武汉工程大学课程设计说明书(乙醇---水精馏塔顶产品冷凝器设计).doc

材料科学与工程学院课程设计说明书课题名称 专业班级 学生学号 学生姓名 学生成绩 指导教师 课题工作时间 材料科学与工程学院课程设计任务书专业 高材 班级11高材2 学生姓名 发题时间： 2014 年 6 月 23 日一、 课题名称乙醇-水精馏塔顶产品冷凝器设计二、 课题条件（文献资料、仪器设备、指导力量）（一）设计任务设计一冷凝器，冷凝乙醇-水系统精馏塔顶部的馏出产品，乙醇浓度与处理量如下所示，要求全部冷凝；(1) 处理能力： T/y。(2)产品浓度：含乙醇 %(3) 冷却剂：自来软水，进口温度计()：，出口温度()： （二）操作条件：（1）生产方式：连续操作（2）生间时间：每年以300天计算，每天24小时（3）冷凝器操作压力为常压，管程和壳程的压力降均不大于30KPa。三、 设计任务1 确定设计方案，绘制工艺流程图。2热力学计算21热力学数据的获取22估算传热面积23工艺尺寸计算24面积核算25壁温校核26压降校核3结构设计31冷凝器安装32管设计33管心距设计34管板设计35折流板设计36壳体设计37接管设计38封头设计39法兰设计310支座设计311其它4设计计算结果汇总表5设计结果评价6绘制装配图7编制设计说明书四、 设计所需技术参数物性数据：热容、粘度、密度、导热系数等。五、 设计说明书内容1封面2任务书3课程设计综合成绩评定表4中英文摘要。5目录及页码6概述7按设计任务顺序说明8结语简述设计体会，收获，提出建议等。9参考文献10附冷凝装配图及流程图六、 进度计划（列出完成项目设计内容、绘图等具体起始日期）1 设计动员，下达设计任务书 2014.6.232 搜集资料，阅读教材，拟订设计进度 2010.6.236.243 设计计算（包括电算） 2010.6.256.274 绘图 2010.6.286.305 整理设计资料，撰写设计说明书 2010.7.17.36 设计小结及答辩 2010.7.37.4指导教师（签名）： 2014 年 月 日 学科部（教研室）主任（签名）： 2014 年 月 日 说明：1学生进行课程设计前，指导教师应事先填好此任务书，并正式打印、签名，经学科部（教研室）主任审核签字后，正式发给学生。设计装订时应将此任务书订在设计说明书首页。2如果设计技术参数量大，可在任务书后另设附表列出。3. 所有签名均要求手签,以示负责。材料科学与工程学院课程设计综合成绩评定表学生姓名学生班级设计题目指导教师评语指导教师签字：年 月 日答辩记录答辩组成员签字： 记录人：年 月 日成绩综合评定栏设计情况答辩情况项 目权重分值项 目权重分值1、计算和绘图能力351、回答问题能力202、综合运用专业知识能力102、表述能力（逻辑性、条理性）103、运用计算机能力和外语能力104、查阅资料、运用工具书的能力55、独立完成设计能力56、书写情况（文字能力、整洁度）5综合成绩指导教师签名： 学科部主任签名： 年 月 日 年 月 日 摘 要 课程设计是化工原理课程教学中综合性和实际性较强的教学环节。根据课题要求和 课堂讲授内容，做相应的自主练习，深度理解课堂所讲解的内容；通过分析典型例题或者查阅相关文献，针对此次课题深入研究，巩固并学会运用所学知识设计乙醇-水精馏塔顶产品冷凝器。同时，通过课程设计，还可以使学生树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作态度。 本次课程设计为乙醇-水蒸馏塔塔顶产品冷凝器设计，要求设计一台冷凝器，将精 馏塔顶乙醇水气相产品全部冷凝。设计任务包括：1确定设计方案，绘制工艺流程图 ；2热力学计算 ；3结构设计；4绘制装配图；5编制设计说明书。经过仔细计算，最终设计出符合规定的冷凝器，并画出相应装配图。关键词：冷凝器；热力学数据；传热面积；核算；结构设计 Abstract Curriculum design is a comprehensive and practical teaching link in the teaching of the Principles of Chemical Engineering course.According to the request of the topic and teaching content, we can do the independent practice and deeply understand the content of the class in detail.Through the analysis of typical examples or consulting relevant literature,and studying on the subject deeply, we can consolidate and learn to use our knowledge to design the ethanol - water distillation condenser overhead product. At the same time, through the curriculum design,we can also make the students set up the correct design ideas, cultivate practical and realistic, serious and highly responsible work attitude. This course is to design a ethanol - water distillation tower condenser product, and design a condenser, the essence of distillation tower of ethanol - water vapour phase all condensation products.The design tasks include: 1 determine the design scheme,and draw the process diagram; 2 the thermodynamic calculation; 3 structure design; 4 draw assembly drawings; 5 design specification. After careful calculation, the final design conforms to the provisions of the condenser, and draw the corresponding assembly drawing.Key words: condenser; Thermodynamic data; Heat transfer area. Accounting. The structure design 目 录第一章 概述 1.1 冷凝的目的- 1 -1.2 换热器的种类- 1 -1.3 固定管板式换热器的简单介绍-2-第二章 设计方案2.1 换热器的选型- 3 -2.2 流动空间安排、管径及流速的确定- 3 -2.3 物性参数- 3 -第三章 设计计算3.1估算传热面积- 6 -3.2工艺尺寸计算- 6 -3.3 面积核算- 6 -3.4 壁温校核- 9 -3.5 压降校核- 9 -3.5.1管程压降计算- 9 -3.5.2壳程压降计算- 10 -第四章 结构设计4.1 冷凝器安装- 11 -4.2 管设计- 11 -4.3 管心距（t）的设计- 12 -4.3.1管子在管板上的固定- 12 -4.3.2管心距设计- 12 -4.4 管板设计- 13 -4.5 折流板设计- 13 -4.6 壳体设计- 14 -4.7 接管设计- 14 -4.8 封头设计- 15 -4.9 法兰设计- 15 -4.10 支座设计- 15 - 4.11 其它- 16 -4.12换热器主要结构尺寸和计算结果- 16 -第五章 设计小结-18-致 谢 -19-参考文献-19- 第一章 概述 1.1 冷凝的目的 在化学工业中，经常需将气体混合物中的各个组分加以分离，其目的是：（1）回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品；（2）除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气的有害物质，以免污染大气。气体和混合物的分离，往往是根据混合物各组分间某种物理性质和化学性质的差异来进行的。根据不同性质上的差异，可以开发出不同的分离方法，冷凝操作仅为其中之一，它是根据混合物各组分沸点不同而达到分离的目的的。1.2 换热器的种类 表1 换热器的分类列管式固定管板式刚性结构用于管壳温差较小的情况（一般50，关键不能清洗，壳程清洗空难，壳程易走不宜结构的物质带膨胀节有一定温度补偿能力，壳程只能承受低压力，不超过0.6MPa浮头式适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和结垢的场合，造价比固定式高20%U形管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难，管子难以更换填料函式外填料函管间容易泄露，不易处理易挥发，易爆炸及压力较高的介质内填料函密封性能差，不能用于压差较小的场合。釜式壳体上部有个蒸发空间，用于再沸蒸煮双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定反应器1.3 固定管板式换热器的简单介绍 固定管板式换热器的管端以焊接或膨胀的方法固定在管板上，管板与壳体以焊接的方式连接。主要部件有管箱、管板、管子膨胀节、定距管、折流板等组成。在壳体中设置有平行的管束，管束的两端用焊接或胀接的方法固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳体的进出管直接焊接在壳体上，装有进口或出口管的封头管箱用螺栓与外壳两管板紧固。管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器，管程可用管板分成任何程数。 第二章 设计方案2.1 换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78.33，出口温度78.33oC。（91的乙醇常压下沸点为78.33,过程中有相变，冷流体（循环水）进口温度30oC，而冷却水的出口温度为40oC，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用卧式的固定管板式换热器。2.2 流动空间安排、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.再者,饱和蒸汽宜走管间,以便于及时排除冷凝液,工业生产也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25mm2.5mm，在此，先假设水的流速=0.9m/s2.3 物性参数1、原始数据表 表1 原始数据表冷却水进口温度 =30o冷却水出口温度 =40oC凝器操作压力 p=101.325kpa冷凝蒸汽质量含量 含乙醇91 根据已有条件，进行以下计算与查表，得出我们所需的基本物性参数。乙醇蒸汽的摩尔分数= 冷凝蒸汽的泡点：根据乙醇蒸汽的摩尔分数，查下表可知该乙醇蒸汽的泡点 。 图1 乙醇水溶液（常压）气液平衡的温度组成图由上图，得到乙醇水溶液的泡点为78.33则其定性温度为结合参考资料的相关内容得到以下物性参数78.33下乙醇液体的物性：密度： h=745.54kg/m3导热系数： h=0.1638W/（mK）粘度： h=0.5003210-3 PaS定压比热容： Cph=3549J/（kgK）气化热： rh=794.35kJ/kg78.33下水液体的物性：密度： =972.00kg/m3导热系数： =0.632W/（mK）粘度： =0.365310-3 PaS定压比热容： Cp=4192J/（kgK）冷凝液体密度=815.19kg/m3冷凝蒸汽的流量：一年以300天计，每天24小时，则 F=80000103kg/(30024)h11111.11kg/h汽化热 r=r纯乙醇91+r9 =794.35KJ/kg91+1375KJ/kg9 =846.7KJ/kg （注：饱和蒸气的冷凝热计算）蒸汽的密度： =4.628kg/ m3 在35下，水的黏度=0.727mpa.s 水的密度=993.95kg/ m3 将以上数据进行整理归纳如下： 表2乙醇-水蒸汽的物性参数（78.33）气体密度（kg/m）汽化热（kj/kg）粘度（mpa.s）导热系数（w/（m.oC）冷凝液密度（kg/m） 4.628 846.7 0.484 0.1642 815.19 表3水的物性参数（35） 水的密度（kg/m）粘度（mpa.s）导热系数（w/（m.oC）比热容（kj/(kg.k) 993.95 0.727 0.626 4.174选取25mm2.5mm的不锈钢管，管内流速 4000为湍流。取4500时，得u0.165m/s,取水的流速u=0.9m/s 第三章 设计计算 3.1估算传热面积传热效率 （水的比热容）因此，水的流量其中，F-冷凝蒸汽的流量 F=80000103kg/(30024)h11111.11kg/h r-汽化热 Q-传热效率计算平均温度 选取K=450w/(. ) 则 3.2工艺尺寸计算管数其中，-水的密度 -管的内径 -水的流速管长 其中，-管的外径 所以根据标准，选取9m的管子则管程数 管数壳程 温度校正： 按单壳程和R,P值查表得（校正系数)=10.8,则合适。所以选用单壳程的列管式换热器。实际温差 采用正三角形排列焊接时，取整为32mm过中心线的管数 壳径 圆整可取600mm水的流速3.3 面积核算水的普朗克常数Pr=4.865 雷诺数=0.020.9993.95/(0.7270.001)=24609.54000 为湍流其中，d-管的内径 u-水的流速 -水的密度水的导热系数=(0.618+0.634)/2=0.626w/(m.k)管程传热系数的计算得=4415.58壳程设壁温为54 壳程传热系数的计算修正得其中，-蒸汽的密度 -蒸汽的导热系数 r -蒸汽的汽化热 n-过管中心的管子数 -蒸汽的黏度 -管子的外径 N-管子的总数目污垢热阻 不锈钢的热导率=17w/(m.k)总传热系数 ，其中dm=(0.02+0.025)/2=0.0225m -管子的外径 -管子的内径 -管程的传热系数 -壳程的传热系数带入数据得，求得K=519.61W/()450 W/() 所选换热器的安全系数为：(519.61-450)/519.61=13.4%表明该换热器的传热面积裕度符合要求。 （A估As)/A估=（134.61116.58)/134.61=13.4% 符合规定，因此假设合理3.4 壁温校核外壁其中，T-乙醇蒸汽的温度 Q-传热效率而假设的是54，与假设相符，因此壁温合适3.5 压降校核实际流体在流动过程中因克服内摩擦，而消耗机械能，流体通过水平的等径直管时产生的压力降是阻力损失的直观表现。同时，局部阻力也会引起机械能损耗。我们要计算压降，是要以此来选择泵、鼓风机等动力装置，以此为基础来选择高位槽以及评价能量损耗问题。压降是有一定范围的，如果P增大，泵功率消耗增加，对传热面的冲蚀加剧等不利影响致使我们必须选择合理的压降。3.5.1管程压降计算管程总阻力损失应是各程直管损失与每程回弯阻力和进出口等局部损失之和，进出口等局部损失可忽略不计。 钢的粗糙度取0.15mm 相对粗糙度mm Ft：管程结垢后的矫正系数，三角形排列为1.5，正方形排列为1.4符合规定，因此设计合理3.5.2壳程压降计算蒸汽冷凝壳程压降很小,可不进行压降核算,可忽略。 第四章 结构设计传热计算与选型以后的工作就是进行零部件的设计与选用，一般来说，零部件都是按国家标准制定的，我们必须有合理的依据才能选用到合理经济的部件，使换热器完全发挥其作用，所以，结构设计仍是较为重要的一部分内容。4.1 冷凝器安装我们设计的是卧式冷凝器，卧式冷凝器传热系数较高，不易积气，检修和安装方便，但占地面积大，为减薄液膜厚度，安装时应有1/100左右坡度，或将管束斜转一个角度， =30o-Sin-1（d0/2a）式中：d0管子外径 a管心距 ，得因此，将管束斜转6.4度，这样，层积累的凝液仅包住下层管周的1/4左右，当管子上下层数很多时，也可考虑水平分隔，以引出上层凝液。随着蒸汽的冷凝，其通道截面积可逐渐缩小，以保持必要的汽速，并改善分布，消除死角，蒸汽中混有不凝气时，这一措施的效果更为显著。 冷凝器设计中，组合方式有单台大型，多台并联，多台串联等基本形式，我们只用 一台单型。由传热计算可知，传热系数K的主要矛盾在冷凝侧，我们可限制冷凝负荷，达到提高K的目的。 壳程的1只与管外壁的液膜有关，即与液膜的层次、湍流有关。在通入蒸汽前必须有一排气管先排放出空气和一些不凝性气体，冷凝过程中要关闭并防止泄漏。4.2 管设计 由于操作温度高于30，所以选用焊接形式，此种方式的优越性表现在：管板孔加工要求低，加工简便，焊接强度高，在高温高压下仍能保持连续的紧密性等。传热管的形状、尺寸和布置对换热器性能和经济影响很大，管子设计内容包括管形、管径、管长、管束排列方式及管材等决定。1 、管子外形有光管、翅片管或螺纹管两类常见形式，一般情况应尽量采用光管，以求经济易得和安装、检修、清洗方便。2、 管径的标准尺寸：我国列管式换热器标准中无缝钢管规格有（外径壁厚）：192、252.5、382.5、572.5等，我们采用较小的管径252.5，小管径能强化传热，且单位体积传热面大，结构紧凑，金属耗量少，传热系数也高，且流阻大，但不便清洗，且易结垢阻塞，所以我们不选太小的192的管子。3、管子的长度应以经济性和稳定性双方面为依据，在壳径600mm下，本设计选用9m的不锈钢管。4、管子在管板上的排列方式，应力求均布、紧凑，并考虑清扫和整体结构的要求。我们选用最常用的等边三角形式，其一边与流向垂直，在水平管稍微倾斜的情况下，管子以正三角形错列，管外的冷凝液将下面的管子润湿的机会就变少，这样可保持较高的传热系数，并且正三角形排列法在一定的管极面积上可以配置较多的管子数，且由于管子间的距离都相等，在管极加工时便于划线与钻孔。我们所设计的管子数为223根，层数大于6，则其最外层管子和壳体之间弓形部分也应配置上附加的管子，这样不但可以增加排列管数，增大传热面积，而且清除了管外空间这部分不利于传热的地方。4.3 管心距（t）的设计4.3.1管子在管板上的固定管子在管板上的固定方法，必须保证管子和管板连接牢固，不会在连接处产生泄漏否则将会给操作带来严重的故障。目前广泛采用的连接方法有胀接和焊接两种。 1.胀接是利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，当取去胀管器后，管板弹性收缩，管板与管子之间就产生一定的挤紧压力，紧紧的贴在一起，达到密封固紧连接的目的。2. 焊接，当温度高于300oC或压力高于40kgf/cm2时，一般采用焊接法。4.3.2管心距设计管心距就是指管板上两管子中心的距离。管心距的决定要考虑管板的强度和清洗管子外表面时所需的空隙，它与管子在管板上的固定方法有关。当管子采用焊接方法固定时，相邻两根管的焊缝太近，就会互相受到影响，使焊接质量不易保证，而采用胀接法固定时，过小的管芯距会造成管板在胀接法时由于在挤压力的作用下发生变形，失去了管子与管板之间的连接力，因此。管心距必须有一定的数值范围。根据生产实践经验，最小的管心距Smin一般采用：焊接法 Smin=1.25d0胀接法 Smin1.25d0 (我们选用胀接法)其中 d0管子外径 焊接时因此，管间距取32mm。4.4 管板设计1、 管板的作用是固定作为传热面的管束，并作为换热器两端的间壁将管程和壳程流体分隔开来。管板上的孔数、孔径、孔间距、开孔方式及与管子的连接方式等都要与管子设计一并决定。2、 管板直径与壳体直径应一致，管板厚度与材料强度、介质压力、温差和压差、温差以及管子和外壳的固定方式和受力状况因素有关。连接管板最小厚度，此时管板厚度b=3/4d.3、 固定管板式的管板与壳体的连接采用不可拆式，两端管板直接焊在外壳上并伸出壳体圆圈之外兼作法兰。拆下顶盖可检修接口或清扫管内。4、 管板厚度取40mm。5、 管程数的确定： Np=L/L=7.69/9=0.85 所以取 管程数 Np=1 4.5 折流板设计采用弓形折流板，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=0.25600=150，取折流板间距B=0.6D B=0.6600=360mm 折流板数 折流板圆缺面水平装置。因此,折流板厚度选择为12mm4.6 壳体设计壳体的厚度计算壳体的内径为600mm，一般用钢板卷制外壳厚度可用有关公式计算，也可直接查阅参考文献选取。公称直径：Dg= 500 mm 厚度：10mm一米高筒节钢板重量：125kg，由此来选支撑板和支座。4.7 接管设计混合气的密度壳程流体进口接管：取接管内乙醇蒸汽的流速为24ms则接管内径为：核算流速 ，在范围之内，合理故取壳体进口管规格为2006mm壳程流体出口接管：取流速u=1.5m/s故取806mm管程流体进出口接管：取u=0.9m/s故取400mm12mm4.8 封头设计封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。由于所设计的换热器的壳体直径较小，故采用封头，接管和封头可采用法兰连接，街头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。管箱封头有平板形、椭圆形、碟形等型式，换热器以前两种形式居多，椭圆形力学性能好，所需壁厚小，受力状况仅次于球形封头，且有专用模具冲压，加工简单，所以我们选用国家标准的椭圆形封头。封头公称直径以内径为500mm，其厚度与壳体厚度相一致为10mm，由 参考文献查得，直边高度h2=40mm,重量G为27.1kg，标记为：曲面高度 h1=125mm 。封头选用：Dg50010（标准JB 1154-73）4.9 法兰设计选用标准法兰，其公称直径与管子公称直径一致。法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓数量螺纹Th10575144M124.10 支座设计化工设备上的支座是支持设备重量和固定设备位置用的一种不可或缺的部件，在某些场合下，支座还可以承受设备操作时的震动，地震载荷，风雪载荷等。支座的结构形式和尺寸往往决定于设备的形式、载荷情况及构造材料。最常用的有：悬挂式支座，支撑式支座和鞍式支座。 此次设计的换热器为卧式设备，常用鞍式支座支撑，且采用双支座，一个型，一个型，如下： JB116781， Dg500BIM300 1个JB116781， Dg500BM300 1个4.11 其它均可根据容器设计规范取用或计算，一般均采用国家标准4.12换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程壳程流率/（kg/s） 62.61 3.09进/出温度/30/4078.33物性定性温度/3578.33密度/（kg/） 993.95 815.19定压比热容/（J/kgK） 4174 粘度/（m Pas）0.7270.484热导率/W/(mK)0.6260.1642普朗特数4.865 设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/mm600壳程数1管径/mm252.5管心距/mm32管长/mm9000管子排列正三角形管数目/根223折流板数/个24传热面积/134.61折流板间距/mm360管程数 1材质不锈钢法兰外径D/mm 105 公称直径/mm 600主要计算结果管程壳程流速/（m/s)0.91.5表面传热系数/W/(K)4415.58946.94污垢热阻/(K/W）阻力/Pa7529.69 传热系数/W/(K) 450裕度/% 13.4 第五章 设计小结 本次化工原理课程设计是我们学习化工原理以来第一次独立的工业设计，历时一个多星期。化工原理课程设计是必不可少的学习环节，是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。 在设计冷凝管的过程中，我们遇到了很多困难，小组同学积极讨论，再进行整个流程的计算，最后进行对工业材料上的选取论证和后期乙醇水精馏塔顶蒸汽冷凝器装配图的绘制等过程，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。 我们从中也明白