化工原理课程设计-甲醇-水冷凝器工艺设计.doc

化工原理课程设计 课程设计（论文）课 程 名 称 化工原理 题 目 名 称 甲醇-水冷凝器工艺设计 学 生 姓 名 学 号 系 、专 业 生化系2010级制药工程 指 导 教 师 2013年 1月 3 日目 录课程设计任务书 3一、物料衡算 71.1设计依据 71.2精馏塔物料衡算 71.3冷凝器物料衡算 8二、热量衡算11三、设备设计 131、流体流径选择 132、冷凝器热负荷 143、流体两端温度的确定 144、总传热系数145、换热面积 146、初选管程及单管长度 147、筒体直径 158、数据核算159、 流体流动阻力（压强降）的计算20四、设备选型 21六、总结27七、参考文献 29八、致谢 30九、附工程图纸 312010级制药工程专业化工原理课程设计任务书设计课题：甲醇-水溶液精馏装置塔顶冷凝器设计全套图纸加扣3012250582 一、 课程设计目的化工原理课程设计是综合运用化工原理、工程制图、物理化学等专业基础课程和其他相关先修课程所学知识，完成以化工单元设计为主的一次工程设计，对学生进行一次设计技能的综合训练，培养学生综合运用所学的知识解决实际问题的能力，也为以后的专业设计和毕业设计打下基础。因此，化工原理课程设计是提高学生实际工作能力的重要教学环节。二、设计条件1、年产甲醇：10000+（X-1）5000=10000吨/年 （X=8）2、产品甲醇组成：CH3OH 98% (质量分数，下同) 、H2O 2%3、原料液为常温液体；原料组成：CH3OH 70% , H2O 30%4、分离要求：塔釜甲醇含量不大于0.1%三、设计内容1、物料衡算（精馏塔、冷凝器）2、冷凝器热量衡算3、冷凝器热负荷计算4、冷凝器换热面积计算5、冷凝器结构型式选择6、冷凝器结构尺寸、工艺尺寸的设计计算等7、冷凝器总传热系数的校核8、冷凝器装配图的绘制四、设计要求1、设计方案简介 对产品的性能、用途、工业状况及未来的发展前景进行概括和总结。对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。 2、工艺设计选定工艺参数，对单个设备作出衡算示意图，进行物料衡算、热量衡算，以表格形式表达衡算结果，其中的数据（非给定数据）及计算公式（经验公式）必须交待来源（即何种参考书目，并在参考文献中列出）。3、设备计算选择设备的结构形式，并说明理由。进行设备的结构尺寸和工艺尺寸的设计计算。4、辅助设备选型典型辅助设备的主要工艺尺寸的计算，设备规格型号的选定。5、设计说明书的编写要求严格按照邵阳学院毕业设计（论文）格式进行编写。设计说明书应按顺序包括以下内容： (1)设计说明书封面；(2)设计任务书； (3)目录； (4)概述（设计方案简介）； (5)工艺计算（物料衡算、热量衡算）； (6)设备设计（主要设备设计、辅助设备设计或选型）； (7)设计总结、评述； (8) 参考资料； (9)致谢；（10）附工程图纸。 6、绘制主要设备的装配图 用A1图纸绘制冷凝器装配图（图面应包括设备主视图、俯（左）视图、局部视图等，并配备明细表、管口表、技术性能表、技术要求等），要求采用CAD绘制图纸。 指导老师： 胡建明 周群贵二O 一二年十二月十五日 五、概 述课程设计是综合应用本门课程和有关先修课程所学知识，完成以单元操作为主的一次设计实践，是培养我们实际动手能力的一个重要环节，是从学生走向工程师必然程序。通过课程设计能使我们掌握工程设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料，选用公式和数据，用简洁的文字、图表表达设计结果及制图等能力方面得到一次基本训练。在设计过程中我们更应该注重树立正确的设计思想和实事求是、严肃认真的工作作风。为我们将来更快的融入社会，更好的适应新的工作提供有力的保障。本次课程设计仅对甲醇水混合液体的精馏装置进行设计，设计甲醇年产量为45000吨。根据生产要求设计甲醇水精馏装置，精馏是化工生产中分离均相液体混合物的典型单元操作，其历史悠久，应用广泛。精馏的基本原理是将液体混合物部分汽化、全部冷凝，利用其中各个组分挥发度不同而将其分离。其本质是液、气相间的质量传递和热量传递。为使分离彻底，以获得较纯的产品，工业生产中常采用多次部分汽化、多次全部冷凝的方法精馏。精馏过程通常是在塔设备内完成的。冷凝器是精馏过程必不可少的设备。它承担着将物料冷凝的重要任务。而固定管板式换热器更是因其具有工艺简单、造价低廉、工艺设计成熟、热效率较高等优点而得到广泛的应用，尤其在很多大工业生产中。冷凝器同样是一种广泛使用的精馏工艺设备,在炼油,化工行业中是主要的工艺设备之一。根据换热条件,采用水作为冷却介质,选用列管式换热器.用自来水对热流体冷却属于一侧为恒温流体的传热。由于传热温差小于50，不设置膨胀节。由于介质为有机质蒸气和水，所以水走壳程，有机质走管程。原料液为含甲醇70%（质量分数，下同）、水30%的混合溶液，温度为20。分离要求为塔釜甲醇含量不大于0.1%，年产量45000（吨）。甲醇系结构最为简单的饱和一元醇，化学式CH3OH。又称“木醇”或“木精”。是无色有酒精气味易挥发的液体。外观与性状：无色澄清液体，有刺激性气味。微有乙醇样气味，易挥发，易流动，燃烧时无烟有蓝色火焰，能与水、乙醇、乙醚等有机溶剂互溶，能与多种化合物形成共沸混合物，能与多种化合物形成溶剂混溶，溶解性能优于乙醇，能溶解多种无机盐，如碘化钠、氯化钙、硝酸铵、硫酸铜、硝酸银、氯化铵和氯化钠等。易燃，与空气混合的爆炸极限为6.0%-36.5%（体积）。有毒，一般误饮510ml可致眼睛失明，大量饮用会导致死亡。甲醇对金属特别是黄铜有轻微的腐蚀性。易燃，燃烧时有无光的淡蓝色火焰。蒸气能与空气形成爆炸混合物爆炸极限6.0%-36.5%(vol)。纯品略带乙醇味，粗品刺鼻难闻。有毒可直接侵害人的肢体细胞组织特别是侵害视觉神经网膜，致使失明。正常人一次饮用4-10g纯甲醇可产生严重中毒。饮用7-8g可导致失明，饮用30-100g就会死亡。本次设计采用填料精馏塔。其优点为：1生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大 20%40%，与筛板塔接近。2操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。3塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。4塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%，但是比筛板塔高 20%30%。5塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%，但是比筛板塔高 20%30%。一、物料衡算1.1设计依据（已知技术参数和条件）1.1.1 化工原理课程设计任务书1.1.2 年产甲醇45000吨，根据工业生产中连续生产的特点，取年平均生产时间为8000小时，即小时产量为：45000103/8000=5625kg/h，本设计以小时产量为计算基准。含甲醇 45000/898%=5512.5kg/h=172.27kmol/h含水 45000/82%=112.57kg/h=6.25kmol/h1.1.3 原料为常温液体，原料组成：CH3OH 70% , H2O 30%1.1.4 分离要求：塔釜甲醇含量不大于0.1%1.2精馏塔物料衡算 1.2.1物料衡算示意图 1.2.2用质量分率计算进料量及塔釜采出量 由 = + XF= XD+ XW 其中XF =70% XD =98% XW 0.1% 求得=7959 kg/h =2253.22kg/h 1.2.3计算摩尔量、摩尔分率 由于甲醇分子量为32，水的分子量为18 则D= kg/kmolkg/kmol kg/kmol1.2.4精馏塔物料衡算表表1.1精馏塔物的料衡算表进料F出料塔顶采出D塔底采出W组分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%甲醇172.345514.75470172.275512.5980.072.2540.1水131.302363.466306.25112.5 2125.052250.96699.9总计303.647878.22100178.525625.0100125.122253.22100总量进=303.64 kmol/h出=303.64 kmol/h进=出13冷凝器物料衡算1.3.1、 操作回流比选取冷凝器1）根据设计条件和数据作物系气液平衡线（xy图）查阅贾绍义著化工原理下册第二版天津大学出版社第74页有：温度t/ OC液相中甲醇的摩尔分数气相中甲醇的摩尔分数温度t/ OC液相中甲醇的摩尔分数气相中甲醇的摩尔分数1000.000.00075.30.400.72996.40.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.600.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.70.200.57964.51.001.00078.00.300.6652）作出平衡线（xy图）3）计算最小回流比Rmin，确定实际回流比利用平衡线（xy图）求取最小回流比Rmin（泡点进料q=1）由图得最小截距：XD/(Rmin +1)=0.5743：Rmin =0.73784）确定实际回流比： R=1.5Rmin =1.1071.3.2进料量及组成确定D = 178.52 kmol/hV = (R+1)D = （1.107+1）178.52=376.14 kmol/h V/=V L = RD =1.107 178.52=197.62 kmol/h VYD=LXD+DXD YD=0.9650 = XD冷凝器物料衡算表表1-2冷凝器物料衡算表冷凝器进料V出料冷凝器顶采出D冷凝器底采出L组分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%甲醇362.9811615.4098172.275512.5098190.706102.8998水13.16237.0426.25112.502 6.92124.552总计376.1411852.44100.00178.525625.00100.00197.626227.44100.00总量进=376.14kmol/h 出=376.14kmol/h进=出二、热量衡算2.1 冷凝器的热量衡算 2.1.1确定塔顶、塔底控制温度查阅夏清贾绍义著化工原理下册第二版天津大学出版社第74页有：温度t/ OC液相中甲醇的摩尔分数气相中甲醇的摩尔分数温度t/ OC液相中甲醇的摩尔分数气相中甲醇的摩尔分数1000.000.00075.30.400.72996.40.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.600.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.70.200.57964.51.001.00078.00.300.665如图泡点温度T=64.85 OC露点温度T=65.74 OC进料温度T=65 OC2.1.2已知条件 1）变化过程：冷却水从20 OC升温到45 OC，物料由饱和蒸汽变为饱和液体 2）冷凝器的物料组成表表1-2冷凝器物料衡算表冷凝器进料V出料冷凝器顶采出D冷凝器底采出L组分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%甲醇362.9611615.2096.50172.275512.7096.50190.706102.5096.50水13.18237.243.506.25112.503.50 6.92124.943.50总计376.1411852.44100.00178.525625.00100.00197.626227.44100.00总量进=376.14kmol/h 出=376.14kmol/h进=出2.1.3、各组分热力学参数见下表：查化学化工物性数据手册得：汽化潜热组分65.74甲醇1101 kJ/kg水2343.4 kJ/kg2.1.4、计算 1）物料冷凝所放出的热量 =11615.201101237.242343.4= 13344283.42kJ/h1.2.2冷却水量的计算冷凝水的平均温度：Tm=32.5查化工原理附录六（水的物理性质）：20时，Cp=4.183kJ/(kg) 45时，Cp=4.174kJ/(kg)即T=32.5时，Cp=4.1785kJ/(kg)取Q吸=（0.90.95）Q放 =0.9013344283.42 = 12009855.07kj/h由得： =12009855.07/4.1785(45-20)=114968.0993kg/h三、冷凝器的工艺设计3.1流体流径的选择根据流体流径的选择规则以得出结论：冷却水走管间，有机质走管内。3.2冷凝器的热负荷q=12009855.07/3600=3336.071 kj/sQ 管程流体放出的热量3.3流体两端温度的确定3.3.1物料进口、出口温度为泡点温度65冷却介质进口温度20,出口温度45传热温度差（按逆流方式计算）： =31.533.4总传热系数K按照资料初选传热系数K=650W/m23.5换热面积S的计算=3336071/ (65031.53)=162.779 3.6初选管程数3.6.1 确定管程流速u：列管换热器常用的流苏范围流体的种类一般流体易结垢液体气体流速，m/s管程0.5 31530壳程0.21.50.5315 根据资料列管换热器中不同粘度液体的常用流速取管程流体速度为u=20m/s3.6.2流通截面积AM=320.965+18(1-0.965)=31.51g/molVs=mRT/MP=118524408.314(273.15+65) /(31.513600101000)=2.91 m3/sA= Vs /U = 2.91/20 = 0.1455 m2 3.6.3 单程换热管数根据物料特性，选定换热管规格为252mm流体流通截面积则换热管数n=40.1455/(3.140.0210.021)= 420.2955421 圆整得n=421根3.6.4单根换热管长度L 单根管长=162.779/(4193.140.025)=4.9476m又L取1.5236m则 管 长L=6m管程数N=13.7筒体直径计算3.7.1 管中心距：t =1.25do=1.2525=31.25mm；取t =32mm （焊接） 最外列管中心距筒壁b=1.5=37.5mm3.7.2 中心线上布管数：本设计采用正三角形排列，则= 22.57；取整nc=233.7.3筒体直径的计算：DN= t (nc-1)+2b=32(23-1)+237.5=779m 圆整至规格尺寸D=800mm3.8数据核算3.8.1按照算出数据在CAD中作图： 得实际管数n实=473根3.8.2实际换热面积SS=Ln实d0 =64733.140.025 =222.783m23.8.3折流挡板壳程流速：查附表六得冷却水的密度： 30下的冷却水的密度水=995.7kg/m3 40下的冷却水的密度水=992.2kg/m332.5下的冷却水的密度水=994.825kg/m壳程流速：=114968.0993/(3600994.825)1/(/4)(0.80.84730.0250.025)=0.11875m/s故需添加折流挡板h=(0.51)D ,D=800mm ,取h=0.5D=400mm=6000/400-1 = 14Vs壳程流速：=(114968.0993/3600994.825)/0.40.8(1-0.025/0.032)=0.4586m/s因0.2 m/s0. 4586 m/s1.5 m/s，故符合要求。管程流速： =2.91/(ddn/4)=12.54m/s当量直径：mm3.8.4核算总传热系数K值3.8.5管程流体对流 传热系数 定性温度:查化学化工物性数据手册得甲醇液体物性数据(蒸汽在水平管内冷凝，可视为纯组分):40时，=783.5kg/m3 ，H=1149kj/kg ,=0.439mPas ,=208.9mW/mk60时，=761.1 kg/m3, H=1128kj/kg ,=0.344mPas , =198.0mW/mk所以，定性温度下，甲醇液体的密度为773 kg/m3，液相汽化潜热为1139103 kj/kg，液相粘度为0.410-3Pas，液相流体导热系数为0.204W/mk。3.8.6壳程流体传热系数32.5下冷却水的物理特性参数查附表六1知：导热系数=61.80 10-2 W/m密度=994.825kg/m3黏度=0.7645 mPas普朗特数30时，Pr=5.42 40时，Pr=4.32所以，Pr=5.145=0.020190.4586994.825/0.0007645=12048.683则= =3506.606W/m2查阅夏清贾绍义著化工原理上册第二版天津大学出版社附表有： 管外污垢热阻Rs0=3.439410-4m2/w 管内污垢热阻Rsi=0.859810-4m2/w 不锈钢导热系数=17.08W/m = =1.469710-3 K0=680.40 K0 /k=680.40/650=1.047S0=q/ K0 t=3336071/(680.40/31.53)=155.506(S-S0)/S=( 162.779-155.506)/ 162.779100%=4.47%故换热设计符合要求3.9 流体流动阻力（压强降）的计算3.9. 1 管程流体阻力：摩擦阻力公式计算 式中：P1每程直管的压降， P2局部阻力（包括回弯；进、出口等）， NS壳程数 NP为一壳程的管程数 Fi 结垢校正因数，无因次。252 mm的管子取Fi=1.4， 192mm的管子取Fi=1.5根据资料表1-21选管壁粗糙度=0.2则由图-Re图查得：摩擦系数=0.036=2.91/(4730.0210.0213.14/4)=17.77m/s甲醇=1.133kg/m3=1839.97Pa=535.230Pa所以 =1839.97+535.230)1.411 = 3325.28Pa3.9.2壳程阻力损失式中：；uo按壳程流通截面计算所得的壳程流速NB折流挡板数目,de壳程的当量直径查附录九1得：32.5下的水蒸气的密度=994.825kg/m3黏度=0.7645mPas则：=0.020190.4586994.825/0.0007645=12048.683 Po =0.30370.6(23+1)/0.02019994.8250.45862/2=10998.73Pa四 设备选型4 结构尺寸设计4.1筒体 筒体长L=6000mm，公称直径DN=800mm，厚度=6mm 4.2椭圆形封头选取椭圆形封头，标准号为：JB/T 473795，其厚度和圆筒相等，即6mm公称直径DN/mm曲面高度h1/mm直边高度h2/mm厚度/mm质量G/kg800200256214.3压力容器法兰（甲型）公称直径DN甲型平焊法兰/mm螺柱非金属软垫片DD1D3d规格数量D5d56007156806403218M16246396034.4膨胀节 Tm=65 小于50，故不需设置膨胀节。 4.5管板固定管板式换热器的管板的主要尺寸：公称直径DD1D3D4bcd螺栓孔数60071568062064032618244.6拉杆的直径、数量和尺寸：拉杆公称直径dn/mm数量基本尺寸拉杆直径d/mmLa/mmLb/mmb/mm1241915252.04.7拉杆孔 dn=12mm l2=1.5dn=1.512=18mm4.8换热管与管板的连接换热管规格：外径壁厚/mm换热管最小伸出长度l1/mm最小坡口深度l2/mm252224.9接管的计算 A、冷凝水进出口接管的直径计算取u=2m/s时m 采用1084mm热轧无缝钢管，实际物料进出口管内流速为：m/s B、物料蒸气进出口接管的直径计算 取u2=11.62m/s，则：m 采用32512.5mm热轧无缝钢管，实际蒸气进出口管内流速为：m/s(10)管法兰管子直径A1/mm法兰内径B1/mm螺栓中心圆直径K/mm公称直径DN/mm螺栓孔直径L/mm螺栓孔数量n法兰外径D/mm法兰厚度C/mm法兰理论重量kg物料进口325328395300231244022物料出口57591105014414012冷凝水进出口10811018010018421014 (11)支座 本设计选用鞍式支座（BI型）公称直径DN/mm鞍座高度h底板腹板2肋板垫板螺栓间距l2l1b11l3b2b33弧长b4380020055015010830012087102006400总 结历时三周的甲醇-水精馏塔装置设计就要结束了，在这看似短暂不到一个月的时间里，给人的感觉却不仅仅只是三周那么简单。仔细回顾这过去的三周时间，会发现真的有许多值得回忆和思考的地方，三周的实际价值已经不能用简单的终于学会了如何进行精馏装置设计来衡量了，在设计过程中所获得一些东西，才是真正值得我们回忆和思考的所在。在刚开始做课程设计的时候，我们都有些心不在焉的，一方面是刚考完试不久后的疲惫，另一方面是第一次做这方面工作的不知所措。大家都在那里做一些没有头绪的工作：看有关方面的书籍，或到图书馆查阅有关方面的资料。就这样摸索着如何开展工作，以及将工作进行下去，这实在是件让人头疼的事情，不怕事情多难多复杂，就怕无从下手，万事开头难，也许最能形容那时的状况。就这样头一个星期，我们在摸索中前进，终于有了点思路，却基本上没什么进展。一切新事物的发生都应该会经历这样的过程，虽然在第一周没有什么进展，却为后来的工作的进行奠定了基础，包括适应工作，得到了有关设计进行下去的一些方法，有了设计的总体框架等，这样就为下两周工作的进行创造了基础。再接下来的两周时间里基本上都是很紧张的工作着，查有关方面的数据，用excel表格记录数据，并进行计算，数据的查询，如何获得准确的数据，以及数据的处理过程中，用何种方法才能使误差更加小，结果更加准确，这些都很让人头痛，而大量数据的处理，有时难免会让人心情压抑，烦躁。这样就难免会产生错误以及漏算的情况，结果就是又得查找错误，重新计算，这里不得不感谢计算机的发明。在进行理论计算的同时还要考虑实际情况，这样就要考验数据的处理能力，以及对事情的综合考虑能力，当然这其中要感谢老师的提醒和指导。整个设计过程基本上都在围绕着最佳回流比的确定上，在确定好最佳回流比后，时间基本上就没有了，把整个报告书用word打好，绘制好坐标图形后，就真正发现时间是如此的紧