分离甲醇水溶液的精馏系统设计-冷凝器的工艺设计

化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 1 页 共 76 页理 工 大 学化工课程设计说明书作 者 : 学 号：学院 (系 ): 化工学院专 业 : 化学工程与工艺题 目 : 分离甲醇水溶液的精馏系统设计回流系统的设计指导者： 评阅者： 年 月化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 2 页 共 76 页化工课程设计任务书一、设计题目分离甲醇水溶液的精馏系统设计回流系统的设计二、设计任务1、精馏系统处理能力：4500kg/h；2、精馏系统进料组成：甲醇含量 28%（质量，下同） ，温度为 25；3、精馏系统工艺要求：甲醇回收率为 97.5%，塔底甲醇含量为 1%；4、精馏塔操作条件：常压；三、设计内容1、回流系统工艺设计条件的确定；2、回流系统的工艺设计；3、冷凝器的设结构设计；4、冷凝器的强的设计；四、设计要求1、设计说明书一份；2、设计图纸：a、精馏系统工艺流程图一张（采用 AutoCAD 绘制） ；b、回流系统主要设备总装配图一张（A1） ；3、答辩。五、设计完成时间2007.9.32007.9.28化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 3 页 共 76 页目 录第一章 冷凝器的工艺设计 111 设计任务和操作条件 112 设计方案的确定 113 确定物性数据 114 计算传热面积 2141 计算冷凝器的热负荷 2142 计算平均温差 t m 31.4.3 假定传热系数 5144 计算传热面积 515 工艺结构尺寸 516 换热器核算 817 阻力计算 1018 工艺设计汇总表 13第二章 冷凝器结构及强度设计2.1 壳体、管箱壳体和封头的计算 14211 壳体管箱的设计 14212 封头的设计 14213 封头的强度计算 14214 筒体的强度计算 .152.2 进出口的设计 16221 接管外伸长度 16222 接管最小位置 16化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 4 页 共 76 页223 接管与筒体、管箱壳体的连接 17214 筒体的强度计算 1823 管板 18231 管板的结构 18232 管板的尺寸 1823.3 固定管板的强度计算 1924 换热管 2125 法兰的选定 23251 管板法兰盖的选定23252 接管法兰的选定 2426 管子与管板的连接 2527 膨胀节 2528 折流板 2529 拉杆、定距管 26210 鞍式支座的选择 27211 分程隔板28212 防冲挡板28213 泵的选择29214 主要零部件汇总表30心得体会31参考文献 32化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 5 页 共 76 页第一章 再沸器设计任务书一，设计题目分离甲醇水溶液的精馏系统设计再沸器的设计二，设计任务1） 精馏系统的处理能力：4500kg/h；2） 精馏系统的进料的组成：甲醇含量 28%（质量，下同） ，温度为 25；3） 精馏系统的工艺要求：甲醇的回收率为 97 .5，塔底甲醇含量 1%；4） 精馏塔操作条件：常压三，设计内容化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 6 页 共 76 页1） 再沸器工艺条件的确定2） 再沸器的工艺设计3） 再沸器的结构设计4） 再沸器的强度设计四，设计要求1） 设计说明书一份2） 设计图纸：a 精馏系统工艺流程图一张（采用 AutoCAD 绘制）b 再沸器总装配图一张（AI）3） 答辩五设计完成时间2007932007.9.28第二章 再沸器的设计工艺21.1 塔釜物料基本数据精馏塔计算结果有塔釜釜液的数据：塔釜的组成与流量：Xw=0.565%(摩尔分数)气相摩尔流量= 136(kmol/h) 气相体积流量= 4062.27(m 3/h)化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 7 页 共 76 页塔釜的温度：塔底气相温度：t wv=99.86塔底液相温度：t wL=99.24塔釜的压强：精馏段每块塔板压降 398.4pa 塔板数：18 提馏段每块塔板压降 417.37pa 塔板数：10设塔顶的表压为 2000Pa.则塔釜压强（表压）：p=2000+398.418+417.3710=13344.9(pa)由于塔底气相，液相的温度相差不是很大，故在设计的时候可以看成他们的温度相同，为了计算的方便以及物性常数的查找，在设计的时候我们选取的温度为 100。又有塔釜甲醇的含量在 0.565%，其甲醇水溶液的物性常数和 100 度的纯溶液很接近。在这里我们将塔釜溶液看成是 100的水溶液来处理。用于加热的介质我们用工厂中很常用的水蒸汽来加热，我们选取 130的饱和水蒸气。21.2 再沸器形式的选择由于我们所加热的物质是甲醇的水溶液，其黏度较小，也比较的清洁，不易结垢因此我们选用立式热虹吸再沸器。其具有传热系数高、结构紧凑，安装方便、釜液在加热段停留时间比较段不易结垢、调节方便占地面积小和设备及运行费用低的显著特点。我们设计釜液在管程中被加热，水蒸气在壳程中冷凝。能够满足我们的要求。22 立式热虹吸再沸器的工艺设计：221 管程和壳程设计条件表 1-1 管程与壳程状态及设计条件壳程 管程温度 130 100压力 0.3Mp 0.12MP冷凝量 2687 kg/h化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 8 页 共 76 页蒸发量 2461 kg/h222 物性数据 ：a.壳程凝液在定性温度 130时的物性数据 1潜热 r(kJ/kg) ：2177.6 热导率 (w/(m.k)：0.685黏度 (pa.s) ：0.00022 密度(kg/m) ： 934.8b.管程釜液流体在 100时的物性常数:潜热 rb(kJ/kg): 2263.8 液相热导率 b: (w/(m.k): 0.6804液相黏度 b(pa.s): 0.000282 液相密度 b(kg/m ): 958.4液相定压比热容 cpb(J/(Kg.K) ：4234表面张力 b(N/m): 0.0588 气相黏度 v(pa.s) :0.000012气相密度 v(kg/m) : 0.598蒸汽压曲线斜率(t/p) ：0.00275 (m 2.k/kg) 223 估算设备尺寸 21 用式 cbDQ2 计算热量 24613.8061253.9(w)用式 计算传热温差t mbmtTtt m= (130+237.5)-( 237.5+100)=30(k)3.假设传热系数 K=640k(W/(m2.k) 则用式估算传热面积 Ap为：16253.984.65()0Ap4拟用传热管规格为 则根据式 计算传热管数 NT为：Nt=2.mAPNtdl8.65331025若将传热管按正三角形排列则用式 计算壳径 DobtD)32(1其中 t 为管心距 查表得 t=32mm化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 9 页 共 76 页3(1)Nta2b代入数据得：a=10 , b=20 D=0.683m且取管程进口管直径 mm 出口管直径 mm 3134219623 工艺设计核算231 传热系数的校核 4传热系数 KL 设传热管出口处汽化率 xe=0.036则用式 计算循环量ebtxDWWt= 2461.8.9(Kg/S)30 显热段传热管内表面的传热系数 用式 , 计算传热管质量流OtsWGTiNd24速 G代入数据得 G=168.28(Kg/(m 2/s)用式 计算 Re Re= bidRe0.18.934用式 计算 Pr=bpCPr423.2.756用式 计算显热段传热管内表面传热系数 i4.08.PrRe023.iid i .197518.9 W/(m.k) 计算管外冷凝表面传热系数 用式 家冷凝的质量流量 DccQD=r16253.940.76(kg/s)化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 10 页 共 76 页用式 计算传热管外单位润湿周边上冷凝质量流量 M=ToNdmM0.7460.2645(kg/.s)312539用式 计算冷凝膜的 Re0=Re0.26458021用式 计算管外冷凝表面传热系数 0=1/31/302().8Reg/231/32294.065.758(480)631W/(m.k)-式中 0.75 为矫正系数。是对双组分按单组分计算的矫正 污垢热阻及管壁热阻 沸腾侧 Ri= 0.0004(m2.k/w) 冷凝侧 Ro=0.000176(m2.k/w)管壁热阻 Rw=5.1210-5(m2.k/w)用式 计算显热段传热系数owoioioRdRdKL115420.42.10251(78.913.60)3.3 W/(mkL蒸发段传热系数 KE 计算传热管内釜液的质量流量 Gh=3600168.28=605808.2(kg/(m2.h)当 xe=0.036 时用式 计算参数 xtt1.05.09.0 )/()/(/)1( vbbvt xX0.90.5 0.110.368428.2tX.化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 11 页 共 76 页1/xtt =1.51由 Gh 及 1/xt 查图 1 得 E= 1 同理当 x= 0.4xe 时计算 1/xt 为 0.65再由 Gh 及 1/xt 查图 1 得 = 1化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 12 页 共 76 页 用式 计算核沸腾压抑因数 =12E 用式 31.03.069.069.0 )()1()(Pr5.0 ivbbpiibnb pdrAQdd计算泡核沸腾表面 传热系数 anb0.6930.68405( )0.694.78nba 0.3150.39.2()()8.82247.w/m.k 用式 计算以液体单独存在为基准的对流传4.08.Pr)1)Re(03. xdibi 热系数84.29(.4)17501ia27.35w/(m.k) 计算沸腾表面传热系数 用式 计算对流沸腾因子 Ftp5.0)/1(.ttpXF.3.56284用式 计算两相对流表面传热系数ptti22.8417.39.w/(m.k)t 用式 计算沸腾传热膜系数vptnb29741./(.)化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 13 页 共 76 页用式 计算沸腾传owoioiio RdRdK11热系数 KE 50.425.102251(743.13.6)93.2950w/(m.k)显热段和蒸发段的长度 用式 计算显热段的长度和总长的tbpmTissBCWKNdtL)()/比值 3.140.23596400.275(.0( )8.1BCL.3LBC=30.33=0.99(m) LCD=3-0.99=2.01(m)用式 计算传热系数 Kc LKKCDEBCC26310.952.0184w/(m.k)c实际需要的传热面积为216253.964.15()840Ac传热面积的欲度 利用式 得)/HApc(.654.1)6.50.319232 循环流量的校核 2a 循环系统的推动力化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 14 页 共 76 页当 X=Xe/3=0.036/3=0.012 时计算参数 xtt1.05.09.0)/()/(/)1( vbvt xX0.90.5 0.1.284(28.2)t1.8用式 计算两相流的液相分率 RL5.02)1(tttLXR20.5.82876(1.)L用式 计算两相的平均密度为LbLvtpR0.598(1.276)958.40276)tp3267.4kg/m当 x=xe=0.036 时同理有参数 Xtt=0.66两相流的相分率 RL=0.1687用式计算两相流的平均密度为 =162.26tp3(kg/m)式中的 L 值参照表并根据焊接的需要取 1.06mm 于是可以用式 计算循环推动力glptptpbCD)(P2.01958.4267.9)1.062.9.81 (a)b 循环阻力 2(1)管程进口的管阻力的计算 用式 计算釜液在管程进口管内的质量流速 G 为24itDWG化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 15 页 共 76 页223.14891548.kg/(m.s)0G用式 计算釜液在进口处的 Rei 为biiDRe 30.12548.Re610.2i用式计算 进口的长度和局部阻力的当量长度 Li 为)194.025./(346.0iiL(.125/).m0.346.iL用式 计算进口管内流体的摩擦系数为38.0Re74.ii27166412i用式 计算管程阻力biGDLp1 214.950.686418.ppa（2）传热管显热段的阻力 用式 计算釜液传热管内的质量流速 G 为TitNdWG24223.148.9163(kg/m.h)07G用式 计算釜液在传热管内流动时的 Re 为bidRe30.2165.88用式 计算进口管内流体的流动的摩擦系数 为38.0Re74. 0.3850.126化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 16 页 共 76 页用式 计算传热管显热段的阻力 为bIBCGdLp22 2p220.9163.364.58.pa（3）传热段的蒸发的阻力 气相流动作用力的 计算 2168.kg/(m.s)G用式 计算气相在传热管内的质量流速 为xv vG2(/3)(0.36/)18.2=4.038kg.svGxe用式 计算气相在传热管内的流动的 为vivdRe Rev30.24.8671.21v用式 计算气相在传热管内的流动摩擦系数 为38.0Re54.vv v用式 计算气相在传热管内的流0.3870.12.762v viCDvGdLp23动阻力 为3vp23.14.08. 59v a液相流动阻力 的计算 用式 计算液相在传热管内的质量流速3l lvGlG2168.24.016.4kg/(m.s)lvG用式 计算液相在传热管内的 Rel 为bLiLdRe 30.164.2Re88L化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 17 页 共 76 页用式 计算在传热管内的液相摩擦系数为38.0Re754012.LL4L用式 计算液相在传热管内的液相流动阻力为bLiCDLGdp2323.0168447.695L pa用式 计算计算传热管内两相流动阻力42.0325.033 )(LVpp. .54768.pa（4） 蒸发段管程内因动量变化引起的阻力 管程内流体的的质量流速 G 为 168.28/(.s ) 用式 计算蒸发段内因动量变化引起的阻1)()1(22LevbLeRxRxM力系数 M 为 220.36(0.36)958.4()71用式 计算蒸发段管程内因动量引起的阻力 为bGp/24 4p168.7958.4206.97pa管程出口管阻力 气相流动阻力的计算用式 计算管程出口管中气、液相总质量流速 G 为24itDWG 223.1489564.8kg/(m.s)07用式 计算管程出口管中气相质量流速 为evGx vG20.3654.820.3kg/(.s)化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 18 页 共 76 页用式 计算管程出口管的长度和局部阻力当量长度的和)194.025./(346.0)iiDL.7/.)2.36m.2(.)i 用式 计算管程出口管中气相的流动 ReV 为vivGdRe30.27.5061v用式 计算管程出口管中气相流动的摩擦系数为38.0Re74.vv0.3850.12.126v用式 计算管程出口中气相流动阻力 为25CDvviLGpd 5vp2524.350.0.18738.679v a液相流动阻力 的计算5lp用式 计算管程出口管中液相质量流速 为 lvG lG2564.820.354.kg/(m.s)lv 用式 计算管程出口管中液相的流动 ReL 为bLiLdRe30.2754.957681L化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 19 页 共 76 页用式 计算管程出口管中液相流动的摩擦系数为38.0Re754012.ii 0.38. .1799576i用式 计算管程出口中液相流动阻力 为25CDLLibGpd 5Lp7935.720984L pa用式 计算管程出口、管中两相流动阻力 为.50.25()VLpp 5p0.250.2457386780.6pa（6）用式 计算系统的阻力 为54321ppf fp123452584.680.6.9780.63fpa循环推动力与循环阻力 的比值/DfP/1205/631.0DfP循环推动里略大于循环的阻力 说明所设的出口汽化率 基本上正确的 因此0.24eX所设计的再沸器可以满足传热过程对循环流量的要求化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 20 页 共 76 页24 工艺设计汇总表表 1-2 工艺设计汇总表再沸器设备名称壳程 管程物料名称 进口出口混合蒸汽凝液甲醇水溶液溶液和蒸气质量流量/（kg/h） 进口出口2686.992686.99 2461+操作温度/ 进口出口13013099.2499.86甲醇的摩尔分数 0.0056热流量 Q/(w) 1625332.94 1625332.94操作压力（绝）(Mp) 0.3 0.12定性温度 tm/ 130 100液体物性参数比定压热容 cpb (kJ/(Kg.K)热导率 (w/(m.k)密度(kg/m )黏度 (pa.s)表面张力 b(N/m)汽化潜热 r(kJ/kg)0.685934.80.000222177.60.000282958.40.0002820.05882263.8气 体物 性参 数比定压热容密度 rb(kJ/kg)黏度蒸汽压曲线斜率(t/p)42341.494 0.5980000012000275计算传热系数 Kc(w/(m2.k) 844.53传热面积 84.65管子规格 252.5mm排列方式 正三角形排列管中心距 32mm管长 3m管数 359设备主要 程数 单程化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 21 页 共 76 页折流板间距折流板数壳体内径进口 1594.5mm 1334mm尺寸接管尺寸出口 573.5mm 2196mm材料 碳钢 碳钢面积裕度 3195%第三章 再沸器的结构及强度设计3.1 壳体、管箱壳体和封头的设计3 .1.1壳体、管箱的设计 6一般来说当壳体直径400mm 时，采用板材卷制壳体和管箱壳体。其直径系列应与封头、连接法兰的系列相匹配，以便于法兰，封头的选型。一般情况下，当直径1000mm时，直径相差 100mm 为一个系列（如 500、600、700） 。碳素钢壳体、管箱的厚度可以按标准查表查得：当公称直径为 700mm 时，材料为 Q-235A/B/C 的碳素钢，壳体的厚度为 8mm,质量为 140kg/m;管箱的厚度为 8mm, 管箱的长度为 250mm，质量为 90kg/m.3.1.2 封头的设计 7封头的厚度选定当公称直径为 700mm 时，材料为 Q-235A/B/C 的碳素钢，封头的厚度为 8 mm。封头的选定根据 EHB 标准椭形封头的尺寸与质量，当公称直径为 700mm 时，选定封头的曲面高度 为 175mm，直边高度 为 25mm，内表面积 F 为 0.586 ，容积 V 为 0.074 ，厚ih0h2m3m度 为 8mm，质量 G 为 38kg。p化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 22 页 共 76 页3.1.3封头的强度计算 8 1）短节计算壁厚 20.5itPDC 1 n=4mm e=2.2mm 压力实验校核 sMpaeDiPTGt 9.037.82.)(75.2)( 直边高计算系统的阻力 为 25mmfp管箱短节 封头的厚度计算= mm2itP4.012.8501327.n=min+c2+=5mm结合补强需要取 n=8mme=n-c 1-c2=5.2mm管箱、短节的厚度相同都取 8mm压力满足强度的要求，外头封盖选用标准椭圆封头封头强度的计算=20.5itPDm79.035.1327钢板的负偏差取 C1=0.8mm腐蚀余量 C2=1mm最小壁厚：min=3mm min248mC所以封头符合强度要求。3.1.4 筒体的强度计算 2itPD其中：化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 23 页 共 76 页圆筒的计算厚度；圆筒的设计内压， ；PaMP圆筒内径；iD钢板在设计温度下的需用应力， ；taP焊缝系数。查得 Q235A 在小于 100时的需用应力为 133 aM单面焊：=1 0.370.93m21钢板负偏差： 。10.8mC腐蚀余量： 。2最小壁厚： 。min3minCi248n水压试验压力 1.251.503.75tPTcMpa所选材料的屈服应力 s=235MpaMpaspaeDiGt 5.21.62)70(35.2)( 水压实验满足要求PT=PC=0.3MPa所以筒体符合强度要求。3.2 进出口的设计 93.2.1 接管外伸长度 在工艺设计中，已经得到：管程的入口接管尺寸为 mm，出口接管的尺寸为134化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 24 页 共 76 页2196mm 壳程的入口接管为 mm，壳程的出口接管为 mm.1594.573.查表得接管的外伸高度：管程接管入口为 200mm,管程出口接管为 200mm 壳程入口接管为 200mm,壳程出口接管为 150mm。3.2.2 接管最小位置在换热器设计中，为了使传热面积得以充分利用，壳程流体进、出口接管应尽量靠近两端管板，而管箱进、出口接管应尽量靠近管箱法兰，可缩短管箱壳体长度，减轻设备质量。然而，为了保证设备的制造、安装、管口距地的距离也不能靠得太近，它受到最小位置的限制。壳程接管位置的最小尺寸无补强圈时，壳程接管的最小尺寸 （接管中心距离管板密封面的长度）为：1Lmm(4)2HdbC其中： 接管外径；Hd管板厚度；b取 。C3(S),为 壳 体 厚 度 且 不 小 于 50-1m本设计取 C=100mm。11L25,L64.m入 口 接 管 出 口 接 管管箱接管位置的最小尺寸无补强圈时，管程接管的最小位置 为：2mmHfdLhC2570178.5m3.2.3 接管与筒体、管箱壳体的连接 9接管与壳体、管箱壳体（包括封头）连接的结构形式，采用插入式焊接结构。一般接管不得突出壳体的内表面。3.2.4接管处的强度校核壳程入口处接管：化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 25 页 共 76 页接管设计壁厚： 0.31590.8m22cttPD接管有效壁厚： 142.5etntC接管开孔直径： 5914013.id有效补强宽度： 23.06.7mB外侧有效补强高度： 1 52.7nth需要补强面积： 5.4.Ad可以做补强面积： 21306.715.20.13meBA所以不需要补强结构。壳程出口接管：出口接管尺寸远小于入口，同理可以算出出叩同样不需要补强结构。管程进出口接管：接管设计壁厚： 0.130.5m22cttPD接管有效壁厚： 14.2.4etntC接管开孔直径： 310518.id有效补强宽度： 28.256.mB外侧有效补强高度： 14.nth需要补强面积： 2.01.3Ad可以做补强面积： 21256.4809314.75meB1A所以不需要补强结构。化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 26 页 共 76 页(4)同理出口接管不需补强结构3.3 管板 103.3.1管板的结构管板是管壳式换热器的一个重要元件。它除了与管子和壳体等连接外，还式换热器的一个重要受压元件。对管板的设计，除了满足强度要求外，同时应合理的考虑其结构设计。在本设计中，选定固定式管板换热器兼作法兰的管板。管板与法兰连接的密封面为凸面，分成隔板的拐角处，倒角为 。1045碳钢管板的隔板槽宽度为 12mm，槽深一般不小于 4mm。3.3.2 管板的尺寸管板的最小厚度：当管板和换热管采用胀接时，管板的最小厚度（不包括腐蚀裕度）应满足下表：表 2 管板的最小厚度换热管外径 0,md10， 14 ， 19 25， 32， 38 45， 57易燃易爆有毒20 25 ，32， 38 45 ， 57最小厚度 min无害介质 10 15 20， 24， 26 32 ， 36管板的尺寸：查表，得到壳程压力大于管程压力的碳钢换热管板尺寸如下：当壳程压力不大于 1.0 ,管程压力不大于 0.6 ，公称直径 DN 为 700mm 时：aMPaMPD=830mm,D1=790mm,D2=755mm,D3=697mm,D4=742mm,D5=700mm,C=12.5mm,d2=23mm,=30mm,b=40mm,镙柱（栓）规格 M20，数量 24。fb选用上述管板尺寸时，若管板密封面尺寸和镙栓中心孔尺寸与相应标准法兰不符合时，以标准法兰为准。化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 第 27 页 共 76 页3.3.3固定管板的强度计算 11管板厚 ， ，40mb.12taPMa0.3sP总换热管数 35n一根管壁金属的横截面积为： 2220.7850176.m4oiad开孔强度削弱系数(双管程)： .4两管板间换热