板傳質(zhì)區(qū)內(nèi),液體橫向流過塔板,經(jīng)溢流堰溢流至降液管,進入下一層塔板??梢?,降液管是塔板間液體的通道,也是溢流液體夾帶氣體得以分離的場所。降液管類型有圓形和弓形兩種,前者制造比較方便,但流通截面積較小,沒有足夠的空間分離液體中的氣泡,氣相夾帶較為嚴重,從而降低塔板效率。同時,溢流周邊的利用也不充分,影響
45、塔的生產(chǎn)能力。所以,除了小塔外,一般不采用圓形降液管。弓形降液管具有較大的容積又能充分利用塔板面積,應(yīng)用較為普遍,故一般都采用弓形。但是,在本課程設(shè)計中選用圓形降液管。因為塔的直徑比較小,僅為300mm,它的制造比較方便,降低生產(chǎn)的成本。2、溢流堰溢流堰(外堰)又稱出口堰,它設(shè)置在塔板上的液體出口處,為了保證塔板上有一定高度的液層并使液流在板上能均勻流動,降液管上端必須超出塔板板面一定高度,這一高度稱為堰高,以表示。為使上一層板流入的液體能在板上均勻分布,并減少進入處液體水平?jīng)_擊,常在液體的進入口處設(shè)置內(nèi)堰,當降液管為圓形時,應(yīng)有內(nèi)堰。板上液層高度為堰高與堰上液層高度之和,即: =+式中板上液
46、層高度,m堰高,m堰上液層高度,m。堰高則由板上液層高度及堰上液層高度而定。溢流堰的高度直接影響塔板上的液層厚度。過小,液層過低使相際傳質(zhì)面積過小不利于傳質(zhì);但過大,液層過高將使液體夾帶量增多而降低塔板效率,且塔板阻力也增大。根據(jù)經(jīng)驗,對常壓和加壓塔,一般采取=5080mm。對減壓塔或要求塔板阻力很小的情況,可取為25mm左右。3、受液盤塔板上接受降液管流下液體的那部分區(qū)域稱為受液盤。它有平形和凹形兩種形式,前者結(jié)構(gòu)簡單,最為常用。為使液體更均勻地橫過塔板流動,也可考慮在其外側(cè)加設(shè)進口堰。凹形受液盤易形成良好的液封,也可改變液體流向,起到緩沖和均勻分布液體的作用,但結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜,多用于直徑較大的
47、塔,特別是液體流率較小的場合,它不適用于易聚合或含有固體雜質(zhì)的物系,容易造成死角而堵塞。對于600mm以上的塔,多采用凹形受液盤,其深度一般在50mm以上。本課程設(shè)計中,選取平形受液盤。5.2.6 精餾塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計1、筒體與封頭15(1)筒體16,17精餾塔可視為內(nèi)壓容器。其各種設(shè)計參數(shù)如下:a. 設(shè)計壓力和設(shè)計溫度該精餾塔在常壓下操作,設(shè)計壓力取為0.5MPa,設(shè)計溫度取為150b. 許用應(yīng)力該精餾塔筒體采用鋼板卷焊而成,材料選擇0Cr18Ni10Ti,根據(jù)GB-13296,查得: c. 焊縫系數(shù)按照GB150規(guī)定,焊縫系數(shù)主要考慮焊縫形式與對焊縫進行無損檢驗長度兩個因素,本設(shè)計采用全焊透對
48、接焊,對焊縫作局部無損探傷,則=0.85表11 筒體的設(shè)計參數(shù)設(shè)計壓力/MPa設(shè)計溫度/許用應(yīng)力/MPa焊縫系數(shù)0.51501030.85壁厚的確定:計算厚度由計算厚度查得,鋼板負偏差=0.5mm該系統(tǒng)中甲苯和間甲苯酚對筒體腐蝕相對較小,腐蝕裕量取2mm則筒體的設(shè)計厚度。則筒體的名義厚度取圓整值=0.64,則筒體壁厚則筒體的有效厚度=(2)封頭16,17本設(shè)計采用標準橢圓形封頭,材料選用0Cr18Ni10Ti,除封頭的拼接焊縫需100%探傷外,其余均為對接焊縫局部探傷,則=0.85封頭的名義厚度取圓整值=0.64,則封頭壁厚則封頭的有效厚度=2、裙座15對于較高的立式容器,為抵抗風(fēng)載荷及地震載
49、荷,同時為了安裝方便,一般安裝性能較好的裙式支座。裙座較其他的支座的結(jié)構(gòu)性能好,連接處產(chǎn)生的局部阻力小,所以它是塔設(shè)備的主要支撐形式。為了制作方便,一般采用圓筒形。由于裙座對整個塔器而言是個至關(guān)重要的元件,支撐整個塔器,如它破壞將直接影響塔器的正常使用,并且裙座所耗費材料對整個塔而言不多,所以裙座材料選為Q235-A。裙座結(jié)構(gòu)主要有座圈,基礎(chǔ)環(huán),螺栓座。座圈是裙式支座的基本構(gòu)件,通常為一用鋼板卷制的圓筒,其上端與塔的底封頭相焊,下端焊在基礎(chǔ)環(huán)上。座圈承受著塔的各種外載荷,并把它全部傳給基礎(chǔ)環(huán)?;A(chǔ)環(huán)的作用是承受塔的全部載荷。螺栓座的作用是用來安裝地腳螺栓。由于本設(shè)計是中試裝置,塔高僅為1.9m
50、。所以不需要設(shè)置人孔,除沫器,吊柱,操作平臺等。3、附屬設(shè)備的設(shè)計14(1)進料泵的選取泵的技術(shù)指標包括型號,揚程,流量,必需汽蝕余量,功率與效率等。泵的類型有很多,分類也不盡統(tǒng)一。按泵作用于液體的原理可將泵分為葉片式和容積式兩大類。離心泵的種類很多,化工生產(chǎn)中常用的離心泵有清水泵、耐腐蝕泵、油泵、液下泵、屏蔽泵,隔膜泵,計量泵,齒輪泵,螺桿泵,旋渦泵,軸流泵等。其中,清水泵是應(yīng)用最廣的離心泵,在化工生產(chǎn)中用來輸送各種工業(yè)用水以及物理、化學(xué)性質(zhì)類似于水的其他液體;輸送酸堿和濃氨水等腐蝕性液體時,必須用耐腐蝕泵;輸送石油產(chǎn)品的泵稱為油泵,還有一些其它泵也有它適用的特殊場合。前已求得進料流量 即。
51、本設(shè)計中選用F型耐腐蝕泵,泵的型號為25F-16A,轉(zhuǎn)速為2960r/min,流量為3.27m3/h,揚程為12.5m,效率為41%,軸功率為0.27kW,電機功率為0.8kW,允許吸上真空度6m,葉輪外徑為118mm。(2)預(yù)熱器的選擇14在本課程設(shè)計中,原料液進料采用的是泡點進料,原料液的溫度要求達到114.7,所以采用150的飽和蒸汽來加熱原料液。由換熱面積可以選擇換熱器:在本次設(shè)計中,選用固定管板式換熱器,單程,參考標準為JB/T 4715-92。5.2.7 塔的強度校核1、筒體與封頭17(1)筒體17強度校核的思路:算出容器在校核壓力下的計算應(yīng)力,看它是否小于材料的許用應(yīng)力,即下面按
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