乙醇-水精餾塔頂產(chǎn)品冷凝器的設(shè)計

PAGE目錄設(shè)計任務(wù)書……2計算工藝流程及草圖…………3精餾塔的物料衡算……….3塔頂溫度的計算………….4塔板數(shù)的確定…………….6換熱器的設(shè)計初選換熱器的選型……….8工藝流程及草圖說明…….9工藝計算及主體設(shè)備設(shè)計……………….9初選換熱器的規(guī)格………10換熱器的核算……………11傳熱管排列和分程方法…………………13輔助設(shè)備的設(shè)計…………17換熱器這要結(jié)構(gòu)及尺寸和計算結(jié)果表1.計算結(jié)果表2.CAD繪制設(shè)備輔助圖五．結(jié)論六．符號說明七．參考文獻(xiàn)第一章任務(wù)書1.1化工原理課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目：A：乙醇—水精餾塔頂產(chǎn)品冷凝器的設(shè)計原始數(shù)據(jù)：1、年處理產(chǎn)量：9萬噸2、原料液溫度：303、原料液濃度（乙醇質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）：38%4、產(chǎn)品濃度：塔頂乙醇含量不小于95%；塔底乙醇含量不大于0.5%（乙醇質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）5、精餾塔頂壓強(qiáng)：4kpa(表壓)6、塔頂采用全凝器，泡點(diǎn)回流。7、冷卻水溫度：入口溫度258、飽和水蒸汽壓力：3kgf/cm2（表壓）9、塔：單板壓降≤0.7kPa；換熱器：允許壓降≤105Pa10、設(shè)備形式：換熱器——列管式換熱器11、廠址：12：每年按320天運(yùn)行，每天按24小時計三、設(shè)計內(nèi)容

A：1、設(shè)計方案簡介：對確定的工藝流程及換熱器型式進(jìn)行簡要論述；2、換熱器的工藝計算：確定換熱器的傳熱面積；3、換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計；4、主要輔助設(shè)備選型；四、設(shè)計成果1、設(shè)計說明書一份。內(nèi)容包括：①目錄；②設(shè)計題目及原始數(shù)據(jù)(任務(wù)書)；③設(shè)計方案的說明和論證；④設(shè)計過程的有關(guān)計算和數(shù)據(jù)匯總；對于非理想物系，與修正的拉烏爾定理可得式中,為純組分的飽和蒸汽壓，,為純組分A,B的活度系數(shù)。壓力，溫度，和濃度對活度系數(shù)的值都有影響，一般影響不大。溫度的影響可按下面的經(jīng)驗(yàn)公式計算：式中常熟C對不同的物系，不同組成，數(shù)值不同?？捎靡唤M已知數(shù)據(jù)求取如下：〈1〉按已知的常壓下乙醇-水氣液平衡組成（摩爾）與溫度關(guān)系查表2-2常壓下乙醇-水氣液平衡組成（摩爾）與溫度關(guān)系溫度/℃液相氣相溫度/℃液相氣相溫度/℃液相氣相10000 82.723.3754.4579.357.3268.4195.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.8589.07.2138.9181.532.7359.2678.4174.7278.1586.79.6643.7580.739.6561.2278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.7965.6484.116.6150.8979.751.9865.99內(nèi)差法求tF：tF=83.543℃tD：tD=78.174℃tW：tW=99.526℃（b）用Antoine方程分別計算tD溫度下A、B組分的飽和蒸汽壓；（2-3）（2-4）得100.721kPa=43.976kPa（c）用修正的拉烏爾定律計算活度系數(shù)=1.008(2-5)=2.266(2-6)（d）對組分A、B的常熟分別為CA、CB，于是=315.27×log(1.008)=1.388(2-7)=315.27×log(2.266)=112.233(2-8)(e)用試差法計算塔頂溫度設(shè)溫度t=79℃用安托尼方程計算該溫度下A、B組分的飽和蒸汽壓得：=104.0675kPa=45.48603kPa忽略壓力影響，可以認(rèn)為溫度變化時組分A、B的常數(shù)，CA、CB不變濃度xA的活度系數(shù)可表示如下：帶入CA、CB和T得1.388=可得：=1.009112.233=可得：=2.08由(2-9)可知P=103.796kPa同理調(diào)試得t=79.2℃時，可算出P=105.63kPa，相對誤差==0.29%小于5%可行。因?yàn)閠D=79.2℃，相對誤差==1.38%，因?yàn)檎`差不大，故塔底溫度可直接用tw=99.5℃由此可知壓力對相平衡組成的影響不大故塔低可直接用常壓下的操作數(shù)據(jù)計算2.1.2理論塔板的計算理論板：指離開這種板的氣液兩相互成平衡，而且塔板上液相組成均勻。由作圖法可知最小理論板數(shù)Nmin=9例如假設(shè)R=2，則R=2*3.184=6.368，由于，由X,Nmin可通過吉利蘭關(guān)聯(lián)圖查出Y解的N。查圖可知Y=0.24，由可得到N=12.1L=R×D=6.318×108.63=691.77(kmol/h)(2-10)V=(R+1)D=(6.318+1)×108.63=800.48(kmol/h)(2-11)L’=L+F=691.77+500.1=1191.85(kmol/h)（2-12）V’=V=800.48kmol/h表2-3回流比的選擇R/RminRminRXYL/(kmol/h)V/(kmol/h)1.43.1844.4580.2330.430484.242592.8751.53.1844.7760.2760.400518.831627.4641.63.1845.0940.3130.390553.420662.0531.73.1845.4130.3480.340588.009696.642圖2-2回流比選擇圖由圖可以看出當(dāng)回流比選1.6Rmin時費(fèi)用最少，故操作回流比

R=1.6Rmin=5.094當(dāng)R=5.094時，L=553.42（kmol/h）V=662.05kmol/h）則進(jìn)入冷凝器的量為=（662.05*42.74）（kg/h）=28296.017kg/h三．換熱器的設(shè)計1.初選換熱的選型表2-4換熱器的分類列管式固定管板式剛性結(jié)構(gòu)用于管殼溫差較小的情況（一般≦50℃，關(guān)鍵不能清洗，殼程清洗空難，殼程易走不宜結(jié)構(gòu)的物質(zhì)帶膨脹節(jié)有一定溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受低壓力，不超過0.6MPa浮頭式適用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和結(jié)垢的場合，造價比固定式高20%U形管式管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難，管子難以更換填料函式外填料函管間容易泄露，不易處理易揮發(fā)，易爆炸及壓力較高的介質(zhì)內(nèi)填料函密封性能差，不能用于壓差較小的場合。釜式殼體上部有個蒸發(fā)空間，用于再沸蒸煮雙套管式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場合和固定反應(yīng)器（1）兩流體溫度變化情況塔頂熱流體（乙醇蒸汽）進(jìn)口溫度：79.2℃：出口溫度79.2℃（過程中只有相關(guān)）根據(jù)地區(qū)全年平均溫度30℃，冷卻水進(jìn)口溫度為25℃，而冷卻水的出口溫度為避免大量結(jié)垢而且兩端溫差一般介于5—10℃且從設(shè)備費(fèi)用考慮固定管板式費(fèi)用較低。（2）流動空間安排、流向的確定雖然冷卻水易垢，但乙醇易揮發(fā)、易爆炸走殼層不易漏，雖然流速太低將會加快污垢的增長速度使用換熱器的熱流層下降，再者，飽和蒸汽宜走管洞，以便于及時排除冷凝液，工業(yè)生產(chǎn)都是從安全穩(wěn)定角度考慮，所以總體考慮，冷卻水應(yīng)該走管程，乙醇蒸汽應(yīng)該走殼程，易冷凝。在相同的流率、熱容率比和傳熱面積下逆流的效率要比并流的效率高所以采用逆流流向。2.工藝流程及草圖說明如圖所示，首先由A設(shè)備一精餾塔上升的乙醇蒸汽作為進(jìn)料，從1號接管進(jìn)入B設(shè)備—冷凝器，再從2號接管流出進(jìn)入C設(shè)備—分配器，其中冷卻水從3號接管進(jìn)入再從4號接管出來，所出來的水帶有一定的熱量，作為精餾塔原料液的預(yù)熱。分配器的冷凝液一部分作為回流液回流，另一部分經(jīng)過冷卻后為產(chǎn)品，整個工藝流程大體是這樣。3.工藝計算及主體設(shè)備設(shè)計（1）殼程乙醇的定性溫度：℃管程冷卻水的定性溫度：℃查化工物性手冊（無機(jī)卷，有機(jī)卷）表2-5流體物性數(shù)據(jù)物性物質(zhì)溫度（℃）密度（kg/m3）粘度（pa.s）比熱容（kj/kg）導(dǎo)熱系數(shù)（W/(mk)）汽化熱（kj/kg）乙醇79.2743.296499*1033.0130.21824水30995.7800.7*1034.1740.6182424(3)計算冷流體的流量γ（3-1）（3-2）則 由于則兩流體的溫差℃<50℃估所選固定管板式換熱器（4）計算有效平均溫差Δ℃（3-3）4.初選換熱器的規(guī)格選取經(jīng)驗(yàn)傳熱系數(shù)K值根據(jù)管程走循環(huán)水，殼程走乙醇總傳熱系數(shù)K=467-814[W/(m2℃)]現(xiàn)暫取K=680[W/(m2℃)](2)估算換熱面積（3-4）(3)初選換熱器的規(guī)格如下：（利用系列標(biāo)準(zhǔn)換熱器計算）固定管板式換熱器的規(guī)格如下表2-6換熱器的尺寸公稱直徑D1000mm工程換熱面積A227m管程數(shù)NP2管數(shù)n488管長6000mm管子直徑φ25mm*2.5mm管子排列方式正三角形管程流通截面積0.0846m管中心距32mm換熱器的實(shí)際換熱面（3-5）該換熱器所需求的總傳熱系數(shù)K℃）]5.換熱器的核算（1）計算殼程對流傳熱系數(shù)（3-6）（3-7）（3-8）（3-9）查t=30℃時，水的，則℃）](2)計算殼程對流傳熱系數(shù)因?yàn)榕P式管殼式換熱器，殼蒸汽在程為乙醇飽和蒸汽冷凝為高河液體后離開換熱器，故可按蒸汽在水平管外冷凝的計算公式計算（3-10）現(xiàn)假設(shè)管外壁溫℃，則冷凝液膜的平均溫度為查在59.6℃下乙醇的物性參數(shù)：（查化工物性手冊有機(jī)卷）物質(zhì)密度（kg/m3）粘度(pas)導(dǎo)熱系數(shù)[w/(mk)]]汽化熱(kj/kg)溫度Δt(℃)乙醇766.1680.0006030.16971881.9219.6則)](3)確定污垢熱阻1.72m2℃/w(有機(jī)液體)m2℃/w(循環(huán)水)（4）總傳熱系數(shù)（3-11）=則462.83<598.99(則此設(shè)計不合理)重新假設(shè)壁溫，同理可求當(dāng)=78℃時，同理求得>598.99[W/(m2℃)]所選換熱器的安全系數(shù)為：[(782.5-598.99)/598.99]=30.6%表面該換熱器的傳熱面積裕度符合要求。（5）核算壁溫與冷凝液流型，一般忽略管壁熱阻按近似計算公式（3-12）=78.46℃這與假設(shè)相符可以接受（6）核算流型冷凝負(fù)荷：M=[kg/(ms)]（3-13）>4000(湍流)（3-14）（7）計算流動阻力a.管程流動阻力（3-15） 取碳鋼的管壁粗糙度為0.1mm.則，而，于是：（3-16）pa（3-17）（3-18）對于φ25mm×2.5mm的管子有Ft=1.4Np=2Ns=1∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)Ft·Np·Ns=(21141.4+6776)×1.4×2×1＝78168.72＜②計算殼程壓力降殼程為恒溫恒壓蒸汽冷凝，可忽略壓降。由此可知，所選換熱器合適6.傳熱管的排列和分程方法采用正三角形排列即每程內(nèi)均按正三角形排列取管心距a=1.25d,兩管外徑之間的距離不能小于6mm即a≥﹙d+6)mm所以a=1.25×25＝32mm橫過管束中心線的管線：n＝1.1根（3-19）⑴殼體內(nèi)徑采用多管結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.7.殼體內(nèi)徑為D=1.05a=1.05×32×（3-20）圓整可取900mm②折流板采用弓形折流板取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去圓缺高度為h=0.25×900＝225mm取折流板間距B=0.6DB=0.6×900=540mm折流板數(shù)：＝傳熱管長／折流板間距－1（3-21）=6000／540-1=10塊7、接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)乙醇的流速為2.13m／s則接管內(nèi)徑為：d=（3-22）可圓整為管徑為φ750mm×12mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m／s,則接管內(nèi)徑為d＝可圓整為φ400mm×12mm四、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果1、計算結(jié)果表換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果列管式換熱器工藝參數(shù)流體空間管程殼程物料名稱循環(huán)水乙醇蒸汽操作溫度℃25/3579.2流體密度㎏／995.7743.296流速m／s2.13流量㎏／h583626.0624368899.79傳熱量kw 6769.14對流傳熱系數(shù)w／㎡k8382.45656.78總傳熱系數(shù)w／㎡k782.5污垢系數(shù)㎡℃／w1.722.0程數(shù)21阻力壓降Mpa0.0782使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格φ25×25管數(shù)488根管長6000mm管間距32排列方式正三角形折流板型式上下間距540mm切口高度225mm殼體內(nèi)徑900換熱面積226.022、CAD繪制設(shè)備附圖（見附圖）總結(jié)通過這次的課程設(shè)計，我總結(jié)了在設(shè)計中需要認(rèn)真地計算好每一步，仔細(xì)查好每一個設(shè)計所需要的參數(shù)，需要學(xué)會在設(shè)計計算中發(fā)現(xiàn)問題，并通過查閱資料和聯(lián)系實(shí)際來解決這些問題。總的來說要想設(shè)計更好的，更合適工業(yè)生產(chǎn)的換熱器。那還需要大量查閱資料，不斷累積經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)知識。符號