乙醇水精馏塔顶全凝器设计方案

1 乙醇水精馏塔顶 全凝器设计方案 定设计方案 热器的选型 两流体温度变化情况：塔顶热流体（乙醇蒸汽）进口温度 75口温度 65过程中有相变）根据南平地区全年平均温度 030 ，取冷流体（循环水）进口温度 25冷却水的出口温度一般不高于 5060，以避免大量结垢且两端温差不小于 5所以取出口温度 35 C，该换热器用循环冷却水冷凝，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计 该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。 动空间安排、管径及流速的确定 虽然冷却水较易结垢，但乙醇易挥发、易爆炸走壳程不易漏，虽然流速太低将会加快污垢的增长速度使换热器的热流量下降，但工业生产都是先从安全稳定角度考虑 的，所以总体考虑冷却水应该走管程，乙醇蒸汽走壳程冷凝，取管径为 19 内流速为 s。 定流体的定性温度、物性数据 根 据精馏塔物料衡算得 知液相中乙醇摩尔分数占 2 表 1 乙醇 水溶液平衡数据表 液相中乙醇的摩尔分数 X 气相中乙醇的摩尔分数 y 液相中乙醇的摩尔分数 X 气相中乙醇的摩尔分数 y 程甲醇蒸汽 的定性温度为 T=75 652=70 管 程 冷却水 的定性温度为 t=25 352=30 表 2 流体物性数据 物性 流体 密度 粘度)（比热容 )(m 0导热系数 3 乙醇蒸气 70 30 乙醇 图 1 冷凝器流程草图 如图所示，首先由 A 设备 精馏塔上升的甲醇蒸汽作为进料，从 1 号接管进入 B 设备 换热器，再从 2 号接管流出进入 C 设备 冷凝液储槽，其中循环水从 3 号接管进入再从 4 号接管出来，到达冷凝液储槽的冷凝液，一部分作回流液回流，另一部分经冷却后为产品，整个工艺流程大体 是这样。 算总传热系数 算热负荷 Q 因为单位产量是 D =4000kg/h 6 0 1 1 8 0 9 4 5 kg/4 D= 4000 8 7 . 5 2 k m o l / . 7 由精馏塔设计计算得最小回流比 R ，取 R= ， 则乙醇蒸汽进量 V=h 则 Wh 6 8 6 1 5 . 3 4 k g / h 查 70 0C 时，乙醇 925 （化学化工物性数据手册有机卷） 水 （ 化工原理上册） 由物料衡算得蒸汽中乙醇占 水蒸气占 r l= =925 0 . 9 9 1 2 3 3 1 0 . 0 0 9 6hQ r 2 . 3 9 9 3 7 . 7 2 . 2 4 1 0 均传热温差先按纯逆流算 01t 6 5 2 5 4 0 C 02t 7 5 3 5 4 0 C 012m 0 却水用量 2 4 0 1 7 . 8 k g / 2 5 . 7 算总传热系数 K 要知道传热系数 K，首先得计算对流传热系数01 ，管程对流传热系数 4 . 0 1 5 0 . 9 7 9 9 5 . 7 1 . 8 1 1 00 . 8 0 0 7 1 0 P 08 0 0 3 5 R = 0 . 8 0 . 4 2 00 . 6 1 8 1 . 8 1 1 0 5 . 4 1 4 7 4 3 w / m 0 1 5 （ ） （ ） （ ） 壳程传热系数 先假定一个壳程对流传热系数 30000 )(m/w 02 C污垢热阻 10 /W（化工原理课程表 2 （蒸汽侧热阻很小可忽略） 管壁的导热系数 =45W/(m ) 8 5154 0 6 01915190 0 0 3 4 0 011算传热面积 S= 60Q 2 . 2 4 1 0 6 3 . 38 8 5 4 0（ 考虑 15%面积裕度，则 S=6 3 3 (m ） 艺结构尺寸 程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 n =221 7 . 8 9 9 5 . 7 1050 . 7 8 5 0 . 0 1 5 0 . 9 74 （根） 按单程管计算，所需的传热管长度为 L= 73 1 1 . 6 53 . 1 4 0 . 0 1 9 1 0 5（ m） 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 l=6m，则该换热器管程数为 6 1 1 26(管程） 传热管总根数 N=N 2 210105 （根） 热管排列和分程方法 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距 t= t=19=（ 横过管束中心线的管数 =根） 体内径 采用多管程结构，取管板利用率 =壳体内径为 D=24 圆整可得 D 450 流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25%，则切去的圆缺高度为 h=450=可取 h=113折流板间距 B=60 圆整得 400流板数 600011400 传 热 管 长折 流 板 间 距=14(块 折流板圆缺面水平装置。 块1414006000 7 热器 核算 量核算 (1) 对圆缺形折流板，可采用克恩公式 o=0 . 5 5 1 / 3 0 . 1 40 . 3 6 R e P r ( )当量直径，由正三角形排列得 2234 ( )24 0 . 0 2(m) 壳程流通截面积 D（ 1- =（ = 壳程流体流速及其雷诺数分别为 2 . 3 9 / 7 5 4 . 2 0 . 8 60 . 0 0 3 7 （ m/s） 0 . 0 1 4 0 . 8 6 7 5 4 . 20 . 5 2 3 1 0 510 普兰特准数 2 . 6 4 0 . 5 2 3 3 . 0 0 20 . 4 6 黏度校正（w ） o =0 . 5 5 1 30 . 4 6 1 7 0 0 0 3 . 0 0 2 3 6 2 10 . 0 1 4 W/() (2) 管程对流传热系数 i=） 程流通截面积 . 0152 2 管程流体流速 s ）（ 4 22 8 430 . 0 1 5 0 . 9 7 9 9 5 . 7 1 . 8 1 1 00 . 8 0 0 7 1 0 普兰特准数 P 08 0 0 i=4 0 . 8 0 . 40 . 6 1 8 1 . 8 1 1 0 5 . 4 10 . 0 1 5 （ ）4743W/( ) （ 3） 传热系数 K 1111 9 1 9 0 . 0 0 2 1 9 10 . 0 0 0 3 4 44 7 4 3 1 5 1 5 4 5 1 5 3 6 2 1 =966W （ 4）校核有效平均温差 2111 0 2 0 0 . 3 4 5t 7 8 2 0P T R=12217 8 6 2 0 . 8t t 4 0 2 0 （ 5）计算传热面积 S S= 6Q 2 . 2 4 1 0 589 6 6 4 0（ 该换热器的实际传热面积 p = ）（ （ 该换热器的面积裕度为 H= 100%= %0058 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 算流动阻力 （ 1）管程流动阻力 （ 9 1， ， i（ 22 u） ,3（ 22u） 由 10 ， 取碳钢管壁粗糙度 ， ， 查莫狄图得i=m )，流速s， =所以 （ 29 9 5 2） =8619( 3 29 9 5 2=1405( (8619+1405)=30072 ( 管程流动阻力在允许范围之内 （ 2）壳程阻力 （ + ） s =1,凝蒸汽取 流体流经管束的阻力 =B+1)（ 22 F= 55 0 . 2 2 810 （ 18（根） ， 14， s =.8( 14+1)（ 27 5 4 2） =20445（ 流体流过折流板缺口的阻力 = 22 h=D=14（ （ 27 5 4 2） =11705（ 总阻力 0445+11705=32150（ 10 壳程流动阻力也比较适宜 接管 壳程流体进出口接管：取 甲醇蒸汽流速为 s，则接管内径 d= 4 4 2 . 3 9 7 5 4 . 2 0 . 0 6 53 . 1 4 0 . 9 5（ m） 取标准管径为 65程流体进出口接管：取接管内循环水流速为 u=s，则接管内径为 d= 4 1 7 . 8 9 9 5 . 7 0 . 0 8 23 . 1 4 1 . 5 （ m） 取标准管径为 85 11 表 3 换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器型式：列管式换热器 工艺参数 流体空间 管程 壳程 物料名称 循环水 甲醇蒸汽 操作温度 0 C 25/35 75/65 操作压力 体密度 kg/速 m/s 量 kg/h 64080 热量 240 对流传热系数 W/ 4743 3621 总传热系数 W/ 966 污垢系数 m 程数 2 1 阻力压降 用材料 碳钢 碳钢 管子规格 219 管数 210 根 管长 6000间距 4 排列方式 正三角形 折流板型式 上下 间距 400 切口高度 113体内径 50 换热面积 12 6. 制设备附属图 (见附图 ) 13 结 论 经过设计计算，以及相关的核算过程。可以比较出所设计的换热器大致能满足生产要求。其中在设计时的计算值 i=4743W/() ， o=3000W/() ， K=885W/() 与校核所得的 i=4743/() ， o=3621W/() ， K=966W/() 都相差不是太大，且换热器的换热面积 裕量，以及最后流动阻力计算结果都在生产工艺要求的范围内。说明这次的换热器的设计是可以实现工艺生产的。 通过这次 的课程设计 ，我们 总结了，在设计中 需要 认真 地计算好每一步 ，仔细查好每一个设计所需的参数， 需要学会在 设计计算中发现问题 ，并通过查阅资料和联系实际来解决这些问题，并提出自己的见解， 要能够善于前后联系，整体上把握 好 设计 的 方向。总的来说，要想设计更好的，更适合工业化生产 的换热器，那还需要大量查阅资料，不断积累经验与相关知识。 14 符号说明 英文字母 B 折流板间距， m; C 系数，无量纲； d 管径， m； D 换热器外壳内径， m； f 摩擦系数； F 系数； h 圆缺高度； K 总传热系数， W/（ m ）； L 管长， m； m 程数； n 指数； 管数； 程数； N 管数； 程数； 折流板数； 努赛尔特准数； P 压力， 因数； 普兰特准数； q 热通量， W/ Q 传热速率， W； r 半径， m； R 热阻， /W 因数； 雷诺准数； S 传热面积， t 冷流体温度，； 管心距， m； T 热流体温度，； u 流速， m/s； W 质量流量， kg/s。 希腊字母 对流传热系数， W/(m ) 有限差值； 导热系数， W/(m )； 粘度， s； 密度， kg/ 校正系数。 下标 i 管内； m 平均； o 管外； s 污垢 15 参 考 文 献 1柴诚敬，王军，张缨 原理课程设计天津：天津科学技术出版社， 2009 2 匡国柱，史启才 北京：化学工