化工原理课程设计(原料预热器①)

1、化工原理课程设计目录设计题目 1设计依据 1设计要求 1第1节：物料衡算、热量衡算 11 .精储塔物料衡算 12 .冷凝器物料衡算及热量衡算 63 .产品冷却器物料衡算及热量衡算 84 .原料预热器(1)的物料衡算及热量衡算 95 .原料预热器(2)的物料衡算及热量衡算 106 .再沸器的物料衡算及热量衡算 117 .物料衡算汇总表 128 .热量衡算及换热器要求汇总表 13第2节：列管式换热器选型及校核(原料预热器)151 .初选原料预热器(1)规格 152 .核算总传热系数 21第3节：所选固定管板式换热器的结构说明 231 .管程结构 232 .壳体结构 243 .其他主要附件 24第4

2、节：换热器的主要结构和计算结果 25第5节：参考文献及资料 26附27，部化工原理课程设计设计任务书一、设计题目：乙醇水精播系统换热器设计二、设计依据：1、产量：7万吨2、年工作时间：330天3、原料乙醇：浓度50% （质量），出库温度25 c4、产品乙醇：浓度95% （质量），入库温度w 45 c5、乙醇回收率：99.5%6、原料乙醇泡点进料，回流比 r=1.15rmin7、循环冷却水进口温度：30 c8、再沸器饱和水蒸气温度：150 c9、系统散热损失：不考虑系统散热损失10、换热器ka值裕度：2040%11、原料预热器（2）设计三、设计要求：第1节：物料衡算、热m衡算1 .精储塔物料衡算

3、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嘀原料乙醇的摩尔分率为：v50% / m乙醇x f=50% / m 乙醇 +50%/ m=50%/46.07= 50% / 46.07+50% /18.02=0.2812由产品乙醇质量浓度为95%#产品乙醇的摩尔分率为:95% / m乙醇xd=95%/m乙醇+5%/陈_95%/46.07 95%/46.07 5%/18.02= 0.8814原料f、塔顶储出液d的平均相对分子质量：m? = xf父m乙醇+ (1-xf)父m水=0.2812m46.07+ (1-0.2812 >18,

4、02-:“ g/molmd= xdmm 乙醇 + (1-xd)m m水=0.8814x4(5 .。7+ (1-0.8814)183=42.74g/mol塔顶产品流率d:cmd =md (330 24)h7 10742.74 330 24 h=206.79kmol/h= 8.838 103kg/h由乙醇回收率沙=".5%得:#化工原理课程设计f dxd fxf206.79 0.8814 0.2812 0.995 = 651.42kmol/hf = 651.42 25.91= 16878.29kg/h 1.688 1 04kg/h流率ww = f -d =651.42 -206.79 =

5、444.63kmol / h塔底残液摩尔分率：fxf -dxdxw 二 w 651.42 0.2812 -206.79 0.8814 一444.63= 2.06 10，塔底残液w的平均相对分子质量：mw=xwmm 乙醇 +（1-xw）、m 水 = 2.06 10-3 46.07 1 - 2.06 10-3 18.02 =18.08g / molw = 444.63 18.08 =8038.91kg/h 8.040 103kg/hrin3化工原理课程设计乙醇-水气液平衡数据p(kpa)t(c)xy101.325100.017700101.32594.808570.0204080.18788910

6、1.32591.457910.0408160.295516101.32589.131880.0612240.365032101.32587.445820.08163310.4133961101.32586.174730.1020410.448925101.32585.192160.1224490.476089101.32584.415180.142857 :0.497555 1101.32583.78810.1632650.515008101.32583.272240.1836740.529566101.32582.839990.2040820.542004101.32582.471220.2

7、24490.552871101.32582.151070.2448980.562574101.32581.868420.2653060.571414 ：101.32581.614870.2857140.579625101.32581.384050.3061220.587387101.32581.171150.3265310.594843101.32580.972470.3469390.602108101.32580.785250.3673470.609275101.32580.607390.3877550.616421101.32580.437340.4081630.62361101.3258

8、0.273950.4285710.630897101.32580.116440.448980.638329101.32579.964250.4693880.645945101.32579.817050.4897960.653783；101.32579.674650.5102040.661873101.32579.5370.5306120.670245；101.32579.404160.551020.678926101.32579.276250.5714290.687942101.32579.153470.5918370.697317101.32579.036060.612245 ；0.7070

9、74；101.32578.922230.6326530.717273101.32578.816680.6530610.727858101.32578.717420.6734690.738896101.32578.624790.6938780.750411101.32578.539170.7142860.762426101.32578.460950.7346940.774966101.32578.390520.7551020.788058101.32578.32830.775510.801739101.32578.27470.7959180.816009101.32578.230130.8163

10、27 0.830926 1101.32578.195040.8367350.8465141101.32578.169870.8571430.862807101.32578.155050.8775510.879841101.32578.151050.8979590.897655101.32578.158340.9183670.916291101.32578.177390.9387760.935794101.32578.20870.9591840.956211101.32578.252760.9795920.977595101.32578.3103311作图如下:(0.8814,0.8814)，x

11、d x由图可得 _xl =0/93 故 rmm=3.57rmin 1r=1.15rmin=1.15 3.57=4.1055塔顶冷凝器将来自塔顶的蒸汽全部冷凝，即该冷凝器为全凝器，凝液在泡点温度下部分地回流入塔，由恒摩尔流假定，塔顶液体摩尔流率l、气体摩尔流率v为：l = rd = 4.1055 206.79 = 848.898kmol/h = 3.628 104kg/hv = r 1 d = 5.1055 206.79 = 1055.77kmol/h =45123.45kg/h 4.512 104 kg/h因为是泡点进料，所以q=1v = v - 1 - q f=r 1 d - 1 - q f

12、=4.1055 1206.79 - 1 - 1651.42=1055.77 kmol / h = 19088.32 kg / h 1.909 104kg /hl = l qf=rd qf = 4.1055 206.79 1 651.421.5 103kmol/h = 27127.17 kg/h 2.713 104kg /h又w=1.76*103,则±=1-亚成立2.冷凝器物料衡算及热量衡算查【化工原理下册p268附录】得，质量组成为95%勺乙醇水溶液的沸点为78.2 c。此温度下乙醇的汽化潜热r可以下式求得：r 二 r乙醇x乙醇* r水x水其中 r =a(tc -t)b【查化工原理上

13、册p281附表】得：乙醇：a=113, b=0.4218, tc乙醇=243 c；水：a=445.6, b=0.3003; tc水=374七求得乙醇=973.18kj / kg ; r水=2460.29kj / kg ；95%/m乙醇xs醇二95%/m 乙醇 +5%/m 水其中_95%/46.07 95%/46.07 5%/18.02=0.8814x 水=1-x乙醇=0.1186所以 r =1149.55kj/kg则冷凝塔顶混合蒸汽放出的热量q1q1 - qmv1 r= 45123.45 1149.55= 51871661.95<j/h 5.187 107kj/h= 14408.80kw

14、冷凝器冷却水进口温度为l=30c,故假定冷却水出口温度t2=50c。取 水的比 热容为：=仕+t2 )/2 =(30 + 50 )/2 = 40：c 时 的cp=4.174kj/kg c ,设冷却水用量为 qmv2,由 qi = qmvzcp9 - 七)得：qmv2qicp t2上51871661.955.，一=621366.34 6.21 10 kg / h4.174 50-30冷凝器对数平均温度 口：= 37.31 c50-30,78.2-30 in78.2-50由传热基本方程 q=katm得:q151871661.95ka = =1390288.44kj/h/c ： 386.19kw/.

15、ctm37.313.产品冷却器物料衡算及热量衡算无相变，出口量等于进口量，物料无变化故：d=206.79kmol/h,一 ，-78.2 40,产品由78.2 c经产品冷却器降低到 40c, t =59.1c,由2【化工原理p279附表】：cp = at + b ,其中 a = 1.58m10'，b = 2.264得：64.1c时cp1 =3.198kj/kg/c则产品冷却器的将产品冷却所需的热量为：q2 = 78.2-40 cd1 d pp 1= 38.2 3.198 8838.20= 1079706.33j /h 510.797 105kj/h产品冷却器进口温度i二25,假定出口温度

16、t2=41.4c,则41.4 252=33.2 ccp2 = at + b,其中a = 8.33310-3, b = 3.633可得:cp2 = 3.910kj/kg 口 cq2 = 41.4-25 cp2 f = 16.4 3.910 16878.29 = 1082303.47kj/h10.823 105kj/h =300.64kw前后所需热量相近，故假定出口温度为41.1 c成立。产品冷却器对数平均温度露:”m78.2- 41.4 - 40- 25ln40-25=24.29由传热基本方程q=katm得：q21082303.47ka =上2 = 44557.57kj /" c =

17、12.377kw/ ctm 24.294 .原料预热器(1)的物料衡算及热量衡算无相变，出口量等于进口量，物料无变化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 c,故选择出原料预热器残液的温度为50 co又进原料预热器的残液温度为100c,则t = 50+100= 75=c2由公式 c»k = at + b得：cp水=4.214 kj/ (kg c)原料预热所需的热量q3 =（100 50y<cp水 xw =50 4.214 8038.91 = 1693798.34kj/h1.694 106kj/h原料预热器进口温度为41.4 c,假定出口温度为66c,则66

18、41.4=53.7 c由公式cp = at + b;其中a=8.333m10：b = 3.633 : cp = 4.080kj/（kg 二c）,所以q3= 66-41.4 cp f = 24.6 4.083 16878.29 二1695285.83kj/h 1.695 106kj/h前后所需热量相近，故假定出口温度为66c成立。原料预热器对数平均温度 tm:”m=18.48 c100 -66 - 50 -41.4 ,100-66 ln50-41.4由传热基本方程 q=katm得：q3 1695285.83 ,ka = 91736.25kj / h ” c = 25.48kw/ ctm18.48

19、5 .原料预热器（2）的物料衡算及热量衡算原料无相变，出口量等于进口量，饱和水蒸汽液化，进出口流率相等从原料预热器（1）出来的原料为66c,要求泡点进料，所以从原料化工原理课程设计预热器（2）出来的原料为82.03 c ,则-82.03 66t 二=74.015c由公式cp=at + b;其中 a = 8.333父 10: b = 3.633导:cp =4.2498kj/ kgc所以q4 = 82.03 66 c f p= 16.03 4.2498 16878.29= 1149821.59j/h1.1498 l05kj/h利用饱和水蒸汽的潜热加热，则 、型卫二150( 2此时 r = 2118

20、.5kj / kgq4 = qmvr = 1149821.59kj /h得 qmv =542.75 kg / h =30.15 kmol / h =213.43m3/s；：tm150-82.03 - 150 - 66c150-82.03 ln150-66二 75.70 cq41149821.59ka15189.19kj / h , c = 4.219kw/ ctm75.706 .再沸器的物料衡算及热量衡算再沸器的热量衡算：由【化工原理上册p265】得饱和水蒸气汽化热:100c: r1 = 2258.4kj / kg150 c: r2 = 2118.5kj/kgii化工原理课程设计19q5 7v

21、= 2258.4 19088.32= 43109061.8*j/h4.311 107kj/h又q=r 2v汽q543109061.892118.520348.86kmol / h 2.0348 104 kmol / h再沸器对数平均温度 tm：tm = 150 - 100 = 50 c由传热基本方程 q=katm得：q 43109061.89 ka= = 862181.k4/h，c 定 239.495w/ ctm507.物料衡算汇总表精乙醇质量分数摩尔流率kmol/h质量流率kg/h原料50% f651.421.688乂104储塔顶95%冷凝器上升蒸汽v1055.77_44.51210塔回流l

22、848.8983.628 父104产品d206.7938.83810塔釜再沸器下降液体l1500-42.713x10回塔蒸汽v1055.771.909x104残液w444.6338.040x10产品冷却器冷流体进口651.421.688x104冷流体出口651.421.688x104热流体进口206.798.838x103热流体出口206.7938.838父10原料预热器（1）冷流体进口651.4241.688x104冷流体出口651.421.688父104热流体进口444.638.040x103热流体出口444.6338.040 m 10原料预热器（2）冷流体进口651.421.688父10

23、4冷流体出口651.42 41.688-10热流体进口30.15542.75热流体出口30.15542.758.热量衡算及换热器要求汇总表名称冷热流体进口温度c出口温度c交换热kj/htmcka值kw/ c精微塔82.0378.2100冷凝器热流体78.2 （气）78.2 （液）5.187父10737.31386.19冷流体3050产品冷却器热流体78.24010.797x10524.2912.377冷流体2541.4原料顶热器（1）热流体100501.69410618.4825.48冷流体41.466原料顶热器（2）热流体150150（有相变）1.1498m10675.704.219冷流体6

24、682.03再沸器热流体150 （气）150 （液）4.311 乂 10750.0239.495冷流体100 （液）100 （气）第2节：列管式换热器选型及校核（原料预热器）1.初选原料预热器（1）规格换热器的选型两流体温度变化情况：塔顶热流体（水）进口温度100c,出口温度50c （无相变）.冷流体（乙醇水）进口温度41.4 c,而冷却水 的出口温度为66c,管壳温差较小，因此初步确定选用卧式的固定 管板式换热器，并且固定管板式换热器旁路渗流较小、造价低、无内 漏，是很常用的换热器。流动空间安排、管径及流速的确定加热水易结垢应该走管程，原料走壳程加热，取管径为 25mm*2.5mrm）碳素钢

25、管，管内流速为1.0m/s。（3）确定流体的定性温度、物性数据（a）定性温度壳程乙醇水的定性温度为t=（41.4+66）/2=53.7 c管程热水水的定性温度为t=（100+50）/2=75 c（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：流体水定性温度75c下的物性参数 【查化工原理上册】密度： p c=974.8kg/m3【查化原上册p261附表】热导率：入c=0.6635w/ (m k)【查化原上册p261附表】粘度： pc=0.377mpas【查化原上册p263附表】定压比热容：cpc=4.214 kj/(kgk)【查化原上册p261附表】液化潜热：rc=2568.

26、75 kj/kg【查化原上册p281附录】冷流体(乙醇水)53.7c下的物性参数表【查化工工艺算图第册-常用物料物性数据】密度：p h=858.72kg/m3【巳/热导率：入 h=0.35613 w/ (m k)【r25粘度：ph=0.538mpa s 【p385】定压比热容：cph=4.08kj/ (kg k)【p267】液化潜热：=973.18kj/kg【化原上册p281附录】(4)工艺计算及主体设备设计(a)计算热负荷q热负荷 q=1.694 106kj/h=470.56kw(b)平均传热温差的确定100 - 66) t50 一 41.4对数平均传热温差= = 18.48 cm ,100

27、-66ln50-41.4温度校正：100-5066-41.4p=(t2-t i)/(t 1-t 1)=(66-41.4)/(100-41.4)=0.42=2.03由p和r查对数平均温差校正系数图得：此时 里约等于0.82 , 大于0.8 ,所以选用双壳程的列管式换热器。【查化工原理课程设 计p59对数平均温差校正图】平均传热温差 tm=t tm' =15.15 c(c)初选传热系数k估，估算传热面积a估根据壳内为乙醇水，管内为热水，【查 匡国柱化工单元过程 及设备过程设计以表3-1】 总传热系数范围在5821163 w/(m2 c),故：初选 k估=1000w/(m2 c)所以：a估&

28、#39;=ka/k估=25.48 ml03/1000=25.48m2(5) 工艺结构尺寸(a)管径与管内流速管径25mm2.5mm,管内流速u=1.0m/s壳程流速u=0.8 m/s(b)管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=v 水/(d i2u 兀/4)=4 乂2.29 乂 10-3/(兀 *0.02 2*1.0) =8(根)按七程管计算，所需的传热管长度为l = a/ ( 7n 0d )l=25.48/( 780.025)=5 . 7n9传热管管长取6.0m。传热管总根数nt =8 7 =56(根)(c)传热管排列和分程方法采用正三角形排列取管心距t=1.25 x25=3

29、2mm见【化工原理(上册)玄：图6-51作图或查表【匡国柱化工单元过程及设备课程设计p66表3-6排管数目】可取nt=91根(其中a=5, b=11)(d)壳体内径采用单管程结构，壳体内径d=t(b-1)+2e=32*(11-1)+31.252=382.5mm其中，t为管心距；b为横过管束中心线的管数；e表示管数中 心线上最外层管中心到壳体内壁的距离， 一般取e=(1-1.5)d 0,此处 取 e=1.25do=1.25*25=31.25mm圆整后d=400mn!x壁厚为12mm【查涂伟萍.化工过程及设备设 计p12表1-4标准尺寸】(e)支承板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的

30、25%则切去的圆缺高度为 h=0.25 x400=100mm取h=100mm【查匡国柱化工单元过程及设备课程设计p133表4-5折流板管孔尺寸及允许偏差】取折流板管孔直径b=25.8mm允许偏差为 0.40 ;取折流板间距为b=100mm化工原理课程设计nb产管长-1=6000-1 =59块折流板间距100折流板圆缺垂直安装。支承板厚度取8mm查涂伟萍.化工过程及设备设计p16表1-7支承板厚度】(f)其他附件拉杆直径12mm其数量不少于4根，壳程入口应设置防冲挡板【查涂伟萍.化工过程及设备设计p15表1-6拉杆直径和拉杆数】(g)接管接管由【 tc "接管"f c l &

31、quot;2"各种换热器设计详细说明书】查得：换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即:23其中：vs-流体的体积流量，m3/s ; u -接管中流体的流速，m/s壳程流体进口接管计算混合液的密度(常压下)3纯乙醇 =760kg/m*水=986.65kg/m 33混合=0.5* p 乙醇 + (1-0.5 ) p 水=858.72kg/m取接管内液体流速为1m/s,则接管内径4v 4 16880(858.72 36003.14 10.083m故取标准管径为 085m诉8mm出口接管取管内液体流速为im/s,接管内无相变，温度对液体密度影响很小，故与进口内径一样。故取标准管径为85

32、mm( 8mm 管程流体(循环水)进出口接管取接管内循环水的流速为2m/s,则接管内径, 4v 4 8040(3600 974.8 d0.054m)我 u 3.14x1取标准管径为57mm( 6mm其余接管略。(6)初选固定管板式换热器规格公称直径 dn / mm400公称压力 pn / mpa1管程数np7管子根数n91中心管子数n11管子直径 d / mm 25mm( 2.5mm.换热管长度 l / mm6000换热面积s/m236.4中心线采用正方型管子排列方法排列，两侧采用正三角形排列冷凝器的实际传热面积:_一 - 一， _， _,_2a)=nk d0(l-0.1)=91 3.14 0

33、.025 5.9 = 42.15m2.核算总传热系数换热器管程对流给热系数a 1计算式为:0.0232 re0.8 pr0.4di【化工原理（上册）：p184式（6-41）】vsi = msi.=8040 + (3600父 974.8) = 2.29父10-3 吹nt 兀 2912- 32a=( t)( di ) =( ) 0.785 0.020 =4.08 10 mnp 47v 2.29 10-3ui = - =3 : 0.56m/ sai 4.08 10rei=diui r 0.020 0.56 974.80.377 10”=28959.6> 10000(湍流)4.214 103 0

34、.377 10工八=2.3940.6635故管程对流传热系数二产0 .023 ,re。8 p0.4di0.66350804= 0.023 28959.62.3940.020（2）换热器壳程对流给热系数因为卧式管壳式换热器，壳程为乙醇水期间无相变,下公式求得,1:-0.36 re 0.55 pr 3de 00.14【查= 4014 w/（m2. c）故x2用以匡国柱化工单元过程及设备课程设计：p72式（3-22）】化工原理课程设计、3 2 二 2、32 二24 it2 d0 24 ix0.032 -x0.0251 24124d e =z =z =0.020二d03.14 0.025s0 = bd

35、l_d0= 0.1 0.1 1-0-2k0. 0泵75i t j i 0. 0 3 2v 5. 46 130 八u0 = = 0. 6 2n4 ss00. 0 0875deu。：0. 02 0 0. 624 8 5 8.1c2(cc=飞=1 9 9 1 9. 80. 53 8 10pr0 - c p0 -0 / l 04.08 103 0.538 1040.35613= 6.164a0 =0.36re00.55 pr 13 父0.95 de0.35613人55033= 0.36-19919.806.1640.950.02= 2585.2w/(m2 c0)(3)确定污垢热阻【查涂伟萍.化工过程及

36、设备设计p25表1-15壁面污垢热阻】：rso=1. 76 14 0m2.c)/w (有机液体)rsi =2.1x10”(m2c)/w(河水)(4)计算总传热系数k当换热管为碳钢时，入=45.4w/(m c )1强.二生工r2 4' dm 二2=121 10，竺 0.0025 _25_ _1_ 1.76 10“40142045.422.5 2585.2=834.8w/(m2.c)(5)校核换热器 ka值k计 a 计-k 估 a 估834 8m 4115 2548025480100% = 834.8 41.15 25480 100% = 34.79%【查匡国柱化工单元过程及设备课程设计

37、p76式3-36 则该换热器的裕度符合生产要求。第3节：所选固定管板式换热器的结构说明1 .管程结构(1)管子在管板上的固定由于操作温度高于30c,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。(2)管子的排列此换热器的传热管采用0 25mme 2.5mm的规格，采用正三角形排 列，由于是焊接，则管间距(管中心的间距)t与管外径d0的比值为 1.25。(3)管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分 隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接， 所设计换热器的连接方式 为焊接。管板与壳体的连接有可拆连接和不可拆连接两种， 固定管板 常用不可拆连接，两端管板直接焊在外壳上并兼作法兰， 拆下顶盖可 检查可检修胀口或清洗管内，所设计的换热器选择此方式连接。(4) 封头和管箱封头和管箱位于壳体两端，具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