年產(chǎn)1.5萬(wàn)噸乙醇-水精餾塔塔頂全凝器的工藝設(shè)計(jì)

化工原理課程設(shè)計(jì)PAGE24年產(chǎn)1.5萬(wàn)噸乙醇--水精餾塔塔頂全凝器的工藝設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u9588摘要 316750化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 4225451.確定設(shè)計(jì)方案 6132831.1選擇列管換熱器的類(lèi)型 6253191.2選擇冷卻劑的類(lèi)型和進(jìn)出口溫度 6269731.2.1冷卻劑的類(lèi)型 6191091.2.2進(jìn)出口溫度： 6315521.3查閱介質(zhì)的物性數(shù)據(jù) 753201.3.1水的物性數(shù)據(jù) 730961.3.2乙醇的物性數(shù)據(jù) 8185981.4選擇冷熱流體流動(dòng)的空間及流速 884301.4.1冷熱流體流動(dòng)空間的選擇： 8199461.4.2冷熱流體流動(dòng)的流速： 9180292.估算換熱器的傳熱面積S 10152822.1計(jì)算熱負(fù)荷Q 10265962.2計(jì)算平均溫度 1015292.3估算換熱面積 11122043.初選換熱器規(guī)格 1189434.校核換熱器的傳熱面積 12172804.1換熱器的實(shí)際換熱面積 12205874.2校核總傳熱系數(shù) 1212194.2.1計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù) 1286084.2.2計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 12316924.2.3確定污垢熱阻 13326924.2.4總傳熱系數(shù)K0 1337524.2.5核算壁溫與冷凝器流型 14235425.計(jì)算壓降 14263675.1計(jì)算管程壓降 1422336.管程和殼程的管口設(shè)計(jì) 16184236.1冷流體進(jìn)出口接管直徑計(jì)算 1656726.2熱流體進(jìn)出口管直徑計(jì)算 16236236.2.1進(jìn)口直徑計(jì)算 16149846.2.2出口直徑計(jì)算 1615017.其他主要附件 16188867.1折流擋板 16173497.2拉桿、定距管 1777507.3防沖擋板 18102927.4換熱管 1995467.5法蘭和管板 19265857.6墊片 1949688.換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果一覽表 1953599.結(jié)束語(yǔ) 2010736符號(hào)說(shuō)明 2227553參考文獻(xiàn) 24摘要全凝器是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程熱量傳遞中應(yīng)用較為廣泛的一種換熱器，在精餾塔塔頂?shù)墓に囋O(shè)計(jì)中尤為常見(jiàn)。顧名思義，在全凝器內(nèi)，發(fā)生伴有相變的熱蒸汽冷凝，放出大量的潛熱，但熱流體溫度不發(fā)生變化。正如該課程設(shè)計(jì)任務(wù)，年產(chǎn)1.5萬(wàn)噸乙醇——水精餾塔塔頂全凝器的工藝設(shè)計(jì)，就是要解決上述問(wèn)題。參照化工原理中學(xué)到的關(guān)于兩種流體換熱的有關(guān)知識(shí),確定介質(zhì)物性數(shù)據(jù)，熱負(fù)荷，流速等，從而選擇最佳的標(biāo)準(zhǔn)系列換熱器類(lèi)型，并進(jìn)行總傳熱系數(shù)，傳熱面積，管程和殼程的壓降等的核算，使其滿(mǎn)足工藝要求即可。AbstractTotalcondenseristheheattransferinindustrialprocesses,whichiswidelyusedasaheatexchanger,anditisparticularlycommoninthedistillationtowerprocessdesign.Asthenameimplies,inthewholecondenser,theoccurrenceofthephasetransitionaccompaniedbysteamcondensationheatcouldemitlargeamountsoflatentheat,butthethermalfluidtemperaturedoesnotchange.Thecurriculumdesigntask,withanannual15,000tonsofethanol-waterdistillationtowercondenserwholeprocessdesign,istosolvetheaboveproblems.RefertoChemicalEngineeringknowledgelearnedabouttwokindsofheattransferfluid,wecandeterminethedielectricpropertiesofthedata,theheatload,flowrate,etc.,thuschoosethebesttypeofstandardseriesofheatexchangersandfortheoverallheattransfercoefficientofheattransferarea,tubeandshellsidepressuredropofaccounting,untilitcanmeetthetechnicalrequirements.關(guān)鍵詞：全凝器乙醇—水相變標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn)1.5萬(wàn)噸乙醇--水精餾塔塔頂全凝器的工藝設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)條件生產(chǎn)能力：（1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5.5、5.5）噸每年乙醇設(shè)備型式：立式列管換熱器操作壓力：常壓乙醇的冷凝溫度為75℃，冷凝液與飽和溫度下離開(kāi)冷凝器。換熱器熱損失為熱流體熱負(fù)荷的3.5%每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)建廠(chǎng)地址：蘭州地區(qū)要求管程和殼程的阻力都不大于104Pa,標(biāo)準(zhǔn)系列列管式換熱器的選型三、設(shè)計(jì)步驟及要求1.確定設(shè)計(jì)方案（1）選擇列管換熱器的類(lèi)型（2）選擇冷卻劑的類(lèi)型和進(jìn)出口溫度（3）查閱介質(zhì)的物性數(shù)據(jù)（4）選擇冷熱流體流動(dòng)的空間及流速2.初步估算換熱器的傳熱面積S3.初選換熱器的規(guī)格4.校核 （1）核算換熱器的傳熱面積，要求設(shè)計(jì)裕度不小于10%,不大于20%.（2）核算管程和殼程的流體阻力損失。如果不符合上述要求重新進(jìn)行以上計(jì)算.5.附屬結(jié)構(gòu)如封頭、管箱、分程隔板、緩沖板、拉桿和定距管、人孔或手孔、法蘭、補(bǔ)強(qiáng)圈等的選型7.將計(jì)算結(jié)果列表（見(jiàn)下表）四、設(shè)計(jì)成果1.設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（A4紙）（1）內(nèi)容包括封面、任務(wù)書(shū)、目錄、正文、參考文獻(xiàn)、附錄（2）格式必須嚴(yán)格按照蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)的格式打印。2.換熱器工藝條件圖（2號(hào)圖紙）（手繪）五、時(shí)間安排（1）第十九周～第二十二周（2）第二十二周的星期五（7月20日）下午兩點(diǎn)本人親自到指定地點(diǎn)交設(shè)計(jì)成果，最遲不得晚于星期五的十八點(diǎn)鐘.六、設(shè)計(jì)考核（1）設(shè)計(jì)是否獨(dú)立完成；（2）設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的編寫(xiě)是否規(guī)范（3）工藝計(jì)算與圖紙正確與否以及是否符合規(guī)范（4）答辯七、參考資料1、《化工原理課程設(shè)計(jì)》賈紹義柴誠(chéng)敬天津科學(xué)技術(shù)出版社2、《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》化學(xué)工業(yè)出版社3、化工原理夏清天津科學(xué)技術(shù)出版社1.確定設(shè)計(jì)方案1.1選擇列管換熱器的類(lèi)型在本次設(shè)計(jì)任務(wù)中,兩流體溫度變化情況為熱流體為乙醇蒸汽，進(jìn)口溫度75℃，出口溫度75℃，冷流體(井水)進(jìn)口溫度25℃，出口溫度37℃。該換熱器用水廠(chǎng)給水作為冷卻介質(zhì)，受環(huán)境影響，進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差不大（<50℃），因此初步確定選用固定管板式換熱器。1.2選擇冷卻劑的類(lèi)型和進(jìn)出口溫度1.2.1冷卻劑的類(lèi)型水（河水、井水、水廠(chǎng)給水)，使用溫度范圍：～℃，～℃特點(diǎn)：來(lái)源廣，價(jià)格便宜，冷卻效果好，但水溫受季節(jié)和氣候影響大?？諝猓?lt;℃特點(diǎn):缺水地區(qū)宜用，但對(duì)流傳熱系數(shù)小，溫度受季節(jié)和氣候影響大。冷凍鹽水：0～℃特點(diǎn)：用于低溫冷卻，成本高。液氨：～℃特點(diǎn)：利用液態(tài)氨的揮發(fā)制冷。從以上得出，蘭州地區(qū)水資源較為豐富，且空氣傳熱效果不好，受溫度影響大，因此不選用空氣，冷凍鹽水溫度不符合溫度范圍，并且成本高，液氨也不適用，因此選用井水。1.2.2進(jìn)出口溫度：表1蘭州地區(qū)氣候數(shù)據(jù)月份123456789101112極端最高溫度℃17.121.026.034.634.736.839.837.334.427.420.314.0極端最低溫度℃-17.7-17.6-11.6-5.7-0.15.79.88.61.6-7.1-12.3-19.7根據(jù)表格得蘭州地區(qū)：最高溫度為℃，所以冷卻水進(jìn)口溫度設(shè)為℃，出口溫度設(shè)為30℃。查得：蘭州地區(qū)海拔高度為,蘭州大氣壓為水柱。（）換算得1.3查閱介質(zhì)的物性數(shù)據(jù)1.3.1水的物性數(shù)據(jù)=<2所以用算術(shù)平均溫度作為定性溫度，水的平均溫度：℃，查，31℃下水的物性數(shù)據(jù)如下：密度：995.3360/粘度：0.7807導(dǎo)熱系數(shù)：0.6171比熱：4.17971.3.2乙醇的物性數(shù)據(jù)校正公式：Y=Y（）X()經(jīng)校正可知，符合蘭州地區(qū)建廠(chǎng)規(guī)則，故乙醇蒸汽只發(fā)生75℃下的相變乙醇的平均的溫度：℃，查，75℃下乙醇的物性數(shù)據(jù)下：密度：748.1500粘度0.5215導(dǎo)熱系數(shù)：0.1652比熱：2.9633乙醇蒸汽密度：表2乙醇和水的物性數(shù)據(jù)【1】物性流體溫度T(℃)密度kg/m3粘度MPa·s比熱容CpkJ/(Kg·℃)熱導(dǎo)系數(shù)λW/(m·℃)液化潛熱r/(kJ/kg)乙醇75748.15000.52152.96330.1652849.7826井水31995.33600.78074.17970.61712426.721.4選擇冷熱流體流動(dòng)的空間及流速 1.4.1冷熱流體流動(dòng)空間的選擇：（1）不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程，以便于清洗管子；（2）腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時(shí)受腐蝕，而且管內(nèi)也便于檢修和清洗；（3）高壓流體宜走管程，以免殼體受壓，并且可節(jié)省殼體金屬的消耗量；（4）飽和蒸汽宜走殼程，以便于及時(shí)排出冷凝液，且蒸汽較潔凈，不易污染殼程；（5）被冷卻的流體宜走殼程，可利用殼體散熱，增強(qiáng)冷卻效果；（6）有毒流體宜走管程，以減少流體泄漏；粘度較大或流量較小的流體宜走殼程，因流體在有折流板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流體流向和流速不斷改變，在很低的雷諾數(shù)（Re<100）下即可達(dá)到湍流，可提高對(duì)流傳熱系數(shù)。但是有時(shí)在動(dòng)力設(shè)備允許的條件下，將上述流體通入多管程中也可得到較高的對(duì)流傳熱系數(shù)。由于蘭州地區(qū)水質(zhì)較硬易結(jié)垢，并且考慮到乙醇可通過(guò)殼體向外界散熱增加冷卻效果，確定為水走管程而乙醇走殼程，管材選普通的碳鋼管。1.4.2冷熱流體流動(dòng)的流速：換熱器內(nèi)適宜的流速應(yīng)通過(guò)經(jīng)濟(jì)核算選擇，一般流體盡可能使Re>,粘度高的流體常按滯流設(shè)計(jì)。下面列出一些工業(yè)上常用的流速范圍，供設(shè)計(jì)時(shí)參考。表3列管式換熱器內(nèi)常用的流速范圍流體種類(lèi)流速//管程殼程一般液體易結(jié)垢液體氣體0.5~3>15~300.2~1.5>0.53~15表4不同粘度液體的流速（以普通鋼壁為例）液體粘度×/Ns/最大流速//>15001500~500500~100100~3535~1<10.60.751.11.51.82.4根據(jù)以上可以得出：因流體在有折流板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流體流向和流速不斷改變，在很低的雷諾數(shù)（Re<100）下即可達(dá)到湍流，可提高對(duì)流傳熱系數(shù)。2.估算換熱器的傳熱面積S2.1計(jì)算熱負(fù)荷Q，按管內(nèi)塔頂產(chǎn)品計(jì)算，即：Ms1=1.5×104×103/(330×24)=1894kg/h=0.526kg/sQ=Ms1×r=0.526kg/s×849.7826kJ/kg=446.99kw=由于換熱器損失為熱流體熱負(fù)荷的3.5%==430.56kw水的流量可由熱量恒算求得Ms2=/(4.1803×(37-25))=kg/h=8.58kg/s2.2計(jì)算平均溫度，并確定殼程數(shù)。逆流：熱流體：T1=75℃T2=75℃冷流體：t1=25℃t2=37℃t：50℃38℃所以=43.72℃溫度校正：P==0.24由P和R查對(duì)數(shù)平均溫差校正系數(shù)圖【2】得：此時(shí)，大于0.8，所以選用單殼程的列管式換熱器?！?.3估算換熱面積根據(jù)殼內(nèi)為乙醇，管內(nèi)為水，總傳熱系數(shù)范圍在200~700初選：k=380w/(m2.℃)估算換熱面積：=4.31×105/(380×43.72)=25.94m23.初選換熱器規(guī)格表5立式固定管板式換熱器規(guī)格【3】公稱(chēng)壓力:0.6MPa管子尺寸：公稱(chēng)面積:30.7管中心距：32mm公稱(chēng)直徑：450mm管程數(shù)：1管長(zhǎng):3000m中心排管數(shù)：13管子總數(shù):135管子排列方法：正三角形4.校核換熱器的傳熱面積4.1換熱器的實(shí)際換熱面積=135×3.14×0.025×(3-0.1)=30.73m2該換熱器所要求的總傳熱系數(shù)4.2校核總傳熱系數(shù)4.2.1計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù)m3/sm2(湍流)故4.2.2計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù)因?yàn)榱⑹搅泄軗Q熱器殼程為乙醇飽和蒸汽冷凝為飽和液體后離開(kāi)冷凝器，故可按蒸汽在垂直管外冷凝的計(jì)算公式計(jì)算現(xiàn)設(shè)管外壁溫=50℃，則冷凝液膜的平均溫度為：，這與飽和溫度75℃很接近，故在平均膜溫62.5℃下的物性可沿用飽和溫度75℃下的數(shù)據(jù)，在層流下：4.2.3確定污垢熱阻（有機(jī)液體）（井水）4.2.4總傳熱系數(shù)K0=2.6611×10-3∴K0=375.78>320.80所選換熱器的安全系數(shù)為[(375.78-320.80)/320.80]×100%=17.14%10%<17.14%<20%表明該換熱器的傳熱面積裕度符合要求。4.2.5核算壁溫與冷凝器流型（1）核算壁溫這與假設(shè)相差不大，可以接受，所以壁溫為50℃。（2）核算流型：冷凝負(fù)荷：（符合層流假設(shè)）5.計(jì)算壓降5.1計(jì)算管程壓降其中：—分別為直管彎道中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降—結(jié)垢校正因數(shù)—管程數(shù)—?dú)こ虜?shù)取碳鋼的管壁粗糙度為0.1mm,則,而Rei=4952,于是：=0.04PaPa對(duì)Ф25mm×2.5mm的管子，有Ft=1.4，且Np=1，Ns=1Pa5.2計(jì)算殼程壓降其中，，,管子為正三角形排列，,取折流板間距，則殼程流通面積∴由以上計(jì)算可得，管程和殼程的壓降均符合設(shè)計(jì)要求。6.管程和殼程的管口設(shè)計(jì)6.1冷流體進(jìn)出口接管直徑計(jì)算令冷卻水的流速u(mài)1=1.2mm，圓整為100mm，則冷流體進(jìn)出口的直徑均為100mm。6.2熱流體進(jìn)出口管直徑計(jì)算6.2.1進(jìn)口直徑計(jì)算令乙醇蒸汽的流速,圓整為200mm,則熱流體進(jìn)口的直徑為200mm。6.2.2出口直徑計(jì)算令乙醇液體的流速，圓整為40mm。7.其他主要附件7.1折流擋板（1）折流板的排列方式水平切口用得最普遍，這種排列可造成流體激烈擾動(dòng)，增大傳熱系數(shù)，乙醇流體也是清潔的，因此本設(shè)計(jì)采用水平缺口排列方式。（2）折流板與殼體間隙的選擇折流板與殼體的間隙依據(jù)制造安裝條件，在保證順利的裝入前提下，越小越好，以減小殼程中旁路損失。折流板的最小外圓直徑和下偏差見(jiàn)表6表6折流板外徑/mm公稱(chēng)直徑DN<400>300>600>900>1300>1700折流板名義外徑DN2.5DN3.5DN4.5DN6DN8DN9折流板外徑允許偏差-0.5-0.8-1.2根據(jù)上表可以選定折流板與殼體內(nèi)徑間的間隙為3.5mm。（3）折流板厚度的確定折流板厚度與殼體直徑、換熱管無(wú)支撐長(zhǎng)度有關(guān)，其數(shù)值不得小于表7的規(guī)定。殼體公稱(chēng)直徑DN換熱管無(wú)支撐長(zhǎng)度厚度159-3254571010400-700456101012800-9005781012161000-150068101216161600-20001012162020表7折流板厚度選定折流板的厚度為5mm7.2拉桿、定距管（1）拉桿的結(jié)構(gòu)形式的確定采用拉桿定距管的結(jié)構(gòu)，拉桿一端用螺紋擰入管板，每?jī)蓧K折流板之間的間距用定距管固定，每根拉桿上最后一塊折流板與拉桿用兩個(gè)螺母鎖緊固定。（2）拉桿直徑和數(shù)量按表8和表9選取。拉桿的直徑和數(shù)量可以變動(dòng)，但其直徑不的小于10mm，數(shù)量不少于4根。表8拉桿直徑/mm【4】換熱管外徑1014192532384557拉桿直徑1012121616161616表9拉桿數(shù)量拉桿直徑/mm公稱(chēng)直徑DN/mm<400<700<900<1300<1500<1800<200010461012161824124481012141816446681012根據(jù)上表可選定拉桿的直徑為16mm，數(shù)目為4根。（3）拉桿尺寸按表10確定拉桿的尺寸。拉桿的長(zhǎng)度L按需要確定。表10拉桿尺寸/mm拉桿直徑d拉桿螺紋公稱(chēng)直徑管板上拉桿孔深1010131612121518161620207.3防沖擋板一般當(dāng)殼程介質(zhì)為氣體和蒸汽時(shí)，應(yīng)設(shè)置防沖擋板。本設(shè)計(jì)中，乙醇進(jìn)料為氣體，為了防止殼程進(jìn)口處流體直接沖擊傳熱管，產(chǎn)生沖蝕，應(yīng)設(shè)置防沖擋板.由于殼體內(nèi)徑大于273mm小于等于600mm，緩沖板選擇焊接在殼體上，緩沖板在殼體內(nèi)的位置，應(yīng)使防沖板周邊與殼體內(nèi)壁所形成的流通截面積為殼程進(jìn)口截面積的1-1.25倍，緩沖板厚度為4.5mm。7.4換熱管換熱管材料選擇碳鋼，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)GB/T8163，規(guī)格25mm2.5mm，外徑公差上偏差+12%，下偏差-10%。7.5法蘭和管板本設(shè)計(jì)選取標(biāo)準(zhǔn)JB4701-92甲型平焊法蘭，密封面采用凹面。開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)圈采用標(biāo)準(zhǔn)JB1207-73。螺柱規(guī)格M16，數(shù)量每邊20個(gè)管板與法蘭連接密封面為凸面，分程隔板槽拐角處倒角1045，隔板槽寬度為12mm，管板與換熱器連接處采用脹接。7.6墊片墊片厚度，本設(shè)計(jì)確定為3mm，隔板槽部分墊片厚度取10mm，圓角尺寸取R=8mm，D和d按JB1160-82壓力容器法蘭用墊片標(biāo)準(zhǔn)選取。8.換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果一覽表參數(shù)管程殼程操作條件物料名稱(chēng)水乙醇流量（㎏/h）309001894操作溫度（℃）25/3775操作壓力（MPa）0.0850.085物性參數(shù)定性溫度（℃）3175密度（㎏/m3）995.3360748.15定壓比熱（kJ/㎏·℃）4.17972.9633粘度（mPa·s）0.78070.5215導(dǎo)熱系數(shù)（w/m·℃）0.61710.1652主要工藝性能參數(shù)流速（m/s）0.2058.61×10-3對(duì)流傳熱系數(shù)（w/m2·℃）1269.46967.7污垢熱阻（m2·℃/w）阻力損失（MPa）175.84×10-611.78×10-6熱負(fù)荷（w）4.31×105傳熱總系數(shù)（w/m2·℃）375.78傳熱平均溫差（℃）43.72傳熱面積（㎡）30.7設(shè)計(jì)裕度（%）17.14設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)換熱器的型式立式列管換熱器材質(zhì)碳鋼碳鋼程數(shù)11換熱管規(guī)格（mm）直徑（mm）450長(zhǎng)度（m）3折流擋板型式弓形數(shù)目（個(gè)）135數(shù)目9排列方式正三角形間距（mm）300管心距（mm）329.結(jié)束語(yǔ)本次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)三周，在此期間我查閱和學(xué)習(xí)了一些相關(guān)資料。在指導(dǎo)老師和其他同學(xué)的幫助下共同完成了該項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)。以前從未接觸過(guò)此類(lèi)的課程作業(yè)，在這個(gè)過(guò)程中收獲很多，體會(huì)也很多。通過(guò)這次學(xué)習(xí)我深切地感受到“學(xué)以致用”的重要性和艱難程度，我們隨口所說(shuō)的“理論聯(lián)系實(shí)踐”，做起來(lái)需要的不僅僅是考試的成績(jī)，還需要扎實(shí)的理論功底、查閱文獻(xiàn)獲得所需信息的基本功、客觀(guān)問(wèn)題和解決方案的分析綜合能力以及動(dòng)手能力等諸多缺一不可的能力的綜合應(yīng)用。因此，我們應(yīng)永遠(yuǎn)保持謙虛謹(jǐn)慎的學(xué)習(xí)態(tài)度和注重自身各項(xiàng)能力的培養(yǎng)。在課設(shè)過(guò)程中，起初，通過(guò)和同學(xué)討論，我先對(duì)各基本參量（冷卻水進(jìn)出口溫度等）做了初步確定，選擇了感覺(jué)是較為合理的值。接著便是課設(shè)計(jì)算部分。中間部分還可以，僅是計(jì)算繁瑣些，并未遇到什么大的問(wèn)