化原課設(shè)(原料預(yù)熱器①)

1、 化工原理課程設(shè)計(jì)成績(jī)化工原理課程設(shè)計(jì)題目：乙醇精餾系統(tǒng)換熱器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：楊昊洲學(xué) 號(hào)：2014115200指導(dǎo)教師：鄭曉鋼院 系：化工學(xué)院專 業(yè)：能源化學(xué)工程年 級(jí)：2014級(jí)2017年1月9日 目錄一、設(shè)計(jì)題目1二、設(shè)計(jì)依據(jù)1三、 設(shè)計(jì)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14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)

2、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241.管程結(jié)構(gòu)242.殼體結(jié)構(gòu)253.其他主要附件25第4節(jié)：換熱器的主要結(jié)構(gòu)和計(jì)算結(jié)果26第5節(jié)：參考文獻(xiàn)及資料27四、 設(shè)計(jì)者心得28附29設(shè)計(jì)任務(wù)書一、 設(shè)計(jì)題目：乙醇水精餾系統(tǒng)換熱器設(shè)計(jì)二、 設(shè)計(jì)依據(jù)： 1、產(chǎn)量：7萬噸 2、年工作時(shí)間：330天 3、原料乙醇：濃度50%（質(zhì)量），出庫(kù)溫度25 4、產(chǎn)品乙醇：濃度95%（質(zhì)量），入庫(kù)溫度45 5、乙醇回收率：99.5%6、原料乙醇泡點(diǎn)進(jìn)料，回流比R=1.15Rmin 7、循環(huán)冷卻水進(jìn)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)

3、散熱損失 10、換熱器KA值裕度：2040% 11、原料預(yù)熱器（1）設(shè)計(jì)3、 設(shè)計(jì)要求：第1節(jié)：物料衡算、熱量衡算1.精餾塔物料衡算乙醇、水的相對(duì)分子質(zhì)量為M乙醇=46.07g/mol，M水=18.02g/mol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)品乙醇的摩爾分率為：原料F、塔頂餾出液D的平均相對(duì)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(duì)分子質(zhì)量：計(jì)算Rmin乙醇-水氣液平衡數(shù)據(jù)P(kPa)T()XY101.325100.017700101.32594.808570.0204080.187889101.

4、32591.457910.0408160.295516101.32589.131880.0612240.365032101.32587.445820.0816330.413396101.32586.174730.1020410.448925101.32585.192160.1224490.476089101.32584.415180.1428570.497555101.32583.78810.1632650.515008101.32583.272240.1836740.529566101.32582.839990.2040820.542004101.32582.471220.224490.55

5、2871101.32582.151070.2448980.562574101.32581.868420.2653060.571414101.32581.614870.2857140.579625101.32581.384050.3061220.587387101.32581.171150.3265310.594843101.32580.972470.3469390.602108101.32580.785250.3673470.609275101.32580.607390.3877550.616421101.32580.437340.4081630.62361101.32580.273950.4

6、285710.630897101.32580.116440.448980.638329101.32579.964250.4693880.645945101.32579.817050.4897960.653783101.32579.674650.5102040.661873101.32579.5370.5306120.670245101.32579.404160.551020.678926101.32579.276250.5714290.687942101.32579.153470.5918370.697317101.32579.036060.6122450.707074101.32578.92

7、2230.6326530.717273101.32578.816680.6530610.727858101.32578.717420.6734690.738896101.32578.624790.6938780.750411101.32578.539170.7142860.762426101.32578.460950.7346940.774966101.32578.390520.7551020.788058101.32578.32830.775510.80173101.32578.27470.7959180.816009101.32578.230130.8163270.830926101.32

8、578.195040.8367350.846514101.32578.169870.8571430.862807101.32578.155050.8775510.879841101.32578.151050.8979590.897655101.32578.158340.9183670.916291101.32578.177390.9387760.935794101.32578.20870.9591840.956211101.32578.252760.9795920.977595101.32578.3103311作圖如下：由圖可得，故Rmin=3.57R=1.15Rmin=1.153.57=4.

9、1055 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(diǎn)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?yàn)槭桥蔹c(diǎn)進(jìn)料，所以q=1又W=1.76*10-3，則=-W成立2.冷凝器物料衡算及熱量衡算 查【化工原理下冊(cè)P268附錄】得，質(zhì)量組成為95%的乙醇水溶液的沸點(diǎn)為78.2。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(cè)附表】得：乙醇：A=113，B=0.4218，水：A=445.6，B=0.3003；求得；其中 所以則冷凝塔頂混合蒸汽放出的熱量冷凝器冷卻水進(jìn)口溫度為=30，故假定冷卻水出口溫度=50。取水的比熱容為時(shí)Cp=4.17

10、4kJ/kg·，設(shè)冷卻水用量為,由得:冷凝器對(duì)數(shù)平均溫度:由傳熱基本方程 得：3.產(chǎn)品冷卻器物料衡算及熱量衡算無相變，出口量等于進(jìn)口量，物料無變化故：D=206.79kmol/h產(chǎn)品由78.2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(jìn)口溫度=25，假定出口溫度=41.4，則前后所需熱量相近，故假定出口溫度為41.1成立。產(chǎn)品冷卻器對(duì)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(jìn)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

11、的溫度為50。又進(jìn)原料預(yù)熱器的殘液溫度為，則由公式得：Cp水=4.214 kJ/（kg·）原料預(yù)熱所需的熱量 原料預(yù)熱器進(jìn)口溫度為41.4，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(duì)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(jìn)口量，飽和水蒸汽液化，進(jìn)出口流率相等從原料預(yù)熱器（1）出來的原料為66，要求泡點(diǎn)進(jìn)料，所以從原料預(yù)熱器（2）出來的原料為82.03，則。由公式,所以利用飽和水蒸汽的潛熱加熱，則此時(shí)得=542.75=30.15=213.43m3/s6.再沸器的物料衡算及熱量衡算再沸

12、器的熱量衡算：由【化工原理上冊(cè)】得飽和水蒸氣汽化熱：100:150:又Q5=r2V汽再沸器對(duì)數(shù)平均溫度:由傳熱基本方程 得：7. 物料衡算匯總表精 餾 塔摩爾流率Kmol/h質(zhì)量流率Kg/h原料進(jìn)料（50%乙醇）651.4餾出液（95%乙醇）206.8殘液444.6精餾段848.91055提餾段15001055換 熱 器冷凝器冷流體進(jìn)口冷流體出口熱流體進(jìn)口1055熱流體出口1055產(chǎn)品冷卻器冷流體進(jìn)口651.42冷流體出口651.42熱流體進(jìn)口206.79熱流體出口206.79再沸器冷流體進(jìn)口1499.6冷流體出口444.61055熱流體進(jìn)口熱流體出口原料預(yù)熱器（1）冷流體進(jìn)口651.4冷流體

13、出口651.4熱流體進(jìn)口444.6熱流體出口444.6原料預(yù)熱器（2）冷流體進(jìn)口651.4冷流體出口651.4熱流體進(jìn)口30.15熱流體出口30.158.熱量衡算及換熱器要求匯總表名稱冷熱 流體進(jìn)口溫度出口溫度交換熱kJ/htmKA值kw/精餾塔82.078.2100冷凝器熱流體78.2（汽）78.2（液）37.3386.19冷流體3050產(chǎn)品冷卻器熱流體78.24024.312.377冷流體2541.4原料 預(yù)熱器（1）熱流體1005018.525.48冷流體41.466原料 預(yù)熱器（2）熱流體150（汽）150（液）75.74.219冷流體6682.0再沸器熱流體150（汽）150（液）5

14、0.0239.495冷流體100（液）100（汽）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）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(jìn)口溫度100，出口溫度50（無相變）.冷流體（乙醇水）進(jìn)口溫度41.4，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(jià)低、無內(nèi)漏，是很常用的換熱器。(2)流動(dòng)空間安排、管徑及流速的確定熱水易結(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

15、為 T=(41.4+66)/2=53.7 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下的物性參數(shù) 【查化工原理上冊(cè)】 密度： c=974.8kg/m3 【查化原上冊(cè)P261附表】 熱導(dǎo)率： c=0.6635W/（m·K）【查化原上冊(cè)P261附表】 粘度： c=0.377mPa·S【查化原上冊(cè)P263附表】 定壓比熱容：Cpc=4.214 kJ/（kg·K）【查化原上冊(cè)P261附表】 液化潛熱： rc=2568.75 kJ/kg 【查化原上冊(cè)P281附錄】 冷流體（

16、乙醇水）53.7下的物性參數(shù)表【查化工工藝算圖第一冊(cè)-常用物料物性數(shù)據(jù)】 密度： h=858.72kg/m3 【P112】 熱導(dǎo)率： h=0.35613 W/（m·K）【P325】 粘度： h=0.538MPa·S 【P385】 定壓比熱容： Cph=4.08kJ/（kg·K）【P267】 液化潛熱： rh=973.18kJ/kg 【化原上冊(cè)P281附錄】（4）工藝計(jì)算及主體設(shè)備設(shè)計(jì) (a)計(jì)算熱負(fù)荷Q 熱負(fù)荷Q=1.694106kJ/h=470.56kw (b)平均傳熱溫差的確定 對(duì)數(shù)平均傳熱溫差 溫度校正： P=(t2-t1)/(T1-t1)=(66-41.4

17、)/(100-41.4)=0.42 由P和R查對(duì)數(shù)平均溫差校正系數(shù)圖得：此時(shí)約等于0.82，大于0.8，所以選用單殼程的列管式換熱器?！静榛ぴ碚n程設(shè)計(jì)P59對(duì)數(shù)平均溫差校正圖】 平均傳熱溫差tm=·tm=15.2 （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(guó)柱化工單元過程及設(shè)備過程設(shè)計(jì)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=31.0/1000=31.0m2（5） 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 (a)管徑與管內(nèi)流速 管徑25mm×2.5mm,管內(nèi)流

18、速 u=1.0m/s 殼程流速u=0.8 m/s (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)=42.2910-3/(*0.022*1.0)8(根)按八程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 傳熱管管長(zhǎng)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取管心距t=1.25×25=32mm.見【化工原理（上冊(cè)）P226：圖6-51】 作圖或查表【匡國(guó)柱化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì) 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 采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑 其中，t為管心距；N為排列管數(shù)；表示管板利用

19、率，正三角形排列取。 圓整后D=400mm,取壁厚為12mm【查涂偉萍.化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì)P12表1-4標(biāo)準(zhǔn)尺寸】（e)支承板 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%，則切去的圓缺高度為h=0.25×400=100mm，取h=100mm； 【查匡國(guó)柱化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì) 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(jì)P16表1-7支承板厚度】 （f) 其他附件 拉桿直徑12mm，其數(shù)量不少于4根，殼程入口應(yīng)設(shè)

20、置防沖擋板【查涂偉萍.化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì)P15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(jì)詳細(xì)說明書】查得：換熱器中流體進(jìn)、出口的接管直徑按下式計(jì)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(jìn)口接管 計(jì)算混合液的密度（常壓下） 純乙醇=760kg/m3 水= 986.65kg/m3 混合=0.5*乙醇+（1-0.5）*水=858.72kg/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85mm×8mm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(duì)液體密度影響很小，故與進(jìn)口內(nèi)徑一樣。故取標(biāo)準(zhǔn)管徑為

21、85mm×8mm 管程流體（循環(huán)水）進(jìn)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57mm×6mm，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) 8管子根數(shù) 91中心管子數(shù) 11管子直徑 25mm×2.5mm.換熱管長(zhǎng)度 6000換熱面積 31.0管子排列方法中心線采用正方型排列，兩側(cè)采用正三角形排列冷凝器的實(shí)際傳熱面積： 2.核算總傳熱系數(shù)(1) 換熱器管程對(duì)流給熱系數(shù)1 計(jì)算式為：【化工原理（上冊(cè)）：P184式（6-41）】 故管程對(duì)流傳熱系數(shù)W/(m2.)（2）換熱器殼程對(duì)流給熱系數(shù)2 因?yàn)榕P式管殼式換熱

22、器，殼程為乙醇水期間無相變，故2用以下公式求得 【查 匡國(guó)柱化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)：P72式（3-22）】 （3）確定污垢熱阻【查涂偉萍.化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì)P25表1-15壁面污垢熱阻】： (m2.)/W（有機(jī)液體) (m2.)/W(殘液） （4）計(jì)算總傳熱系數(shù)K 當(dāng)換熱管為碳鋼時(shí)，=45.4W/(m·) （5）校核換熱器KA值 【查 匡國(guó)柱 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P76 式3-36 】則該換熱器的裕度符合生產(chǎn)要求。第3節(jié)：所選固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)說明1.管程結(jié)構(gòu)（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

23、簡(jiǎn)便，焊接強(qiáng)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25mm×2.5mm 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(jì)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，拆下頂蓋可檢查可檢修脹口或清洗管內(nèi)，所設(shè)計(jì)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

24、所設(shè)計(jì)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，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。2.殼體結(jié)構(gòu)（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(jìn)口接管處裝有防沖板，以防止進(jìn)口流體直接撞擊管束上部的管排，因?yàn)榱黧w的撞擊會(huì)侵蝕管子，并引起振動(dòng)。（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(cuò)流流動(dòng)，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用，防止管束振動(dòng)和彎曲。所設(shè)計(jì)的換熱器選用圓缺形折流擋板，切缺率為25%，采用垂直放置。3.其他主要附件（1）旁通擋板 為防

25、止殼體和管束之間間隙過大，流體不通過管束而通過這個(gè)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(jìn)口接管處裝有防沖擋板，可防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕管束振動(dòng)，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(jì)算結(jié)果換熱器形式：固定管板列管式換熱器換熱面積（m2）：42.15工藝參數(shù)名稱管程殼程管子規(guī)格（mm）25mm×2.5mm物料名稱水原料管子數(shù)量：91操作溫度（）(進(jìn)/出)100/5041.4/66管長(zhǎng)（mm）6000流體密度（kg/m3）974.8

26、858.7折流板數(shù)量59流速（m/s）10.8折流板間距（mm）100傳熱量（kW）470.56kw切口高度25%總傳熱系數(shù)（W·m-2·K-1）885殼體內(nèi)徑（mm）400對(duì)流傳熱系數(shù)（W·m-2·K-1）44672585污垢系數(shù)（m2·/ W）1.76×10-41.8×10-4程數(shù)81第5節(jié)：參考文獻(xiàn)及資料（1）化工原理（上下冊(cè)） 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(jì) 涂偉萍 陳佩珍 程達(dá)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(jì) 匡國(guó)柱 史啟才主編 化學(xué)工業(yè)出版社（4）化

27、工原理課程設(shè)計(jì) 付佳欣 化學(xué)工業(yè)出版社4、 設(shè)計(jì)者心得體會(huì)本次化工原理課程設(shè)計(jì)歷時(shí)十天，化工原理課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生化工設(shè)計(jì)能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計(jì)使我們初步掌握化工設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)、設(shè)計(jì)原則及方法;學(xué)會(huì)各種手冊(cè)的使用方法及物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的查找方法和技巧;掌握各種結(jié)果的校核，在設(shè)計(jì)過程中不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產(chǎn)上的安全性和經(jīng)濟(jì)合理性。在短短的十天，從開始的一頭霧水，到同學(xué)討論，再進(jìn)行整個(gè)流程的計(jì)算，再到對(duì)工業(yè)材料上的選取論證，我真切感受到了理論與實(shí)踐相結(jié)合中的種種困難，也體會(huì)到了利用所學(xué)的有限的理論知識(shí)去解決實(shí)際中各種問題的不易。我們從中也明白了學(xué)無止境的道理，在我們所查找到的很多參考書中，很多的知識(shí)是我們從來沒有接觸到的，我們對(duì)事物的了解還僅限于皮毛，所學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu)還很不完善，我們對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的理解還僅限于書本上，對(duì)實(shí)際