年產(chǎn)3.5萬噸酒精精餾系統(tǒng)換熱器設計

內(nèi)蒙古工業(yè)大學課程設計說明書摘要工業(yè)生產(chǎn)過程中，兩種物料之間的熱交換一般是通過換熱器來實現(xiàn)。換熱器類型，性能各異，但設計所依據(jù)的傳熱基本原理相同，不同之處是在結(jié)構(gòu)設計上需要根據(jù)各自設備特點采用不同的計算方法。換熱器伴隨工業(yè)生產(chǎn)的始終，其效果的好壞直接影響化工生產(chǎn)的質(zhì)量和生產(chǎn)效益，為了完成年產(chǎn)3.5萬噸酒精的生產(chǎn)任務并節(jié)約能源，減少對環(huán)境的污染，本次換熱器設計的思路為用塔底釜殘液的熱量來先加熱原料液，使原料液加熱到一定溫度（由原來的20℃加熱到55.7℃），然后再用高溫蒸汽來繼續(xù)加熱原料液。塔頂酒精蒸汽經(jīng)過全凝器，經(jīng)過冷卻水使酒精蒸汽冷卻至液體，再經(jīng)過冷卻器使產(chǎn)品冷卻至35度。固定管板式換熱器兩端的管板與殼體連在一起。這類換熱器結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，補償圈的彈性變形可減少溫差應力，這種補償方法使用于兩流體溫差小于70。C，且殼方流體壓強不高于600Kpa的情況。但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于50。C且殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。原料預熱器殼程走133.3℃的蒸汽，管程走原料液；塔頂冷凝器殼程走乙醇蒸汽，管程走冷卻水；塔頂冷卻器殼程走乙醇液體，管程走冷卻水。在此次的原料預熱器、塔頂冷凝器、塔頂冷卻器均選用固定管板式換熱器，型號：JB/T4715-92。離心泵選用Y型離心油泵系列中50Y-60A型離心油泵。在設計和計算中不斷地查閱相關(guān)資料獲得所需物料的物化特性，在遇到不懂設計難題向老師同學提問有關(guān)問題，對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復的分析和比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設計，并且滿足工程實際情況。關(guān)鍵詞：換熱器；離心泵；設計與選型；工藝流程圖；裝配圖目錄前言 1符號說明 2第一章?lián)Q熱系統(tǒng)的流程方案的確定 31.1換熱系統(tǒng)的流程方案的設計 31.2換熱器設計方案的確定 31.2.1換熱器類型的選擇 31.2.2固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)的確定 31.2.3流體流動空間的選擇 51.2.4流體流速的選擇 51.2.5流體進出口溫度的確定 51.2.6接管的確定 61.2.7管程和殼程數(shù)的確定 61.3固定管板式換熱器的設計計算 61.3.1設計計算步驟 61.3.2傳熱計算的主要公式 7第二章設計的工藝計算 112.1全塔物料衡算 112.2預熱器的設計和計算 112.2.1確定設計方案 112.2.2根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù) 112.2.3換熱器的衡算 122.3塔頂冷凝器的設計和計算 182.3.1確定設計方案 182.3.2根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù) 182.3.3塔頂冷凝器換熱器的衡算 192.4塔頂冷卻器的設計 252.4.1確定設計方案 252.4.2根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù) 252.4.3塔頂冷卻器換熱器的衡算 262.5塔底再沸器工藝粗算 322.7離心泵的選型與計算 342.7.1物性參數(shù)的獲取 342.7.2離心泵的選型 34第三章匯總表 373.1原料預熱器匯總表 373.2塔頂冷凝器匯總表 393.3塔頂冷卻器匯總表 41第四章結(jié)論 43參考文獻 44附錄 45謝辭 47附圖 48內(nèi)蒙古工業(yè)大學課程設計說明書PAGE49前言化工原理課程設計設計主要內(nèi)容是流程方案的確定原則、物料和熱量的衡算、主要設備工藝尺寸的計算，以及主要設備和輔助設備的的選型和計算方法，同時繪制工藝流程圖與設備裝配圖?；ぴ碚n程設計是針對學習化工原理課程的學生開設的具有強化性的實訓課程。換熱器是工業(yè)常用設備之一，在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要的角色。換熱器主要作用是對工業(yè)原料及產(chǎn)物的熱性質(zhì)進行改變。根據(jù)用途主要又分為加熱器與冷凝器。常用換熱器主要有固定板式換熱器、浮頭式換熱器、U型換熱器等。課設中主要選用固定板式換熱器，對其進行了物料衡算、換熱管的選擇、換熱器的選型等一系列工業(yè)設計。主要熟悉掌握換熱器的化工工藝用途、設計方法、設計注意事項，提高結(jié)合實際情況選用設備型號的技能。在此次化工原理課程設計中，達到綜合運用化工原理課程的基本知識、基本原理和計算，進行融會貫通、獨立思考，在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的化工單元操作設計任務，具有初步進行工程設計的能力；達到熟悉工程設計的基本內(nèi)容，掌握化工單元操作設計的主要程序和方法；提高和進一步培養(yǎng)分析和解決工程實際問題的能力；樹立正確的設計思想，培養(yǎng)實事求是，嚴肅認真、高度負責的科學作風，實現(xiàn)全面推近創(chuàng)新新思維的開發(fā)。符號說明Q——傳熱速率(即熱負荷)，W；K——總傳熱系數(shù)，W／(m2．℃)；S——與K值對應的換熱器傳熱面積，m2；Δtm——平均溫度差，℃。W——流體的質(zhì)量流量，kg／h；Cp——流體的平均定壓比熱容，J／(kg·℃)；T——熱流體的溫度，℃；t——冷流體的溫度，℃；r——飽和蒸氣的冷凝潛熱，kJ／kg。K。——基于換熱器外表面積的總傳熱系數(shù)，w／((m2．℃)；——基于管內(nèi)及管外的對流傳熱系數(shù)，w／(m2·℃)；Rso、Rsi—一分別為管外側(cè)及管內(nèi)側(cè)表面上的污垢熱阻，(m2．℃)／w;do、di、dm——分別為換熱器列管的外徑、內(nèi)徑及平均直徑,m；b——列管管壁厚度,m；k一列管管壁的導熱系數(shù)，w／(m·℃)Δt——蒸汽的飽和溫度與壁溫之差，nc——水平管束在垂直列上的管數(shù)；——直管中因摩擦阻力引起的壓力降Pa；——回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa；——結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，φ25×2.5mm的換熱管取1.4；φ19×2mm的換熱管取1.5；——串聯(lián)的殼程數(shù)；——管程數(shù)。ξ——阻力系數(shù)，列管換熱器管內(nèi)ξ=3——折流擋板數(shù)目；——按殼程流通面積So計算的流速，m/s。第一章?lián)Q熱系統(tǒng)的流程方案的確定1.1換熱系統(tǒng)的流程方案的設計進行換熱器的設計，第一步應根據(jù)酒精精餾的工藝要求確定換熱系統(tǒng)的流程方案。第二步根據(jù)酒精的產(chǎn)量及酒精與水的質(zhì)量分數(shù)，原料液的質(zhì)量分數(shù)，年產(chǎn)量的工作時間，進行物料衡算，得到流量數(shù)據(jù)，第三步確定所選換熱器中流體的流動空間及流速等參數(shù)，同時計算完成給定生產(chǎn)任務所在地需的傳熱面積，進行傳熱系數(shù)的核算及確定，最后并確定換熱器的工藝尺寸選用適當類型的換熱器。流程方案的初步設計中，考慮使用塔底殘液的廢熱來預熱原料液，達到廢熱再利用的效果，實現(xiàn)節(jié)能減排。本次換熱系統(tǒng)為精餾系統(tǒng)的換熱設備，包括原料預熱器，塔頂全凝器，塔頂產(chǎn)品冷卻器，塔底再沸器，塔底殘液冷卻器。對原料預熱器，塔頂冷卻器和塔頂產(chǎn)品冷凝器進行精算，塔底殘液冷卻器塔底再沸器，只作初算。1.2換熱器設計方案的確定1.2.1換熱器類型的選擇對于所選擇的換熱器，應盡量滿足以下要求：具有較高的傳熱效率、較低的壓力降；重量輕且能承受操作壓力；有可靠的使用壽命；產(chǎn)品質(zhì)量高，操作安全可靠；所使用的材料與過程流體相容；設計計算方便，制造簡單，安裝容易，易于維護與維修。在實際選型中，這些選擇原則往往是相互矛盾、相互制約的。在具體選型時，我們需要抓住實際工況下最重要的影響因素或者說是所需換熱器要滿足的最主要目的，解決主要矛盾。本文中兩流體溫差介于50℃和70℃之間的選擇帶補償圈的固定管板式換熱器，小于根據(jù)制定的流程方案，可選擇帶補償圈的和不帶補償圈的固定管板式換熱器，此類換熱器的結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，宜處理兩流體溫差50℃到70℃且殼方流體較清潔及不宜結(jié)垢的物料，流體壓強不高于600Kpa的情況。1.2.2固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)的確定固定管板式換熱器由管板、殼體、封頭等組成。固定管板式換熱器最容易出現(xiàn)的故障就是管子和管板連接部分泄漏。所以必須注意固定管板式換熱器的連接方法和質(zhì)量。固定管板式換熱器主要分為管程和殼程兩大部分。1.2.2.1管程結(jié)構(gòu)換熱器管程由換熱管、管板、封頭或管箱組成。1、換熱管布置和排列間距管束的多少和長短由傳熱面積的大小和換熱器結(jié)構(gòu)來決定，它的材質(zhì)選擇主要考慮傳熱效果、耐腐蝕性能、可焊性等。常用管徑和壁厚有￠19×2，￠25×2.5等；管長有1500mm、2000mm和3000mm；材料有普碳鋼或不銹鋼等。在管程結(jié)垢不很嚴重以及允許壓力降較高的情況下，采用ф19mm×2mm直徑的管子更為合理。這次用到的換熱器的壓力不大，換熱器中流體沒有腐蝕性，所以選擇ф25×2.5mm碳鋼管。本次設計采用ф25×2.5mm無縫鋼管。換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正三角形排列、同心圓排列，正三角形排列比較緊湊，管板利用率高，管外流體湍動程度高，對流傳熱系數(shù)大，但管外清洗較困難；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。本次設計選擇正三角形的排列方式。2、管子與管板及其連接方式的選擇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。列管式換熱器管板是用來固定管束連接殼體和端蓋的一個圓形厚板，它的受力關(guān)系比較復雜。厚度計算應根據(jù)我國“鋼制壓力容器設計規(guī)定”進行，一般采用20到30個毫米的。管板與管子的連接可脹接，焊接和脹焊并用。焊接法應用廣泛，這次用到的換熱器內(nèi)流體溫度不高，壓力不大，所以選擇焊接的方式連接管子和管板。3、封頭、管箱的確定列管式換熱器管箱即換熱器的端蓋，也叫分配室。用以分配液體和起封頭的作用。壓力較低時可采用平蓋，壓力較高時則采用凸形蓋，用法蘭與管板連接。檢修時可拆下管箱對管子進行清洗或更換。1.2.2.2殼程結(jié)構(gòu)殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要由折流板、支承板、縱向隔板及緩沖板等元件組成。1、換熱器殼體的確定根據(jù)管間壓力、直徑大小和溫差力決定它的壁厚；由介質(zhì)的腐蝕情況決定它的材質(zhì)。直徑小于400mm的殼體通常用鋼管制成，大于400mm的用鋼板卷焊而成。根據(jù)工作溫度選擇殼體材料，有防腐要求時，大多考慮使用復合金屬板。2、列管式換熱器折流板的作用是；增強流體在管間流動的湍流程度；增大傳熱系數(shù)；提高傳熱效率。同時它還起支撐管束的作用。這次設計中的原料預熱器和塔頂全凝器的殼程走的是蒸汽所以不安裝折流板。1.2.3流體流動空間的選擇在列管式換熱器的設計計算過程中，需要預先確定哪一種流體走管程，那種流體走殼程，成為流體流動空間的選擇。影響選擇結(jié)果的因素很多，主要從以下三方面考慮：1.傳熱效果（1）粘度大的流體或流量小的流體宜走管程。將兩流體中熱阻較大的一方安排在殼程，可提高對流傳熱系數(shù)，強化傳熱。（2）待冷卻的流體宜走殼程，便于傳熱。2.設備結(jié)構(gòu)高壓的流體、腐蝕性的流體宜在管內(nèi)流過。3.清洗方便不潔凈的或易結(jié)垢的流體宜走管程，便于清洗管子。飽和蒸汽一般通入殼程以便于及時排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，殼程可不必清洗。1.2.4流體流速的選擇增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。因此，應選擇適當流速。下表列出工業(yè)一般采用的流體流速范圍。表1-1工業(yè)一般流體流速液體的種類一般液體易結(jié)垢液體氣體流速m／s管程殼程0.5－3.00.2－1.5＞1.0＞0.55.0－303.0－151.2.5流體進出口溫度的確定為了節(jié)省水，可提高水的出口溫度，但傳熱面積就需要加大；為了減小傳熱面積，則要增加水量。設計時可采取冷卻水兩端溫差為8～10℃。缺水地區(qū)選用較大的溫度差，水源豐富地區(qū)選用較小的溫度差。對于熱流體的溫差可根據(jù)工藝要求計算。1.2.6接管的確定接管的選擇與流體的流速和流量有關(guān)。冷凝器的管程進出口接管直徑通常直徑較大采用熱軋無縫鋼管，管壁較厚，殼程流體出口接管選擇冷軋無縫鋼管。這次設計的為酒精精餾換熱器，壓力、流量都不大，所選接管的壁厚也不大。1.2.7管程和殼程數(shù)的確定當管內(nèi)流體流量較小時，會使管內(nèi)流速較低，對流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過多，將導致管程流體阻力增加，面積的利用率也降低。這次采用單殼程多管程（2、4）固定管板式換熱器。1.3固定管板式換熱器的設計計算1.3.1設計計算步驟1.3.1.1系統(tǒng)物料衡算根據(jù)產(chǎn)量要求，計算換熱系統(tǒng)的原料量、產(chǎn)品量，再進一步確定所需計算的換熱器，逐步進行換熱器的選用。1.3.1.2選用換熱器1、熱負荷的計算，冷卻介質(zhì)用量的計算或加熱介質(zhì)用量的計算；2、平均溫度差的計算，當兩側(cè)流體均為變溫傳熱時，應進行溫度差的校正；3、流動空間的選擇；4、初估總傳熱系數(shù)，計算換熱面積，初選換熱器。1.3.1.3核算總傳熱系數(shù)計算管程、殼程對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，在計算總傳熱系數(shù)K計。比較K計和K選，若（,則初選的設備合格。否則需另設K選值，重復以上計算步驟。1.3.1.4計算管、殼程壓強降計算出選設備的管、殼程流體的壓強降，如超過工藝允許的范圍，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計算壓強降直至滿足要求為止。1.3.1.5接管尺寸計算1.3.2傳熱計算的主要公式1.3.2.1傳熱速率方程式及相關(guān)計算公式式中Q——傳熱速率(即熱負荷)，W；K——總傳熱系數(shù)，W／(m2．℃)；S——與K值對應的換熱器傳熱面積，m2；——平均溫度差，℃。1.熱負荷(傳熱速率)Q無相變傳熱相變傳熱(蒸汽冷凝且冷凝液在飽和溫度下離開換熱器)式中W——流體的質(zhì)量流量，kg／h；Cp——流體的平均定壓比熱容，J／(kg·℃)；T——熱流體的溫度，℃；t——冷流體的溫度，℃；r——飽和蒸氣的冷凝潛熱，kJ／kg。下標h和c分別表示熱流體和冷流體，下標1和2分別表示換熱器的進口和出口。2.平均溫度差Δtm一側(cè)恒溫,逆流與并流的平均溫差相等兩側(cè)變溫，平均溫差用逆流平均溫差校正-溫差校正系數(shù)，,其中3.總傳熱系數(shù)K初選換熱器時，應根據(jù)所要設計的換熱器的具體操作物流選取K的經(jīng)驗數(shù)值，選定的K的經(jīng)驗值為K選。確定了選用的換熱器后，需要對換熱器的總傳熱系數(shù)K進行核算，總傳熱系數(shù)K的計算按下列公式：式中——基于換熱器外表面積的總傳熱系數(shù)，；——分別為管外及管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)，；—一分別為管外側(cè)及管內(nèi)側(cè)表面上的污垢熱阻，;——分別為換熱器列管的外徑、內(nèi)徑及平均直徑,；——列管管壁厚度,；4.對流傳熱系數(shù)(1)對于低粘度流體(μ小于或等于2倍常溫水的粘度)當流體被加熱時，＝0.4當流體被冷卻時，＝0.3式中：——分別為流體的密度和粘度，；——分別為流體的導熱系數(shù)和比熱容,;——管內(nèi)流速，；——列管內(nèi)徑，。應用范圍：Re＞l0000，Pr＝0.7-160，管長與管徑之比L/d＞60，若L/d＜60可將上式算出的α乘以特征尺寸：管內(nèi)徑d,m定性溫度：取流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。(2)蒸汽在水平管束上冷凝時的冷凝傳熱系數(shù)若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式計算冷凝傳熱系數(shù)：式中：—冷凝液的導熱系數(shù)，w／(m·℃)；ρ——冷凝液的密度，kg／m3。；μ——冷凝液的粘度，Pa·s；γ——飽和蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg；Δt——蒸汽的飽和溫度與壁溫之差，此處取nc——水平管束在垂直列上的管數(shù)；5．換熱器實際傳熱面積根據(jù)選定換熱器的管徑、管長和管數(shù)可計算所選換熱器的實際傳熱面積Sp。實際傳熱面積應該比所需傳熱面積大一些，稱為面積裕度，一般面積裕度控制在10%-30%比較合適。1.3.2.2計算流體壓降的主要公式一般說來，流經(jīng)列管式換熱器允許的壓強降，液體為10—100kPa，氣體為1—10kPa左右。（1）管程壓力降直管中因摩擦阻力引起的壓力降Pa；回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa；結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，φ25×2.5mm的換熱管取1.4；φ19×2mm的換熱管取1.5；串聯(lián)的殼程數(shù)；管程數(shù)。ξ——阻力系數(shù)，列管換熱器管內(nèi)ξ=3（2）殼程壓力降流體橫過管束的壓力降Pa；流體流過折流擋板缺口的壓力降Pa；結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，對液體，取1.15；對氣體，取1.0；管子排列方式對壓力降的校正系數(shù)：三角形排列F=0.5；正方形排列F=0.3；正方形錯列F=0.4；殼程流體的摩擦系數(shù)；橫過管束中心線的管數(shù)折流擋板間距，m；殼體直徑，m；折流擋板數(shù)目；按殼程流通面積So計算的流速，m/s。第二章設計的工藝計算2.1全塔物料衡算根據(jù)設計要求可知：塔頂產(chǎn)品酒精的質(zhì)量D=3.5萬噸，乙醇的質(zhì)量分數(shù)XD=0.92,精餾原料粗乙醇的質(zhì)量分數(shù)XF=0.5,塔底殘液乙醇的質(zhì)量分數(shù)XW=0.005由求得回流比:所以2.2預熱器的設計和計算2.2.1確定設計方案1．選擇換熱器的類型換熱器中兩流體溫度差不大，殼程壓力較小，故可選擇固定管板式換熱器。2．流動空間和管材的選用設計任務的熱流體為水蒸汽，冷流體為原料液乙醇。由于蒸汽比較干凈不易結(jié)垢，所以蒸汽走殼程以便于及時排除冷凝液，原料液中可能含有雜質(zhì)、易結(jié)垢，而粘度大、流量較小的原料液中的水為易結(jié)垢液體，所以原料液走管程便于清洗管子，此外還可以提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)。蒸汽的溫度大于原料液的溫度，蒸汽走殼程，原料液走管程，有利于減小管子和殼體因受熱不同而產(chǎn)生的熱應力。因此，為使原料液出口溫度達到泡點，令蒸汽走殼程，原料液走管程。因碳鋼管價格低強度好，預熱器中的流體沒有腐蝕性，所以選用碳鋼管。2.2.2根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù)塔底釜殘液的熱量來先預熱熱原料液：殘液（熱流體）：99.3℃→35℃原料液（冷流體）：←20℃求得℃熱流體：133.3→133.3定性溫度為（絕對壓力0.3MPa）冷流體：55.7←81.9定性溫度為。根據(jù)定性溫度分別查取的物性參數(shù)如下：表2-1預熱器內(nèi)原料物性參數(shù)名稱密度ρKg/m3定壓比熱CpkJ/(Kg·℃)導熱系數(shù)W/(m·℃)粘度μPa·s汽化熱rkJ/kg乙醇液（68.8℃）水（68.8℃）水(133.3℃水蒸汽(133.3℃764977.8932.011.652.734.174.26810.150.670.68370.02927.0×10-44.2×10-42.0722×10-41.342×10-52168.12.2.3換熱器的衡算原料預熱器的工藝計算備注1.估算傳熱面積，初換熱器(1)熱負荷的計算(2)蒸汽的消耗量(3)計算平均溫度差一側(cè)恒溫，求逆流時的平均溫度差：蒸汽T133.3℃←原料液t55.7℃→81.9℃△t77.6℃51.4℃℃初選K估算傳熱面積，參照《換熱器》「1」，取K選=820(m2·℃)傳熱面積S：(5)初選換熱器型號由于兩流體溫差大于50℃，小于70主要參數(shù)如下：表2-2列管參數(shù)公稱直徑mm325管子尺寸mm19管子數(shù)n管中心距mm管子排列方式6825正三角形管長L/mm管程數(shù)Np管程流通面積/m2200040.0030實際換熱面積SO采用此換熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為：2.核算壓降(1)管程壓降其中,,，管程流速雷諾數(shù)>10000(湍流)對于無縫鋼管,取管壁絕對粗糙度=0.1mm「2」，所以相對粗糙度由《食品工程原理》「2」書的關(guān)系圖中可查得=0.0353。(2)殼程壓降,其中=1.15（氣體），=1。因管子排列方式為正三角形，所以。殼程流通面積殼程流速雷諾數(shù)此時因殼程通過的是水蒸汽，故不需加折流擋板，即NB=0，因此。計算結(jié)果表明,管程和殼程的壓降均能滿足設計要求。3.核算總傳熱系數(shù)(1)管程對流傳熱系數(shù)℃)＞10000對于低粘度流體，所以(2)殼程對流傳熱系數(shù)若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式計算冷凝傳熱系數(shù)：式中均為水在133.3℃時液體的物性參數(shù)。為水在133.3℃下的汽化熱。(3)污垢熱阻根據(jù)《化工原理課程設計》「3」書中的附錄二十查得管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別為：(4)總傳熱系數(shù)Kmm即K計=1015.72℃)故所選擇的換熱器是合適的。設計結(jié)果：選用固定管板式換熱器，型號：JB/T4715-924.接管的選擇(1)管程流體進出口接管的選擇根據(jù)液體一般在管中的流速大小，選擇原料液進出接管的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)《食品工程原理》「2」附錄7的熱軋無縫鋼管的標準規(guī)格選擇規(guī)格為φ57㎜×5㎜,di=50㎜=0.047核算流速故選擇的接管規(guī)格合適。(2)殼程流體進口接管的選擇根據(jù)飽和蒸汽一般在管中的流速大小，選擇水蒸汽進入接管時的蒸汽的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)《食品工程原理》「2」附錄7熱軋無縫鋼管的標準規(guī)格選擇規(guī)格為φ63.5mm×4mm,di=55.5mm=0.0555m核算流速故選擇的接管規(guī)格合適。（3）殼程流體出口接管的選擇根據(jù)液體一般在管中的流速大小，選擇冷凝液流出接管時的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)《食品工程原理》「2」附錄7的冷軋無縫鋼管的標準規(guī)格選擇規(guī)格為φ16mm×0.3mm，di=15.4mm=0.0154m核流速故選擇的接管規(guī)格合適℃冷熱流體溫度差為63.52℃，介于50℃和換熱器型號為：JB/T4715-92.07=0.44管程流體進出口接管選擇規(guī)格為φ57mm×5m的熱軋無縫鋼管殼程流體進口接管選擇規(guī)格為φ63.5mm×4mm的熱軋無縫鋼管殼程流體出口接管選擇規(guī)格為φ16mm×0.3m的冷軋無縫鋼管2.3塔頂冷凝器的設計和計算2.3.1確定設計方案1、選擇換熱器的類型。全凝器是把78.3℃的含乙醇92%的蒸汽冷凝為78.3℃的的飽和液體，冷卻水的進口溫度是15℃，由于呼和浩特地區(qū)是缺水地區(qū)，所以選擇冷卻水的出口溫度為30℃。全凝器中兩種流體溫度變化不大（2、流動空間和管材的選用。由于蒸汽是熱流體且比較干凈不易結(jié)垢，蒸汽走殼程便于散熱，可提高冷卻效果，不必清洗管子而且便于及時排除冷凝液。粘度大，流量較小的冷卻水易結(jié)垢走管程便于清洗管子，此外還可以提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)。所以，蒸汽走殼程，冷卻水走管程。2.3.2根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù)熱流體T78.3℃←冷流體t15℃→△t63.3℃冷流體的定性溫度為熱流體的定性溫度為T=78.3℃根據(jù)定性溫度分別查取的物性參數(shù)如下：表2-3塔頂冷凝器內(nèi)原料物性參數(shù)名稱密度ρKg/m3定壓比熱CpkJ/(Kg·℃)導熱系數(shù)，W/(m·℃)粘度μPa·s汽化熱rkJ/kg乙醇（78.3℃乙醇蒸氣（78.3℃水（78.3℃水蒸氣（78.3℃冷卻水(22.5℃736.7751.6248927.8170.2752998.23.841.80464.19564.1830.15320.0220.66890.62280.59894.4×10-41.0381×10-53.6202×10-41.005×10-38642313.82.3.3塔頂冷凝器換熱器的衡算塔頂冷凝器的工藝計算備注1.估算傳熱面積，初選換熱器。 (1)熱負荷的計算=(2)冷卻水的消耗量==(3)計算平均溫度差按單殼程、雙管程考慮，一側(cè)恒溫，求逆流時的平均溫度差：熱流體T78.3℃←冷流體t15℃→△t63.3℃(4)初選K值，估算傳熱面積由《換熱器》「1」，取=800.傳熱面積S：由于兩流體溫差為55.46（50℃～70℃主要參數(shù)如下：表2-4列管參數(shù)公稱直徑mm700管子尺寸/mmφ25×2.5管子數(shù)n管中心距mm管子排列方式結(jié)垢校正系數(shù)32232正三角形1.4管長L/mm管程數(shù)Np管程流通面積/m2中心管束450060.025321實際換熱面積SO2.核算壓降(1)管程壓降其中,,管程流速雷諾數(shù)>10000(湍流)對于無縫鋼管壁粗糙度ε=0.1mm，所以由《食品工程原理》「2」書的λ-Re關(guān)系圖中可查得λ=0.035(2)殼程壓降,其中Fs=1（氣體），Ns=1。因管子排列方式為正三角形，所以F=0.5。殼程流通面積殼程流速雷諾數(shù)>加擋板：對數(shù)，間距，殼徑計算結(jié)果表明,管程和殼程的壓降均能滿足設計要求。3.核算總傳熱系數(shù)(1)管程對流傳熱系數(shù)對于低粘度流體，所以(2)殼程對流傳熱系數(shù)若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式計算冷凝傳熱系數(shù)：式中、μ、ρ均為蒸汽在78.3℃時液體的物性參數(shù)。為蒸汽在78.3℃下的汽化熱。(3)污垢熱阻根據(jù)《化工流體流動與傳熱》「4」書中的附錄二十查得管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別為：(4)總傳熱系數(shù)K故所選擇的換熱器是合適的。設計結(jié)果：選用固定管板式換熱器，型號：JB/T4715-924.接管的選擇(1)管程流體進出口接管的選擇根據(jù)液體一般在管中的流速大小，選擇原料液進出接管的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)《食品工程原理》「3」附錄7的熱軋無縫鋼管的標準規(guī)格選擇規(guī)格為φ108mm×5mm,di=98mm=0.098m核算流速故選擇的接管規(guī)格合適。(2)殼程流體進口接管的選擇根據(jù)飽和蒸汽一般在管中的流速大小，選擇水蒸汽進入接管時的蒸汽的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)《食品工程原理》「3」附錄7的熱軋無縫鋼管的標準規(guī)格選擇規(guī)格為φ426mm×10mm,di=406mm=0.406m核算流速故選擇的接管規(guī)格合適。（3）殼程流體出口接管的選擇根據(jù)液體一般在管中的流速大小，選擇冷凝液流出接管時的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)《食品工程原理》「3」附錄7的冷軋無縫鋼管的標準規(guī)格選擇規(guī)格為φ32mm0.3mm，di=31.4mm=0.0314m核算流速故選擇的接管規(guī)格合適。℃由于兩流體溫差為55.46℃（50℃～70型號為：JB/T4715-92管程流體進出口接管選擇規(guī)格為φ108mm×5mm的熱軋無縫鋼管殼程流體進口接管選擇規(guī)格為φ426mm×10mm的熱軋無縫鋼管殼程流體出口接管選擇規(guī)格為φ32mm×0.3mm的冷軋無縫鋼管2.4塔頂冷卻器的設計2.4.1確定設計方案1．選擇換熱器的類型塔頂冷卻器是把78.3℃的含乙醇92%的飽和液冷卻儲存，熱流體的進口溫度都是78.3℃，熱流體的出口溫度是35℃。冷卻水的進口溫度是15冷卻器中流體溫度差不大，殼里壓力是常壓，可選擇固定管板式換熱器。2．確定流體的流經(jīng)和管材。由于冷卻水可能含有渣滓,走管程利于清洗，由于壁面的原因熱流體走殼程有利于提高冷卻效果，所以塔頂餾出液走殼程，冷卻水走管程。換熱器內(nèi)的流體沒有腐蝕性所以選用碳鋼管，可降低設備費。2.4.2根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù)熱流體T78.3℃→冷流體t25℃←15℃（呼和浩特地區(qū)水溫△t53.3℃熱流體的定性溫度為。冷流體的定性溫度為。根據(jù)定性溫度分別查取的物性參數(shù)如下：表2-5塔頂冷卻器原料物性參數(shù)名稱密度ρKg/m3定壓比熱CpkJ/(Kg·℃)導熱系數(shù)k，W/(m·℃)粘度μPa·s汽化熱rkJ/kg冷卻水(20℃乙醇（56.65℃水（56.65℃998.2776.40984.254.1832.754.1840.59890.1590.651.005×10-30.61×10-3489×10-65722.4.3塔頂冷卻器換熱器的衡算塔頂冷卻器的工藝計算備注1.估算傳熱面積(1)熱負荷的計算（2）冷卻水消耗量(3)計算平均溫度差按單殼程、雙管程考慮，一側(cè)恒溫，求逆流時的平均溫度差：熱流體T78.3℃→冷流體t25℃←△t53.3℃℃(4)初選K值，估算傳熱面積由表3，取)傳熱面積S：由于兩流體溫差為33.3℃表2-6列管參數(shù)名稱參數(shù)名稱參數(shù)公稱直徑管子數(shù)n管中心距mm管子排列方式325mm6825正三角形管子尺寸/mm管長L/mm管程數(shù)Np管程流通面積/φ19×2.0300020.0030實際換熱面積SO實際K值2.核算壓降(1)管程壓降其中,,管程流速雷諾數(shù)對于無縫鋼管壁粗糙度ε=0.1mm，所以由《化工流體流動與轉(zhuǎn)熱》書的λ-Re關(guān)系圖中可查得λ=0.0258(2)殼程壓降,其中Ft=1.15（氣體），Ns=1。因管子排列方式為正三角形，所以F=0.5。殼程流通面積h-兩擋板間的距離=0.05t-相鄰兩管的中心距=0.028殼程流速雷諾數(shù)加擋板：對數(shù)，間距，殼徑計算結(jié)果表明,管程和殼程的壓降均能滿足設計要求。3.核算總傳熱系數(shù)(1)管程對流傳熱系數(shù)對于低粘度流體，所以(2)殼程對流傳熱系數(shù)若熱流體在水平管束上冷卻，用下式計算冷卻傳熱系數(shù)：=0.027m(3)污垢熱阻根據(jù)《化工流體流動與傳熱》「4」書中的附錄二十查得管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別為：(4)總傳熱系數(shù)KK計-K選)/K計=(890.09-670)/890.09=24.73％故所選擇的換熱器是合適的。設計結(jié)果：選用固定管板式換熱器，型號：JB/T4715-924.接管的選擇(1)管程流體進出口接管的選擇根據(jù)液體一般在管中的流速大小，選擇原料液進出接管的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)《食品工程原理》「3」附錄7的熱軋無縫鋼管的標準規(guī)格選擇規(guī)格為φ38mm×4mm,di=30mm=0.030m核算流速故選擇的接管規(guī)格合適。(2)殼程流體進出口接管的選擇根據(jù)液體一般在管中的流速大小，選擇待冷卻進入接管時流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)熱軋無縫鋼管的標準規(guī)格選擇規(guī)格為φ45mm×5mm,di=35mm=0.035m核算流速故選擇的接管規(guī)格合適。℃由于兩流體溫差為33.3℃，選擇固定管板式換熱器型號為：JB/T4715-92管程流體進出口接管選擇規(guī)格為φ38mm×4mm的熱軋無縫鋼管殼程流體進口接管選擇規(guī)格為φ42mm×5mm熱軋無縫鋼管。2.5塔底再沸器工藝粗算塔底再沸器物料衡算備注（1）估算傳熱面積，初選換熱器型號熱流體：加熱蒸汽冷流體：釜殘液①本物性數(shù)據(jù)的查取釜殘液的定性溫度：99.3加熱蒸汽定性溫度：133.3由于釜殘液中乙醇含量很低，粗略計算時，可按純水計算。查得99.3的水和133.3的水的汽化熱分別為和②熱負荷計算由,和泡點進料得因此所以蒸汽流量：③確定流體的流徑設計任務的冷流體為釜殘液，熱流體為水蒸汽，為提高加熱效果，令釜殘液走殼程，蒸汽走管程。2.6塔底冷卻器換熱器的粗算塔底冷卻器的計算備注熱量衡算1.估算傳熱面積(1)熱負荷的計算(2)冷卻水消耗量(3)計算平均溫度差按單殼程、雙管程考慮，一側(cè)恒溫，求逆流時的平均溫度差：熱流體(殘液)溫度T99.3℃→冷流體(冷流體)溫度t55.67℃←20℃43.63℃15℃℃℃2.7離心泵的選型與計算該設計離心泵用于原料液的輸送，按照要求，離心泵的任務是完成從儲料罐輸送原料液經(jīng)過100m長的直管管路、管路中各部件（包括2個全開標準閥、4個90°彎頭）、預熱器管程，再到精餾塔進料口。2.7.1物性參數(shù)的獲取考慮到直管中流動的是不可壓縮的液體，溫度使密度變化的不大，可以近似認為原料液物性參數(shù)取初始溫度為20℃時的數(shù)據(jù)。表2-7管路中原料液單一物質(zhì)與混合物體的物性參數(shù)名稱密度ρ（kg/m3）粘度μ（Pa·s）水（20℃）乙醇（20℃）998.2789原料液平均密度：所以，摩爾分率，則：平均黏度2.7.2離心泵的選型1、體積流量2、設計輸送高度，即儲料罐液面與精餾塔進料口高度差，為。設計儲罐液面上方維持常壓，設該液面絕對壓力為101.3kPa，設計精餾塔進料口以上有20層塔板，單板壓降為700Pa，出口處為常壓。3、阻力壓頭損失的計算在儲料罐液面1—1’和精餾塔進管口2—2’之間列伯努利方程：則：直管阻力壓頭損失的計算取無縫鋼管的粗糙度，則；由圖，查得直管長L=100m，則直管壓降（2）直管管路中各部件包2個全開標準閥，4個90°彎頭；進口2個，出口1個。類別全開標準閥90°彎頭進口阻力系數(shù)出口阻力系數(shù)ε60.750.51局部阻力壓降為（3）預熱器管程壓降=27150Pa經(jīng)預熱器的壓頭損失為管路的總壓頭損失為4、在儲料罐液面1—1’和精餾塔進管口2—2’之間列伯努利方程：則：要求揚程為：5、泵型號的確定因為輸送的液體為乙醇溶液，屬于易燃有機溶劑，所以必須有較高的密封性能，而液料無腐蝕性，故選用油泵（Y型）。根據(jù),，可選擇Y型離心油泵系列中50Y-60A型離心油泵。相關(guān)性能參數(shù)如下表：由于原料液的密度小于水的密度，所以不需核算泵所需的軸功率，而從上面有數(shù)據(jù)科看出，泵所提供的流量Q和揚程H均大于管路系統(tǒng)要求值，故所選離心泵符合要求（實際生產(chǎn)操作中流量可通過泵出口閥開度來調(diào)節(jié)）。表2-750Y-60A型離心泵主要參數(shù)名稱參數(shù)名稱參數(shù)體積流量m3/h11.2揚程m49汽蝕余量2.3結(jié)構(gòu)形式兩級懸臂軸功率kw4.27電機功率kw8轉(zhuǎn)速r/min2950效率35%第三章匯總表3.1原料預熱器匯總表選用帶有補償圈的固定管板式換熱器型號JB/T4715-92其主要參數(shù)如下名稱管程殼程參數(shù)參數(shù)物料名稱50%乙醇，50%水水蒸氣操作壓力/MPa0.3（絕壓）操作溫度/℃55.67133.3流體密度/Kg/m3857.781.65流量/kg/h8985.69374.99傳熱量/W226000226000總傳熱系數(shù)/W/(m2·K)451.0711451.0711對流傳熱系數(shù)/W/(m2·K)3597.743574.60污垢系數(shù)/(m2·K)/W0.000171970.000859壓力降kPa18.63.76程數(shù)4推薦使用材料無縫鋼管不銹鋼換熱面積/m27.87管子規(guī)格φ19×2管間距mm25公稱直徑mm325管數(shù)68管長/mm2000管程流通面積/0.003排列方式正三角形表3-1管口表符號尺寸mm用途連接形式ADN57原料液入口平面BDN57原料液出口平面CDN63.5加熱蒸氣入口槽面DDN16冷凝液出口槽面EDN20排氣口槽面簡圖：3.2塔頂冷凝器匯總表有補償圈的固定管板式換熱器型號為：JB/T4715-92其主要參數(shù)如下名稱管程殼程參數(shù)參數(shù)物料名稱水92%乙醇，8%水（蒸汽操作壓力/MPa操作溫度/℃2078.3流體密度/Kg/m3998.21.166流量/kg/h70158.5434861.11傳熱量/W225836.574225836.574總傳熱系數(shù)/W/(m2·K)707.21707.21對流傳熱系數(shù)/W/(m2·K)18091087污垢系數(shù)/(m2·K)/W0.000171970.000859壓力降kPa270.8程數(shù)6推薦使用材料無縫鋼管不銹鋼換熱面積/m2112.11管子規(guī)格φ25×2.5管間距mm32公稱直徑mm700管數(shù)322管長/mm4500管程流通面積/0.0253排列方式正三角形表3-2管口表符號尺寸mm用途連接形式ADN108冷卻水入口平面BDN108冷卻水出口平面CDN426混合蒸氣入口槽面DDN32冷凝液出口槽面EDN20排氣口槽面簡圖：3.3塔頂冷卻器匯總表固定管板式換熱器型號為：JB/T4715-92其主要參數(shù)如下名稱管程殼程參數(shù)參數(shù)物料名稱水0.5%乙醇操作溫度/℃2056.65流體密度/Kg/m3999.5789.74流量kg/h4004.124861.11傳熱量/W225836225836總傳熱系數(shù)/W/(m2·K)413413對流傳熱系數(shù)/W/(m2·K)279301378污垢系數(shù)/(m2·K)/W0.000171970.000859壓力降kPa1.72.1程數(shù)2推薦使用材料無縫鋼管不銹鋼換熱面積/m211.93管子規(guī)格φ19×2.0管間距mm25公稱直徑mm3