年產(chǎn)3.4萬噸酒精精餾換熱器設(shè)計(jì)

1、學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號(hào)： 201030506059課程設(shè)計(jì)說明書題 目：年產(chǎn)3.4萬噸酒精精餾換熱器設(shè)計(jì) 摘 要 換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是使熱量由較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足過程工藝條件的需要，同時(shí)也提高能源利用率的主要設(shè)備之一。換熱器行業(yè)涉及暖通、壓力容器、中水處理設(shè)備等近30多種產(chǎn)業(yè)，相互形成產(chǎn)業(yè)鏈條。 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常用作把低溫流體加熱或者把高

2、溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。換熱器既可是一種單元設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的換熱器。換熱器是化工生產(chǎn)中重要的單元設(shè)備，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱交換器的噸位約占整個(gè)工藝設(shè)備的20%有的甚至高達(dá)30%，其重要性可想而知。 在接到完成年產(chǎn)3.3萬噸酒精的生產(chǎn)任務(wù)，我在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)的思路是：在正常的生產(chǎn)過程中，利用低壓蒸汽作為加熱介質(zhì)在預(yù)熱器中對(duì)原料液進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到泡點(diǎn)81.9后利用離心泵輸送到精餾塔中進(jìn)行蒸餾，塔頂蒸餾出的酒精蒸汽輸送到塔頂冷凝器，利用循環(huán)冷卻水作為冷卻介質(zhì)使酒精蒸汽轉(zhuǎn)為液體，輸送到分配器中，調(diào)節(jié)分配器使回流比為2，使部分酒

3、精液體回流。未回流部分作為產(chǎn)品輸送到塔頂冷卻器中，在塔頂冷卻器中再次用冷卻水使其降到35輸送到儲(chǔ)裝罐中。同時(shí)，利用塔釜再沸器將塔釜液體進(jìn)行快速加熱達(dá)到泡點(diǎn)，輸送到精餾塔中進(jìn)行蒸餾，剩余的釜?dú)堃航?jīng)過塔底冷卻器冷卻后輸送到儲(chǔ)裝罐中。換熱器中流體的相對(duì)流向一般有順流和逆流兩種。順流時(shí)，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時(shí)，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進(jìn)出口溫度一定的條件下，當(dāng)兩種流體都無相變時(shí)，以逆流的平均溫差最大順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減小；若傳熱面積不變，采用逆流時(shí)可使加熱或冷卻流體消耗

4、量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費(fèi)，后者可節(jié)省操作費(fèi)，所以在我的設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量采用逆流換熱。 目 錄第一章 換熱器的設(shè)計(jì)11.1 概述 11.2 設(shè)計(jì)方案的確定及選型11.3 列管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算3第二章 列管式換熱器的工藝計(jì)算102.1 原料預(yù)熱器的工藝計(jì)算102.2 塔頂冷凝器的工藝計(jì)算. 152.3 塔頂冷卻器的工藝計(jì)算. 20第三章 匯 總 表253.1 原料預(yù)熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果26第四章 設(shè) 計(jì) 評(píng) 論27參 考 文 獻(xiàn)29致 謝30第一章 換熱器的設(shè)計(jì)1.1 換熱器的簡(jiǎn)介換熱器（英語翻譯：heat exchanger），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器

5、是化工、石油、動(dòng)力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。 因此適用于不同介質(zhì)、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結(jié)構(gòu)型式也不同，換熱器的具體分類如下： 一、換熱器按傳熱原理分類 1、表面式換熱器 表面式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動(dòng)，通過壁面的導(dǎo)熱和流體在壁表面對(duì)流，兩種流體之間進(jìn)行換熱。表面式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的換熱器。 2

6、、 蓄熱式換熱器 蓄熱式換熱器通過固體物質(zhì)構(gòu)成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質(zhì)先通過加熱固體物質(zhì)達(dá)到一定溫度后，冷介質(zhì)再通過固體物質(zhì)被加熱，使之達(dá)到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉(zhuǎn)式、閥門切換式等。 3、 流體連接間接式換熱器 流體連接間接式換熱器，是把兩個(gè)表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱量，在低溫流體換熱器把熱量釋放給低溫流體。 4、 直接接觸式換熱器 直接接觸式換熱器是兩種流體直接接觸進(jìn)行換熱的設(shè)備，例如，冷水塔、氣體冷凝器等。 二、換熱器按用途分類 1、加熱器：加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但

7、加熱流體沒有發(fā)生相的變化。 2、預(yù)熱器：預(yù)熱器預(yù)先加熱流體，為工序操作提供標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)。 3、過熱器：過熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀態(tài)。 4、蒸發(fā)器：蒸發(fā)器用于加熱流體，達(dá)到沸點(diǎn)以上溫度，使其流體蒸發(fā)。三、按換熱器的結(jié)構(gòu)分類 可分為：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、u形管板換熱器、板式換熱器等。1.2 設(shè)計(jì)方案的確定及選型在進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)年產(chǎn)3.3萬噸酒精的生產(chǎn)任務(wù)的工藝要求確定換熱系統(tǒng)的流程方案并選用適當(dāng)類型的換熱器，確定所選換熱器中流體的流動(dòng)空間及流速等參數(shù)，同時(shí)計(jì)算完成給定生產(chǎn)任務(wù)所在地需的傳熱面積，并確定換熱器的工藝尺寸且根據(jù)實(shí)際流體的腐蝕性確定換熱器的

8、材料，根據(jù)換熱器內(nèi)的壓力來確定其壁厚。1.2.1 流程方案的確定 換熱器設(shè)計(jì)的第一步是確定換熱系統(tǒng)的流程。在正常的生產(chǎn)過程中，利用低壓蒸汽作為加熱介質(zhì)在預(yù)熱器中對(duì)原料液進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到泡點(diǎn)81.9后利用離心泵輸送到精餾塔中進(jìn)行蒸餾，塔頂蒸餾出的酒精蒸汽輸送到塔頂冷凝器，利用循環(huán)冷卻水作為冷卻介質(zhì)使酒精蒸汽轉(zhuǎn)為液體，輸送到分配器中，調(diào)節(jié)分配器使回流比為2，使部分酒精液體回流。未回流部分作為產(chǎn)品輸送到塔頂冷卻器中，在塔頂冷卻器中再次用冷卻水使其降到35輸送到儲(chǔ)裝罐中。綜合考慮地理位置等因素，我認(rèn)為使用水蒸汽作為加熱介質(zhì)和循環(huán)冷卻水做為冷卻介質(zhì)是比較經(jīng)濟(jì)的。1.2.2 換熱器類型的選擇列管式換熱器的結(jié)

9、構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，操作彈性大，應(yīng)用材料廣，歷史悠久，設(shè)計(jì)資料完善，并已有系列化標(biāo)準(zhǔn)，特別是在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。不同形式的列管式換熱器主要針對(duì)換熱器管程與殼程流體的溫度差不同設(shè)計(jì)。由于列管式換熱器管束與殼體內(nèi)通過流體的溫度不同，會(huì)引起管束與殼體熱膨脹程度的差異，若兩側(cè)流體的溫度差較大時(shí)，需加入膨脹節(jié)。根據(jù)熱補(bǔ)償方法不同，列管式換熱器有以下幾種形式。（1） 固定管板式換熱器固定管板式換熱器兩端的管板與殼體連在一起。這類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于50。c且殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。補(bǔ)償圈的彈性變形可減少溫差應(yīng)力，這種補(bǔ)償方法使用于兩流體溫差小

10、于70。c，且殼方流體壓強(qiáng)不高于600kpa的情況。（2） 浮頭式換熱器換熱器的管板有一個(gè)不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)。浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清洗和檢修，適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱，應(yīng)用極為普通，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。（3） 填料式換熱器管束一端可以自由膨脹，與浮頭式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，但殼程流體有外漏的可能性，因此殼程不能處理易燃、易爆的流體。原料預(yù)熱器冷熱流體的溫度差大于70。c，所以選用浮頭式換熱器。冷凝器的平均溫差大于50。c小于70。c，所以選用帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。塔頂冷卻器兩流體溫差小于50。c，可

11、以選用普通的固定管板式換熱器。 此外，在確定選用換熱器的型式時(shí)，即要依據(jù)兩流體的溫度差考慮熱補(bǔ)償?shù)膯栴}，還應(yīng)考慮流體的性質(zhì)及檢修和清晰等因素。1.2.3 列管式換熱器的基本參數(shù) 基本參數(shù) 管殼是換熱器的基本參數(shù)包括： 公稱換熱面積sn； 公稱直徑dn； 公稱壓力pn； 換熱器管長(zhǎng)度l； 換熱管規(guī)格； 管程數(shù)np。1.2.4 設(shè)計(jì)的基本原則（1） 流體流徑的選擇流體流徑的選擇是指在管程和殼程各走哪一種流體，以固定管板式換熱器為例，介紹一些選擇的原則。 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程，因?yàn)楣艹糖逦^方便。 若兩流體溫差較大，宜使對(duì)流傳熱系數(shù)大的流體走殼程，因壁面溫度與h大的流體接近，以減少管壁與殼壁

12、的溫差，減少溫差應(yīng)力。根據(jù)上述原則，在后面的換熱器設(shè)計(jì)中，應(yīng)該盡量使乙醇液體或者冷卻水走管程，水蒸汽或者乙醇蒸汽走殼程。 壓力高的流體宜走管程，以免殼體受壓，可節(jié)省殼體金屬消耗量。 被冷卻的流體宜走殼程，可利用殼體對(duì)外散熱作用，增強(qiáng)冷卻效果。 飽和蒸汽宜走殼程，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，一般不需清洗。 有毒易污染的流體宜走管程，以減少泄漏量。 流量小或粘度大的流體宜走殼程，因流體在有折流擋板的殼程中流動(dòng)，由于流速和流向的不斷改變，在低re下即可達(dá)到湍流，以提高傳熱系數(shù)。（2） 流體流速的選擇 流體流速的選擇涉及到傳熱系數(shù)、流動(dòng)阻力及換熱器結(jié)構(gòu)等方面。增大流速，可加大對(duì)流傳熱系數(shù)，減少

13、污垢的形成，使總傳熱系數(shù)增大；但同時(shí)使流動(dòng)阻力加大，動(dòng)力消耗增多；選擇高流速，使管子的數(shù)目減小，對(duì)一定的換熱面積，不得不采用較長(zhǎng)的管子或增加程數(shù)，管子太長(zhǎng)不利于清洗，單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶄鳠釡夭钕陆?。因此，一般需要通過多方面權(quán)衡選擇適宜的流速。（3） 冷卻介質(zhì)終溫選擇在換熱器的設(shè)計(jì)中，進(jìn)、出換熱器物料的溫度一般是由工藝確定的，而冷卻介質(zhì)（或加熱介質(zhì)）的進(jìn)口溫度一般為已知，出口溫度則由設(shè)計(jì)者根據(jù)自己的實(shí)際情況設(shè)定。如用冷卻水冷卻某熱流體，水的進(jìn)口溫度可根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件作出估計(jì)，而出口溫度需經(jīng)過經(jīng)濟(jì)權(quán)衡確定。為了節(jié)約用水，可使水的出口溫度高些，但所需傳熱面積加大；反之，為減小傳熱面積，則可增加水量

14、，降低出口溫度。一般來說，設(shè)計(jì)時(shí)冷卻水的溫度差可取8-10。c。缺水地區(qū)可選用較大溫差，水源豐富地區(qū)可選用較小溫差。內(nèi)蒙古屬于偏干旱地區(qū)水資源較為缺乏，所以設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)出口溫度可以較大。 (4)加熱介質(zhì)根據(jù)工藝要求以及設(shè)備的承壓能力，加熱介質(zhì)可選用低壓蒸氣。1.2.5 列管式換熱器結(jié)構(gòu)的確定列管式換熱器主要分為管程和殼程兩部分。（1） 管程結(jié)構(gòu) 換熱管常用換熱管的規(guī)格有192mm, 252mm。換熱管在管板上的排列方式有正方形直列、長(zhǎng)方形錯(cuò)列、三角形直列、三角形錯(cuò)列和同心圓排列。管板列管式換熱器管板是用來固定管束連接殼體和端蓋的一個(gè)圓形厚板，它的受力關(guān)系比較復(fù)雜。厚度計(jì)算應(yīng)根據(jù)我國“鋼制壓力容器設(shè)

15、計(jì)規(guī)定”進(jìn)行。管板上開有管孔，管孔的排列方式有三角形、正方形和同心圓形。三角形可排列較多的管子，裝配較多的管子，傳熱效果較好，所以常被采用，管子中心距一般在1.25d（d為管子外徑）。 管箱列管式換熱器管箱即換熱器的端蓋，也叫分配室。用以分配液體和起封頭的作用。壓力較低時(shí)可采用平蓋，壓力較高時(shí)則采用凸形蓋，用法蘭與管板連接。檢修時(shí)可拆下管箱對(duì)管子進(jìn)行清洗或更換。 （2） 殼程結(jié)構(gòu)殼體是一個(gè)圓筒形的容器。直徑小于400mm的殼體通常用鋼管制成，大于400mm的用鋼板卷焊而成。根據(jù)工作溫度選擇殼體材料，有防腐要求時(shí)，大多考慮使用復(fù)合金屬板。折流擋板列管式換熱器折流板的作用是；增強(qiáng)流體在管間流動(dòng)的湍

16、流程度；增大傳熱系數(shù)；提高傳熱效率。同時(shí)它還起支撐管束的作用。因?yàn)檎羝睦淠c流動(dòng)狀態(tài)無關(guān)而且為了使冷凝水更好地排除，所以冷凝器不設(shè)折流板。列管式換熱器除上述部件外，列管換熱器根據(jù)尺寸大小和用途不同，大型換熱器還設(shè)有拉桿、旁路擋板；冷凝器設(shè)有攔液板等等。1.2.6 殼程和管程數(shù)的確定當(dāng)管內(nèi)流體流量較小時(shí)，會(huì)使管內(nèi)流速較低，對(duì)傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。列管式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多管程時(shí)，合理的換熱器管的長(zhǎng)度為1.5、2、3或6m。管長(zhǎng)與殼體直徑之比l/d為4-6，水平放置的換熱器可取大些。1.3 列管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算1.3.1設(shè)計(jì)步驟1.系

17、統(tǒng)物料衡算根據(jù)產(chǎn)量要求，計(jì)算換熱系統(tǒng)的原料量、產(chǎn)品量，再進(jìn)一步確定所需計(jì)算的換熱器，逐步進(jìn)行換熱器的選用。2.選用換熱器計(jì)算熱負(fù)荷，冷卻介質(zhì)的用量計(jì)算或加熱介質(zhì)用量的計(jì)算。計(jì)算平均溫度差，當(dāng)兩側(cè)的流體均為變溫傳熱時(shí)，應(yīng)進(jìn)行溫度差的校正。試算并初選設(shè)備規(guī)格 3.試算并初選設(shè)備規(guī)格 (1) 計(jì)算定性溫度，并確定在定性 溫度下流體的性質(zhì)。 (2) 由總傳熱速率方程 qkstm，初步算出傳熱面積s，并確定換熱器的基本尺寸(如d、l、n及管子在管板上的排列等)，或按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)備規(guī)格。 (3) 確定流體在換熱器中的流動(dòng)途徑。 (4) 計(jì)算平均溫度差。 (5) 依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍，或按生產(chǎn)實(shí)際情

18、況，選定總傳熱系數(shù)k選值。 3計(jì)算管、殼程壓強(qiáng)降 根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格，計(jì)算管、殼程流體的流速和壓強(qiáng)降。檢查計(jì)算結(jié)果是否合理或滿足工藝要求。若壓強(qiáng)降超過工藝允許的范圍，則要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流板間距，或選擇另一規(guī)格的設(shè)備，重新計(jì)算壓強(qiáng)降直至滿足要求為止。 4核算總傳熱系數(shù) 計(jì)算管、殼程對(duì)流傳熱系數(shù)hi 和ho，確定污垢熱阻rsi和rso，再計(jì)算總傳熱系數(shù)k選，比較k得初始值和計(jì)算值，若k計(jì)/ k選1.101.25，則初選的設(shè)備合適。否則需另設(shè)k選值，重復(fù)以上計(jì)算步驟 。 通常，進(jìn)行換熱器的選擇或設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿足傳熱要求的前提下，再考慮其他各項(xiàng)的問題。1.3.2計(jì)算主要公式傳熱速率方程式

19、q = kstm 式中 q傳熱速率(熱負(fù)荷)，w； k總傳熱系數(shù)，w/(m2)； s與k值對(duì)應(yīng)的傳熱面積，m2； t m平均溫度差，。 （1）傳熱速率(熱負(fù)荷) q傳熱的冷熱流體均沒有相變化，且忽略熱損失，則 q = whcph ( t1 t2 ) = wccpc( t2 t1 )流體有相變化，如飽和蒸汽冷凝，且冷凝液在飽和溫度下排出，則q = whr = wccpc( t2 t1 ) 式中 w流體的質(zhì)量流量， kg/s； cp流體的平均定壓比熱容， j/(kg)； t熱流體的溫度，； t 冷流體的溫度，。r 飽和蒸汽的冷凝潛熱，j/kg下標(biāo)h和c分別表示熱流體和冷流體，下標(biāo)1和2分別表示換熱

20、器的進(jìn)口和出口。 （2）平均溫度差 一側(cè)恒溫，逆流與并流的平均溫差相等tm =(t1-t2)/ln(t1/t2)式中 t1、t2分別為換熱器兩端熱、冷流體的溫差，。 （3）管程壓強(qiáng)降 pi =（p1+p2）ftnsnp其中：p1 = p2 =式中： p1 直管中因摩擦阻力引起的壓力降，pa； p2 回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，pa；可由經(jīng)驗(yàn)公式ft 結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，252.5mm的換熱管取1.4；192mm的換熱管取1.5 。 ns 串聯(lián)的殼程數(shù)； np 管程數(shù)。 （4）殼程壓強(qiáng)降 殼程無折流擋板，殼程壓力降按流體沿直管流動(dòng)的壓力降計(jì)算，以殼方的當(dāng)量直徑de代替直管內(nèi)徑di。 殼程有

21、折流擋板,計(jì)算公式如下： po =（p1+p2）fsns p1= ff0nc（nb + 1）u2o / 2p2=nb3.5 （2 b / d） （uo2）/ 2nb = l / z 1f0 = 5.0reo 0.228nc = 1.1n 1/2ao= h( d ncdo)式中 p1流體橫過管束的壓力降，pa； p2流體流過折流擋板缺口的壓力降，pa； fs結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，對(duì)液體fs =1.15；對(duì)氣體fs =1.0； f管子排列方式對(duì)壓力降的校正系數(shù)：三角形排列f =0.5，正方形 直列f = 0.3，正方形錯(cuò)列f =0.4； f0殼程流體的摩擦系數(shù)， nc橫過管束中心線的管數(shù)，可按式3

22、-2及式3-3計(jì)算； h折流板間距，m； d殼體直徑，m； nb折流板數(shù)目； uo按殼程流通截面積so計(jì)算的流速，m/s。 （5）總傳熱系數(shù)ko (以外表面積為基準(zhǔn))初選換熱器時(shí)，應(yīng)根據(jù)所要設(shè)計(jì)的換熱器的具體操作物流選取k的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，選定的k的經(jīng)驗(yàn)值為k選， 確定了選用的換熱器后，需要對(duì)換熱器的總傳熱系數(shù)進(jìn)行核算，管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)管外對(duì)流傳熱系數(shù)則，總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式為： 式中 k0基于換熱器外表面積的總傳熱系數(shù)，w/(m2)； hi，ho傳熱管內(nèi)、外側(cè)流體的對(duì)流傳熱系數(shù)，w/(m2)； rsi，rso傳熱管內(nèi)、外側(cè)表面上的污垢熱阻，m2/ w； di，do，dm換熱器列管的內(nèi)徑、外徑及平均

23、直徑，m； k列管管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m)； b傳熱管壁厚，m。 由上式計(jì)算得到的總傳熱系數(shù)為k計(jì) 。（6）接管內(nèi)徑 d =（4 vs /u）1/2 核算流速 u = 4 vs /d2式中： d 接管內(nèi)徑，m ； vs 管程、殼程流體的體積流量，m3 / s ; u 流體流速，m / s 。第二章 列管式換熱器的工藝計(jì)算2.1 原料預(yù)熱器的工藝計(jì)算已知： =8744.51kg/h =4722.22 kg/h =4028.65kg/h q=1 r=l/d=2 =46 =18 d=4722.22/40.96=115.29kg/h平均摩爾質(zhì)量： ； 所以全塔物料衡算：f=w+d fxf=wxw+d

24、xd 所以r=l/d=2 l=2d=230.6kg/h （1）估算傳熱面積，初選換熱器型號(hào)熱流體：水蒸氣冷流體：原料液基本物性數(shù)據(jù)的查取原料液的定性溫度 130 （絕對(duì)壓力為0.3mpa）釜?dú)堃旱亩ㄐ詼囟?（20+81.9）/2 =50.95物性參數(shù)：名稱密度kg/m3定壓比熱cpkj/(kg)導(dǎo)熱系kw/(m)粘度pas汽化熱rkj/kg乙醇50.957642.980.1480.710-3水 50.95988.14.170.66255.49410-4水蒸汽1301.4960.681.32410-52174.2水 130934.84.2660.68442.1710-4熱負(fù)荷計(jì)算qh = whr

25、 =wfcpc(t2-t1)=qccpm= （c乙醇+c水 ）/ 2 = 3.58 kj/(kg)qc= wccpm(t2-t1)= 8744.513.58103(81.9-20)/3600 = 538278w =1937801 kj/h因?yàn)閞=2174.2 kj/kg ，水蒸汽的消耗量：wh= qc / r = 891.27kg/h確定流體的流徑設(shè)計(jì)任務(wù)的熱流體為水蒸氣，冷流體為原料液，為防止原料液在管程中流動(dòng)從而使管程結(jié)垢，所以令水蒸氣走殼層，原料液走管程。計(jì)算平均溫度差暫按單殼程二管程考慮，先求逆流平均溫度差 水蒸氣 t1=130 t2 =130 原料液 t2=81.9 t1=20 t

26、48.1 110tm=（110-48.1）/ln（110/48.1）=74.8 (tm70）計(jì)算r：r=(t1-t2)/(t2-t1)=0 無需校正tm。選k值，估算傳熱面積取k=700w/(m2)s=q/(ktm )=538278 /（70074.8）=10.3m2初選換熱器型號(hào) 由于兩流體溫差大于70，可選用浮頭式換熱器初選換熱器型號(hào)為：jb/t 325- i-2.5-10.73主要參數(shù)如下：外殼直徑325mm公稱壓力2.5mpa公稱面積10.73m2管子尺寸192.0管子數(shù)60管長(zhǎng)3m管中心距25mm管程數(shù)np2管子排列方式正三角形管程流通面積0.0053m2實(shí)際換熱面積：so=ndol

27、=603.140.0193=10.73m2采用此換熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為：k=q/ (sotm )=538278/（10.7374.8）=670.66w/(m2)（2）核算壓強(qiáng)降管程壓強(qiáng)降 pi=（p1+p2）ftnsnp (其中ft=1.4，ns=1，np=2)1/m=wa/a+wb/b ， 平均密度：m=861.72kg/m3 lgm =xilgi ，平均粘度： m=6.7110-4 pas管程流速：ui=wc/(mai)=8744.51/(861.720.00533600)=0.5318m/srei=dimui /m=（0.015861.720.5318）/（6.711

28、0-4）=10.244103對(duì)于碳鋼管，取管壁粗糙度=0.1，則相對(duì)粗糙度為/di=0.1/15=0.007由教材-re關(guān)系圖查得，=0.041p1=0.041（3/0.015）（861.20.53182）/2=774pap2= 3861.720.53182/2=365.55papi=（p1+p2）ftnsnp=（999+366）1.412=3822pa（50kpa）所以管程壓強(qiáng)降符合設(shè)計(jì)要求。 殼程壓強(qiáng)降 po=（p1+p2）ftns (其中ft=1.0，ns=1 , ) 因?yàn)闅こ套叩臑樗魵猓恍枰诱哿鲹醢?nc=1.1(60)0.5=8.52殼程流通面積： ao=（/4）(d2- nd

29、o2 ) =（3.14/4）（0.3252-8.520.0192） =0.0803 m2殼程流速：uo=wh/(ao)=891/(1.4960.08033600)=2.06m/sreo=douo /=（0.0191.4692.06）/（1.32410-5）=4.343103 （500）fo=5.0reo-0.228=5.0（4.343103）-0.228=0.741管子為正三角形排列f=0.5p1=ffonc（ nb+1）u2o/2p1=0.50.7418.52(1+1)1.4962.062/2=19.7papo=p1fsns=19.711=19.7pa（100 kpa）計(jì)算結(jié)果表明，管程和殼

30、程的壓降均能滿足條件（3）核算總傳熱系數(shù)管程對(duì)流傳熱系數(shù)cp=（c乙醇+c水 ）/ 2 = 3.58 kj/(kg)k=0.5(0.148+0.6625)=0.405 w/(m)m=6.7110-4 pas w/(m2)殼程對(duì)流傳熱系數(shù) =2112.5 w/(m)污垢熱阻由表查得：rso=0.85910-4 ( )/wrsi=1.719710-4( )/w總傳熱系數(shù)k:k=670.66 w/(m)dm=(do-di)/ln(do/di)=0.01692m =1/1.6610-3即 ko=837w/(m2)由于 (ko k)/k=（837-670.66）/ 670.66= 24.8% 故所選的換

31、熱器是合適的 （4）接管管程流體進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)流體流速為：u=2m/s，則接管內(nèi)徑為d=(4v/u)0.5、=(48744.51/3.142861.723600)0.5=0.042m，查出do=50mm,b=3mm,di=42mm，因?yàn)閡=v/ao=(48744.51)/(3.143600861.720.0422)=2.04m/s( 1m/s u 3m/s) 符合所以，標(biāo)準(zhǔn)接管內(nèi)徑為42mm。殼程流體進(jìn)口接管，取接管內(nèi)流體流速為：u=30 m/s，則接管內(nèi)徑為d=(4v/u)0.5=(891.274)/(3.1436001.46930)=0.085m，查出do=95mm,b=5.0mm,

32、di=85mm，因?yàn)閡=v/ao=(891.274)/(3.1436001.4690.0852)=29.7m/s( 20m/s u 40m/s) 符合 所以，標(biāo)準(zhǔn)接管內(nèi)徑為40mm殼程流體進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)流體流速為：u=2.0 m/s，則接管內(nèi)徑為d=(4v/u)0.5=(891.274)/(3.143600934.82)=0.013m，查出do=15mm,b=1.0mm,di=13mm，因?yàn)閡=v/ao=(891.274)/(3.143600934.80.0132)=1.996m/s( 1m/s u 3m/s) 符合 所以，標(biāo)準(zhǔn)接管內(nèi)徑為13mm。2.2 全凝器的工藝計(jì)算（1） 估算傳熱

33、面積，初選換熱器型號(hào)熱流體：以純蒸汽（92%）冷流體：冷卻水 （15）基本物性數(shù)據(jù)的查取92%乙醇蒸汽的定性溫度 78.3 冷卻水的定性溫度 （15+35）/2 =25物性參數(shù)：名稱密度kg/m3定壓比熱cpkj/(kg)導(dǎo)熱系kw/(m)粘度pas汽化熱rkj/kg乙醇液78.3736.7750.15324.410-4846乙醇?xì)怏w78.31.62481.80460.0221.03810-5850水78.3972.8174.1950.67453.56510-4水蒸汽78.30.29290.62281.153510-52307.8冷卻水20998.24.830.5989100.510-5熱負(fù)荷

34、計(jì)算rm =92%850 + 8%2307.8=966.7 kj/kgwh=l+d=4722.2784+9444.5568=14167kg/hq= w* rm = 14167966.7103/3600=3804.2103w由 q=wccpc ( t2 - t1) 得wc=qh/cpc ( t2 - t1)=3804.2103/4.183103（35-15）=45.47kg/s =163699.73 kg/h確定流體的流徑設(shè)計(jì)任務(wù)的熱流體為乙醇蒸汽，冷流體為冷卻水，為使乙醇蒸汽通過殼壁面向空氣中散熱從而提高冷卻效果，所以令乙醇蒸汽走殼層，冷卻水走管程。計(jì)算平均溫度差暫按單殼程雙管程考慮，先求逆流

35、平均溫度差 乙醇蒸汽 t1=78.3 t2 =78.3 冷卻水 t2=20 t1=15 t 58.3 63.3tm =（63.3-58.3）/ln（63.3/58.3）=60.8 （50tm70,接近，需加膨脹節(jié)）計(jì)算r：r=(t1-t2)/(t2-t1)=0 無需校正tm。選k值，估算傳熱面積取k=600w/(m2)s=q/(ktm )=3804.2103/（60060.8）=120.5m2初選換熱器型號(hào) 由于兩流體溫差接近50，可選用帶有熱膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，初選換熱器型號(hào)為：g273-2.5-4.4主要參數(shù)如下：外殼直徑700mm公稱壓力2.5mpa公稱面積122.6 m2管子尺寸

36、252.5管子數(shù)355管長(zhǎng)4.5 m管中心距32mm管程數(shù)np1管子排列方式正三角形管程流通面積0.1115m2實(shí)際換熱面積：so=ndo (l-0.1)=3553.140.025(4.5-0.1)=122.617m2采用此換熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為：ko=q/ (sotm )= 3804.2103 /（122.61752.6）=589.83w/(m2)（2）接管管程流體進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)流體流速為：u=2m/s，則接管內(nèi)徑為d=(4v/u)0.5=(445.47/3.142998.5)0.5 =0.170m，查出do=190mm,b=10mm,di=170mm，因?yàn)閡=4v

37、/d2=(1444594)/(3.14998.50.0172)=1.999 m/s ( 1m/s u 3m/s)所以，標(biāo)準(zhǔn)接管內(nèi)徑為190mm殼程流體進(jìn)口接管，取接管內(nèi)流體流速為：u=30 m/s，則接管內(nèi)徑為d=(4v/u)0.5=(414167/3.14301.62483600)0.5 =0.3206m查出do=345mm,b=10mm,di=325mm因?yàn)閡=4v/d2=(141674)/(3.141.624836000.3252)=29.2m/s( 20m/s u 40m/s)所以，標(biāo)準(zhǔn)接管內(nèi)徑為325mm。殼程流體出口接管，取接管內(nèi)流體流速為：u=2.0 m/s，則接管內(nèi)徑為d=(4

38、v/u)0.5=(414167/3.142752.53600)0.5 =0.058m，查出do=68mm,b=5mm,di=58mm，因?yàn)閡=v/ao=(141674)/(3.143600752.50.0582)=1.98m/s( 1m/s u 3m/s)所以，標(biāo)準(zhǔn)接管內(nèi)徑為58mm。2.3 塔頂冷卻器的工藝計(jì)算（1）估算傳熱面積，初選換熱器型號(hào)熱流體：含乙醇為92%的乙醇液體 冷流體：冷卻水（15）基本物性數(shù)據(jù)的查取乙醇液的定性溫度 （78.3+25）/ 2=51.65冷卻水的定性溫度 （35+15）/ 2 =25物性參數(shù)：名稱密度kg/m3定壓比熱cpkj/(kg)導(dǎo)熱系kw/(m)粘度p

39、as汽化熱rkj/kg乙醇液56.657602910.1646.6710-4水56.65985.54.1770.65564.9610-42500冷卻水20998.54.1830.5898100510-5熱負(fù)荷計(jì)算cpm=92%c乙醇+8%c水 =3.186 kj/(kg)q=whcpm(t1-t2) =4722.283.186(78.3-35)3600=180960 wq=whcpm(t1-t2)= wccpm(t2-t1)所以冷卻水耗量： wc=q/cpc ( t2 - t1) = 180960/4.18310315 =2.88 kg/s = 10383kg/h確定流體的流徑設(shè)計(jì)任務(wù)的熱流體

40、為乙醇液體，冷流體為冷卻水，為使乙醇液體通過管壁面向空氣中散熱提高冷卻效果，所以令乙醇液體走殼程，冷卻水走管程。計(jì)算平均溫度差暫按單殼程雙管程考慮，先求逆流平均溫度差 乙醇蒸汽 t1=78.3 t2=35 冷卻水 t2=30 t1=25 t 48.3 10tm =（48.3-20）/ln（48.3/20）=28.52計(jì)算r：r=(t1-t2)/(t2-t1)=(78.3-35)/(30-25)=3.55 p=(t1-t2)/(tt1-t1)= (30-25)/(78.3-25)=0.09由教材4-19圖查得 =tm* =28.520.9=25.67選k值，估算傳熱面積取k=380 w/(m2)

41、s=q/(ktm )=180960 /（38025.67）=18.6m2初選換熱器型號(hào) 由于兩流體溫差小于50，可選用普通的固定管板式換熱器，初選換熱器型號(hào)為：g700 -4.0-13.8主要參數(shù)如下：外殼直徑dn400mm公稱壓力pn2.5mpa公稱面積18.8m2管子尺寸192管子數(shù)108管長(zhǎng)3m管中心距32mm管程數(shù)np4管子排列方式正三角形管程流通面積0.0008 m2實(shí)際換熱面積：so=ndl=1083.140.0252.9=24.5862 m2采用此換熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為：ko=q/ (sotm )= 180960/（24.586225.67）=286.72w/

42、(m2)（2）接管管程流體進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)流體流速為：u=2.0 m/s，則接管內(nèi)徑為d=(4v/u)0.5=(42.88/ (3.142998.5)0.5=0.04m，查出do=45mm,b=2.5mm,di=40mm，因?yàn)閡=v/ao=(103834)/(3.14998.536000.042)=2.30m/s ( 1m/s u 3m/s)所以，標(biāo)準(zhǔn)接管內(nèi)徑為40mm。殼程流體進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)流體流速為：u=2 m/s，則接管內(nèi)徑為d=(4v/u)0.5=(42.88/ (3.142998.5)0.5=0.043m，查出do=49mm,b=2mm,di=45mm，因?yàn)閡=v/ao=(

43、4722.284)/(3.14752.50.0452)=1.10m/s ( 1m/s u 3m/s)所以，標(biāo)準(zhǔn)接管內(nèi)徑為45mm。備注：d=115.3kg/hf=8744.5144kg/hw=222.76kg/hqh=538278wtm=74.8so=10.73m2k=670.66w/(m2)m=861.72kg/m3m=6.7110-4 pasui=0.5318m/srei=10.244103uo=2.06m/sreo=4.343103k=0.405w/(m) w/(m2)w/(m2)rso=1.719710-4 ( )/wrsi=1.719710-4( )/wko=837w/(m2)管程進(jìn)出