乙醇-水精餾塔頂產(chǎn)品全凝器的設(shè)計

1、化工原理課程設(shè)計說明書題目： 6.9×104噸/年 乙醇-水精餾塔頂產(chǎn)品全凝器的設(shè)計 姓名： 班級學(xué)號： 指導(dǎo)老師： 完成時間： 1.設(shè)計任務(wù)書1.1設(shè)計題目乙醇-水精餾塔頂產(chǎn)品全凝器的設(shè)計1.2設(shè)計任務(wù)及操作條件處理能力 6.9×104 噸/年產(chǎn)品濃度 含乙醇95%（w/w）操作壓力 常壓操作溫度 78冷卻介質(zhì) 循環(huán)水，入口溫度30，出口溫度40允許壓降 105 Pa每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行。1.3設(shè)計項目 設(shè)計方案簡介 對確定的工藝流程及換熱器型式進行簡要敘述。 換熱器的工藝計算 確定換熱器的傳熱面積 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 對本設(shè)計的評述 繪制換熱器總

2、裝配圖 一張主視圖；一張剖面圖；一張局部放大圖（選作）2.設(shè)計方案簡介2.1選擇換熱器的類型 因為夾套式換熱器、套管式換熱器、板式換熱器等都有著傳熱面積小、金屬消耗量大、流量小且處理量不大等缺點。因此列管式換熱器由于其結(jié)構(gòu)簡單、堅固、適應(yīng)性強、制造容易且處理量大等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。對于本次課設(shè)，初步選擇使用的便是浮頭式換熱器。2.2流動空間及流速的確定循環(huán)水不清潔且易結(jié)垢，為方便水垢清洗。加之水流動壓力比乙醇蒸汽高，液態(tài)水粘度較高，因此循環(huán)水應(yīng)走管程。而作為飽和乙醇蒸汽在管間冷凝，易于及時排出冷凝液，且走殼程便于高溫乙醇蒸汽的散熱。綜上所訴，應(yīng)使冷卻水走管程，乙醇蒸汽走殼程冷凝。取管徑為

3、6;25mm×2mm的不銹鋼管，管內(nèi)流速為1 m/s。 3.工藝流程草圖及說明如圖所示，由精餾塔上升乙醇蒸汽作為進料。蒸出乙醇氣體從1號接管進入換熱器，再從2號接管流出進入冷凝液儲槽。循環(huán)水從3號接管進入再從4號接管出來。到達冷凝液儲槽的冷凝液，一部分作回流液回流，另一部分經(jīng)冷卻后為產(chǎn)品。4.工藝計算及主體設(shè)備設(shè)計4.1確定物性參數(shù)殼程乙醇蒸汽定性溫度為 T=78+782=78管程冷卻水的定性溫度 t=30+402=35因此，通過查閱課本文獻獲得以下數(shù)據(jù)名稱溫度密度kg/m3導(dǎo)熱系數(shù) W/m-1K-1粘度Pa·s比熱容kJ/kg·比汽化熱kJ/kg水35993.9

4、50.62657.274×10-44.174241295%乙醇78738.590.16475.566×10-43.550953.764.2計算總熱負荷 乙醇的進料速度 q=6.9×104×100024×300×3600=2.4200kg/s 95%乙醇比汽化熱 =0.95純乙醇+0.05水=885.1×0.95+2258.4×0.05=953.76kJ/kg因此可以計算出設(shè)備的熱負荷Q=q·=2.400kg/s×953.76kJ/kg=2289kw4.3對于錯流的平均溫差的計算求溫度矯正系數(shù) P

5、=t2-t1T1-t1=40-3078-30=0.208 R=T1-T2t2-t1=0 通過差溫差校正系數(shù)圖中的1殼程圖得其1，大于0.8 。因此，選用但殼程的列管式換熱器。7878403038 48 逆流計算溫差 tm=48+382=43 校正后溫差 tm=tm=434.4估算設(shè)備K值與換熱面積A于是根據(jù)書中表4-7的有機物粘度=0.51 mPa·s（乙醇為0.7274mPa·s）有機物冷凝水體系K值的大致范圍為200700 W/m2·K初選530 W/m2·K，得 A估=QK估tm=2289×1000530×43=100.44m2

6、 換熱器工藝結(jié)構(gòu)尺寸 4.5管程流量的計算水的流量可以通過熱量恒算求得 Q=2289kw=q水·c水·t既 q水=Qc水·t=2289kw4.174kJ/kg·×（40-30）=54.84kg/s4.6通過估算面積和流量計算管程數(shù)和管子根數(shù)管程管子選擇Ø25mm×2mm的不銹鋼管，內(nèi)徑d1=21mm，外徑d2=25mm。管內(nèi)水流速初選u=1m/s估算單程管根數(shù) q水=4d12un'得 n'=q水4d12u=54.84993.95×4×1×（21×10-3）2=159.3

7、根根據(jù)傳熱面積估算管子長度 L'=A估d2n'=100.44×21×10-3×159.3=9.515米若使用2管程，則每管程官長選用l=4500mm，管子數(shù)約為320根。有換熱器系列標準初選浮頭式換熱器型號為BES-800-2.5-125.4-4.5/25-2。相關(guān)參數(shù)如下表。公稱直徑 DN/mm800公稱壓力 PN/MPa2.5管程數(shù) Np2管子根數(shù) n366中心管子根數(shù) n15管子直徑 mm25×2換熱管長度 mm4.5換熱面積 S/m2125若選擇該型號的換熱器，則該過程的總傳熱系數(shù)為K0=QS0tm=2289kw125m2

8、5;43=425.86W5換熱器核算5.1計算管程對流傳熱系數(shù)管程流動面積 Ai=4d2nNP=4×（25-4）×10-32×3662=0.06338m2進一步計算出流速 u=q水水Ai=0.87 m/s計算出雷諾數(shù) Re=du=(25-4)×10-3×0.87×993.957.274×10-4=24964.710000 湍流圓形直管強制湍流公式 Nu=0.023Re0.8Prn其中Pr=CP=4.174×1000×7.274×10-40.6265=4.846；Cp比熱容；黏度；熱導(dǎo)率；水流被加

9、熱n取0.4由Nu=l 得管程對流傳熱系數(shù) =0.023ddu0.8Cpn =0.0230.626521×10-5×24964.70.8×4.8460.4 =4250.6 W/(m2·)5.2計算殼程對流傳熱系數(shù)殼程為95%乙醇冷凝，而冷凝器為臥式，故冷凝為水管外冷凝，使用公式 =0.725（2g3（nT/ns）d0t）14 其中為比汽化熱J/kg;為冷凝液密度kg/m3; 為冷凝熱導(dǎo)率W/(m·k); 為冷凝液黏度Pa·s；t為飽和溫度ts與壁面溫度tw之差；nt為管子總數(shù)；定性溫度為膜溫，既t=ts+tw2，特征尺寸管外直徑d0

10、。 壁溫tw的計算 Q=2289kw=tw-t（12+Rd2）1A2 得 tw=Q×(1+Rd2)A2+t 其中A2=A(2125)2=120.6×0.7=85 m2；Q為2289kw；為4250.6 W/k·m2 ;Rd2為0.58×10-3m2·k/W解得tw=56.95繼續(xù)計算Tw由 Q=Tw-twbAm 得 Tw=QbAm+tw 其中Q=2289kw，b=4×10-3，=45W/m·k，Am=120.6+852=102.8m2。 解得 Tw=58.93 因此可獲得式子中t的大小為78-54.4=21.05，而定性溫度

11、為66.07。 由文獻得ns=1.370nT0.518，解得ns=29，則nT/ns=12.6. 算得殼程傳熱系數(shù) =0.725（2g3（nT/ns）d0t）14 =0.725（738.592×9.8×953.76×103×0.164735.566×10-4×21.05×0.023×12.55）14 =1167.98W/m2·5.3 總傳熱系數(shù)（以外壁為基準）確定污垢內(nèi)阻水塔用水 5.8×10-4 m2·k/W95%乙醇 1.76×10-4 m2·k/W則總傳熱計算

12、系數(shù)計算式為 1K=11+Rd1+bd1dm+Rd2d1d2+d12d2 =11169.98+1.76×10-4+4×10-3×25×10-345×23×10-3+5.8×10-4×25×10-323×10-3+14250.6×25×10-323×10-3 =2.098×10-3 解得 K=476.6 W/m2· > 425.86W/m2·實際換熱器面積為 S=QK0tm=2289×103476.6×43=11

13、1.83m2該換熱器的面積裕度為 H=S0-SCSC=125-111.83111.83=11.8%穿熱氣面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。5.4核算壓強降Pi=（P1+P2）FtNP 其中Ft=1.5，Ns=1，Np=2管程流動面積 Ai=4d2nNP=4×（25-4）×10-32×3662=0.06338m2進一步計算得出 u=q水水Ai=0.87 m/s進一步計算其雷諾數(shù) Re=du=(25-4)×10-3×0.87×993.957.274×10-4=24964.7 10000 湍流設(shè)管壁的粗糙度 =0.1mm，d

14、=0.121=4.76×10-3，查化工原理P37-Re圖得：=0.033所以P1=Lui22d=0.033×4.50.021×993.95×0.8722=2660 Pa P2=3u22=3×993.95×0.8722=1128 Pa P=2660+1128×1.5×1×2=11364 Pa105Pa管程壓強降壓符合要求。殼程為乙醇氣體且流量低，估算壓降遠小于要求。6.輔助設(shè)備的計算及選型折流擋板計算采用圓缺形折流擋板，切去圓缺高度為內(nèi)徑的25%，因此可取高度h=0.25×800得200mm，擋

15、流板的間距B=0.5D得400mm。算得折流板數(shù)NB=4500400-1=11-1=10（塊）。由下表查詢可知，折流板厚度選4mm。7.設(shè)計一覽表換熱器型式：浮頭式換熱器工藝參數(shù)流體空間管程殼程物料名稱循環(huán)水甲醇蒸汽操作溫度30/4078/78操作壓力MPa0.10130.1013流體密度kg/m3993.95738.59流速m/s0.87流量kg/s54.842.42傳熱量kw2289對流傳熱系數(shù)W/ m2·K4250.61167.98總傳熱系數(shù)W/m2·K476.6污垢系數(shù) m2·K/W5.8×10-41.76×10-4程數(shù)21使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格25×2管數(shù)366根管長4500mm管間距mm32排列方式45度斜正方形折流板型式上下間距400切口