乙醇水冷凝器设计说明书

乙醇水冷凝器设计说明书乙醇水冷凝器设计说明书#/14目录TOC\o"1-5"\h\z.设计方案简介 2.工艺流程草图及其说明 2\o"CurrentDocument"3。主要设备的计算和说明 4初选换热器规格计算 41换热器选型 42确定流体的定性温度,物性数据 43。1.3计算传热量Q 53。1。4计算有效平均温差，按逆流计算 55估算K值的大小 63。1。6工艺结构设计 63。1。6。1管径及管内流速 66.2管程数和传热管数 63。1。6。3传热管排列和分程办法 73。1。6.4壳体内径的计算 73。1。6.5折流挡板 7。6其他附件 73。1.6。7计算混合气的密度 73。1.6.8接管 8.9核算总传热系数 93。1。6.9。1计算管程对流传热系数 93。1。6。9。2计算壳程对流传热系数 93。1.6。9.3确定污垢热阻 103。1.6。9.4总传热系数 103。1。6。9。5核算壁温 103。1。6.9.6计算压降 11所选固定管板式换热器的结构说明 123.2。1管程结构 123.2.1.1密封形式 123.2.1.2管子的排列 123。2.1。3管板 123。2。1.4封头和管箱 123。2.2壳体结构 123.2。2。1壳体 133.2。2。2折流挡板 133。2。2.3缓冲板 133.2.3其他主要附件 134。换热器的主要结构和计算结果……………145。思考题 152乙醇一水精馏塔项产品冷凝器的

设计任务书1、设计题目乙醇一水精馏塔顶产品全凝器的设计。设计一冷凝器，冷凝乙醇一水系统精馏塔顶部的馏出产品。产品中乙醇的浓度为95%,处理量为（x）义104t/a,要求全部冷凝.冷凝器操作压力为常压，冷却介质为水，其压力为0.3MPa，进口温度为30℃，出口温度为40℃.工程背景：采用薯类及谷类原料进行发酵。发酵法制乙醇是一个很复杂的生化过程,发酵在密封的发酵罐中进行产生的CO2的纯度达99%-99.5%以上,其余为气态杂质，组分（以CO2质量为基准）为：乙醇0。4%—0。8%,脂类:0。03%—04%,酸类：8.0.08%-0。09％。成熟发酵醪中的乙醇必须经过初馏、精馏和除杂才能得到合格的乙醉.本课程设计即为粗乙醇（初馏塔出来的乙醇一水溶液），在进行精馏获得合格产品的过程中，精馏塔顶冷凝器的设计。发酵法制乙醇的工艺也可以参考有关书籍或文献资料。设计的目的：通过对乙醇一水系统精馏塔顶产品全凝器的设计，使学生了解和掌握化工单元操作设备设计的步骤、方法及基本技能,熟悉文献资料及物性参数的查阅和收集方法，懂得如何论证优化设计方案,合理科学地应用公式及数据。在设计中提高学生的分析能力和解决问题的能力。2、设计任务及操作条件①处理量：（x）义10Nt/年②产品浓度:含乙醇95%；③冷却介质：P为0。3MPa,入口温度30℃,出口温度40℃；④操作压力：常压；⑤允许压降：不大于10八5Pa；⑥每年按330天计，每天24h连续运行。⑦设计项目：a.设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。b.换热器的工艺计算:确定换热器的传热面积.c.换热器的主要结构尺寸设计.d.主要辅助设备选型。e.绘制换热器总装配图。3、设计说明书的内容①目录；②设计题目及原始数据（任务书）；③论述换热器总体结构（换热器型式、主要结构）的选择；④换热器加热过程有关计算（物料衡算、热量衡算、传热面积、换热管型号、壳体直径等）;⑤设计结果概要（主要设备尺寸、衡算结果等）；⑥主体设备设计计算及说明;⑦主要零件的强度计算（选做）；⑧附属设备的选择（选做）；⑨参考文献；⑩后记及其他。4、设计图纸要求附工艺流程图及冷凝器装配图一张。5、设计思考题①换热器及工作原理？②影响传热的主要因素有哪些?③何为冷凝器，冷凝器的主要型式及结构？④选择走管程或壳程的介质应考虑什么原则？⑤循环冷却水的进出口温度确定原则？⑥设计冷凝器的主要步骤.⑦对冷凝器的设计你进行了哪些优化？3主要设备的计算和说明一、初选换热器规格计算列管式换热器是目前应用最广泛的一种换热设备，设计资料和数据比较完善，并且有结构牢固,适应性大，材料范围广的独特优点,因此初选列管式换热器。相比乙醇来说,冷却水较容易结垢，因此选择水过管程，易于清洗，乙醇过壳程，便于散热.确定流体的定性温度，物性数据,并选择列管式换热器的形式.冷却水介质取自来水,进口温度为30℃，出口温度为40℃。由于塔顶产品乙醇出口相型为液相,而入口相型为气相，固中间在壳程存在相变。假定全程只存在冷凝段，而没有冷却段，固易知出口温度为液态凝点为78。2℃。而由于乙醇在壳程中发生了相变，若忽略相变流体压力的变化，则相变流体在整个换热面上保持其饱和温度，即可知进口温度为78。2℃.水的定性温度==35℃塔顶乙醇的定性温度==78。2℃两流体的温度差—=78.2-35=43.2℃〈50℃，同时压力为0。3mpa〈0.588mpa,压力满足要求，固选用固定板管式换热器。下表为两流体在定性温度下的物性参数\^物性流体、、温度T(℃)密度PKg/黏度uMpa•s比热容kJ/(kg•℃)热导系数人W/(m•℃)液化潜热r/(kJ/kg)95%乙醇78。2738。590.55663。550.1647925.265冷却水35992.20.7284。1740。63382258。4计算传热量Q已知乙醇的处理量为=2.4X吨/年=0。8418kg/s管程处汽化潜热=X95%+X5%二885。1X95%+2258。4X5%=925。265kJ/kg计算传热量，即Q=X=0.8418kg/sX925.265kJ/kg=778。89kw忽略换热器的热损失，则水的流量可由热量衡算求得Q=XX(—)则二==18.66kg/s计算有效平均温差，按逆流计算热流体：=78。2℃一=78.2℃冷流体：=40℃ — =30℃温差At：38。2℃ 48.2℃逆流时的对数平均温差：At===43℃温度校正：p===0R= ==0。21由P,R查对数平均温差校正系数得At^1.0〉0.8，固可选单壳程列管式换热器.贝lJ=AtAt=43℃估算K值的大小K值的估算往往依靠经验，由水及乙醇的黏度可知K的范围为300〜700W/(・℃),初选K=350W/(・℃)估算换热面积:A===51。75工艺结构6。1管径及管内流速管径选取25mm2.5mm,管内流速取=1m/s壳程流速取二0。8m/s6。2管程数和传热管数设单程管数为4内径为，外径为则水的体积流量===0.0188/s贝ljn==^62根则管长L===10。62m,考虑做成单管程管子过长，固根据实际情况取管长为5。5m,则该换热器的管程数=10.62+5。5弋2则传热管总数为=622=124根6。3传热管排列和分程办法采用组合排列的方法，由于是2程换热器,在每一程中选择采用三角形排列法，而隔板中间则选择用正方形排列法。由换热管外径为25mm,查表得中心距s=32mm,分程隔板槽两侧相邻管中心距=44mm横过管数中心线的管数=1.19=1.19=14根6.4壳体内径的计算采用两管程结构，取管板利用率、=0.7,则壳体内径为D=1。05t=1.0532=447mm,圆整可取D=500mm6。5折流挡板采用弓形折流挡板，取弓形折流挡板的圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度h=0。25500=75mm.取折流板间距为B=0.4D,则B=0。4500=200mm则折流板数=-1=—1=28—1=27块折流挡板圆缺面水平装配6.6其他附件拉杆直径取①12mm,数量取4〜5根，壳程入口应设置防冲挡板6。7计算混合气的密度=5.733Kg/（气态）=0。2788Kg/（气态）

=5%0。2788+95%5。733=5。46Kg/6.8接管①壳程流体（混合气体）进口接管，取接管内气体流速为20m/s（饱和蒸汽的速度范围是20m/s到40m/s）,则接管内径为===0.099m取标准管径为①194mm5mm出口接管取管内液体流速为0。8m/s（乙醇管内安全流速为0。8m/s〜1.5m/s）,则接管内径为==0.043m取标准管径为①89mm5mm②管程流体（循环水）进出口接管，取接管内循环水的流速为2m/s,则接管内径为==0.11m/s取标准管径为①219mmmm则初选固定管板式换热器规格如下：TOC\o"1-5"\h\z公称直径DN/mm 500公称压力PN/Mpa 1管程数N 2管子根数 124中心管子数 8管子直径/mm

25mm2。5mm换热管长度L/mm550051.7551.75换热面积S/管子排列方法

中心线采用正方形排列，两侧采用正三角形排列冷凝器的实际传热面积：=n（L—0。1）=1240。025（5.5—0。1）=52.59该换热器所要求的传热系数至少为:===344W/（•℃）6.9核算总传热系数①计算管程对流传热系数==1.0124=0。039=（）=62=0。0195===2m/s===54516。48>10000（湍流）===4。794故管程对流传热系数=0。023=0.023二8397.5W/（^℃）②计算壳程对流传热系数，因为卧式管壳式换热器中，壳程为95%乙醇饱和蒸汽冷凝为饱和液体后离开换热器,故可按蒸汽在水平管外冷凝的计算公式计算=0。725 =1.022（三角形直列）因为95%的乙醇一直处于泡点恒温状态,则冷凝液膜平均温度为95%的乙醇泡点温度78。2℃。故采用95%的乙醇泡点温度时的物性数据，在层流下：=1.022=1。022弋13=0.725=0。725弋942¥/(•℃)③确定污垢热阻=1。72(乙醇)=2。0(冷却水)④总传热系数=600.01W/(•℃)>344W/(•℃)所选用的换热器的安全系数为=74。45％则该换热器的裕度符合生产要求。⑤核算壁温核算壁温时，可忽略管壁的热阻,由下列近似求得值代入数据有:求得=43。13℃这及假设的冷凝液膜的壁温43℃相差不大,故合理核算流型,冷凝负荷M===0。0865kg/(m・s)===621.63〈1800符合层流假设⑥计算压降计算管程压降^Ap=(Ap1+Ap2)(为结构矫正系数，为管程数，为壳程数)取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm,贝lj£/d=0.005,而Re=54516.48.于是入=0。1=0.1=0.031A=人二0。031=12592.96PaA=3==4431.36Pa对于①252。5mm的管子有=1.4,=2,=1SAp=(Ap1+Ap2)=(12592.96+4431.36)=47668.09Pa总压降壳程降小于Pa,符合生产要求，设计合理计算壳程压力降,壳程为恒温恒压蒸汽冷凝,其压降可忽略。由此可知,所选换热器合适二、所选固定管板式换热器的结构说明.管程结构操作温度高于30℃,所以选用焊接形式,此种方式的优越性在于加工简便,焊接强度较高,管板孔加工要求低,在高温下仍能保持连续的紧密性等。1.2管子的排列此换热器采用①25mm2。5mm的规格，采用正三角形排列，由于是焊接，则管间距（管中心的间距）t及管外径的比值为1。25。1.3管板管板和壳体的连接有可拆和不可拆两种,固定管板式换热器常用不可拆连接,两端的管板直接焊接于外壳上并延伸到壳体周围之外兼做法兰,拆下管箱即可检修胀口或清扫管内污垢。而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。管板及管子的连接可胀接或焊接，所设计换热器的连接方式为焊接.1。4封头和管箱封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。由于所设计的和换热器的壳体直径较小，故采用封头，接管和封头可采用法兰连接，接头及壳体之间用螺纹连接,以便卸下封头，检查和清洗管子。2、壳体结构壳体壳体呈圆筒形，壳壁含有接管，采用不锈钢管制成。在壳程进口接管处装有防冲板，以防止进口流体直接撞击管束上部的管排，因为流体的撞击会侵蚀管子，并引起振动。、折流挡板折流挡板的主要作用是引导壳程流体反复的改变方向做错流流动,以加大壳程流体流速和湍流速度，致使壳程传热系数提高,另外折流挡板还起了支撑管子的作用，防止管束振动和弯曲。所设计的换热器选用圆缺形折流挡板，切缺率为25%，采用垂直放置。缓冲板3。其他主要附件3.1旁通挡板旁通挡板可减小管束外环间隙的短路，用它增加阻力，迫使大部分流体通过管束进行热交换。3。2假管3.3拉杆和定距管为了使折流挡板能牢靠地保持在一定的位置上，采用拉杆和定距管。3。4防冲挡板在壳程进口接管处装有防冲挡板，可防止进口流体直接冲击管束而

造成管子的侵蚀管束振动，还有使流体沿管束均匀分布的作用。第三部分换热器的主要结构和计算结果换热器形式：固定管板列管式换热器换热面积（：51。75工艺参数名称管程壳程管子规格（mm）①25mm2。5mm物料名称水95%乙醇管子数量124操作压力（Mpa）0.610。1管长（山山）5500操作温度（℃）30/4078。2管间距（mm