化工原理課程設(shè)

1、化工原理課程設(shè)計碳八分離工段立式熱虹吸再沸器學(xué) 院：環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院專業(yè)班級：高材111指導(dǎo)老師：王衛(wèi)京學(xué)生姓名：陳應(yīng)龍學(xué) 號：11416025日 期：2013.7.5目錄化工原理課程設(shè)計任務(wù)書3第一章 前言41.1 課程設(shè)計基本要求41.2 立式熱虹吸再沸器41.3 設(shè)計方法簡介及步驟61.3.1 設(shè)計方法61.3.2 設(shè)計步驟61.4 再沸器殼程與管程的設(shè)計條件61.5 物性數(shù)據(jù)7管程流體在定性溫度144下的物性數(shù)據(jù)：8第二章 工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計92.1 估算再沸器尺寸92.1.1 再沸器的熱流92.1.2 計算傳熱溫度差tm92.1.3 假定傳熱系數(shù)K92.1.4 計算實(shí)際傳熱面積Ap102

2、.1.5 工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計102.2 傳熱能力核算112.2.1 顯熱段傳熱系數(shù)KL112.2.2 蒸發(fā)段傳熱系數(shù)132.2.3 顯熱段及蒸發(fā)段長度132.2.4 計算平均傳熱系數(shù)KC142.3 面積裕度核算142.4 循環(huán)流量的校核14計算循環(huán)推動力PD142.4.2 循環(huán)阻力Pf162.4.3 循環(huán)推動力PD與循環(huán)阻力Pf的比值計20設(shè)計自我評價21附表122參考文獻(xiàn)23化工原理課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名 _陳應(yīng)龍_ 班級 _高材111_設(shè)計題目：碳八分離工段立式熱虹吸再沸器設(shè)計1.工藝條件（1）工藝物流組成：乙苯1.99%，對二甲苯21.5%，間二甲苯47.7%，鄰二甲苯28.8%，（以上均為摩

3、爾分率）（2）操作溫度 188，（3）操作壓力 塔頂壓力為常壓（4）塔底部壓力 0.12Mpa（5）加熱水蒸氣壓力 25kg/cm2，（6）加熱負(fù)荷 1240000kJ/h，（7）加熱方式 間接蒸汽加熱（8）要求管程和殼程壓差均小于50kPa，試設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)立式熱虹吸再沸器。第一章 前言1.1 課程設(shè)計基本要求化工原理課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生化工設(shè)計能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計使我們初步掌握化工設(shè)計的基礎(chǔ)知識、設(shè)計原則及方法；學(xué)會各種手冊的使用方法及物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的查找方法和技巧；掌握各種結(jié)果的校核，能畫出工藝流程、塔板結(jié)構(gòu)等圖形。在設(shè)計過程中不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產(chǎn)上的安全性、經(jīng)

4、濟(jì)合理性。因此,學(xué)生在進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)該以嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的態(tài)度對待，經(jīng)過精密演算，得出所設(shè)計設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)。1.2 立式熱虹吸再沸器如右圖所示，立式熱虹吸再沸器是利用塔底單相釜液與換熱器傳熱管內(nèi)汽液混合物的密度差形成循環(huán)推動力，構(gòu)成工藝物流在精餾塔底與再沸器間的流動循環(huán)。這種再沸器具有傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，釜液在 加熱段的停留時間短，不易結(jié)垢，調(diào)節(jié)方便，占地面積小，設(shè)備及運(yùn)行費(fèi)用低等顯著優(yōu)點(diǎn)。但是由于結(jié)構(gòu)上的原因，殼程不能采用機(jī)械方法清洗，因此不適宜用于高粘度或者較臟的加熱介質(zhì)。同時由于是立式安裝，因而增加了塔的裙座高度。立式熱虹吸再沸器是利用熱介質(zhì)在殼側(cè)提供熱量將管側(cè)工藝流體加熱沸騰的管

5、殼式換熱器，它是自然循環(huán)的單元操作，動力來自與之相連的精餾塔塔釜液位產(chǎn)生的靜壓頭和管內(nèi)流體的密度差。與臥式相比其循環(huán)速率高傳熱膜系數(shù)高。但是工業(yè)上應(yīng)用的立式熱虹吸再沸器其加熱督要有一定高度才能獲得較高的傳熱速率而塔底液面與再沸器上部管板約為等高這樣就提高了塔底的標(biāo)高使設(shè)備安裝費(fèi)增加并且設(shè)備的清洗和維修也困難。立式熱虹吸再沸器的不穩(wěn)定性往往是由于兩相流的不穩(wěn)定流型所致。在立式熱虹吸管內(nèi)蛇兩相流沸騰流型自下而上相繼出現(xiàn)鼓泡化工原理基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練流、彈狀流、環(huán)狀流及環(huán)霧流等。彈狀流的大汽抱的不斷出現(xiàn)與破裂激發(fā)了操作的不穩(wěn)定性。立式熱虹吸再沸器與臥式相比雖有較好的防垢性能但對于粘度大的物料例如石按化工中

6、一些高分子聚合物也常因結(jié)垢堵塞管道而要定期清除垢物。嚴(yán)重的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)一年就會將再沸器中絕大部分管子堵死垢物的清除費(fèi)力費(fèi)時十分困難。改善立式熱虹吸再沸器的操作性能強(qiáng)化其傳熱具有十分重要的意義。 1.3 設(shè)計方法簡介及步驟 設(shè)計方法 立式熱虹吸式再沸器的流體流動系統(tǒng)式有塔釜內(nèi)液位高度、塔釜底部至再沸器下部封頭的管路、再沸器的管程及其上部封頭至入塔口的管路所構(gòu)成的循環(huán)系統(tǒng)。由于立式熱虹吸再沸器是依靠單相液體與汽液混合物間的密度差為推動力形成釜液流動循環(huán)，釜液環(huán)流量，壓力降及熱流量相互關(guān)聯(lián)，因此，立式熱虹吸再沸器工藝設(shè)計需將傳熱計算和流體力學(xué)計算相互關(guān)聯(lián)采用試差的方法，并以出口氣含率為試差變量進(jìn)行計算

7、。假設(shè)傳熱系數(shù)，估算傳熱面積。 設(shè)計步驟1、初選傳熱系數(shù)，估算傳熱面積2、依據(jù)估算的傳熱面積，進(jìn)行再沸器的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計；3、假設(shè)再沸器的出口氣含率，進(jìn)行熱流量核算；4、計算釜液循環(huán)過程的推動力和流動阻力，核算出口氣含率 。1.4 再沸器殼程與管程的設(shè)計條件 殼程混合氣體的定性溫度為131。表1 混合物各純組分物性數(shù)據(jù)（t=131）物性組分黏度（g）Pas黏度（l）Pas熱容（g）J熱容（l）J密度（l）Kg汽化焓J乙苯8.7000.0002461172.844228.084765.4343.599對二甲苯8.5160.0002305169.440220.355760.4663.639間二甲苯8

8、.6930.0002315169.743222.411764.5833.673 殼程 管程溫度/ 131 188壓力/Mpa 2.45 2.4蒸發(fā)量/(kg/h) 72001.5 物性數(shù)據(jù)殼程水蒸汽在定性溫度200下的物性數(shù)據(jù)：潛熱rc=1943.5kJ/kg 熱導(dǎo)率c=0.663W/(m.k)黏度c=0.136mPa.s 密度 c=863.0kg/m3管程流體在定性溫度144下的物性數(shù)據(jù)：液相潛熱 rb=361.14 kJ/kg 液相熱導(dǎo)率b=0.124 W/(m.k)液相黏度 b=0.24 mPa.s 液相密度 b=791 kg/m3表面張力 =0.0173N/m 液相比熱容Cpb=1.6

9、 kJ/(kg.k)汽相密度 v=5.81 kg/m3 汽相黏度 v=0.009 mPa.s蒸汽壓曲線斜率（t/p）=0.00303 m2.K/kg第二章 工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 估算再沸器尺寸 再沸器的熱流根據(jù)任務(wù)書所給熱流量為 Q = 1.24×106 = 3.44×105w×平均汽化潛熱361有機(jī)液體蒸發(fā)量=Q/=260000/36.1=7200(kg/h)2.1.2 計算傳熱溫度差tm飽和水蒸氣溫度t188操作壓力下液體沸騰溫度t144傳熱溫差tt188144442.1.3 假定傳熱系數(shù)K表21 傳熱系數(shù)K值大致范圍殼程管程K/（W/(m2·K)）備

10、注水蒸氣液體1390垂直式短管水蒸氣液體1160水平管式水蒸氣水2260-5700垂直管式水蒸氣有機(jī)溶液570-1140水蒸氣輕油450-1020水蒸氣重油（減壓下）140-430假定傳熱系數(shù)K值為600 W/（m·K）。2.1.4 計算實(shí)際傳熱面積Ap = 3.44×105/(600×44) = 13.03（m2） 2.1.5 工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）選定傳熱管長度L=500mm（2）傳熱管規(guī)格為45×3.5mm（3）管子排列方式：正三角形排列則 總傳熱管數(shù)NT為 = 13.03/(3.14×0.038×0.5) =217排管構(gòu)成正六邊形

11、的個數(shù)a、最大正六邊形內(nèi)對角線上管子數(shù)目b和再沸器殼體內(nèi)徑D可分別按下式計算。NT = 3a（a+1）+ 1則 a = 8 b = 2a+1則 b = 17 D = t（b-1）+（2-3）d0則 D = 32×（17-1）+ 2×38 = 588mm取管程進(jìn)口管直徑Di=250mm, 出口管直徑Do=300mm 正三角形排列L/Ds應(yīng)合理，一般在46左右，不符合則應(yīng)修改。卷制殼體內(nèi)徑以600mm為基數(shù)，以100mm為進(jìn)檔級。接管尺寸，查表2.2 傳熱能力核算 顯熱段傳熱系數(shù)KL1、計算循環(huán)量設(shè)傳熱管出口處氣含率xe=0.10（25%） = 7200/（3600×

12、0.10） = 20（kg/s）2、計算顯熱段管內(nèi)傳熱膜系數(shù)i = 3.14/4×0.0382×217 = 0.246 = 20/0.246 = 81.3kg/（m2·s） 管內(nèi)Re和Pr數(shù)： = （0.038×81.3）/ 0.00024 = 1.3×104 >104 = （1600×0.00024）/0.124 = 3.1Re >104, 0.6<Pr<160, LBC/di>50、殼程冷凝傳熱膜系數(shù)a0計算 = 3.44×105/(1938.2×103) = 0.18（kg/s）

13、 = 0.18/（3.14×0.038×217） = 0.007 = （4×0.007）/（0.136×10-3） = 206 < 2100a0 = 1.88Re-1/3 2gc3/u21/3 = 1.88×206-1/3×8632×9.81×0.6633/（0.136×10-3）21/3 = 15394污垢熱阻R查表 沸騰側(cè)R=1.76×10-4m2·K/W 冷凝側(cè)R=5.2×10-4m2·K/W管壁熱阻R=4.299×10-5m2·K/

14、W所以有 = 1/38/(1244×20)+1.76×10-4×(25/20)+4.299×10-5×(38/22.5)+5.2×10-4+1/7989 = 388W/m2·K 蒸發(fā)段傳熱系數(shù)設(shè)計思路：Xe<25% 控制在第二區(qū)：飽和泡核沸騰和兩相對流傳熱 雙機(jī)理模型：同時考慮兩相對流傳熱機(jī)理和飽和泡核沸騰傳熱機(jī)理 Ke=887W/m·K 顯熱段及蒸發(fā)段長度 計算平均傳熱系數(shù)KC= （388×0.0935+887×0.4065）/0.5 = 794 W/m·K2.3 面積裕度核算

15、 = 3.44×105/（794×44） = 10m22.4 循環(huán)流量的校核計算循環(huán)推動力PD式中蒸發(fā)段兩相流平均密度以出口氣含率的1/3計算。管程出口管內(nèi)兩相流密度以出口氣含率計算。 = 0.4065×(791-239)-1.0×143 ×9.81 = 3803Pa 循環(huán)阻力Pf1、管程進(jìn)出口阻力P1 = 20/（0.785×0.252） = 408 kg/（m·s） =（0.25×408）/0.00024 = 646000 = 0.01227+0.7543/6460000.38 = 0.0169 = 0.016

16、9×29.3×3402/（2×0.25×791） = 145Pa2、傳熱管顯熱段阻力P2 = 20/（0.785×0.0382×217） = 81 kg/（m·s） = （0.038×81）/0.00024 = 12825 = 0.01227+0.7543/128250.38 = 0.0330 = 0.0330×0.0935×812/（2×0.25×791） = 0.05Pa 3、傳熱管蒸發(fā)段阻力P3分別計算傳熱管蒸發(fā)段氣液兩相流動阻力，再以一定方式相加。（1）氣相阻力： =

17、 0.038×46.1/（0.009×10-3） = 194644 = 0.01227+0.7543/1946440.38 = 0.0196 = 0.0196×0.4095×46.12/（0.038×2×5.8）= 39Pa （2）液相阻力： =（ 0.038×530.9）/0.00024 = 84059 = 0.01227+0.7543/840590.38 = 0.0224 = （0.0224×0.4095×530.92）/（0.038×2×791） = 43Pa蒸發(fā)段阻力P3: =

18、 （391/4+431/4）4 = 656Pa4、管內(nèi)動能變化產(chǎn)生阻力P4M：動量變化引起的阻力系數(shù) = （0.038×271.1）/0.00024 = 429245、管程出口段阻力P5 （1）氣相阻力 = 20/（0.785×0.32） = 283 = 0.08×283 = 22.64 kg kg/（m·s） =（0.038×22.64）/（0.009×10-3） = 95591 = 0.01227+0.7543/955910.38 = 0.022 =（0.022×0.5×22.642）/（0.038×

19、2×5.81） = 13Pa （2）液相阻力 = 283-22.64 = 260.36 = 0.038×260.36/0.00024 = 41224 = 0.01227+0.7543/412240.38 = 0.0256 = 0.0256×2×260.362/（0.038×2×791）=58Pa管程出口段阻力P5： =（131/4+581/4）4 = 472Pa因此，有Pf=P1 + P2 + P3 + P4 + P5 = 145+0.05+656+2441+472 = 3714.05 循環(huán)推動力PD與循環(huán)阻力Pf的比值計正常工作時，

20、兩項(xiàng)數(shù)值相等設(shè)計時，推動力應(yīng)略大于阻力（安全設(shè)計） 0.023上述比值太大，則應(yīng)降低Xe上述比值太小，則應(yīng)升高Xe總結(jié)該比值在0.010.05之間，符合設(shè)計要求，所以設(shè)計合理 在出口汽化量不變的情況下，汽化率減低，再沸器管內(nèi)循環(huán)量將增加，管內(nèi)傳熱系數(shù)增大，再沸器面積減小，再沸器熱通量增大，但一般不超過最大熱通量的。 對于易結(jié)垢的物系應(yīng)充分考慮污垢對傳熱的影響。考慮再沸器的操作彈性，一般在計算基礎(chǔ)上要留有裕量。 為保證再沸器的正常循環(huán)，出口汽化率一般在之間，出口管道壓降一般不超過總壓降的。設(shè)計自我評價本次課程設(shè)計為期四天，在查找資料，與同學(xué)討論的過程中，使我受益匪淺?，F(xiàn)總結(jié)如下：首先，通過此次課

21、程設(shè)計，使我鞏固了所學(xué)知識，進(jìn)一步理解了換熱器的結(jié)構(gòu)、計算方法以及如何選擇適合的換熱器。其次，通過此次課程設(shè)計，使我更加理解了理論與實(shí)踐相結(jié)合，知識與生產(chǎn)相互結(jié)合，更進(jìn)一步理解了化工原理知識體系構(gòu)架，也更加明確了化工原理在化工生產(chǎn)中的重要性。 再次，本次課程設(shè)計與其他同學(xué)討論，大家通過前期的方案討論，在圖書館查閱相關(guān)資料，整理相關(guān)信息，使整個課程設(shè)計過程進(jìn)行得比較順利。在這個過程中，自己更加體會到了與人合作的重要性。最后，非常感謝老師給我們這次鍛煉的機(jī)會，能夠讓我們在本專業(yè)的學(xué)習(xí)中了解更多工程類的知識，本次的課程設(shè)計將會對我們以后的工作有很大幫助，同時也為以后進(jìn)一步的學(xué)習(xí)打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。附表1立式熱虹吸設(shè)計結(jié)果匯總殼層管程物料名稱進(jìn)口水混合蒸氣出口凝液水