《化工原理》課程設(shè)計指導(dǎo)書(精餾塔之預(yù)熱器、冷凝器、再沸器)+)

1、化工原理課程設(shè)計指導(dǎo)書精餾塔的預(yù)熱器、冷凝器、再沸器工藝設(shè)計適應(yīng)專業(yè)：化學(xué)工程與工藝編寫作者：胡建明編寫日期：2007.7邵陽學(xué)院生物與化學(xué)工程系預(yù)熱器、冷凝器、再沸器的工藝設(shè)計概述 蒸餾是化工生產(chǎn)中分離均相液體混合物的典型單元操，其歷史悠久，應(yīng)用廣泛。蒸餾的基本原理是將液體混合物部分汽化、部分冷凝，利用其中個組分揮發(fā)度不同而將其分離。其本質(zhì)是液、汽相間的質(zhì)量傳遞和熱量傳遞。為使分離徹底，以獲得較純的產(chǎn)品，工業(yè)生產(chǎn)中常采用多次部分汽化、多次部分冷凝的方法精餾。精餾過程通常是在塔設(shè)備內(nèi)完成的。預(yù)熱器、冷凝器、再沸器是精餾過程必不可少的設(shè)備。它們承擔(dān)著將物料預(yù)熱、氣化、冷凝等重要任務(wù)。而固定管板式

2、換熱器更是因其具有工藝簡單、造價低廉、工藝設(shè)計成熟、熱效率較高等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用，尤其在很多大工業(yè)生產(chǎn)中。換熱器的工藝設(shè)計主要內(nèi)容和步驟1 物料衡算1.1 設(shè)計依據(jù)1.1.1 ×××××設(shè)計任務(wù)書1.1.2  產(chǎn)量 年產(chǎn)99.5%（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）環(huán)己烷（丙酮）20000噸，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)生產(chǎn)的特點，取年平均生產(chǎn)時間為8000小時，即小時產(chǎn)量為：20000×103/8000=2500kgh，本設(shè)計以小時產(chǎn)量為計算基準(zhǔn)。1.1.3 進(jìn)料組成、產(chǎn)品組成1,1.4 分離要求1.2 精餾塔物料衡算1.2.1 物料衡算示意

3、圖 1.2.2 用質(zhì)量分率計算進(jìn)料量及塔釜采出量 塔頂采出GD,XD精餾塔 進(jìn)料GF，XF 解得： GF（kg/h） GW（kg/h） 1.2.3 計算摩爾量、摩爾分率 塔底采出GW由物質(zhì)A、B組成的混合物，其分子量分別為MA，MB 則其平均分子量：，用摩爾量表示為：； 同理可求得XD 、XW、 XF 1.2.4 精餾塔物料衡算表表1.1 精餾塔的物料衡算表進(jìn)料出料塔頂采出D塔底采出W組分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%總量進(jìn)出必須達(dá)成進(jìn)=出。1.3 冷凝器物料衡算1.3.1 操作回流比選取1） 查閱相關(guān)資料，找出物系的氣液平衡數(shù)據(jù)2） 由計算得到

4、物系的氣液平衡數(shù)據(jù)3） 作出平衡線（xy圖）4） 利用平衡線（xy圖）求取最小回流比Rmin （泡點進(jìn)料）5） 確定實際回流比： R=（1.12.0） Rmin。1.3.2 進(jìn)料量及組成確定1） 采出量及組成2) 回流量及組成計算3） 進(jìn)料量及組成計算4） 冷凝器物料衡算表進(jìn)料出料塔頂采出D回流L組分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%總量進(jìn)出2 熱量衡算2.1 冷凝器的熱量衡算2.1.1 確定塔頂、塔底控制溫度精餾塔塔頂、塔底溫度是精餾塔主要操作控制參數(shù)，它直接影響到塔頂產(chǎn)品、塔底產(chǎn)品質(zhì)量。方法一：通過查閱資料得到物系的泡點線和露點線數(shù)據(jù)，

5、作圖后根據(jù)塔頂與塔底的濃度直接查出塔頂、塔底及進(jìn)料的溫度。 方法二：利用試差法求取已知濃度時的泡點、露點（C）2.1.2 已知條件1） 變化過程：冷卻水從20 升溫到45，物料由飽和蒸汽變?yōu)轱柡鸵后w。2） 冷凝器的物料組成表（表2.1）進(jìn)料出料塔頂采出D回流L組分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%總量進(jìn)出2.1.3 各組分熱力學(xué)參數(shù)(表2.2)冷流體熱流體 潛熱進(jìn)口溫度出口溫度組分Cp（ kJ/kg·K）Cp（ kJ/kg·K）kJ/kg2.1.4 計算1） 物料冷凝所放出的熱量Q放=假定熱損失 Q損=(510%) Q放；由熱平衡

6、：( 0.90.95)Q放=Q吸1.2.2 冷卻水量的計算假設(shè)冷卻水量為mkg/h， 則：其他設(shè)備熱量衡算依次進(jìn)行。3 冷凝器的工藝設(shè)計3.1 流體流徑的選擇 在選擇流體的流徑時，首先考慮流體的壓強、防腐蝕和清洗等要求，然后再校核及P，作出較恰當(dāng)?shù)倪x擇。3.2 熱負(fù)荷q；Q管程流體吸收或放出的熱量。3.3 流體兩端溫度的確定3.3.1 若換熱器中冷、熱流體的溫度都由工藝條件規(guī)定，無選擇。3.3.2 若一個流體僅已知進(jìn)口溫度，出口溫度由設(shè)計者定，例冷卻水，若出口溫度升高，可節(jié)省水量，操作費降低；反之，則設(shè)備費增加。一般，設(shè)計時兩端流體溫度差可取510。傳熱溫度差（先按逆流方式計算）： （T1 、

7、T2、t1、t2分別代表熱流體、冷流體的進(jìn)出口溫度）3.4 總傳熱系數(shù)K按照資料先選擇一傳熱系數(shù)K，初步設(shè)計好換熱器后進(jìn)行校核，確認(rèn)是否合適。3.5 換熱面積S的計算 ，求取計算換熱面積。3.6 初步選擇管程數(shù)3.6.1 確定管程流速u：列管式換熱器常用的流速范圍流體的種類一般流體易結(jié)垢液體氣體流速，m/s管程0.53>1530殼程0.21.5>0.5315列管換熱器中不同粘度液體的常用流速液體粘度，mPa·s>1500150050050010010035351<1最大流速，m/s0.60.751.11.51.82.43.6.2 流通截面積A：3.6.3 單程

8、換熱管數(shù)：選定換熱管規(guī)格，通常換熱管規(guī)格有、二種。 流體流通截面積：3.7 單根換熱管長度L；根據(jù)管長選擇管程數(shù)N（管長一般為1.5、2、3、6m）。如果選擇為多管程，則需要校正傳熱溫差（參照化工原理上冊P225226），重新計算換熱面積。重復(fù)以上過程，直至面積基本不變。3.8 筒體直徑的計算3.8.1 管中心距t=1.25do（焊接），t=1.4do（脹接），最外列管中心距筒壁b=1.52do。3.8.2 中心線上布管數(shù)：nc=1.19，取nc=的整數(shù)（正方形排列） nc=1.1，取nc=的整數(shù)（正三角形排列）3.8.3 筒體直徑的計算：，圓整至規(guī)格尺寸D。3.8.4 實際換熱面積S3.9

9、折流擋板加大殼程流體的速度，使湍動程度加劇，以提高殼方的，Re>100即可達(dá)湍流。3.9.1 擋板的形式 圓缺形（弓形）特點：切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑D的10%40%，一般取2025%（即缺口面積為25%的殼體內(nèi)截面積）。（a）盤環(huán)形 （b）分流形 （c）圓缺形3.9.2 板間距h：兩相鄰擋板的距離。一般h=0.21D。系列標(biāo)準(zhǔn)中常采用的h值有： 固定管板式：150、200、300、600mm三種； 浮頭式：150、200、300、480、600mm五種。 注：h過小，不便制造和檢修，P也較大；h過大，流體就難于垂直地流過管束，對流傳熱系數(shù)減小。3.10 核算總傳熱系數(shù)K值 計算管、殼

10、程對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻Rf1、Rf2，再計算K'，比較K，若K'/K=1.151.25或者KK，而,初選換熱器合格，否則，需另設(shè)K值，重復(fù)以上計算步驟。3.11 流體流動阻力（壓強降）的計算3.11.1 管程流體阻力：摩擦阻力公式計算。 式中：P1每程直管的壓降， 。 P2局部阻力（包括回彎；進(jìn)、出口等）， NS殼程數(shù)； NP為一殼程的管程數(shù)； Fi結(jié)垢校正因數(shù)，無因次。25×2.5mm的管子，取Fi=1.4；19×2mm的管子，取Fi=1.5。3.11.2 殼程阻力損失：方法一： 式中： u0按殼程流通截面計算所得的殼程流速； NB折流擋板數(shù)目； d

11、e殼程的當(dāng)量直徑。方法二：應(yīng)用埃索法公式計算。 式中：F0殼程壓降結(jié)垢校正因數(shù)，無因次，對液體：F0=1.15；對氣體：F0=1.0。 流體橫向流過管束的壓降， （ 其中： F管子排列方式對壓強降的校正因數(shù)，對正三角形排列：F=0.5；對正方形排列：F=0.3；對正方形斜轉(zhuǎn)45，F(xiàn)=0.4。f0殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)Re>500時，） 流體通過折流擋板缺口的壓降，。一般，液體流徑換熱器的壓降為10100kPa，氣體為110kPa。4 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 4.1 筒體厚度殼體標(biāo)準(zhǔn)尺寸與壁厚殼體內(nèi)徑，mm325400 500 600 700800 900 10001200 1400最小壁厚，mm5

12、68104.2 橢圓形封頭橢圓形封頭與圓筒厚度相等，即mm ，JB/T4737-954.3 壓力容器法蘭(甲型)4.4 膨脹節(jié)當(dāng) 4.5 管板固定管板式換熱器的管板的主要尺寸：公稱直徑Dbcd螺栓孔數(shù)質(zhì)量4.6 分程隔板公稱直徑 DN/mm隔板最小厚度/mm碳素鋼4.7 分程隔板兩側(cè)相鄰管中心距,換熱管中心距宜不小于1.25倍的換熱管外徑,所設(shè)計的換熱器不用機械方式清洗. 4.8拉桿的直徑、數(shù)量和尺寸拉桿公稱直徑/mm數(shù)量基本尺寸拉桿直徑d/mm/mm/mm/mm12419152.04.9 拉桿孔, 4.10 換熱管與管板的連接換熱管規(guī)格外徑壁厚/mm換熱管最小伸出長度/mm最小坡口深度/mm192224.11 接管的計算4.12 管法蘭4.13 支座選取4.14 其他裝配尺寸注意：1、封頭：橢圓形、圓