乙醇预热器的设计

化工原理课程设计说明书 题目：乙醇水精馏塔预热器的设计学院： 海洋学院 班级： 食品本 姓名： XXX X 学号： 11XXXXXXXX 指导老师： XX 时间： 2014年6月 日 19目录设计任务书31、 概述 4二、确定设计方案51、 参数的计算 52、 换热器型号的选取83、传热排列方法及壳体内径94、 折流挡板95、 接管9三、总传热系数的核算 101、 管程核算102、 壳程核算103、管壳程压力降核算114、总传热系数核算对13四、设计结果一览表155、 设计者心得体会16六、主要参考文献17七、主要符号说明17 设计任务书本课程设计任务是乙醇水预热器的设计。是利用塔釜液对原料液进行加温。设计数据及条件（1） 生产能力：年处理乙醇水混合液6000t（开工率300天/a，24h/d）；（2） 原料：乙醇含量为50%（质量）的常温2535液体；（3） 产品浓度/%(质量)：94（4） 塔顶乙醇含量不低于99.8%（质量）；（5） 塔底乙醇含量不高于0.2%（质量）。（6） 设备型式：列管式换热器；（7） 允许压强降：管程压强降小于10kPa；壳程总压强降小于60kPa。物料流量 kg/h组成（含乙醇量）摩尔分数温度 操作压力MPa进口出口釜液462.10.281050.85原料液840.30.0007830 86.50.48设计计算内容（1） 传热面积、换热管根数；（2） 确定管束的排列方式、管程数、挡板、隔板的规格和数量；（3） 壳体的数量；（4） 冷、热流体进、出口管径；（5） 核算总传热系数；（6） 管壳程流体阻力校核。设计成果（1）设计说明书一份；阐明设计特点，列出主要技术数据，对有关工艺流程和设备选型做出技术上和经济上的论证和平价。应按设计程序列出计算公式和计算结果；对所得物性数据很实用的经验公式图表应注明来历。（2）预热器的装配图一张（A1图纸）。一、概述换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。在进行换热时一种流体由封头的连结管处进入，在管内流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程。另一种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出这称为壳程列管式换热器。按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：固定管板式换热器结构特点：固定管板式换热器适用于管壁与壳壁温差50的场合。当温差在50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置或考虑其他结构。U型管式换热器结构特点：换热器中的每根管子都弯制成U形，进口、出口分别安装在同一管板的两侧，由于仅一块管板，管子在受热或冷却时可以自由伸缩。填料函式换热器结构特点：结构比浮头式换热器简单，壳体和管束热变形自由，不产生热应力。管束可从壳体中抽出，壳程的检修和清洗方便。浮头式换热器结构特点：管束可以拉出，以便清洗，管束的膨胀不变壳体约束因而当两种换热器介质的温差大时不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点是结构复杂，造价高，比固定管板高20%。在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。 利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要，同时也节约能源和成本。下图（图1）是工业生产中用到的列管式换热器。二、确定设计方案2.1参数的计算(a) 热流量Q 以原料液为基准亦计入5%的热损失，按以下步骤求得传热量Q。平均温度tm=(30+86.5)/2=58.3分别查的乙醇、水的物性为：物性常数 组分物性粘度/Pas热导系数/ W/(m)密度/kg/m3定压比热容Cp/kJ/(kg)乙醇5.610-40.1627452.89水4.710-40.659983.24.178混合物5.0110-40.569865.93.782以上表上混合的各物性数据分别由下式求得。混合物粘度m 混合物热导率m 混合物密度m 混合物平均定压比热容Cp,m 式中xi为组分i的摩尔分数，i为组分i的质量分数.其他符号意义同前。所需要的热流量 = = =50.5kW(b)确定釜液出口温度th2假设th2 =75 则定性温度为 由tm 可查得乙醇、水物性，亦由以上公式分别求得釜液的物性为： 组分物性粘度/Pas热导系数/ W/(m)密度/kg/m3定压比热容Cp/kJ/(kg)乙醇2.5710-40.143715.53.410水2.5910-40.685951.04.179混合物2.47510-40.548886.54.067由热流量衡算得 =64Vs1=462.1/886.5=0.52m3/h Vs2=840.3/865.9=0.97m3/h （C） 换热器壳程数及流程a. 换热器的课程数Ns对于无相变的多管程的换热器壳程数的确定，是由工艺条件，即冷、热物流进出口温度，按逆流流动给出传热温差分布图如图4-71所示，采用图解方法确定壳程数。 如图可见，所用水平线数为2，故选取该换热器的壳程为2。其处理办法，或在一壳体内加隔板或选用两个单壳程的换热器，显然后者比较方便。故选用两台相同的换热器。b. 流程规定冷、热流体的物性及流量均相近。为减少热损失，先选择热流体（釜液）走管程，冷流体（原料液）走壳程如下图所示。 逆流时平均传热温差： =25.4由于壳程中装有折流挡板，其换热器的实际平均传热温差应当在逆流传热温差的基础上，进行如下校正： 根据上述两式结果，查化工原理第三版第153页，图5-19（b）得到：，于是得传热温差的校正值为 由于计算总传热面积A需要知道总传热系数K，而传热面积不确定的情况下，换热器的结构也无法确定。因此，实际总传热系数K也无法知道。所以根据生产实践中不同种类的流体间换热的总传热系数的经验值，初选一个总传热系数。根据冷、热流体在换热器中有无相变化及其物性等，选取传热系数K=800w/(m3），于是可求所需传热面积A为： 2.2换热器型号的选取根据传热温差的大小，传热介质的性质以及结垢、清洗要求等条件选择适宜的换热器，为保证传热时流体适宜流动状态，还需估算管程数。 由于温差较小，所以采用采用固定管板式换热器为宜。选用的换热管为25mm2.5mm。若选用6m长的管子，则所需要总管数为： 设乙醇液在管内流速为0.5m/s,则单管程所需要的管子根数n 设单台换热器的传热面积为A，则单台传热面积为选取的管长为6m,则管程数Np为 故应选取管程数为1.根据以上确定条件按换热器标准系列，初步选取型号为G800-II-16-225固定管板式换热器两台，其主要性能参数如下： 壳体内径800mm 公称直径800mm 公称压力1.6MPa 公称面积225m2 计算面积227m2 管程数2 管长6000mm 管子规格 排列方式 管间距32mm 管数 488根 折流板数18 壳程数 12.3 传热排列方法及壳体内径 采用组合排列法，即每管程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距 则有： 隔板中心到离其最近一排管的中心距离：各程管相邻管的管心距为44mm则壳体内径，采用多管程结构，进行壳体内径估算，取管板利用率=0.87，则壳体内径： 取内径Di = 800mm2.4 折流挡板 采用弓形折流板，折流挡板的间距h取壳体内径的0.21.0倍，在这里取0.4倍。 管子呈正三角形排列。 则折流挡板的个数为： 折流板圆缺面水平装配。 2.5接管壳程流体进出口接管，内径为： 取标准管径为 150mm。 管程流体进出口接管，内径为： 取标准管径为 170mm。 三、总传热系数的核算根据以上数据可分别求出管程和壳程流体的流速及雷诺数按以上数据可分别求出管程和壳程流体流速及雷诺数1管程： （1） 流通截面积式中n为总管数。（2） 管内流速 式中 管程流速m/s；釜液流速kg/h；釜液平均密度(3)管内雷诺数 式中 管内直径，m；釜液平均粘度， ；2.壳程：选折流板间距B=300mm(1)壳程流通截面积 式中 壳体内径，m； 管外径，m； t管间距，m。 (2)流速: 式中 壳程流速m/s； 原料液平均密度 原料液流率kg/h。 (3)当量直径: (4)雷诺数: 式中 原料液平均粘度从以上计算结果可知，两流体在换热器中流动均能达到湍流，有利于传热。a. 管、壳程压力降管程压力降取管壁绝对粗糙度：E0.2mm相对粗糙度：由前面计算已得，故可查得直管壁摩擦系数，于是得单管程压力降为：回弯压降：式中 阻力系数管程总压力降：校正系数 管程数 串联的壳程数 （即串联的换热器数）壳程压力降管束压降 三角形排列：F=0.5壳程流体摩擦因数 折流板数 折流板缺口压降： 壳程总压力降： 壳程压力降结垢校正系数壳程数 b. 总传热系数K 管程传热膜系数管内雷诺数 普兰特数 管长与管内径比： 式中 釜液平均热容 釜液平均导热系数 ； 管外传热膜系数管外雷诺数 普兰特数 式中 原料液平均热容 ）；原料液平均粘度 ；原料液平均导热系数 ）污垢及管壁热阻管壁内外侧污垢热阻均为 W钢管壁热导率 ）管壁热阻 )W总传热系数 得 )式中 管外污垢 W；管内污垢 W；b管壁厚m；管壁平均直径m传热面积 所选换热器实际传热面积：换热器传热面裕度：由校核可知，各项性能符合要求，换热能力可满足生产需求，所选换热器可以采用。四、设计结果一览表换热器形式：固定管板式换热器换热面积： 227m2工艺参数：名称管程壳程物料名称釜液原料操作压力 Mpa0.850.48操作温度 9058.3流量 kg/h462.1840.3流体密度 kg/m3865.9886.5流速 m/s0.00450.0053传热量 kW50.5总传热系数 W/m2K794.9传热系数 W/（m2）2538.892854.5阻力降 KPa7.6859.1程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格252.5管束 488管长 6m管间距 mm32排列方式正三角形折流板型式上下间距 mm300切口高度88壳体内径 mm800保温层厚度 mm未知表格 1五、设计者心得体会初次接触化工原理课程设计，自己也不知道怎么去设计，怎么去进行这个任务，而且每一组的任务不同，我们也不能集思广益。所以需要小组伙伴的团结与协作，一起去探讨学习。其实，不管是什么课程设计都是培养个人综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，也起着培养学生独立工作能力的重要作用。虽然设计过程中计算量巨大，只要理清思路，就不会有问题。我们先在纸上计算，理清思路后再用电脑里敲上去。对于课程设计，每一步都要那准，每一步都要想清楚有理有据就这样我们成功了，我们完成了我们自己的课程设计，又一次让我感受了期末冲刺的感觉。这次的课程设计十分有意义，因为有我们的辛苦奋斗，有我们的学习热情和团结合作。世上无难事，只怕有心人，有付出就会有收获。六、参考文献化工原理三册，王志魁 编，化学工业出版社，2006.化工设备设计，潘国吕，郭庆丰 编著，清华大学出版社，1996.化工物性算图手册，刘光启等 编著，化学工业出版社，2002.化工原