乙醇-水精馏塔顶产品全凝器的设计

1、化工原理课程设计说明书题目： 6.9×104吨/年 乙醇-水精馏塔顶产品全凝器的设计 姓名： 班级学号： 指导老师： 完成时间： 1.设计任务书1.1设计题目乙醇-水精馏塔顶产品全凝器的设计1.2设计任务及操作条件处理能力 6.9×104 吨/年产品浓度 含乙醇95%（w/w）操作压力 常压操作温度 78冷却介质 循环水，入口温度30，出口温度40允许压降 105 Pa每年按330天计，每天24小时连续运行。1.3设计项目 设计方案简介 对确定的工艺流程及换热器型式进行简要叙述。 换热器的工艺计算 确定换热器的传热面积 换热器的主要结构尺寸设计 对本设计的评述 绘制换热器总

2、装配图 一张主视图；一张剖面图；一张局部放大图（选作）2.设计方案简介2.1选择换热器的类型 因为夹套式换热器、套管式换热器、板式换热器等都有着传热面积小、金属消耗量大、流量小且处理量不大等缺点。因此列管式换热器由于其结构简单、坚固、适应性强、制造容易且处理量大等优点被广泛应用。对于本次课设，初步选择使用的便是浮头式换热器。2.2流动空间及流速的确定循环水不清洁且易结垢，为方便水垢清洗。加之水流动压力比乙醇蒸汽高，液态水粘度较高，因此循环水应走管程。而作为饱和乙醇蒸汽在管间冷凝，易于及时排出冷凝液，且走壳程便于高温乙醇蒸汽的散热。综上所诉，应使冷却水走管程，乙醇蒸汽走壳程冷凝。取管径为

3、6;25mm×2mm的不锈钢管，管内流速为1 m/s。 3.工艺流程草图及说明如图所示，由精馏塔上升乙醇蒸汽作为进料。蒸出乙醇气体从1号接管进入换热器，再从2号接管流出进入冷凝液储槽。循环水从3号接管进入再从4号接管出来。到达冷凝液储槽的冷凝液，一部分作回流液回流，另一部分经冷却后为产品。4.工艺计算及主体设备设计4.1确定物性参数壳程乙醇蒸汽定性温度为 T=78+782=78管程冷却水的定性温度 t=30+402=35因此，通过查阅课本文献获得以下数据名称温度密度kg/m3导热系数 W/m-1K-1粘度Pa·s比热容kJ/kg·比汽化热kJ/kg水35993.9

4、50.62657.274×10-44.174241295%乙醇78738.590.16475.566×10-43.550953.764.2计算总热负荷 乙醇的进料速度 q=6.9×104×100024×300×3600=2.4200kg/s 95%乙醇比汽化热 =0.95纯乙醇+0.05水=885.1×0.95+2258.4×0.05=953.76kJ/kg因此可以计算出设备的热负荷Q=q·=2.400kg/s×953.76kJ/kg=2289kw4.3对于错流的平均温差的计算求温度矫正系数 P

5、=t2-t1T1-t1=40-3078-30=0.208 R=T1-T2t2-t1=0 通过差温差校正系数图中的1壳程图得其1，大于0.8 。因此，选用但壳程的列管式换热器。7878403038 48 逆流计算温差 tm=48+382=43 校正后温差 tm=tm=434.4估算设备K值与换热面积A于是根据书中表4-7的有机物粘度=0.51 mPa·s（乙醇为0.7274mPa·s）有机物冷凝水体系K值的大致范围为200700 W/m2·K初选530 W/m2·K，得 A估=QK估tm=2289×1000530×43=100.44m2

6、 换热器工艺结构尺寸 4.5管程流量的计算水的流量可以通过热量恒算求得 Q=2289kw=q水·c水·t既 q水=Qc水·t=2289kw4.174kJ/kg·×（40-30）=54.84kg/s4.6通过估算面积和流量计算管程数和管子根数管程管子选择Ø25mm×2mm的不锈钢管，内径d1=21mm，外径d2=25mm。管内水流速初选u=1m/s估算单程管根数 q水=4d12un'得 n'=q水4d12u=54.84993.95×4×1×（21×10-3）2=159.3

7、根根据传热面积估算管子长度 L'=A估d2n'=100.44×21×10-3×159.3=9.515米若使用2管程，则每管程官长选用l=4500mm，管子数约为320根。有换热器系列标准初选浮头式换热器型号为BES-800-2.5-125.4-4.5/25-2。相关参数如下表。公称直径 DN/mm800公称压力 PN/MPa2.5管程数 Np2管子根数 n366中心管子根数 n15管子直径 mm25×2换热管长度 mm4.5换热面积 S/m2125若选择该型号的换热器，则该过程的总传热系数为K0=QS0tm=2289kw125m2

8、5;43=425.86W5换热器核算5.1计算管程对流传热系数管程流动面积 Ai=4d2nNP=4×（25-4）×10-32×3662=0.06338m2进一步计算出流速 u=q水水Ai=0.87 m/s计算出雷诺数 Re=du=(25-4)×10-3×0.87×993.957.274×10-4=24964.710000 湍流圆形直管强制湍流公式 Nu=0.023Re0.8Prn其中Pr=CP=4.174×1000×7.274×10-40.6265=4.846；Cp比热容；黏度；热导率；水流被加

9、热n取0.4由Nu=l 得管程对流传热系数 =0.023ddu0.8Cpn =0.0230.626521×10-5×24964.70.8×4.8460.4 =4250.6 W/(m2·)5.2计算壳程对流传热系数壳程为95%乙醇冷凝，而冷凝器为卧式，故冷凝为水管外冷凝，使用公式 =0.725（2g3（nT/ns）d0t）14 其中为比汽化热J/kg;为冷凝液密度kg/m3; 为冷凝热导率W/(m·k); 为冷凝液黏度Pa·s；t为饱和温度ts与壁面温度tw之差；nt为管子总数；定性温度为膜温，既t=ts+tw2，特征尺寸管外直径d0

10、。 壁温tw的计算 Q=2289kw=tw-t（12+Rd2）1A2 得 tw=Q×(1+Rd2)A2+t 其中A2=A(2125)2=120.6×0.7=85 m2；Q为2289kw；为4250.6 W/k·m2 ;Rd2为0.58×10-3m2·k/W解得tw=56.95继续计算Tw由 Q=Tw-twbAm 得 Tw=QbAm+tw 其中Q=2289kw，b=4×10-3，=45W/m·k，Am=120.6+852=102.8m2。 解得 Tw=58.93 因此可获得式子中t的大小为78-54.4=21.05，而定性温度

11、为66.07。 由文献得ns=1.370nT0.518，解得ns=29，则nT/ns=12.6. 算得壳程传热系数 =0.725（2g3（nT/ns）d0t）14 =0.725（738.592×9.8×953.76×103×0.164735.566×10-4×21.05×0.023×12.55）14 =1167.98W/m2·5.3 总传热系数（以外壁为基准）确定污垢内阻水塔用水 5.8×10-4 m2·k/W95%乙醇 1.76×10-4 m2·k/W则总传热计算

12、系数计算式为 1K=11+Rd1+bd1dm+Rd2d1d2+d12d2 =11169.98+1.76×10-4+4×10-3×25×10-345×23×10-3+5.8×10-4×25×10-323×10-3+14250.6×25×10-323×10-3 =2.098×10-3 解得 K=476.6 W/m2· > 425.86W/m2·实际换热器面积为 S=QK0tm=2289×103476.6×43=11

13、1.83m2该换热器的面积裕度为 H=S0-SCSC=125-111.83111.83=11.8%穿热气面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。5.4核算压强降Pi=（P1+P2）FtNP 其中Ft=1.5，Ns=1，Np=2管程流动面积 Ai=4d2nNP=4×（25-4）×10-32×3662=0.06338m2进一步计算得出 u=q水水Ai=0.87 m/s进一步计算其雷诺数 Re=du=(25-4)×10-3×0.87×993.957.274×10-4=24964.7 10000 湍流设管壁的粗糙度 =0.1mm，d

14、=0.121=4.76×10-3，查化工原理P37-Re图得：=0.033所以P1=Lui22d=0.033×4.50.021×993.95×0.8722=2660 Pa P2=3u22=3×993.95×0.8722=1128 Pa P=2660+1128×1.5×1×2=11364 Pa105Pa管程压强降压符合要求。壳程为乙醇气体且流量低，估算压降远小于要求。6.辅助设备的计算及选型折流挡板计算采用圆缺形折流挡板，切去圆缺高度为内径的25%，因此可取高度h=0.25×800得200mm，挡

15、流板的间距B=0.5D得400mm。算得折流板数NB=4500400-1=11-1=10（块）。由下表查询可知，折流板厚度选4mm。7.设计一览表换热器型式：浮头式换热器工艺参数流体空间管程壳程物料名称循环水甲醇蒸汽操作温度30/4078/78操作压力MPa0.10130.1013流体密度kg/m3993.95738.59流速m/s0.87流量kg/s54.842.42传热量kw2289对流传热系数W/ m2·K4250.61167.98总传热系数W/m2·K476.6污垢系数 m2·K/W5.8×10-41.76×10-4程数21使用材料碳钢碳钢管子规格25×2管数366根管长4500mm管间距mm32排列方式45度斜正方形折流板型式上下间距400切口