年产2万吨酒精精馏系统换热器设计

1、内蒙古工业大学课程设计说明书学校代码：10128学号：201120515030课程设计说明书题目：年产3.2万吨酒精精储系统换热器设计学生姓名：白晨洁学院：化工学院班级：制药11-2班指导教师：智科端二零一四年三月十日内蒙古工业大学课程设计说明书内蒙古工业大学课程设计任务书学院（系）：化工学院课程名称：化工原理指导教师（签名）：智科端专业班级：制药11-2学生姓名：白晨洁学号：201120515030一、课程设计题目列管换热器设计年产3.2万吨酒精精储系统换热器二、课程设计的目的课程设计是“化工原理”课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基本知识去解决某一设计任务

2、的一次训练，在整个教学计划中它也起着培养学生独立工作能力的重要作用，通过课程设计就以下几个方面要求学生加强锻炼：1 .查阅资料选用公式和搜集数据的能力；2 .树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想指导下去分析和解决实际问题的能力；3 .迅速准确地进行工程计算（包括电算）的能力；4 .用简洁的文字清晰的图表来表达自己设计思想的能力。三、课程设计的主要内容和要求设计任务及内容：1确定换热系统的流程方案，绘制流程图；2为所制定的流程方案配置换热器并选型；3确定塔顶冷却器和原料预热器的结构尺寸：设计计算换热器的热负荷、传

3、热面积、换热器接管、壳体、管板、封头、隔板及接管等；4核算总传热系数和流动阻力；5绘制塔顶产品冷却器的装配图；6编写课程设计说明书。内蒙古工业大学课程设计说明书设计原始数据1工艺物流（1）精储原料：粗酒精含乙醇50%,水50%喊量分率），由20c预热至泡点81.9C；（2）塔顶产品：含乙醇不低于92%,78.3C蒸汽冷凝为饱和液体回流，产品冷却为35C液体储存；（3）塔底残液：含乙醇不高于0.5%,99.3C冷却为35c液体。2其他参数精储过程回流比R=2呼和浩特地区水温15c四、工作进度安排7月2日：设计动员，下达设计任务，讲解设计方案的确定，设计过程的步骤及注意事项，查阅收集相关图书资料，

4、1天7月3日-7月10日：确定方案并进行设计计算：9天7月11日-7月13日：绘图：2天7月14日-7月15日：整理设计数据，编写设计说明书：2天五、主要参考文献1 .上海医药设计院.化工工艺设计手册.化学工业出版社，19862 .化学工程手册编委会.化学工程手册（第1,12,13篇）.化学工业出版社，19793 .上海化学工业设计院石油化工设备设计建设组.化工设备图册.19744 .上海化学学院等.化学工程（下册）.化学工业出版社，19815 .天津大学化工原理教研室.化工原理课程设计.天津科学技术出版社.19946 .化工原理.审核批准意见系（教研室）主任（签字）内蒙古工业大学课程设计说明

5、书、，4刖百化工原理课程设计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。通过课程设计，达到综合运用化工原理课程的基本知识、基本原理和基本计算，进行融会贯通、独立思考，在规定的时间内完成指定的设计任务的能力。掌握化工单元操作设计的主要程序和方法；树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的科学工作作风。在工业生产过程中，要实现热量的交换，须采用一定的设备，此种交换热量的设备统称为换热器。换热器作为工艺过程必不可少的单元设备，可用作加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。广泛应用于石油、化工、动力、轻工业、制药、生物等行业的生产过程中，据统计，在现代石油化工企业中，换

6、热器投资约占装置建设总投资的30%在合成氨厂中，换热器约占全部设备总台数的40%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影响，充分理解与掌握换热器的应用，对我们而言也有着十分重要的意义。换热器的类型、性能各异，各种形式的换热器各具特点。换热器的种类很多，但设计所依据的传热基本原理相同。为此，本书仅对设计成熟、应用广泛的固定管板式换热器的工艺设计做一介绍，其中包含了物性参数的选择与计算、生产工艺流程图、原料预热器的粗算、塔顶全凝器的精算、离心泵的选择、以及个人对此设计的理解和感想。在本书的编写过程中参考了各种文献资料，结合实际生产需求，采用了科学严谨的计算方法，设计出了比较符合生产

7、实际、经济实惠的固定管板式换热器。设计期间有智老师的精心指导、同学之间的相互帮助，为此表示衷心感谢。内蒙古工业大学课程设计说明书摘要固定管板式换热器在很多工业部门中仍处于主导地位，是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少工业设备。随着我国工业的不断发展，对资源利用、开发和节约的要求不断提高，对换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究将十分活跃。本书对年产3.2万吨酒精精储系统换热器进行设计介绍。设计总体思路：原料液经离心泵输送至预热器，预热后再被送进精储塔，乙醇混合气体经精储塔顶进入全凝器，经冷却乙醇由蒸汽变为液体，再通过分配器将其部分回流，塔顶储出液再经过塔顶冷却器冷却储存，作为产品。

8、塔底重组分由再沸器送回精储塔继续分离，达到要求后再被冷却回收。设计过程中本着经济、效率的原则选择合适的换热器，核算换热器的传热系数、压强降，确保设备的安全系数在合理的范围内。在课程设计中，熟悉掌握换热器的用途、设计方法、及注意事项。关键词：固定管板式换热器；预热器；全凝器；对流传热系数；压降；离心泵。内蒙古工业大学课程设计说明书符号说明Q传热速率(即热负荷)，W;S与K值对应的换热器传热面积，m2;K总传热系数，W/(m2.C);W流体的质量流量，Kg/h;tm平均温度差，C。Cp流体的平均定压比热容，KJ/(Kg.C)；T热流体的温度，C；t冷流体的温度，C;r饱和蒸气白冷凝潜热，KJ/Kg

9、。Ko基于换热器外表面积的总传热系数，W/(m2.C)；io基于管内及管外的对流传热系数，W/(m2.C);Rso、Rsi分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，m2.C)/W;di、do、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/(m2.C)；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；Pi直管中因摩擦阻力引起的压强降，Pa;P2回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，Pa;Ft结垢校正系数，无因次，25X2.5mm的换热管取1.4;19X2mm勺换热管取1.5;Ns串联的壳程数；Np管程数。阻力系数，列管换热器管内己=3Nb折流挡板

10、数目；内蒙古工业大学课程设计说明书Uo按壳程流通面积S。计算的流速，m/So目录第一章换热系统的流程方案的确定81.1 换热系统的流程方案的设计81.2 换热器设计方案的确定错误！未定义书签。1.2.1 换热器类型的选择错误！未定义书签。1.2.2 固定管板式换热器结构的确定错误！未定义书签。1.2.3 流体流动空间的选择错误！未定义书签。1.2.4 流体流速的选择错误！未定义书签。1.2.5 流体进出口温度的确定错误！未定义书签。1.2.6 接管的确定错误！未定义书签。1.2.7 管程和壳程数的确定错误！未定义书签。1.3 固定管板式换热器的设计计算错误！未定义书签。1.3.1 设计计算步骤

11、错误！未定义书签。1.3.2 传热计算的主要公式错误！未定义书签。第二章设计的工艺计算错误！未定义书签。2.1 全塔物料包算错误！未定义书签。2.2 原料预热器的设计和计算错误！未定义书签。2.2.1 确定设计方案错误！未定义书签。2.2.2 根据定性温度确定物性参数错误！未定义书签。2.2.3 预热器的工艺计算212.3 塔底再沸器的计算322.4 塔底冷却器计算342.5 塔顶冷却器的设计362.5.1 确定设计方案362.5.2 根据定性温度确定物性参数37附录43内蒙古工业大学课程设计说明书第一章换热器设计概述1.1 流程方案的确定1.1.1 物料的基本走向器却冷1.1.2 流程简介本

12、设计的换热系统为精储系统的换热设备，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。其中对塔顶全凝器进行精算，对原料预热器只做粗算，对所需的离心泵进行选型。在流程方案的初步设计中，考虑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，实现节约能源、减少热污染的目的。具体流程设计包括三方面。原料预热方面：原料液经离心泵的输送进入预热器，使用加热蒸汽预热原料，当原料预热升高到一定温度后，再将其输送到精储塔的入口处，使其达到要求的温度进行泡点进料。塔顶冷凝及冷却方面：塔顶以气相进入全凝器，经冷却水与气相的传热过程，使产品发生相变冷凝为液相，经过分配器一部分回到塔中进行精储

13、，另一部分液态产品内蒙古工业大学课程设计说明书进入冷却器，经过与冷却水的传热使产品降到要求的温度，最后输送到储液罐中。塔底残夜的再沸及冷却方面：塔的底部装有再沸器，经过与加热蒸汽进行传热，使其部分液相转化为气相再回到塔中进行精储。另一部分进入冷却器，将残液降到要求的温度，最后输送到残夜罐中。1.2 换热器设计方案的确定1.2.1 换热器的分类(1)冷却器冷却工艺物流的设备。一般冷却剂多采用水，若冷却温度低时，可采用氨或者氟利昂为冷却剂(2)加热器加热工艺物流的设备。一般多采用水蒸气作为加热介质，当温度要求高时可采用导热油(或导生)、熔盐等作为加热介质。(3)再沸器用于蒸发蒸储塔底物料的设备。热

14、虹吸式再沸器被蒸发的物料依靠液头压差自然循环蒸发。动力循环式再沸器被蒸发物料用泵进行循环蒸发。(4)冷凝器蒸储塔顶物料的冷凝或者反应器冷凝循环回流的设备。分凝器，用于多组分的冷凝，最终冷凝温度高于混合组分的泡点，仍有一部分组分未冷凝，以达到再一次分离的目的。1.2.2 换热器的类型选择换热器的设计需要符合工艺条件的要求，应从压力、温度、物理化学性质、腐蚀性等工艺条件来考虑确定换热器的材质和结构类型。同时应尽量满足以下要求：a:具有较高的传热效率、较低的压力降；有可靠的使用寿命；重量轻且能承受操作压力；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，易于维护与维修。

15、b:换热器管束和壳体内通过的温度差应在给定的温度范围内，否则就可能由于热应力而引起管子弯曲或使管子从管板上拉脱。但在实际选型中，这些选择原则往往是相互矛盾、相互制约的。我们应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。本设计中两流体温差介于50c和70c之间的选择带补偿圈的固定管板式换热器，小于50c的选择固定管板式换热器内蒙古工业大学课程设计说明书1.2.3 换热器的材质选择在对换热器进行设计时，各零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及材料的制造工艺性能等的要求来选取。一般为了满足设备的操作压力及温度，从设备的强度或刚度的角度

16、来考虑，是比较容易达到的。但材料的腐蚀性能有时往往是一个复杂的问题。选材不妥，不仅会影响换热器的寿命，而且也大大提高设备成本。常用的管子材料为碳钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜锲合金、铝合金等，还有一些非金属材料，如石墨、陶瓷、聚氯乙烯等亦有采用。本设计使用的换热器采用的材料为碳钢。1.2.4 流体出口温度的确定在换热器的设计中，物料的进口温度由工艺要求确定。但其出口温度由设计者根据经济核算来加以确定。例如用冷却水做物料的冷却剂时，在一定的热负荷条件下，选用较高的冷却水出口温度，可节省水量，但传热的平均温度差减小，使传热面积加大。反之，若选用较低的冷却水出口温度，冷却水用量增加，而传热面积可减少，

17、两者是相互矛盾的。一般来说，设计时可采取冷却水两端温差为510C。缺水地区选用较大的温度差，水源丰富地区选用较小的温度差。当采用河水做冷却水时，出口温度一般不宜超过50C,以防止管壁过多结垢。本设计中采用的出口温度为42Co1.2.5 加热介质冷却介质的选择在换热过程中加热介质和冷却介质的选用应根据具体情况而定，除满足加热和冷却温度外，还应考虑来源方面，价格低廉，使用安全。本设计采用加热介质为200kPa下温度为120.2C的水蒸气为热流体。冷却介质为水。1.2.6 流体流动空间的选择流体流动空间的选择，影响的因素很多，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

18、程。将两流体中热阻较大的一方安排在壳程，可提高对流传热系数，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。10内蒙古工业大学课程设计说明书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。在确定流体流动空间时，上述原则往往不能同时兼顾，应视具体情况抓主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗的要求等，然后再通过传热与压强降的计算予以校核选定。在本设计中，预热器的壳程流动的为热流体(120C水蒸气)，管程流动的为乙醇与水的混合物。全凝器中壳程流动的为78.3

19、C的乙醇蒸汽与水蒸气，管程流动的为冷却水。1.2.7流体流速的确定流体在换热器中的流速增加，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，从而降低了污垢热阻，使总传热系数增大，传热面积减小。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗增多。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1-2-1工业一般流体流速液体的种类一般液体易结垢液体气体流速m/s0.5-315-30壳程0.2-1.5>0.53-151.3 固定管板式换热器的结构1.3.1 换热管的选择(1)管子规格目前试行的管壳式换热器系列只采25mm<2.5mm及19mmX2mnffi种规格

20、的换热器。对于洁净的流体，可选择小管径，对于易结垢或不洁净的流体，可选择大管径。(2)管长管长的选择以清理方便和合理使用管材为原则。我国生产的标准钢管长度为6m故系列标准中管长有1.5m,2m,3m和6m四种。此外管长L和壳径D11内蒙古工业大学课程设计说明书的比例应适当，一般L/D为46。本设计中预热器和全凝器的规格都为25m忤2.5mm因为管程流动的冷却介质经与壳程热流体换热后温度升高易结垢。1.3.2 管程排列方式换热管管板的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。正三角形排列结构紧凑、传热效果好；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

21、管均匀，结构更为紧凑。综合各种因素选择正三角形排列。1.3.3 壳程结构壳程是介质流经换热管外壁与外壳之间的通道。壳程主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。由于各种换热器的工艺性能、使用场合不同，壳程内对各种元件的设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。确定折流挡板间距的原则是：使缺口流道的截面积与通过管束错流流动的截面积大致相等，从而减小压降并改善传热。如果板间距过小，流动大的阻力就加大，不便于制造和维修；间距过大，流体难于垂直流过管束，使对流传热系数下降。介质在壳程的流动方式有多种类型，其中单壳程型式应用最为普遍。本设计中使用的换热器为单壳程多管程。1.4 固定管板式换

22、热器的设计计算1.4.1 系统物料衡算根据产量要求，计算出换热系统的原料量、产品量，确定所需计算的换热器，最后逐步进行换热器的选用。1.4.2 选用换热器1、热负荷的计算，加热介质用量的计算和冷却介质用量的计算。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。1.4.3 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/K选100%10%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12内蒙古工业大学课程设计说明书1.4.4 计算管、壳程

23、压强降根据初选的设备规格，计算管、壳程流体的流速和压强降，检查计算结果是否合理或满足工艺要求。如超过工艺允许的范围，要调整流速，再确定管程数和折流挡板间距，或选择另一规格的换热器，重新计算直到满足要求为止。1.5 传热过程的主要公式1.3.2.1传热速率方程式及相关计算公式Q=KS%式中Q传热速率(即热负荷)，W；K总传热系数，W/(m2.C)；5 与K值对应的换热器传热面积，m2;Atm平均温度差，。6 .热负荷(传热速率)无相变传热Q叫Cph(T1T2)WCpc(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)QW1rWcCpc(t2-t)式中W流体的质量流量，kg/h；Cp

24、流体的平均定压比热容，KJ/(KgC)；T热流体的温度，C；t冷流体的温度，C;r饱和蒸气白冷凝潜热，KJ/Kg。下标h和c分别表示热流体和冷流体，下标1和2分别表示换热器的进口和出口。7 .传热平均温度差Nm恒温传热时的平均温度差为tmTt变温传热时的平均温度差逆流和并流bt22,tmInt2t113内蒙古工业大学课程设计说明书_J12t_t2t12tmt22式中tpt2分别为换热器两端热、冷流体的温差，C错流和折流(tmttm式中tm按逆流计算的平均温差，C；GA温差校正系数，3f(P,R),其中pR=-Ti-tit2-ti8 .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

25、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,1的计算公式：Ko=doRdobdoR1o+Rsi+o+Ro+出Xdidi入dma2式中Ko基于换热器外表面积的总传热系数，W/(m.C)；2%、%分别为管外及管内的对流传热系数，w/(m)；2Rso、Rsi分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，(m.C)/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；入一列管管壁的导热系数，w/(m-C)o4.对流传热系数换热器不同、流动状态不同，对流传热系数关联式不同，换热器常用的对流传热系数准数关联式如下

26、(1)无相变化流体在圆形直管中作强制湍流时的对流传热系数低粘度流体(以小于或等于2倍常温水的粘度)14内蒙古工业大学课程设计说明书Nu=0.023ReO.8Prn氏=0.023XRe0.8xPrnd当流体被加热时，n=0.4当流体被冷却时，n=0.3式中：仍祖分别为流体白密度和粘度，kg/m3、Pa.s；卜Cp分别为流体的导热系数和比热容，W/(mC)、KJ/Kg?C;u管内流速.m/s；di列管内径，m。应用范围：Re>l0000,Pr=0.7-160,管长与管径之比L/d>60,若L/d<60可将上式算出的a乘以(1+(d/L)0.7)。特征尺寸：管内径。定性温度：取流体

27、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，用下式计算冷凝传热系数：2、3%=0.725乂(Y4nc&此At式中：入冷凝液的导热系数，W/(mC)；P冷凝液的密度，Kg/m3；祖冷凝液的粘度，Pa.s；r饱和蒸汽白冷凝潜热，KJ/Kg;&蒸汽的饱和温度与壁温之差，&=ts-tw；此处取&=3C；nc水平管束在垂直列上的管数；4n1n2.n17nc0.750.750.75n1n2.n175.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Spp15内蒙古工业大学课程设计说明书Sp=xl

28、0(L-0.06)n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%：匕较合适。1.3.2. 流体压降的主要公式一般而言，流经列管式换热器允许的压强降，液体为10100KPa,气体为110KPa左右。本设计中管程压降范围为1050KPa,壳程压降范围为110KPa(1)管程压强降AP=X-d2AP23(旦)2P直管中因摩擦阻力引起的压强降Pa；生一一回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，Pa；Ft结垢校正系数，无因次，25X2.5mm的换热管取1.4;19X2mnt勺换热管取1.5;Ns串联的壳程数；N管程数。p工阻力系数，列管换热器管内己=3(2)壳程压力降_州=

29、3+坐)FtNs22o2P，=Ff°nc(NB+1)券,2BAP2=Nb(3.5-)D-0.228/、fo5.0Re(Re500)nc1.1-N(正三角排列)cSoh(D-ncdo)P流体横过管束的压力降Pa；16内蒙古工业大学课程设计说明书流体流过折流挡板缺口的压力降Pa；Ft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白校正系数：三角形排列F=0.5;正方形排列F=0.3;正方形错列F=0.4;fo壳程流体的摩擦系数；nc横过管束中心线的管数B-一折流挡板间距，mid壳体直径，mNb折流挡板数目；Uo按壳程流通面积So计算的流速，m/soSo

30、壳程流通面积，m2。17内蒙古工业大学课程设计说明书第二章设计工艺计算2.1全塔的物料恒算已知：塔顶产品乙醇年产量D=3.2万吨，乙醇的质量分数Wxd=0.92，精储原料粗乙醇的质量分数wxF=0.5,塔底残液乙醇的质量分数Wxw=0.005,回流比R=23210cDKg/h4.44103Kg/h30024由FDWFWxFDWxDWWxw求得3F8.2110Kg/hW3.7710Kg/h回流比R=2所以VLD3D1.33104Kg/h2.2原料预热器的设计计算2.2.1 热流体蒸汽温度的确定进入预热器的热流体为水蒸气，取绝压200KPa下温度为120.2C的水蒸气为热流体。2.2.2 流动空间

31、和管材的选用本设计的热流体为水蒸汽，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，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。碳钢管价格低强度好，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，但容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。本设计的预热器中流体没有腐蚀性，所以选用碳钢管。2.2.3 物性参数的确定18内蒙古工业大学课程设计说明书热流体：1

32、20.20c-120.20c定性温度为T=120,20c（绝对压力0.2MPaj）冷流体：20°C-81.9oC定性温度为t2081,950.95°C。22.2 原料预热器的设计和计算2.2.1 确定设计方案1 .选择换热器的类型预热器是把经塔底冷却器加热到20c的原料液预热到泡点81.9C,采用0.2MPa压力下120.2C的饱和蒸汽进行加热。热流体的进出口温度都是120.2C,原料液的进口温度是20C,出口温度为81.9Co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19内蒙古工业大学课程设计说明书设计任务的热流体为水蒸汽

33、，冷流体为原料液乙醇，因为蒸汽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。2.2.2 根据定性温度确定物性参数冷流体的定性温度为C热流体的定性温度为T=133.3C。根据定性温度分别查取的物性参数如表2-2-1预热器内原料物性参数名称密度PKg/m3定压比热CpKJ/(Kg)导热系数入W/（mC）粘度NPa-s汽化热rkJ/kg乙醇液（50.95C）763.22.910.17547.2104水(50.95C)987.64.1740.64954.17X10-5水蒸汽（120.2C）1.640.0294-51.341X102204.6混合液体的物性参数计算式:19aaB_nkm0.9X

34、iki,Ig由=!>Ig注，cpmxc10.5乙醇的摩尔分数Xi460.280.50.54618水的摩尔分数x210.280.72Mi0.28460.721825.84Kg/KmolCpm3.54KJ/Kg0c0.282.91460.724.1741825.8420内蒙古工业大学课程设计说明书2.2.3预热器的工艺计算预热器的工艺计算备注21内蒙古工业大学课程设计说明书(1)热负荷Q的计算Wc=F=12032.14kg/h(2)蒸汽的消耗量Q=WhM=WcCPc(t2-t1)QWhr_55.01052204.6103360081647kg/h(3计算平均温差蒸汽T120.2原料液t81.

35、9C120.2CC-20ct38.3C100.2CAtmAt2-At164.360Cln4t2At1R0无需校正tmtt2(4)初选择K值，估算传热面积设K=650W/(mC)S1QKtm5.010558064.36213.39m2Q=72400WWh=333.9kg/hS1=13.39m2(5)初选换热器的型号：由于两流体温差120.2-2081.969.250C大于50C，小于70C,可选用带补2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的型号为JB/T4715-92主要参数：公称直径mm325管子尺寸小25X2.5管子数n40管长L/mm4500管中心

36、距mm32管程数Np4管子排列方式正三角形田流ara/m20.0031实际换热面积为:4=13.94m2K0557.30W/(mC)QWcCpc(t2-ti)8.211033.54103(81.9-20)/36005.0105W一.一一一一2SonTidoL-0.0613.94m22内蒙古工业大学课程设计说明书米用此换热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为：-5KoQ5.010557.30W/（m2：C）&Atm13.9464.36123内蒙古工业大学课程设计说明书(1):换热器类型的选择24内蒙古工业大学课程设计说明书2.3 塔顶全凝器的设计和计算(1)换热器类型的选择全凝器是把7

37、8.3C92%勺乙醇蒸7气冷凝为78.3C的饱和液体，冷却水的进口温度为15C,设出口温度为42C;两流体的温度差为78.3-154249.80C温度差小于50C,选择固定管板式换热器，由于全凝器中无腐蚀性流体，选择碳钢管t1T1t2t2T2t1tm58.14(2)流动空间的选择由于蒸汽不易结垢，走壳程便于散热，可提高冷却效果。冷却水较易结垢，走管程。(3)物性参数热流体T:78.3C78.3C冷流体t:42C-15C热流体的定性温度T=78.3C冷流体的定性温度t154228.50CS=130.72n22定性温度对应的物性参数名称密度P3Kg/mCp(KJ/(Kg-k)(W/(m.k)(Pa

38、s)(KJ/Kg乙醇(78.3C)738.53.830.168-44.4510乙醇蒸气(78.3C)1.621.8120.0231.037X10-5860水(78.3C)927.824.19560.6734-43.6410水蒸气(78.3C)0.27520.6232308.1冷却水(28.5C)996.0754.1750.61583.1310-5混合物的密度、粘度、热导率及汽化热的计算公式如下:1aAaBmABnkm0.9Xiki,lgUm=Z>ilg斯，cDX£pmiii125内蒙古工业大学课程设计说明书0.92塔顶乙醇的摩尔分数：Xi0.920.0846780.82塔顶水的

39、摩尔分数：x210.280.722So137.8m2K选664W/(mC)10.920.08738.5972.82753.01Kg/m3m0.820.1680.180.6730.259W/m.knrmXJi1rm0.828600.182308.11120.66KJ/Kg(4)热负荷的计算V1.33104Kg/hrm1120.66KJ/Kg41.331036QWhr1120.66104.1410W3600(5)冷却水的消耗量Q叫rW.Cpct2t1、八，Q4.14106WcCPt2t14.175421536.72Kg/s(6)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

40、流体T78.3C78.3C冷流体t42c-15Ct36.3C63.3Ctmt1t263.336.3,63.3In一36.348.560CUi0.671m/sRei13329.2Pi2194.5nc27.1c(4)初选K值，估算传热面积262Ao0.34m2内蒙古工业大学课程设计说明书取2选=1120W/(m2k).传热面积S:Kitm4.14106276.13m112048.56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:JB/TUo12.5m/sReo=4102.84715-92主要参数如下:公称直往500mm管子尺寸/mm小25X2.5管子数n164管长L/mm6000管

41、中心距mm32管程数Np2管子排列方式正三角形田流ara/m20.0257实际换热面积表2-3-2列管参数S2ndoL0.061643.140.0256-0.0676.47m2采用此换热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为：K24.14106S2tm76.4748.561114.97W/(m2C)(5)核算总对流传热系数管程对流传热系数对于低粘度流体,0.8ni0.023ReiPridifo=0.58Po975.3PaPri7.02hi=2994.6w/(m2'C)原料液为被加热流体,36.72uiReiPri取n=0.4.996.0750.02571.43m/sdiUicp0.02

42、1.43996.07583.1310534376.31104-54.17583.1310261.481025.65ho=2259.19w27内蒙古工业大学课程设计说明书-2所以i0.023634376310.85.65°46013.58W/(m2C)i0.02(2)壳程对流传热系数本设计蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数:o0.725式事、仙、p1234rg=2nc3(idoAt均为92%勺乙酉!在78.3C时液体的物性参数。r为乙醇蒸汽在78.3C下的汽化热，t(壳程乙醇蒸汽的饱和温度与壁温之差)此处设t30C/(m2-C)231120.661000753.019.810

43、.2593o0.725214.0934.2910-40.0253143553.45W/(m2C)污垢热阻根据化工流体流动与传热书中的附录二十查得管内、外侧污垢热阻分别为:R61.7197104(m2C)/WRso0.859104(m2)/W(4)总传热系数KK=11+R*+Rsdo+dohodihidi式中k为壁面材料碳钢的导热系数，由化工流体流动与传热书中的附录4二查得k=50W/(m-C)K183加/(m2C)即1440.0250.0251)0.859101.7197102259.190.022994.60.022K计=833W/(m,c)Ktt/K选=833/600=1.25,因为1.1

44、5<K计/K选<1.25。故所选择的换热器是合适I设计结果：选用固定管板式换热器，型号:JB/T471592。2,核算压降(1)管程压降28K计=833W/(m2C)K计/K选=1,25小600mm义25mm,d=550mm(|)54mmx6.5mm,d=51mm内蒙古工业大学课程设计说明书P其中Ft1.4PP2FtNsNpNs1,Np1管程流速UiAi127.2998.20.19000.671msReidiUi0.020.671998.20.00100513329.2(湍流)对于碳钢管,取管壁粗糙度&=0.1mm所以010.10.005di20由化工流体流动与转热书中52

45、页的人-Re关系图中可查的入=0.035F1LUi2di0.03530.022998.20.6712997.5Pa2u=1.83m/sP22Ui2998.20.67122570Pa997.55701.4112194.5Pa壳程压降性能参数如下:名称密度m/kg/m3导热系数kmW/(mC)粘度nn/Pas乙醇液体1.38130.36一一一一-40.10521X10PFsNs,其中Fs=1.15(气体),Ns=10POP1nc=27.1RFfonc(Ns1)2Uo2P2Nb(3.52z因管子排列方式为正三角形，所以F=0.5因壳程通过的是水蒸汽，故不需加折流挡板,NB=0oL'=783.

46、1kmol/壳程流通面积A(D2nd。2)43.14(0.926054_220.025)0.34m壳程流速UoVs-Ao19537.9236000.341.381312.5m/s29内蒙古工业大学课程设计说明书Reodouo0.02512.51.3813八oo54102.81.052110fo0.2280.2285.0Reo5.04102.80.5821.381312.520.50.5827.11848.09Pa2因为壳程走蒸汽无折流挡板，所以P2=0oPo(848.090)1.151975.3Pa(10kPa)计算结果表明，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

47、热系数Wh=2490.8kg/s对于低粘度流体,0.023Rei0.8Prindi取n=0.4.1.43m/s原料液为被加热流体,36.72Ui996.0750.0257ReidiUi0.021.43996.07583.1310534376.31104Pricp54.17583.1310561.481025.65所以0.5989i0.0230.0213329.20.87.020.42994.6W/(m2C)(2)壳程对流传热系数ho若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数:1234ho=0.725,21g-knc3doAt式中化热。小、p均为水在133.3C时液体的物性参数。r为水在13

48、3.3C下的汽1234ho=0.725X962.3M0200”48.76.81"1897=2259.19W/(m2C)20.353X4.66X04>0.025X5(3)污垢热阻30So84.6m2Ko1877.42W/(mc)内蒙古工业大学课程设计说明书根据化工流体流动与传热书中的附录二十查得管内、外侧污垢热阻分别为:42Rs1.719710(mC)/WRso0.859104(m2)/W(4)总传热系数KK=11+R*+Rsdo+d0hodihidi式中k为壁面材料碳钢的导热系数，由化工流体流动与传热书中的附录4查得k=50W/(m-C)12259.19440.0250.859

49、101.7197100.020.0252994.60.02833W/(m2C)即K计=833W/(m2c)Ktt/K选=833/600=1.25,因为1.15<K计/K选<1.25。故所选择的换热器是合适I设计结果：选用固定管板式换热器，型号：JB/T471592。4.接管的选择(1)乙醇蒸汽进出口接管的选择根据饱和蒸汽一般在管中的流速大小，选择进出接管的流速为u22m/SoVs=19537.923600X22=0.25m/sd40.2513.1422则接管内径为0.13m根钢管的标准规格选择规格为小600m由25mmi勺不锈钢无缝钢管di=550mm核算流速:40.253.140

50、.13218.84m/故选择的接管规格合适。(2)乙醇液体进口接管的选择根据液体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31内蒙古工业大学课程设计说明书u2.5m/soVs=653)/3600乂748=0.00242则接管内径为：.4Vs,40.00242杯d.40mmIu.3.142.0根钢管的标准规格选择规格为小54mme6.5mm的不锈钢无缝钢管di=51mm核算流速u4Vs40.0024222d/3.140.04121.83m/s故选择的接管规格合适。(3)冷却水进口接管的选择根据冷却水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u5.m/s。Vs=127.2998.2=0.13接管内径为drs:4