化原課設(原料預熱器①)

1、 化工原理課程設計成績化工原理課程設計題目：乙醇精餾系統(tǒng)換熱器設計學生姓名：楊昊洲學 號：2014115200指導教師：鄭曉鋼院 系：化工學院專 業(yè)：能源化學工程年 級：2014級2017年1月9日 目錄一、設計題目1二、設計依據1三、 設計要求1第1節(jié)：物料衡算、熱量衡算11.精餾塔物料衡算12.冷凝器物料衡算及熱量衡算63.產品冷卻器物料衡算及熱量衡算84.原料預熱器（1）的物料衡算及熱量衡算95.原料預熱器（2）的物料衡算及熱量衡算106.再沸器的物料衡算及熱量衡算117. 物料衡算匯總表128.熱量衡算及換熱器要求匯總表14第2節(jié)：列管式換熱器選型及校核（原料預熱器）151.初選原料預

2、熱器（1）規(guī)格152.核算總傳熱系數21第3節(jié)：所選固定管板式換熱器的結構說明241.管程結構242.殼體結構253.其他主要附件25第4節(jié)：換熱器的主要結構和計算結果26第5節(jié)：參考文獻及資料27四、 設計者心得28附29設計任務書一、 設計題目：乙醇水精餾系統(tǒng)換熱器設計二、 設計依據： 1、產量：7萬噸 2、年工作時間：330天 3、原料乙醇：濃度50%（質量），出庫溫度25 4、產品乙醇：濃度95%（質量），入庫溫度45 5、乙醇回收率：99.5%6、原料乙醇泡點進料，回流比R=1.15Rmin 7、循環(huán)冷卻水進口溫度：30 8、再沸器飽和水蒸氣溫度：150 9、系統(tǒng)散熱損失：不考慮系統(tǒng)

3、散熱損失 10、換熱器KA值裕度：2040% 11、原料預熱器（1）設計3、 設計要求：第1節(jié)：物料衡算、熱量衡算1.精餾塔物料衡算乙醇、水的相對分子質量為M乙醇=46.07g/mol，M水=18.02g/mol由原料乙醇質量濃度為50%得原料乙醇的摩爾分率為：由產品乙醇質量濃度為95%得產品乙醇的摩爾分率為：原料F、塔頂餾出液D的平均相對分子質量：塔頂產品流率D：由乙醇回收率得： 流率W：塔底殘液摩爾分率：塔底殘液W的平均相對分子質量：計算Rmin乙醇-水氣液平衡數據P(kPa)T()XY101.325100.017700101.32594.808570.0204080.187889101.

4、32591.457910.0408160.295516101.32589.131880.0612240.365032101.32587.445820.0816330.413396101.32586.174730.1020410.448925101.32585.192160.1224490.476089101.32584.415180.1428570.497555101.32583.78810.1632650.515008101.32583.272240.1836740.529566101.32582.839990.2040820.542004101.32582.471220.224490.55

5、2871101.32582.151070.2448980.562574101.32581.868420.2653060.571414101.32581.614870.2857140.579625101.32581.384050.3061220.587387101.32581.171150.3265310.594843101.32580.972470.3469390.602108101.32580.785250.3673470.609275101.32580.607390.3877550.616421101.32580.437340.4081630.62361101.32580.273950.4

6、285710.630897101.32580.116440.448980.638329101.32579.964250.4693880.645945101.32579.817050.4897960.653783101.32579.674650.5102040.661873101.32579.5370.5306120.670245101.32579.404160.551020.678926101.32579.276250.5714290.687942101.32579.153470.5918370.697317101.32579.036060.6122450.707074101.32578.92

7、2230.6326530.717273101.32578.816680.6530610.727858101.32578.717420.6734690.738896101.32578.624790.6938780.750411101.32578.539170.7142860.762426101.32578.460950.7346940.774966101.32578.390520.7551020.788058101.32578.32830.775510.80173101.32578.27470.7959180.816009101.32578.230130.8163270.830926101.32

8、578.195040.8367350.846514101.32578.169870.8571430.862807101.32578.155050.8775510.879841101.32578.151050.8979590.897655101.32578.158340.9183670.916291101.32578.177390.9387760.935794101.32578.20870.9591840.956211101.32578.252760.9795920.977595101.32578.3103311作圖如下：由圖可得，故Rmin=3.57R=1.15Rmin=1.153.57=4.

9、1055 塔頂冷凝器將來自塔頂的蒸汽全部冷凝，即該冷凝器為全凝器，凝液在泡點溫度下部分地回流入塔，由恒摩爾流假定，塔頂液體摩爾流率L、氣體摩爾流率V為:因為是泡點進料，所以q=1又W=1.76*10-3，則=-W成立2.冷凝器物料衡算及熱量衡算 查【化工原理下冊P268附錄】得，質量組成為95%的乙醇水溶液的沸點為78.2。此溫度下乙醇的汽化潛熱r可以下式求得：其中【查化工原理上冊附表】得：乙醇：A=113，B=0.4218，水：A=445.6，B=0.3003；求得；其中 所以則冷凝塔頂混合蒸汽放出的熱量冷凝器冷卻水進口溫度為=30，故假定冷卻水出口溫度=50。取水的比熱容為時Cp=4.17

10、4kJ/kg·，設冷卻水用量為,由得:冷凝器對數平均溫度:由傳熱基本方程 得：3.產品冷卻器物料衡算及熱量衡算無相變，出口量等于進口量，物料無變化故：D=206.79kmol/h產品由78.2經產品冷卻器降低到40，由【化工原理附表】:，其中，得：則產品冷卻器的將產品冷卻所需的熱量為:產品冷卻器進口溫度=25，假定出口溫度=41.4，則前后所需熱量相近，故假定出口溫度為41.1成立。產品冷卻器對數平均溫度:由傳熱基本方程得：4.原料預熱器（1）的物料衡算及熱量衡算 無相變，出口量等于進口量，物料無變化 一般出原料預熱器殘液溫度比出產品冷卻器的原料溫度高5-10，故選擇出原料預熱器殘液

11、的溫度為50。又進原料預熱器的殘液溫度為，則由公式得：Cp水=4.214 kJ/（kg·）原料預熱所需的熱量 原料預熱器進口溫度為41.4，假定出口溫度為66，則由公式,所以前后所需熱量相近，故假定出口溫度為66成立。原料預熱器對數平均溫度:由傳熱基本方程 得：5.原料預熱器（2）的物料衡算及熱量衡算原料無相變，出口量等于進口量，飽和水蒸汽液化，進出口流率相等從原料預熱器（1）出來的原料為66，要求泡點進料，所以從原料預熱器（2）出來的原料為82.03，則。由公式,所以利用飽和水蒸汽的潛熱加熱，則此時得=542.75=30.15=213.43m3/s6.再沸器的物料衡算及熱量衡算再沸

12、器的熱量衡算：由【化工原理上冊】得飽和水蒸氣汽化熱：100:150:又Q5=r2V汽再沸器對數平均溫度:由傳熱基本方程 得：7. 物料衡算匯總表精 餾 塔摩爾流率Kmol/h質量流率Kg/h原料進料（50%乙醇）651.4餾出液（95%乙醇）206.8殘液444.6精餾段848.91055提餾段15001055換 熱 器冷凝器冷流體進口冷流體出口熱流體進口1055熱流體出口1055產品冷卻器冷流體進口651.42冷流體出口651.42熱流體進口206.79熱流體出口206.79再沸器冷流體進口1499.6冷流體出口444.61055熱流體進口熱流體出口原料預熱器（1）冷流體進口651.4冷流體

13、出口651.4熱流體進口444.6熱流體出口444.6原料預熱器（2）冷流體進口651.4冷流體出口651.4熱流體進口30.15熱流體出口30.158.熱量衡算及換熱器要求匯總表名稱冷熱 流體進口溫度出口溫度交換熱kJ/htmKA值kw/精餾塔82.078.2100冷凝器熱流體78.2（汽）78.2（液）37.3386.19冷流體3050產品冷卻器熱流體78.24024.312.377冷流體2541.4原料 預熱器（1）熱流體1005018.525.48冷流體41.466原料 預熱器（2）熱流體150（汽）150（液）75.74.219冷流體6682.0再沸器熱流體150（汽）150（液）5

14、0.0239.495冷流體100（液）100（汽）第2節(jié)：列管式換熱器選型及校核（原料預熱器）1.初選原料預熱器（1）規(guī)格(1)換熱器的選型 兩流體溫度變化情況：塔頂熱流體（水）進口溫度100，出口溫度50（無相變）.冷流體（乙醇水）進口溫度41.4，出口溫度為66，管殼溫差較小，因此初步確定選用臥式的固定管板式換熱器,并且固定管板式換熱器旁路滲流較小、造價低、無內漏，是很常用的換熱器。(2)流動空間安排、管徑及流速的確定熱水易結垢應該走管程，原料走殼程加熱，取管徑為25mm*2.5mm的碳素鋼管，管內流速為1.0m/s。（3）確定流體的定性溫度、物性數據 （a）定性溫度 殼程乙醇水的定性溫度

15、為 T=(41.4+66)/2=53.7 管程熱水水的定性溫度為 t=(100+50)/2=75 （b）物性數據 根據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數據: 流體水定性溫度75下的物性參數 【查化工原理上冊】 密度： c=974.8kg/m3 【查化原上冊P261附表】 熱導率： c=0.6635W/（m·K）【查化原上冊P261附表】 粘度： c=0.377mPa·S【查化原上冊P263附表】 定壓比熱容：Cpc=4.214 kJ/（kg·K）【查化原上冊P261附表】 液化潛熱： rc=2568.75 kJ/kg 【查化原上冊P281附錄】 冷流體（

16、乙醇水）53.7下的物性參數表【查化工工藝算圖第一冊-常用物料物性數據】 密度： h=858.72kg/m3 【P112】 熱導率： h=0.35613 W/（m·K）【P325】 粘度： h=0.538MPa·S 【P385】 定壓比熱容： Cph=4.08kJ/（kg·K）【P267】 液化潛熱： rh=973.18kJ/kg 【化原上冊P281附錄】（4）工藝計算及主體設備設計 (a)計算熱負荷Q 熱負荷Q=1.694106kJ/h=470.56kw (b)平均傳熱溫差的確定 對數平均傳熱溫差 溫度校正： P=(t2-t1)/(T1-t1)=(66-41.4

17、)/(100-41.4)=0.42 由P和R查對數平均溫差校正系數圖得：此時約等于0.82，大于0.8，所以選用單殼程的列管式換熱器?！静榛ぴ碚n程設計P59對數平均溫差校正圖】 平均傳熱溫差tm=·tm=15.2 （c)初選傳熱系數K估，估算傳熱面積A估 根據殼內為乙醇水，管內為熱水，【查 匡國柱化工單元過程及設備過程設計P60表3-1】 總傳熱系數范圍在5821163 W/(m2·)，故：初選K估=1000W/(·) 所以：A估=KA/K估=31.0/1000=31.0m2（5） 工藝結構尺寸 (a)管徑與管內流速 管徑25mm×2.5mm,管內流

18、速 u=1.0m/s 殼程流速u=0.8 m/s (b)管程數和傳熱管數 依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數 n=V水/(di2u/4)=42.2910-3/(*0.022*1.0)8(根)按八程管計算，所需的傳熱管長度為 傳熱管管長取6.0m。 傳熱管總根數 (c)傳熱管排列和分程方法采用正三角形排列取管心距t=1.25×25=32mm.見【化工原理（上冊）P226：圖6-51】 作圖或查表【匡國柱化工單元過程及設備課程設計 P66 表3-6排管數目】可取NT=91根（其中a=5，b=11) (d) 殼體內徑 采用多管程結構，殼體內徑 其中，t為管心距；N為排列管數；表示管板利用

19、率，正三角形排列取。 圓整后D=400mm,取壁厚為12mm【查涂偉萍.化工過程及設備設計P12表1-4標準尺寸】（e)支承板 采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為h=0.25×400=100mm，取h=100mm； 【查匡國柱化工單元過程及設備課程設計 P133 表4-5 折流板管孔尺寸及允許偏差】取折流板管孔直徑b=25.8mm,允許偏差為0.40； 取折流板間距為B=100mm 折流板圓缺垂直安裝。 支承板厚度取8mm【查涂偉萍.化工過程及設備設計P16表1-7支承板厚度】 （f) 其他附件 拉桿直徑12mm，其數量不少于4根，殼程入口應設

20、置防沖擋板【查涂偉萍.化工過程及設備設計P15表1-6拉桿直徑和拉桿數】（g) 接管 接管由【各種換熱器設計詳細說明書】查得：換熱器中流體進、出口的接管直徑按下式計算，即：其中： Vs-流體的體積流量，m3/s；u -接管中流體的流速，m/s。 殼程流體進口接管 計算混合液的密度（常壓下） 純乙醇=760kg/m3 水= 986.65kg/m3 混合=0.5*乙醇+（1-0.5）*水=858.72kg/m3 取接管內液體流速為1m/s,則接管內徑 故取標準管徑為85mm×8mm出口接管 取管內液體流速為1m/s, 接管內無相變，溫度對液體密度影響很小，故與進口內徑一樣。故取標準管徑為

21、85mm×8mm 管程流體（循環(huán)水）進出口接管 取接管內循環(huán)水的流速為2m/s，則接管內徑 取標準管徑為57mm×6mm，其余接管略。（6）初選固定管板式換熱器規(guī)格公稱直徑 400公稱壓力 1管程數 8管子根數 91中心管子數 11管子直徑 25mm×2.5mm.換熱管長度 6000換熱面積 31.0管子排列方法中心線采用正方型排列，兩側采用正三角形排列冷凝器的實際傳熱面積： 2.核算總傳熱系數(1) 換熱器管程對流給熱系數1 計算式為：【化工原理（上冊）：P184式（6-41）】 故管程對流傳熱系數W/(m2.)（2）換熱器殼程對流給熱系數2 因為臥式管殼式換熱

22、器，殼程為乙醇水期間無相變，故2用以下公式求得 【查 匡國柱化工單元過程及設備課程設計：P72式（3-22）】 （3）確定污垢熱阻【查涂偉萍.化工過程及設備設計P25表1-15壁面污垢熱阻】： (m2.)/W（有機液體) (m2.)/W(殘液） （4）計算總傳熱系數K 當換熱管為碳鋼時，=45.4W/(m·) （5）校核換熱器KA值 【查 匡國柱 化工單元過程及設備課程設計P76 式3-36 】則該換熱器的裕度符合生產要求。第3節(jié)：所選固定管板式換熱器的結構說明1.管程結構（1）管子在管板上的固定 由于操作溫度高于30，所以選用焊接形式，此種方式的優(yōu)越性表現(xiàn)在：管板孔加工要求低，加工

23、簡便，焊接強度高，在高溫高壓下仍能保持連續(xù)的緊密性等。（2）管子的排列 此換熱器的傳熱管采用25mm×2.5mm 的規(guī)格，采用正三角形排列，由于是焊接，則管間距（管中心的間距）t與管外徑d0的比值為1.25。（3） 管板 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。管板與管子的連接可脹接或焊接，所設計換熱器的連接方式為焊接。管板與殼體的連接有可拆連接和不可拆連接兩種，固定管板常用不可拆連接，兩端管板直接焊在外殼上并兼作法蘭，拆下頂蓋可檢查可檢修脹口或清洗管內，所設計的換熱器選擇此方式連接。（4） 封頭和管箱 封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。由于

24、所設計的換熱器的殼體直徑較小，故采用封頭，接管和封頭可采用法蘭連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。2.殼體結構（1）殼體殼體呈圓筒形，殼壁焊有接管，采用不銹鋼管制成（由于碳鋼的數據查不到）。在殼程進口接管處裝有防沖板，以防止進口流體直接撞擊管束上部的管排，因為流體的撞擊會侵蝕管子，并引起振動。（2）折流擋板 折流擋板的主要作用是引導殼程流體反復的改變方向作錯流流動，以加大殼程流體流速和湍流速度，致使殼程傳熱系數提高，另外折流擋板還起了支撐管子的作用，防止管束振動和彎曲。所設計的換熱器選用圓缺形折流擋板，切缺率為25%，采用垂直放置。3.其他主要附件（1）旁通擋板 為防

25、止殼體和管束之間間隙過大，流體不通過管束而通過這個間隙旁通，采用旁通擋板。（2）假管 此換熱器不設置假管（3）拉桿和定距管 為了使折流擋板能牢靠地保持在一定位置上，采用拉桿和定距管。（4）防沖擋板 在殼程進口接管處裝有防沖擋板，可防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕管束振動，還有使流體沿管束均勻分布的作用。第4節(jié)：換熱器的主要結構和計算結果換熱器形式：固定管板列管式換熱器換熱面積（m2）：42.15工藝參數名稱管程殼程管子規(guī)格（mm）25mm×2.5mm物料名稱水原料管子數量：91操作溫度（）(進/出)100/5041.4/66管長（mm）6000流體密度（kg/m3）974.8

26、858.7折流板數量59流速（m/s）10.8折流板間距（mm）100傳熱量（kW）470.56kw切口高度25%總傳熱系數（W·m-2·K-1）885殼體內徑（mm）400對流傳熱系數（W·m-2·K-1）44672585污垢系數（m2·/ W）1.76×10-41.8×10-4程數81第5節(jié)：參考文獻及資料（1）化工原理（上下冊） 陳敏恒 叢德滋 方圖男 齊鳴斎編著 化學工業(yè)出版社（2）化工過程及設備設計 涂偉萍 陳佩珍 程達芳編 化學工業(yè)出版社（3）化工單元過程及設備課程設計 匡國柱 史啟才主編 化學工業(yè)出版社（4）化

27、工原理課程設計 付佳欣 化學工業(yè)出版社4、 設計者心得體會本次化工原理課程設計歷時十天，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;學會各種手冊的使用方法及物理性質、化學性質的查找方法和技巧;掌握各種結果的校核，在設計過程中不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產上的安全性和經濟合理性。在短短的十天，從開始的一頭霧水，到同學討論，再進行整個流程的計算，再到對工業(yè)材料上的選取論證，我真切感受到了理論與實踐相結合中的種種困難，也體會到了利用所學的有限的理論知識去解決實際中各種問題的不易。我們從中也明白了學無止境的道理，在我們所查找到的很多參考書中，很多的知識是我們從來沒有接觸到的，我們對事物的了解還僅限于皮毛，所學的知識結構還很不完善，我們對設計對象的理解還僅限于書本上，對實際