1、一、設(shè)計題目1二、設(shè)計依據(jù)1三、 設(shè)計要求1第1節(jié)：物料衡算、熱量衡算11.精餾塔物料衡算12.冷凝器物料衡算及熱量衡算63.產(chǎn)品冷卻器物料衡算及熱量衡算84.原料預(yù)熱器（1）的物料衡算及熱量衡算95.原料預(yù)熱器（2）的物料衡算及熱量衡算106.再沸器的物料衡算及熱量衡算117.物料衡算匯總表128.熱量衡算及換熱器要求匯總表13第2節(jié)：列管式換熱器選型及校核（原料預(yù)熱器）151.初選原料預(yù)熱器（1）規(guī)格152.核算總傳熱系數(shù)21第3節(jié)：所選固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)說明231.管程結(jié)構(gòu)232.殼體結(jié)構(gòu)243.其他主要附件24第4節(jié)：換熱器的主要結(jié)構(gòu)和計算結(jié)果25第5節(jié)：參考文獻及資料26附27設(shè)

2、計任務(wù)書一、 設(shè)計題目：乙醇水精餾系統(tǒng)換熱器設(shè)計二、 設(shè)計依據(jù)： 1、產(chǎn)量：7萬噸 2、年工作時間：330天 3、原料乙醇：濃度50%（質(zhì)量），出庫溫度25 4、產(chǎn)品乙醇：濃度95%（質(zhì)量），入庫溫度45 5、乙醇回收率：99.5%min 7、循環(huán)冷卻水進口溫度：30 8、再沸器飽和水蒸氣溫度：150 9、系統(tǒng)散熱損失：不考慮系統(tǒng)散熱損失 10、換熱器KA值裕度：2040% 11、原料預(yù)熱器（2）設(shè)計3、 設(shè)計要求：第1節(jié)：物料衡算、熱量衡算乙醇、水的相對分子質(zhì)量為M乙醇=46.07g/mol，M水由原料乙醇質(zhì)量濃度為50%得原料乙醇的摩爾分率為：由產(chǎn)品乙醇質(zhì)量濃度為95%得產(chǎn)品乙醇的摩爾分率

3、為：原料F、塔頂餾出液D的平均相對分子質(zhì)量：塔頂產(chǎn)品流率D：由乙醇回收率得：流率W：塔底殘液摩爾分率：塔底殘液W的平均相對分子質(zhì)量：計算Rmin乙醇-水氣液平衡數(shù)據(jù)P(kPa)T()XY0011作圖如下：由圖可得，故Rminmin 塔頂冷凝器將來自塔頂?shù)恼羝坷淠?，即該冷凝器為全凝器，凝液在泡點溫度下部分地回流入塔，由恒摩爾流假定，塔頂液體摩爾流率L、氣體摩爾流率V為:因為是泡點進料，所以q=1又W=1.76*10-3，則=-W成立。此溫度下乙醇的汽化潛熱r可以下式求得：其中【查化工原理上冊附表】得：乙醇：A=113，B=0.4218，;水：A=445.6，B=0.3003；求得；其中 所以

4、則冷凝塔頂混合蒸汽放出的熱量冷凝器冷卻水進口溫度為=30，故假定冷卻水出口溫度=50。取水的比熱容為，設(shè)冷卻水用量為,由得:冷凝器對數(shù)平均溫度:由傳熱基本方程 得：無相變，出口量等于進口量，物料無變化經(jīng)產(chǎn)品冷卻器降低到40，由【化工原理附表】:，其中，得：則產(chǎn)品冷卻器的將產(chǎn)品冷卻所需的熱量為:產(chǎn)品冷卻器進口溫度=25，假定出口溫度，則成立。產(chǎn)品冷卻器對數(shù)平均溫度:由傳熱基本方程得：4.原料預(yù)熱器（1）的物料衡算及熱量衡算 無相變，出口量等于進口量，物料無變化 一般出原料預(yù)熱器殘液溫度比出產(chǎn)品冷卻器的原料溫度高5-10，故選擇出原料預(yù)熱器殘液的溫度為50。又進原料預(yù)熱器的殘液溫度為，則 由公式得

5、：Cp水=4.214 kJ/（kg）原料預(yù)熱所需的熱量:，假定出口溫度為66，則由公式,所以前后所需熱量相近，故假定出口溫度為66成立。原料預(yù)熱器對數(shù)平均溫度:由傳熱基本方程 得：5.原料預(yù)熱器（2）的物料衡算及熱量衡算原料無相變，出口量等于進口量，飽和水蒸汽液化，進出口流率相等從原料預(yù)熱器（1）出來的原料為66，則。由公式,所以利用飽和水蒸汽的潛熱加熱，則此時得3/s再沸器的熱量衡算：由【化工原理上冊】得飽和水蒸氣汽化熱：100:150:又Q5=r2V汽再沸器對數(shù)平均溫度:由傳熱基本方程 得：精 餾 塔乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩爾流率Kmol/h質(zhì)量流率Kg/h原料50% F塔頂95%冷凝器上升蒸汽V回

6、流L產(chǎn)品D塔釜再沸器下降液體1500回塔蒸汽殘液W產(chǎn)品冷卻器冷流體進口冷流體出口熱流體進口熱流體出口原料預(yù)熱器（1）冷流體進口冷流體出口熱流體進口熱流體出口原料預(yù)熱器（2）冷流體進口冷流體出口熱流體進口熱流體出口名稱冷熱 流體進口溫度出口溫度交換熱kJ/htmKA值kw/精餾塔100冷凝器熱流體78.2（氣）78.2（液）冷流體3050產(chǎn)品冷卻器熱流體40冷流體25原料 預(yù)熱器（1）熱流體10050冷流體66原料 預(yù)熱器（2）熱流體150150（有相變）冷流體66再沸器熱流體150（氣）150（液）冷流體100（液）100（氣）第2節(jié)：列管式換熱器選型及校核（原料預(yù)熱器）1.初選原料預(yù)熱器（1

7、）規(guī)格(1)換熱器的選型 兩流體溫度變化情況：塔頂熱流體（水）進口溫度100，出口溫度50，而冷卻水的出口溫度為66，管殼溫差較小，因此初步確定選用臥式的固定管板式換熱器,并且固定管板式換熱器旁路滲流較小、造價低、無內(nèi)漏，是很常用的換熱器。(2)流動空間安排、管徑及流速的確定加熱水易結(jié)垢應(yīng)該走管程，原料走殼程加熱，取管徑為25mm*2.5mm的碳素鋼管，管內(nèi)流速為1.0m/s。（3）確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù) （a）定性溫度 殼程乙醇水的定性溫度為 管程熱水水的定性溫度為 t=(100+50)/2=75 （b）物性數(shù)據(jù)根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù):流體水定性溫度75下的

8、物性參數(shù) 【查化工原理上冊】 密度： c3 【查化原上冊P261附表】 熱導(dǎo)率： c=0.6635W/（mK）【查化原上冊P261附表】 粘度： cS【查化原上冊P263附表】 定壓比熱容：Cpc=4.214 kJ/（kgK）【查化原上冊P261附表】 液化潛熱： rc=2568.75 kJ/kg 【查化原上冊P281附錄】下的物性參數(shù)表【查化工工藝算圖第一冊-常用物料物性數(shù)據(jù)】 密度： h3 【P112】 熱導(dǎo)率： h=0.35613 W/（mK）【P325】 粘度： hS 【P385】 定壓比熱容： Cph=4.08kJ/（kgK）【P267】 液化潛熱： rh=973.18kJ/kg 【

9、化原上冊P281附錄】（4）工藝計算及主體設(shè)備設(shè)計 (a)計算熱負(fù)荷Q106 (b)平均傳熱溫差的確定對數(shù)平均傳熱溫差 溫度校正： P=(t2-t1)/(T1-t1 由P和R查對數(shù)平均溫差校正系數(shù)圖得：此時約等于0.82，大于0.8，所以選用雙殼程的列管式換熱器?！静榛ぴ碚n程設(shè)計P59對數(shù)平均溫差校正圖】平均傳熱溫差tm=tm （c)初選傳熱系數(shù)K估，估算傳熱面積A估 根據(jù)殼內(nèi)為乙醇水，管內(nèi)為熱水，【查 匡國柱化工單元過程及設(shè)備過程設(shè)計P60表3-1】 總傳熱系數(shù)范圍在5821163 W/(m2)，故：初選K估=1000W/() 所以：A估=KA/K估1032（5） 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 (a)管

10、徑與管內(nèi)流速 管徑25mm (b)管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) n=V水/(di2u/4)=410-3/(2*1.0)8(根)按七程管計算，所需的傳熱管長度為傳熱管管長取6.0m。傳熱管總根數(shù) (c)傳熱管排列和分程方法 采用正三角形排列25=32mm.見【化工原理（上冊）P226：圖6-51】 作圖或查表【匡國柱化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計 P66 表3-6排管數(shù)目】可取NT=91根（其中a=5，b=11) (d) 殼體內(nèi)徑 采用單管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑2 其中，t為管心距；b為橫過管束中心線的管數(shù)；e表示管數(shù)中心線上最外層管中心到殼體內(nèi)壁的距離，一般取e=(1-1.5)

11、d0012表1-4標(biāo)準(zhǔn)尺寸】（e)支承板400=100mm，取h=100mm； 【查匡國柱化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P133 表4-5 折流板管孔尺寸及允許偏差】取折流板管孔直徑b=25.8mm,允許偏差為0.40； 取折流板間距為B=100mm 折流板圓缺垂直安裝。 支承板厚度取8mm【查涂偉萍.化工過程及設(shè)備設(shè)計P16表1-7支承板厚度】 （f) 其他附件 拉桿直徑15表1-6拉桿直徑和拉桿數(shù)】（g) 接管 接管由【各種換熱器設(shè)計詳細(xì)說明書】查得：換熱器中流體進、出口的接管直徑按下式計算，即：其中： Vs-流體的體積流量，m3/s；u -接管中流體的流速，m/s。殼程流體進口接管 計算混合

12、液的密度（常壓下）純乙醇=760kg/m3水3 混合=0.5*乙醇+（1-0.5）*水=kg/m3 取接管內(nèi)液體流速為1m/s,則接管內(nèi)徑 故取標(biāo)準(zhǔn)管徑為85mm8mm出口接管 取管內(nèi)液體流速為1m/s, 接管內(nèi)無相變，溫度對液體密度影響很小，故與進口內(nèi)徑一樣。故取標(biāo)準(zhǔn)管徑為85mm8mm 管程流體（循環(huán)水）進出口接管 取接管內(nèi)循環(huán)水的流速為2m/s，則接管內(nèi)徑 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為57mm6mm，其余接管略。（6）初選固定管板式換熱器規(guī)格公稱直徑 400公稱壓力 1管程數(shù) 7管子根數(shù) 91中心管子數(shù) 11管子直徑 25mm2.5mm.換熱管長度 6000換熱面積 管子排列方法中心線采用正方型排列，兩

13、側(cè)采用正三角形排列冷凝器的實際傳熱面積：(1)換熱器管程對流給熱系數(shù)1計算式為：【化工原理（上冊）：P184式（6-41）】故管程對流傳熱系數(shù)W/(m2.)（2）換熱器殼程對流給熱系數(shù)2 因為臥式管殼式換熱器，殼程為乙醇水期間無相變，故2用以下公式求得【查 匡國柱化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計：P72式（3-22）】（3）確定污垢熱阻【P25表1-15壁面污垢熱阻】： (m2.)/W（有機液體) (m2.)/W(河水）（4）計算總傳熱系數(shù)K 當(dāng)換熱管為碳鋼時，=45.4W/(m)（5）校核換熱器KA值 【查 匡國柱 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P76 式3-36 】則該換熱器的裕度符合生產(chǎn)要求。第3

14、節(jié)：所選固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)說明（1）管子在管板上的固定 由于操作溫度高于30，所以選用焊接形式，此種方式的優(yōu)越性表現(xiàn)在：管板孔加工要求低，加工簡便，焊接強度高，在高溫高壓下仍能保持連續(xù)的緊密性等。（2）管子的排列 此換熱器的傳熱管采用25mm2.5mm 的規(guī)格，采用正三角形排列，由于是焊接，則管間距（管中心的間距）t與管外徑d0的比值為1.25。（3） 管板 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。管板與管子的連接可脹接或焊接，所設(shè)計換熱器的連接方式為焊接。管板與殼體的連接有可拆連接和不可拆連接兩種，固定管板常用不可拆連接，兩端管板直接焊在外殼上并兼作法蘭，拆下頂蓋

15、可檢查可檢修脹口或清洗管內(nèi)，所設(shè)計的換熱器選擇此方式連接。（4） 封頭和管箱 封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。由于所設(shè)計的換熱器的殼體直徑較小，故采用封頭，接管和封頭可采用法蘭連接，街頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。（1） 殼體殼體呈圓筒形，殼壁焊有接管，采用不銹鋼管制成（由于碳鋼的數(shù)據(jù)查不到）。在殼程進口接管處裝有防沖板，以防止進口流體直接撞擊管束上部的管排，因為流體的撞擊會侵蝕管子，并引起振動。（2）折流擋板 折流擋板的主要作用是引導(dǎo)殼程流體反復(fù)的改變方向作錯流流動，以加大殼程流體流速和湍流速度，致使殼程傳熱系數(shù)提高，另外折流擋板還起了支撐管子的作

16、用，防止管束振動和彎曲。所設(shè)計的換熱器選用圓缺形折流擋板，切缺率（切掉圓弧的高度與殼內(nèi)徑之比）為25%，采用垂直放置。（1）旁通擋板 為防止殼體和管束之間間隙過大，流體不通過管束而通過這個間隙旁通，采用旁通擋板。（2）假管 此換熱器不設(shè)置假管（3）拉桿和定距管 為了使折流擋板能牢靠地保持在一定位置上，采用拉桿和定距管。（4）防沖擋板 在殼程進口接管處裝有防沖擋板，可防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕管束振動，還有使流體沿管束均勻分布的作用。 第4節(jié)：換熱器的主要結(jié)構(gòu)和計算結(jié)果換熱器形式：固定管板列管式換熱器換熱面積（m2工藝參數(shù)名稱管程殼程管子規(guī)格（mm）25mm物料名稱水原料管子數(shù)量：

17、91操作溫度（）(進/出)100/50管長（mm）6000流體密度（kg/m3）折流板數(shù)量59流速（m/s）1折流板間距（mm）100傳熱量（kW）切口高度25%總傳熱系數(shù)（Wm-2K-1）殼體內(nèi)徑（mm）400對流傳熱系數(shù)（Wm-2K-1）5340污垢系數(shù)（m2/ W）10-410-4程數(shù)101第5節(jié)：參考文獻及資料（1）化工原理（上下冊） 陳敏恒 叢德滋 方圖男 齊鳴斎編著 化學(xué)工業(yè)出版社（2）化工過程及設(shè)備設(shè)計 涂偉萍 陳佩珍 程達芳編 化學(xué)工業(yè)出版社（3）化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計 匡國柱 史啟才主編 化學(xué)工業(yè)出版社附： 主要符號說明符號 意義 計量單位F 加料流率 kmol/hXF 進料液組成摩爾數(shù) D 氣相產(chǎn)物流率 kmol/hXD 氣相產(chǎn)物組成摩爾分?jǐn)?shù) W 塔斧液相產(chǎn)物流率 kmol/hXW 塔斧液相產(chǎn)物摩爾組成分?jǐn)?shù) 回收率q 加料熱狀態(tài)r 汽化潛熱 kJ/K 傳熱系數(shù) W/（K）L 回流液流量 kmol/hV 精餾段塔