乙醇-水精餾塔頂產(chǎn)品全凝器的設(shè)計(jì)

1、.化工原理課程設(shè)計(jì)說明書題目： 6.9104噸/年 乙醇-水精餾塔頂產(chǎn)品全凝器的設(shè)計(jì) 姓名： 班級學(xué)號： 指導(dǎo)老師： 完成時(shí)間： 1.設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1設(shè)計(jì)題目乙醇-水精餾塔頂產(chǎn)品全凝器的設(shè)計(jì)1.2設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件處理能力 6.9104 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(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。1.3設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)方案簡介 對確定的工藝流程及換熱器型式進(jìn)行簡要敘述。 換熱器的工藝計(jì)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(jì) 對本設(shè)計(jì)的評述 繪制換熱器總裝配圖 一張主視圖；一

2、張剖面圖；一張局部放大圖（選作）2.設(shè)計(jì)方案簡介2.1選擇換熱器的類型 因?yàn)閵A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(diǎn)。因此列管式換熱器由于其結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、適應(yīng)性強(qiáng)、制造容易且處理量大等優(yōu)點(diǎn)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(shí)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25mm2mm的不銹鋼管，管內(nèi)

3、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(jìn)料。蒸出乙醇?xì)怏w從1號接管進(jìn)入換熱器，再從2號接管流出進(jìn)入冷凝液儲槽。循環(huán)水從3號接管進(jìn)入再從4號接管出來。到達(dá)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(jì)算及主體設(shè)備設(shè)計(jì)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(xiàn)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Pas比熱容kJ/kg比汽化熱kJ/kg水35993.950.62657.27410-44.174241295%乙醇78738

4、.590.16475.56610-43.550953.764.2計(jì)算總熱負(fù)荷 乙醇的進(jìn)料速度 q=6.91041000243003600=2.4200kg/s 95%乙醇比汽化熱 =0.95純乙醇+0.05水=885.10.95+2258.40.05=953.76kJ/kg因此可以計(jì)算出設(shè)備的熱負(fù)荷Q=q=2.400kg/s953.76kJ/kg=2289kw4.3對于錯(cuò)流的平均溫差的計(jì)算求溫度矯正系數(shù) P=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。78784030

5、38 48 逆流計(jì)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(jī)物粘度=0.51 mPas（乙醇為0.7274mPas）有機(jī)物冷凝水體系K值的大致范圍為200700 W/m2K初選530 W/m2K，得 A估=QK估tm=2289100053043=100.44m2 換熱器工藝結(jié)構(gòu)尺寸 4.5管程流量的計(jì)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(jì)算管程數(shù)和管子根數(shù)管程管子選擇25mm2mm的不銹

6、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=54.84993.9541（2110-3）2=159.3根根據(jù)傳熱面積估算管子長度 L=A估d2n=100.442110-3159.3=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(biāo)準(zhǔn)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 mm252換熱管長度 mm4.

7、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=2289kw125m243=425.86W5換熱器核算5.1計(jì)算管程對流傳熱系數(shù)管程流動面積 Ai=4d2nNP=4（25-4）10-323662=0.06338m2進(jìn)一步計(jì)算出流速 u=q水水Ai=0.87 m/s計(jì)算出雷諾數(shù) Re=du=(25-4)10-30.87993.957.27410-4=24964.710000 湍流圓形直管強(qiáng)制湍流公式 Nu=0.023Re0.8Prn其中Pr=CP=4.17410007.27410-40.6265=4.846；Cp比熱容；黏度；熱導(dǎo)率；水流被加熱n取0.4由

8、Nu=l 得管程對流傳熱系數(shù) =0.023ddu0.8Cpn =0.0230.62652110-524964.70.84.8460.4 =4250.6 W/(m2)5.2計(jì)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/(mk); 為冷凝液黏度Pas；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 。 壁溫tw的計(jì)算 Q=2289kw=tw-t（12+Rd2）1A2 得 tw=Q(1

9、+Rd2)A2+t 其中A2=A(2125)2=120.60.7=85 m2；Q為2289kw；為4250.6 W/km2 ;Rd2為0.5810-3m2k/W解得tw=56.95繼續(xù)計(jì)算Tw由 Q=Tw-twbAm 得 Tw=QbAm+tw 其中Q=2289kw，b=410-3，=45W/mk，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，而定性溫度為66.07。 由文獻(xiàn)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.

10、725（738.5929.8953.761030.164735.56610-421.050.02312.55）14 =1167.98W/m25.3 總傳熱系數(shù)（以外壁為基準(zhǔn)）確定污垢內(nèi)阻水塔用水 5.810-4 m2k/W95%乙醇 1.7610-4 m2k/W則總傳熱計(jì)算系數(shù)計(jì)算式為 1K=11+Rd1+bd1dm+Rd2d1d2+d12d2 =11169.98+1.7610-4+410-32510-3452310-3+5.810-42510-32310-3+14250.62510-32310-3 =2.09810-3 解得 K=476.6 W/m2 425.86W/m2實(shí)際換熱器面積為 S

11、=QK0tm=2289103476.643=111.83m2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(qiáng)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）10-323662=0.06338m2進(jìn)一步計(jì)算得出 u=q水水Ai=0.87 m/s進(jìn)一步計(jì)算其雷諾數(shù) Re=du=(25-4)10-30.87993.957.27410-4=24964.7 10000 湍流設(shè)管壁的粗糙度 =0.1mm，d=0.121=4.7610-3，查化

12、工原理P37-Re圖得：=0.033所以P1=Lui22d=0.0334.50.021993.950.8722=2660 Pa P2=3u22=3993.950.8722=1128 Pa P=2660+11281.512=11364 Pa105Pa管程壓強(qiáng)降壓符合要求。殼程為乙醇?xì)怏w且流量低，估算壓降遠(yuǎn)小于要求。6.輔助設(shè)備的計(jì)算及選型折流擋板計(jì)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=0.25800得200mm，擋流板的間距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(jì)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/ m2K4250.61167.98總傳熱系數(shù)W/m2K476.6污垢系數(shù) m2K/W5.810-41.7610-4程數(shù)21使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格252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切口高度200mm殼體內(nèi)徑mm800換熱面積125m8.對本設(shè)計(jì)的評述在這