乙醇精餾系統(tǒng)換熱器設計.doc

目 錄設計任務書-2設計題目-2設計依據(jù)-2設計要求-2 物料衡算、熱量衡算-2 產(chǎn)品冷卻器選型及校核-16參考文獻及資料-21主要符號說明-21 設計任務書一、 設計題目：乙醇水精餾系統(tǒng)產(chǎn)品冷卻器設計二、 設計依據(jù)：1、 產(chǎn)量：年產(chǎn)20萬噸95%工業(yè)乙醇2、 年工作時間：300天3、 原料乙醇：濃度50%（質量）,出庫溫度254、 產(chǎn)品乙醇：濃度95%（質量），入庫溫度405、 乙醇回收率：99.5%6、 原料乙醇泡點進料，回流比R=37、 循環(huán)冷卻水進口溫度：258、 再沸氣飽和水蒸汽溫度：1509、 系統(tǒng)散熱損失：不考慮系統(tǒng)散熱損失10、 換熱器KA值裕度：2040%三、設計要求：第一節(jié)：物料衡算、熱量衡算1. 精餾塔物料衡算查化學工程手冊，乙醇、水的相對分子質量為M乙醇=46.07g/mol，M水=18.02g/mol由原料乙醇質量濃度為50%得原料乙醇的摩爾分率為：由產(chǎn)品乙醇質量濃度為95%得產(chǎn)品乙醇的摩爾分率為：原料F、塔頂餾出液D的平均相對分子質量：塔頂產(chǎn)品流率D：由乙醇回收率得： 塔底殘液流率W：摩爾分率：塔底殘液W的平均相對分子質量：2、冷凝器物料衡算、熱量衡算物料衡算假設泡點進料。塔頂液體摩爾流率L、氣體摩爾流率V:熱量衡算查表得，質量組成為95%的乙醇水溶液的沸點為78.2。此溫度下乙醇的汽化潛熱r可以下式求得：其中查化工原理上冊附表得：乙醇：A=113，B=0.4218，;水：A=445.6，B=0.3003；求得；其中 所以則冷凝塔頂混合蒸汽放出的熱量冷凝器冷卻水進口溫度為=25，故假定冷卻水出口溫度=50。取水的比熱容為時的Cp=4.206kJ/kg，設冷卻水用量為,由得:換熱要求冷凝器對數(shù)平均溫度:由傳熱基本方程 得：3、產(chǎn)品冷卻器物料衡算、熱量衡算物料衡算無相變，出口量等于進口量，物料無變化D=162.48kmol/h熱量衡算產(chǎn)品由78.2經(jīng)產(chǎn)品冷卻器降低到40，由化工原理附表:，其中，得：則產(chǎn)品冷卻器的將產(chǎn)品冷卻所需的熱量為:產(chǎn)品冷卻器進口溫度=25，假定出口溫度=41.4，則前后所需熱量相近，故假定成立。換熱要求產(chǎn)品冷卻器對數(shù)平均溫度:由傳熱基本方程得：4、原料預熱器的物料衡算、熱量衡算物料衡算無相變，出口量等于進口量，物料無變化熱量衡算 一般出原料預熱器殘液溫度比出產(chǎn)品冷卻器的原料溫度高5-10，故選擇出原料預熱器殘液的溫度為50。又進原料預熱器的殘液溫度為，則，由公式得：Cp水=4.214 kJ/（kg）原料預熱所需的熱量:原料預熱器進口溫度為41.4，假定出口溫度為66，則由公式前后所需熱量相近，故假定成立。換熱要求原料預熱器對數(shù)平均溫度:由傳熱基本方程 得：5、再沸器的物料衡算、熱量衡算物料衡算由化工原理上冊乙醇-水相平衡數(shù)據(jù)查=0.2812得=82.03精餾塔定性溫度平均溫度下由化工原理上冊公式 得：由化工原理上冊公式得：又定性溫度下Cp水=4.214kJ/（kg）由化工原理上冊公式塔釜氣相流量及液相流量：又W=6316.43kg/h，則=-W熱量衡算由化工原理上冊得飽和水蒸氣汽化熱：100 150 又換熱要求再沸器對數(shù)平均溫度:由傳熱基本方程 得： 6、物料衡算匯總表精 餾 塔乙醇質量分數(shù)摩爾流率Kmol/h質量流率Kg/h原料50% F512塔頂95%冷凝器上升蒸汽V650回流L487產(chǎn)品D163塔釜0.1070%再沸器下降液體1016回塔蒸汽667殘液W349產(chǎn)品冷卻器冷流體進口512冷流體出口512熱流體進口163熱流體出口163原料預熱器冷流體進口512冷流體出口512熱流體進口349熱流體出口3497、熱量衡算匯總表、換熱器要求匯總表名稱冷熱 流體進口溫度出口溫度交換熱kJ/htmKA值kw/精餾塔6678.2100冷凝器熱流體78.2（氣）78.2（液）39.39225.2冷流體2550產(chǎn)品冷卻器熱流體78.24024.299.73冷流體2541.4原料 預熱器熱流體1005018.4820.0冷流體41.466再沸器熱流體150（氣）150（液）50.02727冷流體100（液）100（氣）第二節(jié) 產(chǎn)品冷卻器選型及校核1、產(chǎn)品冷卻器初選(a)選擇冷卻器的類型 由于 冷熱流體溫差不大,故選固定管板式換熱器，且這類換熱器結構簡單，成本較低。(b)流程安排 選用逆流換熱。因被冷卻的流體宜走殼程，可利用殼體散熱，增強冷卻效果，故95%產(chǎn)品走殼程，50%原料走管程。2、 確定物性數(shù)據(jù)（a）定性溫度（b）物性數(shù)據(jù)根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù): 50%乙醇33.2下的物性數(shù)據(jù)95%乙醇59.1下的有關物性數(shù)據(jù)密度=783 kg/m3密度=760 kg/m3定壓比熱容Cp1=3.63 kJ/(kg)定壓比熱容Cp2=3.42 kJ/(kg)導熱系數(shù)=0.11 W/(m)導熱系數(shù)=0.115 W/(m)粘度=1.72 mPas粘度=0.64 mPas3、試算和初選換熱器規(guī)格(a)計算質量流量冷流體（50%）質量流量： 熱流體（95%）質量流量：(b)計算換熱器熱流量 (c)初選傳熱系數(shù)K估，估算傳熱面積A估 初選K估=500W/() 因為KA的裕度為20%-40%，所以選擇 KA=1.49.37=13.62kw 4、換熱器部分結構參數(shù)的確定（a）按冷卻器標準初選換熱器、確定冷卻器相關參數(shù) 選用192mm 的碳鋼管。參照化工原理（上冊）管殼式換熱器系列標準中192mm 的固定管板式參數(shù)表，當傳熱面積為38.3時，查相關參數(shù)初選的換熱器相關參數(shù)為：公稱直徑DN管程數(shù)NP管子根數(shù)NT中心排管數(shù)管子排列方式換熱管長度L管程流通面積換熱面積管心距t管子尺寸400414614正4500mm0.006538.3m25192mm（b）溫度校正系數(shù) 查化工原理上P230 單殼程四管程R-P圖得溫度校正系數(shù)=0.80（c）折流板的選用 選圓缺型折流板，切去的弓形高度為外殼內徑D的25%，間距按系列標準取h=100mm。5、校核換熱器KA值(a) 換熱器管程對流給熱系數(shù)1 定性溫度，則在定性溫度下： 此流速在0.53m/s的范圍內。 10000 校正系數(shù)：(b) 換熱器殼程對流給熱系數(shù)2取換熱器的列管中心管距t=32mm，則最大流通面積:換熱管采取正三角形排列，則當量直徑為:擋板間距h取100mm,所以擋板數(shù)n=4500/100-1=44此流速在0.21.5m/s的范圍內。(c)確定污垢熱阻查P210表6-6 得： (d)計算總傳熱系數(shù)K查表得：當換熱管為碳鋼時， (e)校核換熱器KA值參考文獻及資料（1）化工原理（上下冊） 陳敏恒 叢德滋 方圖男 齊鳴斎編著 化學工業(yè)出版社（2）換熱器設計手冊 錢頌文編著 化學工業(yè)出版社工業(yè)裝備與信息工程出版中心 （3） Auto CAD 2004中文版實用教程蔡希林編著 清華大學出版社（4）化學工程手冊第二版上卷 時鈞 汪家鼎 余國琮 陳敏恒編 化學工業(yè)出版社（5）加熱與冷卻 化學工業(yè)部主編 化學工業(yè)出版社 主要符號說明符號 意義 計量單位F 加料流率 kmol/hXF 進料液組成摩爾數(shù) D 氣相產(chǎn)物流率 kmol/hXD 氣相產(chǎn)物組成摩爾分數(shù)W 塔斧液相產(chǎn)物流率 kmol/hXW 塔斧液相產(chǎn)物摩爾組成分數(shù) 回收率q 加料熱狀態(tài)r 汽化潛熱 kJ/K 傳熱系數(shù) W/（K）L 回流液流量 kmol/hV 精餾段塔內的上升蒸汽流量 kmol/h 提留段下降的液體流量 kmol/h 提留段上升的蒸汽流量 kmol/hQ 傳熱量 kJ/kmolR 回流比NT 管子總數(shù) 熱導率 W/（mK） 粘度 Pas 流體密度 /m3Cp 流體的定壓比熱容 kJ/（kgK）tm 對數(shù)平均溫度差 d 管徑 mL 膜溫下凝液的導熱系數(shù) W