年产3.7万吨酒精精馏系统换热器设计

内蒙古工大学课程设任务书课名：

学：

班11-3学姓

学：

\

指教：

马思恩格一、题产万吨酒精精二、目与意义课程设计是“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的一次训练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从以下几个方面对学生进行训练：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、要（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等）1设计原始数据精馏原料:粗酒精含乙醇50%,水50%(量分率),由20℃预热至泡点℃；塔顶产品:含乙醇不低于92%,78.3℃饱和蒸汽冷凝为饱和液体回流，产品冷却为35℃液体储存；塔底残液:含乙醇不高于0.5%,99.3℃冷却为35℃液体。精馏过程回流比R=2呼和浩特地区水温15℃

2设计要求（1）确定换热系统的流程方案，并将流程方案绘制成带控制点的流程图；（2）为所制定的流程方案配置换热器并选型；（3）选择并确定塔顶冷凝器、塔顶产品冷却器和原料预热器的结构尺寸：包括设计计算换热器的热负荷、传热面积、换热器接管、壳体、管板、隔板等；（4）核算总传热系数和换热器流动阻力选择原料泵；（5）绘制塔顶产品冷却器的总装图；（6）编写课程设计说明书。四、工内容、进度排第1日：设计动员，下达设计任务，讲解设计方案的确定方法、设计过程的步骤及注意事项，查阅收集相关图书资料，1天第2-8日：确定方案并进行设计计算：7天第9-10日：绘图：2天第11-12日：整理设计数据，编写设计说明书：天五、主参考资料[1].柴诚敬，张国亮.化工流体流动与传热M].北京：化学工业出版社，[2].姚玉英等.化工原理[M].天津：天津科学技术出版社，2001[3].贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计M].天津：天津大学出版社，[4].化学工程手册编委会.化学工程手册第篇，化工基础数据[M].北京：化学工业出版社，1989[5].贺运初热器的传热强化与优化设计J]工装备技术199725-28[6].钱颂文，朱冬生，李庆领，等．管式换热器强化传热技术M]．北京：化学工业出版社，2003．审核意系（教室）主任（字）年

月

日

前言化工原理课程设计是针对学习化工原理课程的学生开设的具有强化性的实训课程课程设计主要是提高学生的动手能力设计能力以及对化工原理课程内容的掌握。在此次化工原理课程设计中设计任务多种多样列管换热器的设计便是其中之一换热器是工业常用设备之一在工业生产中扮演着重要的角色换热器主要作用是对工业原料及产物的热性质进行改变据用途主要又分为加热器与冷凝器。常用换热器主要有固定板式换热器、浮头式换热器、型换热器等。在课设中主要选用固定板式换热器，对其进行了物料衡算、换热管的选择、换热器的选型等一系列工业设计。熟悉掌握换热器的化工工艺用途、设计方法、设计注意事项。在设计过程程中查阅相关资料获得所需物料的物化特性遇到不懂设计难题向老师提问有关问题对我们的设计是至关重要的同时这也是我们必须学习掌握的一门技巧。

目录摘要.符号说明.第一章换热系统的流程方案的确定.1.1换热系统的流程方案的设计1.2换热器设计方案的确定1.2.1换热器类型的选择.1.2.2固定管板式换热器结构的确定1.2.3流体流动空间的选择.1.2.4流体流速的选择1.2.5流体进出口温度的确定1.2.6接管的确定.1.2.7管程和壳程数的确定.1.3固定管板式换热器的设计计算1.3.1设计计算步骤.1.3.2传热计算的主要公式.第二章设计的工艺计算.2.1全塔物料恒算2.2原料预热器的设计和计算2.2.1确定设计方案2.2.3换热器的衡算.2.3塔顶冷凝器的设计和计算2.3.1确定设计方案.2.3.2根据定性温度确定物性参数2.3.3塔顶冷凝器换热器的衡算2.4塔顶冷却器的设计2.4.1确定设计方案2.4.2根据定性温度确定物性参数2.4.3塔顶冷却器换热器的衡算

2.5塔底再沸器工艺粗算2.6塔底冷却器换热器的粗算2.7离心泵的选型与计算2.7.1物性参数的获取.2.7.2离心泵的选型.第三章汇总表.3.1原料预热器汇总表3.2塔顶冷凝器汇总表3.3塔顶冷却器汇总表主要参考文献.附录.致辞.附图.

内蒙古工业大学课程设计说明书摘

要在石油、化工、食品加工、轻工、制药等行业的生产过程中，换热器是通用工艺设备，可用作加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，换热器类型，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。换热器伴随工业生产的始终效果的好坏直接影响化工生产的质量和生产效益，为了完成年产3.7万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原料液加热到一定温度然后再用高温蒸汽来加热原料液塔顶酒精蒸汽经过全凝器用冷却水是酒精蒸汽冷却至液体，再经过冷却器是产品冷却至度。固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起。这类换热器结构简单、价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50

。

C且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。补偿圈的弹性变形可减少温差应力，这种补偿方法使用于两流体温差小于C，且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。关键词：换热器、冷却器、全凝器、预热器。1

tsB内蒙古工业大学课程设计说明书符号说tsBQ——传热速率(即热负荷)，W；K——总传热系数，W／(m

2

．℃)；S——与K值对应的换热器传热面积，m

2

；Δtm——平均温度差，℃。W——流体的质量流量，kg／h；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，kJ／kg。K。——基于换热器外表面积的总传热系数，／((m

2

．℃)；

——基于管内及管外的对流传热系数，／(m

2

·℃)；i

OR、R—一分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，2．℃)／w;sosid、d、d——分别为换热器列管的外径、内径及平均直径m；oimb——列管管壁厚度,m；k一列管管壁的导热系数，w／(m·℃)Δt——蒸汽的饱和温度与壁温之差，n——水平管束在垂直列上的管数；c——直管中因摩擦阻力引起的压力降；——回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，；F——结垢校正系数，无因次，φ25×2.5mm热管取1.5；N——串联的壳程数；N——管程数。ξ——阻力系数，列管换热器管内ξ=3N——折流挡板数目；——按壳程流通面积S算的流速，m/s。o

的换热管取1.4；的换2

内蒙古工业大学课程设计说明书第一章热系的程方案确定1.1换热系的流程方的设计进行换热器的设计先应根据工艺要求确定换热系统的流程方案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。流程方案的初步设计中考虑使用塔底残液的废热来预热原料液到废热再利用的效果，实现节能减排。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，塔顶冷却器和塔顶产品冷凝器进行精算，塔底残液冷却器只作初算，而塔底再沸器不作要求。1.2换热设计方案的定1.2.1热器类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；有可靠的使用寿命；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℃的选择固定管板式换热器。根据制定的流程方案，可选择带补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℃到且壳方流体较清洁及不宜结垢的物料，流体压强不高于的情况。1.2.2定管板换热器构的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。1.2.2.1管程结构换热器管程由换热管、管板、封头或管箱组成。3

内蒙古工业大学课程设计说明书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，￠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ф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ф25×2.5mm碳钢管。本次设计采用фmm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。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来列管式换热器管板是用来固定管束连接壳体和端盖的一个圆形厚板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。1.2.2.2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、换热器壳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决定它的材质径小于的壳体通常用钢管制成于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4

内蒙古工业大学课程设计说明书塔顶全凝器的壳程走的是蒸汽所以不安装折流板。1.2.3体流动间的选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。1.2.4流体流速选择增加流体在换热器中的流速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即降低了污垢热阻使总传热系数增大从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。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。液体的种类

表1-2-1

工业一般流体流速一般液体易结垢液体

气体流速m／s

管程壳程

0.5－30.2－1.5

＞1＞0.5

531.2.5体进出温度的定为了节省水可提高水的出口温度但传热面积就需要加大为了减小传热面积，则要增加水量。设计时可采取冷却水两端温差为8～10℃。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对于热流体的温差可根据工艺要求计算。1.2.6管的确5

内蒙古工业大学课程设计说明书接管的选择与流体的流速和流量有关凝器的管程进出口接管直径通常直径较大采用热轧无缝钢管管壁较厚壳程流体出口接管选择冷轧无缝钢管这次设计的为酒精精馏换热器，压力、流量都不大，所选接管的壁厚也不大。1.2.7程和壳数的确当管内流体流量较小时会使管内流速较低对流传热系数较小为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，将导致管程流体阻力增加，面积的利用率也降低。这次采用单壳程多管程（2、4）固定管板式换热器。1.3固定管式换热器设计计算1.3.1计计算骤1.3.1.1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。1.3.1.2选用换热器1、热负荷计算，冷却介质用量的计算或加热介质用量的计算；2、平均温差的计算，当两侧流体均为变温传热时，应进行温度差的校正；3、流动空的选择；4、初估总热系数，计算换热面积，初选换热器。1.3.1.3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。比计较K和K，若K/K则初选的设备合格。否则需另设K值，重复计选计选选以上计算步骤。1.3.1.4计算管、壳程压强降计算出选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。1.3.1.5接管尺寸计算1.3.2热计算主要公1.3.2.1传热速率方程式及相关计算公式Q=KSΔt

m式中Q——传热速率(即热负荷)，W；6

R21内蒙古工业大学课程设计说明书R21K——总传热系数，W／(m2．℃)；S——与K值对应的换热器传热面积，m2；Δt——平均温度差，℃。m1.热负荷(传热速率)Q无相变传热Q＝WC(T-T)＝WCp(t-t)hph12cc21相变传热(蒸汽冷凝且冷凝液在饱和温度下离开换热器Q＝Wr＝WCpt)hcc21式中W——流体的质量流量，／h；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，／kg。下标h和c分别表示热流体冷流体12分别表示换热器的进口和出口。2.平均温度差Δt

m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

t21TT12t3.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：Kdbd1dkdiii式中K——基于换热器外表面积的总传热系数，／(m2．℃)；0h、h——分别为管外及管内的对流传热系数，／(m2·℃)；oiR、R—一分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，．℃)／w;sosid、d、d——分别为换热器列管的外径、内径及平均直径m；oim7

i内蒙古工业大学课程设计说明书ib——列管管壁厚度,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(μ小于或等于2倍常温水的粘度)0.023Reuλ0.023

n0.8

n当流体被加热时，n＝0.4当流体被冷却时，n＝0.3式中：ρ、μ——分别为流体的密度和粘度，／m3、Pa·s；——分别为流体的导热系数和比热容,w/(m·℃)、J/kg•℃;u——管内流速．m／s；d——列管内径，m。应用范围：Re，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α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，用下式计算冷凝传热系数：式中：

h

n

rg

)

冷凝液的导热系数，w／(m·；ρ——冷凝液的密度，／m3μ——冷凝液的粘度，；γ——饱和蒸汽的冷凝潜热，；Δt——蒸汽的饱和温度与壁温之差，-t此处取Δt=5swn——水平管束在垂直列上的管数；c8

0.750.7512内蒙古工业大学课程设计说明0.750.7512

...n

0.75

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。p0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。1.3.2.2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kPa，气体为1—10kPa左右。（1）管程压力降i1tLd

中因摩擦阻力引起的压力降；

回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，；t

结垢校正系数无因次的换热管取1.4φ19×2mm的换热管取1.5；NS

串联的壳程数；管程数。ξ——阻力系数，列管换热器管内ξ（2）壳程压力降i

'2

FN

SΔP=Ff(1)cs

ρu2

9

2内蒙古工业大学课程设计说明书22ρuΔ(3.5)D2

2of5.0R0.228e1.1c

流体横过管束的压力降；流体流过折流挡板缺口的压力降；s

结垢校正系数，无因次，对液体，取；对气体，取；F——管子排列方式对压力降的校正系数：三角形排列；正方形排列F=0.3；正方形错列F=0.4；fn

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；NB

折流挡板数目；uo

按壳程流通面积计算的流速，m/s。10

内蒙古工业大学课程设计说明书第二章计的艺计算2.1全塔料恒算根据设计要求可知：塔顶产品乙醇的质量万吨，乙醇的质量分数X=0.92,精馏原料粗乙醇的质量分数X=0.5,底残液乙醇的质量分数X=0.005DFW24

Kg/由

F=D+WF×X=D×X+W×XFD

W求得

F3kg/Wkg/回流比：R=2所以5.14

3

15.42

3

/h2.2原料热器的设计计算2.2.1确定设计案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结垢，而粘度大流量较小的原料液中的水为易结垢液体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。2.2.2根据定性度确定物性数热流体133.3

o

→133.3

o

定性温度133.3

o

C（绝对压力0.3MPa）冷流体：20

o

←81.9

o

定性温度t

202

o

。根据定性温度分别查取的物性参数如下：11

h内蒙古工业大学课程设计说明书h表2-2-1

预热器内原料物性参数名

称

密度ρKg/m3

定压比热CpkJ/(Kg·℃)

导热系λW/(m·℃)

粘度μ

汽化热rkJ/kg乙醇液（℃）

2.73

0.15

7.0×10

-4水（℃）

988.1

4.17

0.65

-5水(℃)

932.01

4.2681

0.6837

2.0722×10

-4水蒸汽(℃)

1.65

0.0292

-5

2168.12.2.3热器的算原料预热器的工艺计算1.估算传热面积，初换热器(1)热负荷的计算

备注Wkg/hcC

=0.5(2.73+4.17)=3.45KJ/h

589.47

3

WC(t-t)KJ/CPC21(2)蒸汽的消耗量Q=W×rC(-)h21Q212.2W978.73Kghr2168.1(3)计算平均温度差一侧恒温，求逆流时的平均温度差：蒸汽T133.3℃←133.3℃原料液t20℃→81.9℃△t113.3℃51.4℃

2.126/W=978.73Kg/hhΔ-Δ113.351.4Δ2178.3℃mΔtΔ1

tm

o

c计算R：12

内蒙古工业大学课程设计说明书)/(t)11

无需校t

m初选K估算传热面积，参照《换热器=1000W/(m选

2

·℃)传热面积S：S1000

12.50m

2

S=12.50m

2(5)初选换热器型号由于两流体温差大于℃，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型号为：JB/T4715-92主要参数如下：

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。公称直径管子数n管中心距mm

表2-2-2400mm16425

列管参数管子尺寸管长L/mm管程数Np

φ19×215002

换热器型号为：JB/T4715-92管子排列方式

正三角形

管程流通面积/m

2

0.0145实际换热面积SOSπ(L-3.14o

14.09o

2采用此换热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为：o

S513.778.30m

W(2k)

KW/

•)2.核算压降(1)管程压降Pi1t

其中Ft

,NP

w/A

w/

861.72/m

313

′oo内蒙古工业大学课程设计说明书′ool

g

xlmig

i平均粘

m

Pa管程流速

i

Ai

9.9373

m

umsi雷

诺

数

Rei

4i

dρ0.015ii5.89

4

>10000(湍流)ε对于碳钢管,取管壁粗糙度ε=0.1mm，所以d15i由《食品工程原理》书的λ-Re关系图中可查得λ=0.038。Δ1

Lρu21.52i2i

ΔP2

ρu861.720.795i22

2

P816.94KPai

11.10i(2)壳程压降∑P

′FNss

,其中Fs=1.15（气体。ΔP=Ff(oc

ρ2

Δ(3.52

2ρu)D2

2o

c因管子排列方式为正三角形，所以F=0.5。n壳程流通面积π(2-)44

2

-1640.019

2

)0.079m

2

1.82m/so壳程流速o

V2.08m/sA0.0791.653600o14

Re=10121.83o

pi内蒙古工业大学课程设计说明书pi雷诺数Reo

uρ0.0192.082oμ

10121.83

f=6.106此时f5.0Reo

o

10121.83-0.228ΔP14.081

2

2

306Pa因壳程通过的是水蒸汽，故不需加折流挡板，即NB=0，因此0(306351.9(kPa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)管程对流传热系i0.5w/()ii

44iμ5.89i

Pri对于低粘度流体

i

0.023

λdi

Re

i

0.80.4i

2900.557Wi

）所以0.36

4

)

0.8

0.4

W

2

k）(2)壳程对流传热系

若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数：

0.725

r

式中

、μ、ρ均为水在133.3℃时液体的物性参数。r为水在15

2o内蒙古工业大学课程设计说明书2o133.3℃下的汽化热。

10911.87W/(m)o

2168.11000932.010.683730.019

3

1410911.87W/(m

2

k)(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：Rs1.7197(iRs0.859(4)总传热系数K16.9219ln

(2

/WK

doi

i

i

1db1oodimo

K1072.012/m

)

1.71971545.8516.9210911.87

(K-K)/K计1072.012W/m

2

k

=17.49%即K=1072.012W/(m2·℃)计(K计-K选)/K计=(1072.012-912.39)/912.39=17.49%/=(14.0912.50/14.09=11.28%计选计故所选择的换热器是合适的。设计结果：选用固定管板式换热器，型号：4715-924.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m/，则接管内径为

/S计选计管程流体进出口接管选择规格为φ57mm×3.5mm的热轧无缝钢管

4s42.113.14861.72360016

内蒙古工业大学课程设计说明书根据《化工流体流动与转热》附录二十二的热轧无缝钢管的标准规格选择规格为φ57mm×3.5mm,di=50mm=0.050m49.937核算流速u23.142861.723600i故选择的接管规格合适。

1.62m/s(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m则接管内径为

壳程流体进口接管选择规格为φ4mm的热轧无缝钢管

4V978.733600根据热轧无缝钢管的标准规格选择规格为φ102mm×4mm,di=94mm=0.094m核算流速

4uSd2i

4978.733600

/s故选择的接管规格合适。（3）壳程流体出口接管的选择

壳程流体出口接管选φ16mm×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0.25mm的冷轧无缝u2.0，则接管内径为

钢管

V413.63mm3.142.0932.013600根据《化工流体流动与转热》附录二十二的冷轧无缝钢管的标准规格选择规格为φ12mm×0.25mm，di=15.5mm=0.0155m核算流速

uSdi

4

1.54/s故选择的接管规格合适17

内蒙古工业大学课程设计说明书2.3塔顶冷器的设计计算2.3.1确设计案1、选择换热器的类型。全凝器是把78.3℃的含乙醇92%的蒸汽冷凝为78.3℃的的饱和液体，冷却水的进口温度是15，由于呼和浩特地区是缺水地区，所以选择冷却水的出口温度为30℃。全凝器中两种流体温度变化不大50℃--70℃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。2.3.2根据定性度确定物性数热流体T78.3℃←78.3℃冷流体t→30℃△t63.3℃48.3℃1530冷流体的定性温度为t22.52热流体的定性温度为℃。根据定性温度分别查取的物性参数如下：表2-3-1

塔顶冷凝器内原料物性参数名

称

密度ρKg/m3

定压比热kJ/(Kg·℃

导热系，W/(m·℃

粘度μ·s

汽化热r乙醇（℃）

736.775

3.84

0.1532

4.4×10

乙醇蒸（℃）1.6248

1.8046

0.022

1.0381×10水（℃）水蒸气（℃）冷却水(℃)

927.8170.2752998.2

4.19564.183

0.66890.62280.5989

3.6202×101.005×10

2313.818

内蒙古工业大学课程设计说明书2.3.3塔顶冷凝换热器的衡塔顶冷凝器的工艺计算1.估算传热面积，初选换热器。(1)热负荷的计算V3/hr0.920.082313.8963.424KJ/

备注V15.414Kg/Q==

15.4143600

3

4.1277

6

W

Q

W(2)冷却水的消耗量Qhc

=

Q6=C1000pc

2.3685kg/h

W2.368

/h(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T78.3℃←78.3℃冷流体t→30℃△t63.3℃48.3℃48.32m63.3ln1(4)初选K值，估算传热面积由表3，取KW/(m.选传热面积S：

55.46

℃mKW/(m选

QK

=

4.1277800

93.03

2

S=93.03m2由于两流体温差为由于两流体温差为（50℃～70℃择带有补偿圈的固55.46～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70℃带有补管板式换热器型号为：JB/T4715-92

偿圈的固定管板式换热器19

oii内蒙古工业大学课程设计说明书oii主要参数如下：

型号为：表

列管参数

JB/T4715-92公称直径管子数n管中心距mm管子排列方式实际换热面积S

O

800mm44232正三角形

管子尺寸/mm管长L/mm管程数Np管程流通面积/m

φ25×2.5300040.0347Sπd(L0.06)442100.6o4.12776W(2k)S0m2.核算压降(1)管程压降PNi12ts

100.60KW(m)其中t

N

,NP管程流速

V2.3685SmA998.2i

idρ998.2雷诺ii

4.76>10000(湍流)

i

ε对于碳钢管,取管壁粗糙度ε=0.1mm，所以di

0.005由《化工流体流动与转热》书的λ-Re关系图中可查得λ=0.032。Δ1

Lρu231.9182i8.8KPa2iΔP2

ρu2998.2i22

2

KPaPKPa(kPai(2)壳程压降

Δ40.4i20

2oooo内蒙古工业大学课程设计说明书2ooooΔP1

ΔP`12s2ρuFfnNo

,其中Fs=1（气体。ΔP2

2ρu)D

2o因管子排列方式为正三角形，所以F=0.5。nn1.1442壳程流通面积

23.12c0.2855mo

2π(2-nd)44

2

-442

2

)m

2m

1w1.62480.2752

/

3xm

M

)/(

M

)

V壳程流速us10.15m/sAo

u/oRe=2.81odρ1.166雷诺数e-5

4

>

f5.0Reo

o

-0.228

0.483`

f0

1.16610.152

2

Pa加挡板：对数2，间，壳0.8ΔP2

2210.647)(3.5)D0.7

2

Pa

N2tsp528.70)(kPa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21

ΔP1249.47o

0.80.4o内蒙古工业大学课程设0.80.4o(1)管程对流传热系

iRei

44i

μp

30.5989

对于低粘度流体i

λdi

RePrii

Pr7.02i所以i

0.02

0.4m2K）(2)壳程对流传热系

Wmi

K）若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数：

r

式、μ、ρ均为蒸汽78.3℃时液体的物性参数r为蒸汽在78.3℃下的汽化热。20.2791330.02523148.42/m(3)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

W/(

热阻分别为：Rsi

(m

2

/Rs(2/Wo(4)总传热系数KK

doi

i

i

1db1oodimo22

K

内蒙古工业大学课程设计说明书2518292.252048.5822.413148.42/m2即K=848.633W2计/K848.633=0.01282=12.82%计

KW/(m

/=93.3计故所选择的换热器是合适的。设计结果：选用固定管板式换热器，型号：4715-924.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ms，则接管内径为根据《化工流体流动与传热》附录二十二的热轧无缝钢管的标准规格选择规格为φ219mm×6mm,di=207mm=0.207m

/1.282计/1.0725计管程流体进出口接管选择规格为φ219mm×6mm的热轧无缝钢管核算流速

2.368320.207i

1.95s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28m/，则接管内径为

415.443s375.711.383600

壳程流体进口接管选择规格为φ根据热轧无缝钢管的标准规格选择规格为φ400mm×10mm,di=38mm=0.38m

的热轧无缝钢管核算流速

415.4143S20.3801.38i23

27.37m/s

内蒙古工业大学课程设计说明书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ms，则接管内径为

壳程流体出口接管

15.443smm751.36

选择规格为φ63mm的冷轧无缝根据《化工流体流动与传热》附录二十二的冷轧无缝钢管的标准规钢管格选择规格为φ63mm×4mm，di=54mm=0.054m核算流速

415.44Sd23.140.054751.36i

m/s故选择的接管规格合适。2.4塔顶却器的设计24

-6内蒙古工业大学课程设计说明书-62.4.1确定设计案1．选择换热器的类型塔顶冷却器是把℃的含乙醇92%的饱和液冷却储存流体的进口温度都是78.3℃，热流体的出口温度35℃。冷却水的进口温度是℃，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。2.4.2根据定性度确定物性数热流体T78.3℃→35℃冷流体t←15℃（呼和浩特地区水温15℃）eq\o\ac(△,t)℃热流体的定性温度

℃2

C。冷流体的定性温度为

t

C

。根据定性温度分别查取的物性参数如下：表2-4-1

塔顶冷却器原料物性参数名称

密度ρKg/m3

定压比热kJ/(Kg·℃)

导热系数k，W/(m·℃

粘度μ·s

汽化热r冷却水(℃)

998.2

4.183

0.5989

1.005×10

-3乙醇（℃）

776.40

2.75

0.159

0.61×10

-3

水（℃）

984.25

4.184

0.65

489×102.4.3塔顶冷却换热器的衡25

内蒙古工业大学课程设计说明书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

ph

2.752.86KJ/h4.03

kgh

5.318

/h1

5.3183600

3

10006.37

5KJ/h

（2）冷却水消耗量)1pc21

1.524/h1.7751.52C)4.18310002

4

(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T78.3℃→35℃冷流体t25℃←15℃△t53.3℃20℃202m53.3ln201

35.80m

o

(4)初选K值，估算传热面积

KW/(由表3，取KW/(m选传热面积S：

2

.

QK

=

535.80

5.89m

2

S=5.89m2由于两流体温差由于两流体温差为℃，选择带有补偿圈的固定管板式换热器。33.3℃，选择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：定管板式换热26

oii内蒙古工业大学课程设计说明书oiiJB/T4715-92主要参数如下：

器型号为：表

列管参数

JB/T4715-92公称直径管子数n管中心距mm管子排列方式实际换热面积S

O

273mm5625正方形

管子尺寸/mm管长L/mm管程数Np管程流通面积/m

φ19×2.0200020.0049Sπd(L-0.0196.485W(2k)S6.48135.800

2.核算压降

K(m

)(1)管程压降PNi12ts

其中,t

N

,PV4管程流速SmA999.53600iduρ雷诺ii>104

(湍流)

u0.866miε对于碳钢管,取管壁粗糙度ε=0.1mm，所以di由《化工流体流动与转热》书的λ-Re关系图中可查得λ=0.038。Lρu2i0.0381.89810.015i

i

ΔP2

ρu20.866i2

2

1.124KPa1.12450)i(2)壳程压降27

KPai

0o12内蒙古工业大学课程设计说明书0o12mB

m

0.198ww6.0mAA

m

m

1

789.74kg/m

3

m

789.74kg/m

3e

t2

2)2

2)

e壳程流通面积d0.019)0.050.273(1)4.38t0.028

2

4.380

2壳程流速V3600uA4.38789.740

5.0m/s

5.0/s因管子排列方式为正方形，所以F=0.3。n1.1568.23雷诺数

cduρ789.74o-4

4

>

Re=2.81o

f-0.2285.0oρu2ΔP(Noo

5

f00.335

2

2

kPa

ΔP加挡板：对数2，间距m，壳径mΔP(3.52

22999.52))D20.2732

kPa2

N2tsp(3.123.2)6.32(10kPa)28

6.32o

0.80.4io内蒙古工业大学课程设计说明书0.80.4io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)管程对流传热系Re4i

ii

μp

30.5989

Pr7.02i对于低粘度流体

i

0.023

λdi

RePr所以ii0.0231.80.02(2)壳程对流传热系

4

0.4

3948.49W

2

）

i

W

K）若热流体在水平管束上冷却，用下式计算冷却传热系数：o

de

Re

0.55

Pr

0.3333

0.19820.022

5

)

0.55

0.33334130.489

2

/(m

(3)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：Rsi

(m

2

/Rs(2/Wo(4)总传热系数KK

doi

i

i

1db1oodimoK

2518292.252048.5822.413148.42/

2

29

内蒙古工业大学课程设计说明书2即K=848.633Wm计/K848.633=0.01282=12.82%计

KW/(m

/=93.3计故所选择的换热器是合适的。设计结果：选用固定管板式换热器，型号：4715-924.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，选择冷却液进出接管的流速为m/s则接管内径为

/1.282计/1.0725计

44s3.14

54.7

管程流体进出口根据《化工流体流动与传热》附录二十二的热轧无缝钢管的标准规格选择规格为φ65mm×3.5mm,di=58mm=0.058m

接管选择规格为φ×3.5mm核算流速

4420.0583600i

m/s

的热轧无缝钢管故选择的接管规格合适。(2)壳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，选择待冷却进入接管时流速为/s，则接管内径为壳程流体进口接

45.1383s3.14787.4

35.8

管选择规格为φ根据热轧无缝钢管的标准规格选择规格为φ42mm×3mm,di=36mm=0.036m

42mm×3mm的热轧无缝钢管核算流速

4Sd20.036787.4i

1.78s故选择的接管规格合适。2.5塔底再器工艺粗30

/h内蒙古工业大学课程设计说明书/h塔底再沸器物料衡算（1）估算传热面积，初选换热器型号热流体：加热蒸汽冷流体：釜残液①本物性数据的查取釜残液的定性温度：99.3oC加热蒸汽定性温度：133.3由于釜残液中乙醇含量很低，粗略计算时，可按纯水计算。查得99.3C水和133.3o的水的汽化热分别为r/kg和1r2②热负荷计算

备注和/qF由V/L,D15.423kg/hkmol/h/10001因Q3600

泡点进料q得

V/352.36kmol/h所Q

182258.410003600

3.979W蒸汽流量：

3.979636006.61C2168.11000

3

kg/h

W6.61h

3

/③确定流体的流径设计任务的冷流体为釜残液，热流体为水蒸汽，为提高加热效果，令釜残液走壳程，蒸汽走管程。2.6塔底冷却器换器的粗算塔底冷却器的计算

备注31

内蒙古工业大学课程设计说明书热量衡算1.估算传热面积(1)热负荷的计算Qhph1

3600

3

4.243.635W

3.63

(2)冷却水消耗量)1pc2136003.12kg/C)(251

W3.12

/h(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：热流体温度T99.3℃→35℃冷流体温度t35℃←15℃℃20Cm2ln201

m

2.7离心的选型与计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长的直管管路、管路中各部件（包括132

mmHZ+2f内蒙古工业大学课程设计说明书mmHZ+2f截止阀、1个取样阀、个节阀、2个准弯头）、预热器管程，再到精馏塔进料口。2.7.1物性参数的获取考虑到直管中流动的是不可压缩的液体温度使密度变化的不大可以近似认为原料液物性参数取初始温度为20℃时的数据。20℃时，乙醇的密度790kg/m3水的密度/m

3原料液平均密度：

=

50%+998.2

m

3

=0.28lg1.18

-3

+0.72lg1.0042

-3所以平均黏

P表2-7-1管路中原料液单一物质与混合物体的物性参数名称

密度ρ/kg/m

3

粘度μ20℃水

998.2

1.0042

-320℃乙醇20℃原料（50%乙醇50%水）

790882

-3-32.7.2⑴体积流

F

9.9373

=3.12m/h⑵设计输送高度（储罐液面与精馏塔进料口高度差）为，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.⑶以储罐液面为基准面，在基准面和精馏塔出口水平面之间列柏努利方程得压头计算式：管路的压头e

p-p++H33

AAi1i21内蒙古工业大学课程设计说明书AAi1i21其中Z=20m

u=0m/s

3.12=

2.05m/s⑷阻力压头损失的计算其中Z=20m

u=0m/s

=

2.05m/s⑷阻力压头损失的计算①直管阻力压头损失的计算d0.044=i=1.05-3

0.1取碳钢管的粗糙度=0.1mm，则==0.00272d44

-Re图，查

直管长L=100m，则直管压降

Hf=

1002.052=0.0332g29.81直管管路中各部件包括1个截止阀、个取样阀、个调节阀、4个标准弯头：截止阀：调节阀（全开）

=6标准弯头：=4

出口阻力系数

=1进口阻力系数

=0.5共有进口2个，出口2个所以局部阻力压降为

lHf=g16.06+620.033+6+20.5+2=6.26m冷却器管程压降为预热器管程压降为11.11kPa冷凝器管程压降为换热器的总压降为;

Hf

3

P冷却

P预热

P热

4041.3+8829.819.818829.8134

+f内蒙古工业大学课程设计说明书+f管路的压头H=Z+

b

b2

H6.26+1.64=43.96m又因为输送的液体为有机溶剂，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11.2m心泵。

/及He=51.56m，从Y型离心油泵系列中选取50Y-60型离表2-7-250Y-60型离心泵主要参数体积流量12.5

扬程/m60

轴功率/KW5.95

转速/r/min2950

效率35%由于原料液的密度

=882kg/m

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。第三章总表3.1原料预器汇总表选用带有补偿圈的固定管板式换热器型号JB/T4715-92其主要参数如下35

内蒙古工业大学课程设计说明书名称物料名称操作压力/MPa操作温度/℃流体密度/Kg/m3

管程50%乙醇，50%水50.95861.72

参数

壳程水蒸气0.3（绝压）133.31.65流量/kg/h

3

978.73传热量/W总传热系数/W/(m2·K)

1072.012

3

1072.012

3对流传热系数/W/(m2·K)

2900.55710911.87

10911.87污垢系数/(m2

0.859

压力降kPa程数推荐使用材料

2碳钢管

0.351不锈钢换热面积/m2管子规格管间距mm公称直径mm管数管长/mm管程流通面积/m排列方式

14.09φ19×22540016415000.0145正三角形管口表

简图：符号abcde

尺寸mmDN57DN57DN102DN16DN20

用途原料液入口原料液出口加热蒸气入口冷凝液出口排气口

连接形式平面平面槽面槽面槽面

3.2塔冷凝器汇总表有补偿圈的固定管板式换热器型号为：JB/T4715-92其主要参数如下36

内蒙古工业大学课程设计说明书名称物料名称操作压力/MPa