乙醇精馏系统换热器设计.doc

目 录设计任务书-2设计题目-2设计依据-2设计要求-2 物料衡算、热量衡算-2 产品冷却器选型及校核-16参考文献及资料-21主要符号说明-21 设计任务书一、 设计题目：乙醇水精馏系统产品冷却器设计二、 设计依据：1、 产量：年产20万吨95%工业乙醇2、 年工作时间：300天3、 原料乙醇：浓度50%（质量）,出库温度254、 产品乙醇：浓度95%（质量），入库温度405、 乙醇回收率：99.5%6、 原料乙醇泡点进料，回流比R=37、 循环冷却水进口温度：258、 再沸气饱和水蒸汽温度：1509、 系统散热损失：不考虑系统散热损失10、 换热器KA值裕度：2040%三、设计要求：第一节：物料衡算、热量衡算1. 精馏塔物料衡算查化学工程手册，乙醇、水的相对分子质量为M乙醇=46.07g/mol，M水=18.02g/mol由原料乙醇质量浓度为50%得原料乙醇的摩尔分率为：由产品乙醇质量浓度为95%得产品乙醇的摩尔分率为：原料F、塔顶馏出液D的平均相对分子质量：塔顶产品流率D：由乙醇回收率得： 塔底残液流率W：摩尔分率：塔底残液W的平均相对分子质量：2、冷凝器物料衡算、热量衡算物料衡算假设泡点进料。塔顶液体摩尔流率L、气体摩尔流率V:热量衡算查表得，质量组成为95%的乙醇水溶液的沸点为78.2。此温度下乙醇的汽化潜热r可以下式求得：其中查化工原理上册附表得：乙醇：A=113，B=0.4218，;水：A=445.6，B=0.3003；求得；其中 所以则冷凝塔顶混合蒸汽放出的热量冷凝器冷却水进口温度为=25，故假定冷却水出口温度=50。取水的比热容为时的Cp=4.206kJ/kg，设冷却水用量为,由得:换热要求冷凝器对数平均温度:由传热基本方程 得：3、产品冷却器物料衡算、热量衡算物料衡算无相变，出口量等于进口量，物料无变化D=162.48kmol/h热量衡算产品由78.2经产品冷却器降低到40，由化工原理附表:，其中，得：则产品冷却器的将产品冷却所需的热量为:产品冷却器进口温度=25，假定出口温度=41.4，则前后所需热量相近，故假定成立。换热要求产品冷却器对数平均温度:由传热基本方程得：4、原料预热器的物料衡算、热量衡算物料衡算无相变，出口量等于进口量，物料无变化热量衡算 一般出原料预热器残液温度比出产品冷却器的原料温度高5-10，故选择出原料预热器残液的温度为50。又进原料预热器的残液温度为，则，由公式得：Cp水=4.214 kJ/（kg）原料预热所需的热量:原料预热器进口温度为41.4，假定出口温度为66，则由公式前后所需热量相近，故假定成立。换热要求原料预热器对数平均温度:由传热基本方程 得：5、再沸器的物料衡算、热量衡算物料衡算由化工原理上册乙醇-水相平衡数据查=0.2812得=82.03精馏塔定性温度平均温度下由化工原理上册公式 得：由化工原理上册公式得：又定性温度下Cp水=4.214kJ/（kg）由化工原理上册公式塔釜气相流量及液相流量：又W=6316.43kg/h，则=-W热量衡算由化工原理上册得饱和水蒸气汽化热：100 150 又换热要求再沸器对数平均温度:由传热基本方程 得： 6、物料衡算汇总表精 馏 塔乙醇质量分数摩尔流率Kmol/h质量流率Kg/h原料50% F512塔顶95%冷凝器上升蒸汽V650回流L487产品D163塔釜0.1070%再沸器下降液体1016回塔蒸汽667残液W349产品冷却器冷流体进口512冷流体出口512热流体进口163热流体出口163原料预热器冷流体进口512冷流体出口512热流体进口349热流体出口3497、热量衡算汇总表、换热器要求汇总表名称冷热 流体进口温度出口温度交换热kJ/htmKA值kw/精馏塔6678.2100冷凝器热流体78.2（气）78.2（液）39.39225.2冷流体2550产品冷却器热流体78.24024.299.73冷流体2541.4原料 预热器热流体1005018.4820.0冷流体41.466再沸器热流体150（气）150（液）50.02727冷流体100（液）100（气）第二节 产品冷却器选型及校核1、产品冷却器初选(a)选择冷却器的类型 由于 冷热流体温差不大,故选固定管板式换热器，且这类换热器结构简单，成本较低。(b)流程安排 选用逆流换热。因被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果，故95%产品走壳程，50%原料走管程。2、 确定物性数据（a）定性温度（b）物性数据根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据: 50%乙醇33.2下的物性数据95%乙醇59.1下的有关物性数据密度=783 kg/m3密度=760 kg/m3定压比热容Cp1=3.63 kJ/(kg)定压比热容Cp2=3.42 kJ/(kg)导热系数=0.11 W/(m)导热系数=0.115 W/(m)粘度=1.72 mPas粘度=0.64 mPas3、试算和初选换热器规格(a)计算质量流量冷流体（50%）质量流量： 热流体（95%）质量流量：(b)计算换热器热流量 (c)初选传热系数K估，估算传热面积A估 初选K估=500W/() 因为KA的裕度为20%-40%，所以选择 KA=1.49.37=13.62kw 4、换热器部分结构参数的确定（a）按冷却器标准初选换热器、确定冷却器相关参数 选用192mm 的碳钢管。参照化工原理（上册）管壳式换热器系列标准中192mm 的固定管板式参数表，当传热面积为38.3时，查相关参数初选的换热器相关参数为：公称直径DN管程数NP管子根数NT中心排管数管子排列方式换热管长度L管程流通面积换热面积管心距t管子尺寸400414614正4500mm0.006538.3m25192mm（b）温度校正系数 查化工原理上P230 单壳程四管程R-P图得温度校正系数=0.80（c）折流板的选用 选圆缺型折流板，切去的弓形高度为外壳内径D的25%，间距按系列标准取h=100mm。5、校核换热器KA值(a) 换热器管程对流给热系数1 定性温度，则在定性温度下： 此流速在0.53m/s的范围内。 10000 校正系数：(b) 换热器壳程对流给热系数2取换热器的列管中心管距t=32mm，则最大流通面积:换热管采取正三角形排列，则当量直径为:挡板间距h取100mm,所以挡板数n=4500/100-1=44此流速在0.21.5m/s的范围内。(c)确定污垢热阻查P210表6-6 得： (d)计算总传热系数K查表得：当换热管为碳钢时， (e)校核换热器KA值参考文献及资料（1）化工原理（上下册） 陈敏恒 丛德滋 方图男 齐鸣斎编著 化学工业出版社（2）换热器设计手册 钱颂文编著 化学工业出版社工业装备与信息工程出版中心 （3） Auto CAD 2004中文版实用教程蔡希林编著 清华大学出版社（4）化学工程手册第二版上卷 时钧 汪家鼎 余国琮 陈敏恒编 化学工业出版社（5）加热与冷却 化学工业部主编 化学工业出版社 主要符号说明符号 意义 计量单位F 加料流率 kmol/hXF 进料液组成摩尔数 D 气相产物流率 kmol/hXD 气相产物组成摩尔分数W 塔斧液相产物流率 kmol/hXW 塔斧液相产物摩尔组成分数 回收率q 加料热状态r 汽化潜热 kJ/K 传热系数 W/（K）L 回流液流量 kmol/hV 精馏段塔内的上升蒸汽流量 kmol/h 提留段下降的液体流量 kmol/h 提留段上升的蒸汽流量 kmol/hQ 传热量 kJ/kmolR 回流比NT 管子总数 热导率 W/（mK） 粘度 Pas 流体密度 /m3Cp 流体的定压比热容 kJ/（kgK）tm 对数平均温度差 d 管径 mL 膜温下凝液的导热系数 W