化工原理課程設(shè)計乙醇水精餾塔頂全凝器設(shè)計

1、課程設(shè)計說明書課程設(shè)計說明書課程名稱：課程名稱： 化工原理課程設(shè)計化工原理課程設(shè)計 題題 目：目： 乙醇乙醇- -水精餾塔頂全凝器設(shè)計水精餾塔頂全凝器設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)生姓名： 學(xué)號：學(xué)號： 2008217103020082171030系系 別：別： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 指導(dǎo)老師：指導(dǎo)老師： 20102010 年年 1212 月月?lián)Q熱器設(shè)計任務(wù)書換熱器設(shè)計任務(wù)書班級班級姓名姓名學(xué)號學(xué)號20082171030一、設(shè)計題目乙醇水精餾塔頂全凝器的設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)及操作條件1、處理能力28800 噸/年2.、單位產(chǎn)量 4000kg/h3、設(shè)備型式列管式換熱器4、操作條件（1）乙醇蒸汽：入口溫度 75，出

2、口溫度 65。（2）冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度 25 ，出口溫度 45 。（3）允許壓降：不大于 101.3kpa。（4）進(jìn)料液中含乙醇 70%； 塔頂產(chǎn)品中乙醇的含量不低于 99.6%； 塔底產(chǎn)品中乙醇的含量不高于 0.01%；（5）乙醇蒸汽定性溫度下的物性數(shù)據(jù)： h754.2kg/m3h0.523mpascpc2.64kj/(kg)0.46w/(m) (5)每年按 300 天計，每天 24 小時連續(xù)運(yùn)行。三、完成設(shè)備圖一張。 （a3，cad）目錄目錄1.1.設(shè)計方案簡介設(shè)計方案簡介 .4 41.1 確定設(shè)計方案.41.1.1 換熱器的選型 .41.1.2 流動空間安排、管徑及流速的確定 .

3、41.2 確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù).42.2.工藝流程草圖及其說明工藝流程草圖及其說明 .6 63.3.工藝計算及主體設(shè)備設(shè)計工藝計算及主體設(shè)備設(shè)計 .6 63.1 計算總傳熱系數(shù).63.1.1 計算熱負(fù)荷 q.63.1.2 平均傳熱溫差先按純逆流算 .73.1.3 冷卻水用量.73.1.4 計算總傳熱系數(shù) k .73.2 計算傳熱面積.83.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸.83.3.1 管程數(shù)和傳熱管數(shù) .83.3.2 傳熱管排列和分程方法 .93.3.3 殼體內(nèi)徑 .93.3.4 折流板 .93.4 換熱器核算.93.4.1 熱量核算 .93.4.2 計算流動阻力 .114.4.輔助設(shè)備的計算及選型

4、輔助設(shè)備的計算及選型 .1313接管.135.5.換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 .1313表 3 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 .146.6. cadcad 繪制設(shè)備附屬圖繪制設(shè)備附屬圖( (見附圖見附圖) ).1515結(jié)結(jié) 論論 .1616符號說明符號說明 .1717參 考 文 獻(xiàn) .181.1.設(shè)計方案簡介設(shè)計方案簡介1.11.1確定設(shè)計方案確定設(shè)計方案1.1.11.1.1換熱器的選型換熱器的選型兩流體溫度變化情況：塔頂熱流體（乙醇蒸汽）進(jìn)口溫度 75oc，出口溫度 65oc。 （過程中有相變）根據(jù)南平地區(qū)全年平均溫度，取冷流030體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度 25oc

5、，而冷卻水的出口溫度一般不高于 5060，以避免大量結(jié)垢且兩端溫差不小于 5c ,所以取出口溫度 35c，該換熱0器用循環(huán)冷卻水冷凝，冬季操作時進(jìn)口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。1.1.21.1.2流動空間安排、管徑及流速的確定流動空間安排、管徑及流速的確定雖然冷卻水較易結(jié)垢，但乙醇易揮發(fā)、易爆炸走殼程不易漏，雖然流速太低將會加快污垢的增長速度使換熱器的熱流量下降，但工業(yè)生產(chǎn)都是先從安全穩(wěn)定角度考慮 的，所以總體考慮冷卻水應(yīng)該走管程，乙醇蒸汽走殼程冷凝，取管徑為19mmmm 的碳鋼管，管內(nèi)流速為 0.97m/s。

6、21.21.2 確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)根據(jù)精餾塔物料衡算得 x =0.991,可知液相中乙醇摩爾分?jǐn)?shù)占 99.1%。d表 1 乙醇水溶液平衡數(shù)據(jù)表液相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù) x氣相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)y液相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù) x氣相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)y0.00.00.400.6140.0040.0530.450.6350.010.110.500.6750.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.340.650.7250.080.3920.700.7550.100.430.750.7850.140.4820.800.820.180.51

7、30.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.350.5951.01.0殼程甲醇蒸汽的定性溫度為 t=7075652管程冷卻水的定性溫度為 t=3025352表 2 流體物性數(shù)據(jù)物性 流體 c0溫度3mkg密度smpa粘度)kgkjcp0c（比熱容)(m0cw導(dǎo)熱系數(shù)乙醇蒸氣70754.20.5232.640.46水30995.70.80074.1740.6182.工藝流程草圖及其說明工藝流程草圖及其說明 乙醇乙醇 圖 1 冷凝器流程草圖 如圖所示，首先由 a 設(shè)備精餾塔上升的甲醇蒸汽作為進(jìn)料，從 1 號接

8、管進(jìn)入 b設(shè)備換熱器，再從 2 號接管流出進(jìn)入 c 設(shè)備冷凝液儲槽，其中循環(huán)水從 3 號接管進(jìn)入再從 4 號接管出來，到達(dá)冷凝液儲槽的冷凝液，一部分作回流液回流，另一部分經(jīng)冷卻后為產(chǎn)品，整個工藝流程大體是這樣。3.3.工藝計算及主體設(shè)備設(shè)計工藝計算及主體設(shè)備設(shè)計3.13.1 計算總傳熱系數(shù)計算總傳熱系數(shù)3.1.1 計算熱負(fù)荷計算熱負(fù)荷q因為單位產(chǎn)量是d =4000kg/h mkg/kmold46 0.99118 0.00945.7d=400087.52kmol/ h45.7由精餾塔設(shè)計計算得最小回流比 r，取 r=1.5r=0.76，76. 0minmin14. 15 . 1則乙醇蒸汽進(jìn)量 v

9、=rd+d=1.14 87.52+87.52=187.29kmol/h則 w187.29h468615.34kg / h查 70時，乙醇 r =925kj /kg （化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊有機(jī)卷）0c1水 r =125.7kj/kg （化工原理上冊）2由物料衡算得蒸汽中乙醇占 99.1%，水蒸氣占 0.9%r =925937.7kj/kgliirx0.9912331 0.0096hqr2.39 937.72.24 10 ww3.1.23.1.2 平均傳熱溫差先按純逆流算平均傳熱溫差先按純逆流算 01t652540c02t753540c 012mttt40c23.1.33.1.3 冷卻水用量冷卻水

10、用量 wc2q224017.8kg /sr125.73.1.43.1.4 計算總傳熱系數(shù)計算總傳熱系數(shù) k k 要知道傳熱系數(shù) k，首先得計算對流傳熱系數(shù)01，管程對流傳熱系數(shù)re =i4ii3d u0.015 0.97 995.71.81 100.8007 10p41. 5618. 0108007. 01017. 4c33pr=0.0234 . 0r8 . 0eiid023. 0pr40.80.4200.6181.81 105.414743w / mc0.015（）（）（）殼程傳熱系數(shù)先假定一個殼程對流傳熱系數(shù)30000)(m/w02c污垢熱阻 rsi=3.44 m2/w（化工原理課程表 2

11、-6）410rso=0 （蒸汽側(cè)熱阻很小可忽略）管壁的導(dǎo)熱系數(shù) =45w/(m)wrk885154060191519000344. 0174519002. 0300011dddddd11ii0i0simw0003.23.2 計算傳熱面積計算傳熱面積s=（m2）60q2.24 1063.3885 40mkt考慮 15%面積裕度，則 s=1.15s =1.15263.373(m）3.33.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸工藝結(jié)構(gòu)尺寸3.3.13.3.1 管程數(shù)和傳熱管數(shù)管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)n =（根）2217.8 995.71050.785 0.0150.974ivd u按單程管計

12、算，所需的傳熱管長度為l=（m）7311.653.14 0.019 105osd n按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長 l=6m，則該換熱器管程數(shù)為np=(管程）11.6526ll傳熱管總根數(shù) n=n=2（根）np210105 3.3.23.3.2 傳熱管排列和分程方法傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距 t=1.25do，則t=1.2519=23.75）（mm24橫過管束中心線的管數(shù)nc=1.19=1.19n（根）182 .172103.3.33.3.3 殼體內(nèi)徑殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 =0.71，

13、則殼體內(nèi)徑為 d=1.05t/n =1.0524mm43371. 0210 圓整可得 d450mm3.3.43.3.4 折流板折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的 25%，則切去的圓缺高度為 h=0.25450=112.5，故可取 h=113mm取折流板間距 b=0.8d b=0.8 圓整得 400mm360mm450 折流板數(shù) nb= =14(塊600011400 傳熱管長折流板間距折流板圓缺面水平裝置。3.43.4 換熱器核算換熱器核算3.4.13.4.1 熱量核算熱量核算(1) 對圓缺形折流板，可采用克恩公式o=0.551/30.140.36repr()oooewd當(dāng)量

14、直徑，由正三角形排列得de = (m)2234()240.02ootdd殼程流通截面積 so=bd（1-）=0.40.45 （1-0.792）=0.0037m odt2殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 uo=（m/s）2.39/754.20.860.0037 reo=0.1730.014 0.86 754.20.523 10510普蘭特準(zhǔn)數(shù)pr=2.64 0.5233.0020.46黏度校正（）0.141wo =0.36 w/(m2)0.551 30.46170003.00236210.014(2) 管程對流傳熱系數(shù)i=0.023（）re0.8pr0.4iid管程流通截面積塊1414006000）

15、（m014. 0019. 014. 3019. 0785. 0024. 023422si=0.7850.01522m0185. 0105 管程流體流速ui=0.97m/s17.8 995.70.0185 re=430.015 0.97 995.71.81 100.8007 10普蘭特準(zhǔn)數(shù)p41. 5618. 0108007. 01017. 433r i=0.023 4743w/(m2)40.80.40.6181.81 105.410.015（）（3）傳熱系數(shù) k osoioiosiiiordbdddrddk11=966w119190.002 1910.0003444743 151545 153

16、621（4）校核有效平均溫差 2111tt40200.345t7820pt r=122178620.8tt4020tt（5）計算傳熱面積 ss=（m2）6q2.24 1058966 40mk t該換熱器的實(shí)際傳熱面積 spsp =dol(n-nc）=3.140.019（m2）7 .68182106）（該換熱器的面積裕度為h=100%=psss%4 .18%10058587 .68傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。3.4.23.4.2 計算流動阻力計算流動阻力（1）管程流動阻力 pi =（p1 + p2 ）ftnsnp ns =1，np=2，ft=1.5 p1 =i（） （）,p2 =

17、3（）ld22u22u由 re=1.81，取碳鋼管壁粗糙度，傳熱管相對粗糙度，查莫410mm2 . 0152 . 0di狄圖得 =0.046w/(m)，流速 =0.97m/s，=995.7kg/m3 ，所以iiu p1 =0.046（）（）=8619(pa）015. 062995.7 0.972 p2 =3=1405(pa）2995.7 0.972 pi =(8619+1405)1.52=30072 (pa）101.3kpa 管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)（2）殼程阻力 po =（p1 + p2 ）fsns ns =1,fs=1.0（可凝蒸汽取 1.0） 流體流經(jīng)管束的阻力 p1 =ffonc(n

18、b+1)（）22ou f=0.5 ， f0=5re-0.228= 50.543， nc =18（根） 050.22810（0. 17），nb =14，uo =0.86m/s p1 =0.50.54318(14+1)（）=20445（pa）2754.2 0.862 流體流過折流板缺口的阻力 p2 =nb（3.5-)（）d2h22ou h=0.113m, d=0.45m p2 =14（3.5-）（）=11705（pa）45. 0113. 022754.2 0.862 總阻力 =20445+11705=32150（pa）101.3kpaop殼程流動阻力也比較適宜4.4.輔助設(shè)備的計算及選型輔助設(shè)備的

19、計算及選型接管接管殼程流體進(jìn)出口接管：取甲醇蒸汽流速為 0.95m/s，則接管內(nèi)徑d=（m）44 2.39 754.20.0653.14 0.95vu 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 65mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速為 u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為d=（m）4 17.8 995.70.0823.14 1.5 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 85mm5.5.換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 表表 3 3 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果6.6. cadcad 繪制設(shè)備附屬圖繪制設(shè)備附屬圖( (見附圖見附圖) ) 換熱器型式：列管式換熱器工藝參數(shù)流體空間管程殼程物料名稱

20、循環(huán)水甲醇蒸汽操作溫度 c 025/3575/65操作壓力 mpa0.10130.1013流體密度 kg/m3995.7754.2流速 m/s0.970.86流量 kg/h640808615.34傳熱量 kw2240對流傳熱系數(shù) w/km247433621總傳熱系數(shù) w/km2966污垢系數(shù) mwk /20.0003440程數(shù)21阻力壓降 mpa0.0185040.031256使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格219管數(shù) 210 根管長 6000mm管間距 mm24排列方式正三角形折流板型式上下間距 400切口高度 113mm殼體內(nèi)徑 mm450換熱面積68.7m2結(jié)結(jié) 論論經(jīng)過設(shè)計計算，以及相關(guān)的核算

21、過程?？梢员容^出所設(shè)計的換熱器大致能滿足生產(chǎn)要求。其中在設(shè)計時的計算值 i=4743w/(m2)，o=3000w/(m2)， k=885w/(m2)與校核所得的 i=4743/(m2)，o=3621w/(m2)，k=966w/(m2)都相差不是太大，且換熱器的換熱面積 68.7m2也有 18.4%的裕量，以及最后流動阻力計算結(jié)果都在生產(chǎn)工藝要求的范圍內(nèi)。說明這次的換熱器的設(shè)計是可以實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)的。通過這次的課程設(shè)計，我們總結(jié)了，在設(shè)計中需要認(rèn)真地計算好每一步，仔細(xì)查好每一個設(shè)計所需的參數(shù)，需要學(xué)會在設(shè)計計算中發(fā)現(xiàn)問題，并通過查閱資料和聯(lián)系實(shí)際來解決這些問題，并提出自己的見解，要能夠善于前后聯(lián)系，整體上把握好設(shè)計的方