酒精精馏换热器课程设计

1、学校代码： 10128学 号： 课程设计说明书题 目：年产3.7万吨酒精精馏换热器设计学生姓名： 学 院：化工学院班 级： 指导教师： 2011 年 7 月 8 日摘要在石油、食品加工、轻工、制药、重工业等行业的生产过程中，换热器是必用工艺设备，可用作加热器、冷却器、冷凝器、全凝器、蒸发器和再沸器等，换热器类型，性能不同，但设计所依据的传热基本原理相同，不同之处是在结构设计上需要根据各自设备特点采用不同的计算方法。由于生产的规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型很多，特点不一，可根据生产工艺要求进行选择。换热器伴随工业生产的始终，其效果的好坏直接影响工业生产的质量和生产效益，为

2、了完成年产3.7吨酒精的生产任务并节约能源，减少对环境的污染，本次换热器设计的思路为用塔底釜残液的热量来先加热原料液，是原料液加热到一定温度，然后再用高温蒸汽来加热原料液达到酒精泡点温度再进精馏塔。塔顶酒精蒸汽经过全凝器，用冷却水将酒精蒸汽冷却至液体，再经过冷却器是产品冷却至35度。 本次设计任务是年产3.7万吨酒精精馏系统换热器设计，其中包括了生产工艺流程中四个换热器：原料预热器、塔顶全凝器、塔顶冷却器、塔底冷却器。对每个换热器进行了精算，经反复选择与核算之后，选取了合适的换热器类型及其结构尺寸等其他工艺指标要求。 此次设计参考了较多的文献资料，结合实际生成需求采用了科学严谨的计算方法和精确

3、严密的计算步骤，设计出了较符合生成需求，经济实惠，安全可靠，操作简便，易于清洗、维修的列管换热器。关键字：换热器、设计、加工前言课程设计是化工原理课程中综合性和实践性较强的一个环节，它是理论联系实际的桥梁，是进行体察工程实际问题复杂性的初次尝试。 工业生产中过程中，两种物流之间热的交换通过换热器实现。在石油、化工、食品加工、轻工、制药等行业的生产过程中，换热器是通用的工艺设备，可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，换热器的类型性能各异，但设计所依据的传热基本原理相同，不同之处是在结构设计上需要根据各自设备特点采用不同的计算方法，本次设计采用应用广泛的列管换热器。列管换热器的应用已有悠

4、久的历史，在很多工业部门中，列管换热器仍处于主导地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强，换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型的换热器相继问世。符号说明Q传热速率(即热负荷)，W；K总传热系数，W(m2)；S与K值对应的换热器传热面积，m2； tm平均温度差，。W 流体的质量流量，kgh；Cp流体的平均定压比热容，J(kg·)；T 热流体的温度，；t 冷流体的温度，；r 饱和蒸汽的冷凝潜热，kJkg。K。基于换热器外表面积的总传热系数，w(m2)； 基于管内及管外的对流传热系数，w(m2·)；

5、Rso、Rsi分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，(m2)w;do、di 、dm分别为换热器列管的外径、内径及平均直径,m；b列管管壁厚度, m；k一列管管壁的导热系数，w(m·)t蒸汽的饱和温度与壁温之差，nc水平管束在垂直列上的管数；直管中因摩擦阻力引起的压力降Pa；回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa；结垢校正系数，无因次，25×2.5mm的换热管取1.4；19×2mm的换热管取1.5；串联的壳程数；管程数。 阻力系数，列管换热器管内=3折流挡板数目；按壳程流通面积So计算的流速，m/s第1章 确定设计方案1.1 设计设备在生产中的作用换热器是化工、石油、

6、动力、食品及其他许多工业部门的通用设备，是必不可少的单元设备，在生产中占有很重要的地位。据统计，在现代石油化工企业中，换热器投资约占装备建设总投资的30%-40%；在合成氨厂中，换热器占全部设备台数的10%，由此可见，换热器对整个企业的建设投资及经济效益有着重要的影响。1.2 换热系统流程方案的设计原料液原料液预热器再沸器精馏塔分配器釡液贮罐冷却器塔顶冷凝器预热器器产品贮罐进行换热器的设计，首先应根据工艺要求确定换热系统的流程方框图并选用适当类型的换热器，确定所选换热器中流体的流动空间及流速等参数，同时计算完成给定生产任务所在地需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。流程方案图的初步设计中，考虑

7、使用塔底残液的废热来预热原料液，达到废热再利用的效果，实现节能减排，资源的综合利用。本次换热系统为精馏系统的换热设备，包括原料预热器，塔顶全凝器，塔顶产品冷却器，塔底再沸器，塔底残液冷却器。对原料预热器和塔顶产品冷凝器进行精算，塔顶冷却器和塔底残液冷却器只作初算，而塔底再沸器不作要求。1.3 换热器设计方案的确定 换热器的类型列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广，历史悠久，设计资料完善，并已有系列化标准，特别是在高温、高压和大型换热设备中占绝对优势。不同形式的列管换热器主要针对换热器管程与壳程流体的温度差的不同设计。由于列管式换热器管束与壳体内通过流体的温度不同，会引起管束与壳

8、体热膨胀程度的差异，若两侧流体的温度差较大时，就可能由于热应力二引起管子弯曲或使管子从管板上拉托，因此，必须考虑热补偿。根据热补偿方法的不同，列管换热器有以下几种形式。1、 固定管板式换热器 这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应

9、力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置(膨胀节)只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。2、浮头式换热器浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清晰和维修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热器，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。3、填料涵式换热器这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质

10、有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。 换热器类型的选择对于所选择的换热器，应尽量满足以下要求：具有较高的传热效率、较低的压力降；重量轻且能承受操作压力； 可靠长的使用寿命；产品质量高，操作安全可靠；所使用的材料与过程流体相容；设计计算方便，制造简单，安装容易，易于维护与维修。 在实际选型中，这些选择原则往往是相互矛盾、相互制约的。在具体选型时，我们需要抓住实际工况下最重要的影响因素或者说是所需换热器要满足的最主要目的，解决主要矛盾。本文中两流体温差介于50和70之间的选择带补偿圈的固定管板式换热器，小于50的选择不带补偿圈固定管板式换热器。根据制定的流程方案，可选择带补

11、偿圈的和不带补偿圈的固定管板式换热器，此类换热器的结构简单，价格低廉，宜处理两流体温差50到70且壳方流体较清洁及不宜结垢的物料，流体压强不高于600Kpa的情况。 固定管板式换热器结构的确定固定管板式换热器由管板、壳体、封头等组成。固定管板式换热器最容易出现的故障就是管子和管板连接部分泄漏、串液、压降大。所以必须注意固定管板式换热器的连接方法和质量。固定管板式换热器主要分为管程和壳程两大部分。.1 管程结构 换热器管程由换热管、管板、封头 。 1、换热管布置和排列间距管束的多少和长短由传热面积的大小和换热器结构来决定，它的材质选择主要考虑传热效果、耐腐蚀性能、可焊性等。常用管径和壁厚有19&

12、#215;2，25×2.5等；管长有1500mm、2000mm和3000mm；材料有普碳钢或不锈钢等。在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用19mm×2mm直径的管子更为合理。这次用到的换热器的压力不大，换热器中流体没有腐蚀性，所以选择25×2.5 mm碳钢管。本次设计采用25×2.5 mm碳钢管。换热管管板上的排列方式有正方形直列、正三角形排列、同心圆排列，正三角形排列比较紧凑，管板利用率高，管外流体湍动程度高，对流传热系数大，但管外清洗较困难；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。 A B C

13、D E(A) 正方形直列     （B）正方形错列    (C) 三角形直列     （D）三角形错列  （E）同心圆排列 正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。本次设计选择正三角形的排列方式。2、管子与管板及其连接方式的选择管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开。列管式换热器管板是用来固定管束连接壳体和

14、端盖的一个圆形厚板，它的受力关系比较复杂。厚度计算应根据我国“钢制压力容器设计规定”进行，一般采用20到30个毫米的。管板与管子的连接可胀接，焊接和胀焊并用。焊接法应用广泛，这次用到的换热器内流体温度不高，压力不大，所以选择焊接的方式连接管子和管板。3、封头、管箱的确定列管式换热器管箱即换热器的端盖，也叫分配室。用以分配液体和起封头的作用。压力较低时可采用平盖，压力较高时则采用凸形盖，用法兰与管板连接。检修时可拆下管箱对管子进行清洗或更换。.2 壳程结构 壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板及缓冲板等元件组成。1、换热体的确定根据管间压力、直径大小和温差力决定它的壁厚；由介质的腐蚀情况

15、决定它的材质。直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，大于400mm的用钢板卷焊而成。根据工作温度选择壳体材料，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。2、列管式换热器折流板的作用是；增强流体在管间流动的湍流程度；增大传热系数；提高传热效率。同时它还起支撑管束的作用。这次设计中的原料预热器和塔顶全凝器的壳程走的是蒸汽所以不安装折流板。 流体流动空间的选择在列管式换热器的设计计算过程中，需要预先确定哪一种流体走管程，那种流体走壳程，成为流体流动空间的选择。影响选择结果的因素很多，主要从以下三方面考虑：1、传热效果（1）粘度大的流体或流量小的流体宜走管程。将两流体中热阻较大的一方安排在壳程，可提高对

16、流传热系数，强化传热。（2）待冷却的流体宜走壳程，便于传热。2、设备结构高压的流体、腐蚀性的流体宜在管内流过。3 、清洗方便不洁净的或易结垢的流体宜走管程，便于清洗管子。饱和蒸汽一般通入壳程以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，壳程可不必清洗。流体流速的选择 提高流体在换热器中的流速，将增大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增加，所需传热面积减小，设备费用降低。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多，操作费用增加。因此，应选择适当流速。下表列出工业一般采用的流体流速范围。表1 工业列管式换热器常用的流体流速范围液体的种类一般液体易结垢液体气体流

17、速ms管程0.531530壳程0.21.50.5315 流体出口温度的确定 在换热器的设计中，被处理物料的进出口温度由工艺要求确定；加热剂或冷却剂的进口温度，一般由来源而定，但它的出口温度则应由社记者根据经济核算来确定，例如：用冷却水作某物料冷却剂时，在一定热符合条件下，选用较高的冷水出口温度，可节省材料，但传热的平均温差减小，传热面积加大。反之，若选用较低的冷水出口温度，冷水量增加，而传热面积可减少。最适宜的冷却水出口温度应根据操作费与设备费之和最少来确定。一般来说，设计时所采取的冷却水进出口温度差应不低于5，对于缺水地区，应选用较大的温度差。当采用河水做冷却水时，出口温度一般不超过50，以

18、防止管壁过多结垢。 管程和壳程数的确定当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时，就得排列较多的管子，为了提高流体在管内的流速，需将管束分程。但是程数过多，导致管程流动阻力加大，动力能耗增大，同时多程会使平均温差下降，设计时应权衡考虑。管壳式换热器系列标准中管程数有 1、2、4、6 四种。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。管程数N按下式计算：N=u/v式中 u管程内流体的适宜流速；V管程内流体的实际流速。第2章 列管换热器的设计计算2.1 设计计算步骤 系统物料衡算根据产量要求，计算换热系统的原料量、产品量，再进一步确定所需计算的换热器，逐步进行换热器的选用。 选用换热器 1、热负荷的计算，

19、冷却介质用量的计算或加热介质用量的计算； 2、平均温度差的计算，当两侧流体均为变温传热时，应进行温度差的校正； 3、流动空间的选择； 4、初估总传热系数，计算换热面积，初选换热器。 核算总传热系数 计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻，在计算总传热系数K计。比较K计和K选，若K计/K选=1.1-1.25,则初选的设备合格。否则需另设K选值，重复以上计算步骤。 计算管、壳程压强降计算出设备的管、壳程流体的压强降，如超过工艺允许的范围，要调整流速，再确定管程数，或选择另一规格的换热器，重新计算压强降直至满足要求为止。 接管尺寸计算 为所选用的换热器选择接管。接管尺寸由管内流体的体积流量和流速决

20、定。流体的体积流量与炉体的状态密切相关。2.2 传热计算的主要公式 传热速率方程式及相关计算公式 Q=KStm 式中 Q传热速率(即热负荷)，W； K总传热系数，W(m2)； S与K值对应的换热器传热面积，m2； tm平均温度差，。1. 热负荷(传热速率)Q无相变传热 QWhCph(T1-T2)WcCpc(t2-t1) 相变传热(蒸汽冷凝且冷凝液在饱和温度下离开换热器)QWhrWcCpc(t2一t1) 式中W 流体的质量流量，kgh；Cp流体的平均定压比热容，J(kg·)；T 热流体的温度，；t冷流体的温度，；r饱和蒸气的冷凝潜热，kJkg。下标h和c分别表示热流体和冷流体，下标1和

21、2分别表示换热器的进口和出口。2 .平均温度差tm一侧恒温 ,逆流与并流的平均温差相等两侧变温，平均温差用逆流平均温差校正-温差校正系数，,其中 3. 总传热系数K初选换热器时，应根据所要设计的换热器的具体操作物流选取K的经验数值，选定的K的经验值为K选。确定了选用的换热器后，需要对换热器的总传热系数K进行核算，总传热系数K的计算按下列公式：式中 K0基于换热器外表面积的总传热系数，w(m2)；ho、hi分别为管外及管内的对流传热系数，w(m2·)；Rso、Rsi一分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，(m2)w;do、di 、dm分别为换热器列管的外径、内径及平均直径,m；b列管管

22、壁厚度, m； k一列管管壁的导热系数，w(m·)。4.对流传热系数(1)对于低粘度流体(小于或等于2倍常温水的粘度) 当流体被加热时，n0.4当流体被冷却时，n0.3式中：、分别为流体的密度和粘度，kgm3、Pa·s；、Cp分别为流体的导热系数和比热容,w/(m·)、J/kg;u管内流速ms；d列管内径，m。应用范围：Rel0000，Pr0.7-160，管长与管径之比L/d60，若L/d60可将上式算出的乘以（1+ （d/L）0.7）特征尺寸：管内径d定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。(2)蒸汽在水平管束上冷凝时的冷凝传热系数 若蒸汽在水平管束上冷凝，用

23、下式计算冷凝传热系数：式中： 冷凝液的导热系数，w(m·)；冷凝液的密度，kgm3。； 冷凝液的粘度，Pa·s；饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg；t蒸汽的饱和温度与壁温之差，tts-tw 此处取t=5nc水平管束在垂直列上的管数；5换热器实际传热面积根据选定换热器的管径、管长和管数可计算所选换热器的实际传热面积Sp。 实际传热面积应该比所需传热面积大一些，称为面积裕度，一般面积裕度控制在10%-30%比较合适。 计算流体压降的主要公式一般说来，流经列管式换热器允许的压强降，液体为10100 ，气体为110左右。（1）管程压力降直管中因摩擦阻力引起的压力降Pa；回弯管中因摩擦阻

24、力引起的压力降Pa；结垢校正系数，无因次，25×2.5mm的换热管取1.4；19×2mm的换热管取1.5；串联的壳程数；管程数。 阻力系数，列管换热器管内=3（2）壳程压力降流体横过管束的压力降Pa；流体流过折流挡板缺口的压力降Pa；结垢校正系数，无因次，对液体，取1.15；对气体，取1.0；F管子排列方式对压力降的校正系数：三角形排列F=0.5；正方形排列F=0.3；正方形错列F=0.4；壳程流体的摩擦系数；横过管束中心线的管数B折流挡板间距，m；D壳体直径，m；折流挡板数目；按壳程流通面积So计算的流速，m/s。第3章 设计的工艺计算3.1 全塔的物料衡算根据设计要求可

25、知：塔顶产品乙醇的质量D=2.7万吨，乙醇的质量分数XD=0.92,精馏原料粗乙醇的质量分数XF=0.5,塔底残液乙醇的质量分数XW=0.005 由 求得：F=9499.15 W=4320.26回流比：R=2所以 V=L+D=3D=3×3375=15416.673.2 原料预热器的设计 确定设计方案1选择换热器的类型换热器中两流体温度差不大，壳程压力较小，故可选择固定管板式换热器。2流动空间和管材的选用设计任务的热流体为水蒸汽，冷流体为原料液乙醇。由于蒸汽比较干净不易结垢，所以蒸汽走壳程以便于及时排除冷凝液，原料液中可能含有杂质、易结垢，而粘度大、流量较小的原料液中的水为易结垢液体，

26、所以原料液走管程便于清洗管子，此外还可以提高流速以增大其对流传热系数。蒸汽的温度大于原料液的温度，蒸汽走壳程，原料液走管程，有利于减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。因此，为使原料液出口温度达到泡点，令蒸汽走壳程，原料液走管程。因碳钢管价格低强度好，预热器中的流体没有腐蚀性，所以选用碳钢管 根据定性温度确定物性参数热流体：120120 定性温度为（绝对压力0.2MPa）冷流体：81.956.3 定性温度为。根据定性温度分别查取的物性参数如下：表1 预热器内原料物性参数名 称密度Kg/m3定压比热CpkJ/(Kg·)导热系数W/(m·)粘度Pa·s汽化热rkJ/

27、kg原料液（69.1）8693.6340.4024.57×10-4水(120)943.14.180.68622.375×10-4水蒸汽(120)1.1221 2.10.02922.4×10-52205.23.2.3 换热器的衡算原料预热器的工艺计算备注1.估算传热面积，初换热器(1)塔底热负荷的计算, = =（2）试差法计算塔底余热升高原料液的温度假设升高到50, =假设升高到60, =假设升高到55, =假设升高到56.2, =假设升高到56.3, =故塔底余热将原料液升高到56.3(3)计算平均温度差一侧恒温，求逆流时的平均温度差：塔底得热量回用到进料口，设换

28、热器2得热负荷蒸汽 T 120 120原料液t 56.3 81.9t 63.7 38.10（4）计算R 初选K估算传热面积，参照换热器，取=700 W/(m2·)传热面积S： (5)初选换热器型号由于两流体温差大于50，小于70，可选用带有补偿圈的固定管板式换热器。根据固定管板式换热器的系列标准，初选的固定管板式换热器主要参数如下：表2 列管参数公称直径d325mm管子尺寸d025×2.5管子数n40管长L/mm2管中心距mm32管程数Np4管子排列方式正三角形管程流通面积/0.0031实际换热面积SO 采用此换热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为：）2.核算压降 (1

29、)管程压降 其中,，管程流速 雷诺数 >10000(湍流)对于碳钢管,取管壁粗糙度=0.3mm，所以由食品工程原理书的-Re关系图中可查得 =0.045。 (2)壳程压降,其中Fs=1.15（气体），Ns=1。因管子排列方式为正三角形，所以 F=0.5。壳程流通面积壳程流速雷诺数 3.核算总传热系数(1)管程对流传热系数对于低粘度流体，所以 (2)壳程对流传热系数 若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数：式中、均为水在120时液体的物性参数。为水在120下的汽化热。(3)污垢热阻根据化工原理课程设计书中的附录二十查得管内、外侧污垢热阻分别为：(4)总传热系数K实际换热面积K值校正

30、 故所选择的换热器是合适的。4.接管的选择(1)管程流体进出口接管的选择 根据液体一般在管中的流速大小，选择原料液进出接管的流速为，则接管内径为根据化工原理教材上册附录375页的热轧无缝钢管的标准规格选择规格为68mm×2.5mm,di=63mm=0.063mm核算流速故选择的接管规格合适。(2)壳程流体进口接管的选择根据饱和蒸汽一般在管中的流速大小，选择水蒸汽进入接管时的蒸汽的流速为，则接管内径为根据热轧无缝钢管的标准规格选择规格为325mm×14mm,核算流速 故选择的接管规格合适。（3）壳程流体出口接管的选择根据液体一般在管中的流速大小，选择冷凝液流出接管时的流速为，

31、则接管内径为根据化工原理教材上册附录358页的冷轧无缝钢管的标准规格选择规格为13mm×0.25mm，di=12.5mm=0.0125m核算流速 故选择的接管规格合适定性温度67.15下原料液的平均比热容：假设升高到60，则放热360.12KW 假设原料液被升温到：56.2原料液最终被升温到：56.3=245.47KW=0.1113kg/s=6.4m2冷热流体温度差为63.52，介于50和70，可选用带有补偿圈的固定管板式换热器。）=0.045原料液的密度管程流体进出口接管选择规格为68mm×2.5mm的热轧无缝钢管壳程流体进口接管选择规格为325mm×14mm的

32、热轧无缝钢管壳程流体出口接管选择规格为13mm×0.25mm的冷轧无缝钢管3.3 塔底冷却器的设计3.3.1 确定设计方案1选择换热器的类型 冷却器是把99.3的含乙醇0.5%的釜底液冷却储存，热流体的进口温度是99.3，热流体的出口温度是35,为了节约热量选择用原料液来冷却釜底液体.冷流体的进口温度是15,出口温度25。 2确定流体的流经 由于原料液可能含有渣滓,走管程利于清洗，且原料液可通过热流体的传热提高温度，在进入原料预热器时可节省蒸汽用量；热流体走壳程可通过壳壁面向空气中散热，有利于冷却。所以原料液走管程，釜底液走壳程。换热器内的流体没有腐蚀性，所以选用碳钢管，可降低设备费

33、。3.3.2 根据定性温度确定物性参数蒸汽 T 99.3 35原料液t 25 15t 74.3 20热流体的定性温度为。冷流体的定性温度为。根据定性温度分别查取的物性参数如下：表3 塔底冷却器原料物性参数名称密度Kg/m3定压比热CpkJ/(Kg·)导热系数k，W/(m·)粘度Pa·s0.5%乙醇液（67.15）979.374.1690.66530.4188×10-3冷却水（20）998.24.1830.59851.0042×10-33.3.3 换热器的衡算塔底冷却器的计算备注热量衡算 (1)热负荷的计算 (2)冷却水消耗量(2)计算平均温度差

34、按单壳程、双管程考虑，一侧恒温，求逆流时的平均温度差：热流体温度T 99.3 35冷流体温度t 25 15 74.3 20(3)初选K值，估算传热面积由表3，取）传热面积S：根据固定管板式换热器的系列标准，初选的固定管板式换热器型号为主要参数如下：表4 列管参数公称直径273mm管子尺寸25×2.5管子数n32管长L/mm3000管中心距mm32管程数2管子排列方式正三角形管程流通面积/0.0050实际换热面积SO ）2.核算压降 (1)管程压降 其中,管程流速 雷诺数>10000（湍流）对于碳钢管,取管壁粗糙度=0.3mm，所以由食品工程原理书的-Re关系图中可查得 =0.0

35、45。 =0.0453.4 离心泵的选型与计算设计任务要求离心泵用于原料液的输送，是原料泵，根据流程图，该离心泵需要完成从储罐输送原料液流经塔底冷却器管程、100m长的直管管路、管路中各部件（包括2个截止阀、1个调节阀、5个标准弯头）、预热器管程，再到精馏塔进料口。3.4.1 物性参数的获取原料液物性参数表5预热器内原料物性参数名 称密度Kg/m3定压比热CpkJ/(Kg·)导热系数W/(m·)粘度Pa·s汽化热rkJ/kg原料液（69.1）8693.6340.4024.57×10-4水(120)943.14.180.68622.375×10-

36、4水蒸汽(120)1.1221 2.10.02922.4×10-52205.2则：3.4.2 离心泵的选型体积流量 设计输送高度（储罐液面与精馏塔进料口高度差）为Z1=20m，根据预热器接管的计算，已知输送管道为令储罐液面保持恒定，并且设计储罐液面上方维持常压并以此为基准面，设液面绝对压力为101.3kPa，设计精馏塔进料口处的塔内绝对压力为121.0kPa.（3）泵的选择选取储液槽上方液面为1-1,进料口为2-2，列伯努利方程： 因为蒸汽正壳程故： 阻力压头损失的计算直管阻力压头损失的计算>10000湍流取碳钢管的粗糙度为，则由图，查得=0.054直管长L=100m，则直管压

37、降直管管路中各部件包括2个截止阀、1个调节阀、5个标准弯头：截止阀： 调节阀（全开）：标准弯头： 出口阻力系数： 进口阻力系数： 共有进口4个，出口3个所以局部阻力压降为 （5）塔底冷却器压强降的计算表6塔底冷却器原料物性参数名称密度Kg/m3定压比热CpkJ/(Kg·)导热系数k，W/(m·)粘度Pa·s0.5%乙醇液（67.15）979.374.1690.66530.4188×10-3冷却水（20）998.24.1830.59851.0042×10-3由冷凝器的计算得压降：又预热的管程压降：换热器的总压降为; 管路的压头m又因为输送的液体为

38、有机溶剂，属于易燃物品，所以要求必须有较高的密封性能，故选用油泵（Y型）。根据，从Y型离心油泵系列中选取50Y-60型离心泵。50Y-60型离心泵主要参数体积流量扬程m功率KW转速r/min汽蚀余量效率轴电机12.5605.951129502.345% 由于原料液的密度小于水的密度，所以不需核算泵所需的轴功率，而从上面有关数据科看出，泵所提供的流量Q和扬程H均稍大于管路系统要求值，实际生产操作中流量可通过泵出口阀开度来调节。3.5 塔顶冷凝器的设计3.5.1 确定设计方案 1、选择换热器的类型。 冷凝器是把78.3的含乙醇92%的液体冷凝为35的的饱和液体，冷却水的进口温度是15，由于呼和浩特

39、地区是缺水地区，所以选择冷却水的出口温度为25。全凝器中两种流体温度变化不大（50-70），选择带补偿圈的固定管板式换热器。 2、流动空间和管材的选用。 由于蒸汽是热流体且比较干净不易结垢，蒸汽走壳程便于散热，可提高冷却效果，不必清洗管子而且便于及时排除冷凝液。粘度大，流量较小的冷却水易结垢走管程便于清洗管子，此外还可以提高流速以增大其对流传热系数。所以，蒸汽走壳程，冷却水走管程。因碳钢管价格低强度好，全凝器中的流体没有腐蚀性，所以选用碳钢管。3.5.2 根据定性温度确定物性参数热流体T 35 78.3冷流体t 15 25t 20 53.3冷流体的定性温度为热流体的定性温度为根据定性温度分别查

40、取的物性参数如下：表8 塔顶全凝器内原料物性参数名 称密度Kg/m3定压比热CpkJ/(Kg·)导热系数，W/(m·)粘度Pa·s乙醇（53.3）777.033.00.1720.7355×10-3冷却水(20)984.64.1830.59851.0042×10-33.5.3 换热器的衡算塔顶全凝器的工艺计算备注1.估算传热面积，初选换热器。(1)热负荷的计算 （2） 冷却水的消耗量(3)计算平均温度差按单壳程、双管程考虑，一侧恒温，求逆流时的平均温度差：热流体T 35 78.3冷流体t 15 25t 20 53.3 (4)初选K值，估算传热面积

41、由表3，取）传热面积S：根据固定管板式换热器的系列标准，初选的固定管板式换热器型号为主要参数如下：表4 列管参数公称直径325mm管子尺寸25×2.5管子数n40管长L/mm4500管中心距mm32管程数4管子排列方式正三角形管程流通面积/0.0031实际换热面积SO ）2.核算压降 (1)管程压降 其中,管程流速 雷诺数>10000（湍流）对于碳钢管,取管壁粗糙度=0.3mm，所以由食品工程原理书的-Re关系图中可查得 =0.045。 (2)壳程压降,其中Ft=1.15（液体），Ns=1。因管子排列方式为正三角形，所以 F=0.5。壳程流通面积壳程流速流速雷诺数 计算结果表明

42、,管程和壳程的压降均能满足设计要求。3.核算总传热系数(1)管程对流传热系数对于低粘度流体，所以 (2)壳程对流传热系数对于无相变化流体在管外的对流传热系数因为是液体被冷却所以(3)污垢热阻根据化工原理课程设计书中的附录二十查得管内、外侧污垢热阻分别为：(4)总传热系数K实际换热面积K值校正 故所选择的换热器是合适的。4.接管的选择(1)管程流体进出口接管的选择 根据液体一般在管中的流速大小，选择原料液进出接管的流速为，则接管内径为根据化工原理教材上册附录375页的热轧无缝钢管的标准规格选择规格为68mm×3mm,di=62mm=0.062mm核算流速故选择的接管规格合适。(2)壳程

43、流体进口接管的选择根据饱和蒸汽一般在管中的流速大小，选择水蒸汽进入接管时的蒸汽的流速为，则接管内径为根据热轧无缝钢管的标准规格选择规格为114mm×4mm,核算流速 故选择的接管规格合适。（3）壳程流体出口接管的选择根据液体一般在管中的流速大小，选择冷凝液流出接管时的流速为，则接管内径为根据食品工程原理附录433页的热轧无缝钢管的标准规格选择规格为76mm×3mm，di=70mm=0.07m核算流速 故选择的接管规格合适 S=10.89m2 ）管程流体进出口接管选择规格为68mm×3mm的热轧无缝钢管壳程流体进口接管选择规格为114mm×2mm的热轧无缝

44、钢管壳程流体出口接管选择规格为76mm×3mm的冷轧无缝钢管3.6 塔顶全凝器的设计3.6.1 确定设计方案1选择换热器的类型塔顶冷却器是把78.3的含乙醇92%的饱和蒸汽冷凝为78.3的液体，热流体的进口温度都是78.3，热流体的出口温度是78.3。冷却水的进口温度是15，出口温度是25.冷却器中流体温度差不大，壳里压力是常压，可选择固定管板式换热器。2确定流体的流经和管材。 由于冷却水可能含有渣滓,走管程利于清洗，由于壁面的原因热流体走壳程有利于提高冷却效果，所以塔顶馏出液走壳程，冷却水走管程。换热器内的流体没有腐蚀性所以选用碳钢管，可降低设备费。 3.6.2 根据定性温度确定物

45、性参数热流体 T 78.3 78.3冷流体t 25 15（呼和浩特地区水温15）t 53.3 63.3热流体的定性温度为。冷流体的定性温度为。根据定性温度分别查取的物性参数如下：表8 塔顶冷凝器原料物性参数名称密度Kg/m3定压比热CpkJ/(Kg·)导热系数，W/(m·)粘度Pa·s汽化热r冷却水(20)998.24.1830.59851.0042×10-3乙醇（78.3）736.7753.840.1532572水（78.3）2313.83.6.3 换热器的衡算塔顶冷却器的工艺计算备注1.估算传热面积（1）热负荷的计算回流比R=2 F=9499.15

46、W=4360.26 D=5138.89 冷凝产品放热为：（2）冷却水消耗量在定性温度下 (3) 计算平均温度差按单壳程、双管程考虑，一侧恒温，求逆流时的平均温度差：热流体 T 78.3 78.3冷流体t 25 15t 53.3 63.3（4）选K值,估算传热面积取K=1000W/(m2·) 由固定管板式换热器的系列标准，初选型号为G400-1.6-10主要参数如下：公称直径500mm管子尺寸19×2管子数275管长4.5m管中心距0.025m管程数1排列方式正三角形管程流通面积0.0486实际换热面积： 采用此换热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为： 2 核算压降管程压降 选用19×2的碳钢管,，管程流速： >10000(湍流)对于碳钢管，取管壁粗糙度=0.1 由Re关系图中查得=0.036壳程压降 其中Fs=1.0,Ns=1管子为正三角形排列 F=0.5,在定性温度下查得=<50kPa计算结果表明,管程和壳程的压降均能满足设计条件3、核算总传热系数管程对流传热系数 >100