年产3.5万吨酒精精馏系统换热器设计

内蒙古工业大学课程设计说明书摘要工业生产过程中，两种物料之间的热交换一般是通过换热器来实现。换热器类型，性能各异，但设计所依据的传热基本原理相同，不同之处是在结构设计上需要根据各自设备特点采用不同的计算方法。换热器伴随工业生产的始终，其效果的好坏直接影响化工生产的质量和生产效益，为了完成年产3.5万吨酒精的生产任务并节约能源，减少对环境的污染，本次换热器设计的思路为用塔底釜残液的热量来先加热原料液，使原料液加热到一定温度（由原来的20℃加热到55.7℃），然后再用高温蒸汽来继续加热原料液。塔顶酒精蒸汽经过全凝器，经过冷却水使酒精蒸汽冷却至液体，再经过冷却器使产品冷却至35度。固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起。这类换热器结构简单、价格低廉，补偿圈的弹性变形可减少温差应力，这种补偿方法使用于两流体温差小于70。C，且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50。C且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。原料预热器壳程走133.3℃的蒸汽，管程走原料液；塔顶冷凝器壳程走乙醇蒸汽，管程走冷却水；塔顶冷却器壳程走乙醇液体，管程走冷却水。在此次的原料预热器、塔顶冷凝器、塔顶冷却器均选用固定管板式换热器，型号：JB/T4715-92。离心泵选用Y型离心油泵系列中50Y-60A型离心油泵。在设计和计算中不断地查阅相关资料获得所需物料的物化特性，在遇到不懂设计难题向老师同学提问有关问题，对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析和比较，择优选定最理想的方案和合理的设计，并且满足工程实际情况。关键词：换热器；离心泵；设计与选型；工艺流程图；装配图内蒙古工业大学课程设计说明书目录前言................................................................1符号说明............................................................2第一章换热系统的流程方案的确定.....................................31.1换热系统的流程方案的设计......................................31.2换热器设计方案的确定..........................................31.2.1换热器类型的选择...........................................31.2.2固定管板式换热器结构的确定.................................31.2.3流体流动空间的选择.........................................51.2.4流体流速的选择............................................51.2.5流体进出口温度的确定.......................................51.2.6接管的确定.................................................61.2.7管程和壳程数的确定.........................................61.3固定管板式换热器的设计计算....................................61.3.1设计计算步骤...............................................61.3.2传热计算的主要公式.........................................7第二章设计的工艺计算..............................................112.1全塔物料衡算.................................................112.2预热器的设计和计算...........................................112.2.1确定设计方案.............................................112.2.2根据定性温度确定物性参数.................................112.2.3换热器的衡算..............................................122.3塔顶冷凝器的设计和计算.......................................182.3.1确定设计方案..............................................182.3.2根据定性温度确定物性参数.................................182.3.3塔顶冷凝器换热器的衡算...................................192.4塔顶冷却器的设计.............................................252.4.1确定设计方案.............................................252.4.2根据定性温度确定物性参数.................................252.4.3塔顶冷却器换热器的衡算...................................262.5塔底再沸器工艺粗算...........................................32内蒙古工业大学课程设计说明书2.7离心泵的选型与计算...........................................342.7.1物性参数的获取............................................342.7.2离心泵的选型..............................................34第三章汇总表......................................................373.1原料预热器汇总表.............................................373.2塔顶冷凝器汇总表.............................................393.3塔顶冷却器汇总表.............................................41第四章结论........................................................43参考文献...........................................................44附录.............................................................45谢辞...............................................................47附图..............................................................48内蒙古工业大学课程设计说明书1前言化工原理课程设计设计主要内容是流程方案的确定原则、物料和热量的衡算、主要设备工艺尺寸的计算，以及主要设备和辅助设备的的选型和计算方法，同时绘制工艺流程图与设备装配图。化工原理课程设计是针对学习化工原理课程的学生开设的具有强化性的实训课程。换热器是工业常用设备之一，在工业生产中扮演着重要的角色。换热器主要作用是对工业原料及产物的热性质进行改变。根据用途主要又分为加热器与冷凝器。常用换热器主要有固定板式换热器、浮头式换热器、U型换热器等。课设中主要选用固定板式换热器，对其进行了物料衡算、换热管的选择、换热器的选型等一系列工业设计。主要熟悉掌握换热器的化工工艺用途、设计方法、设计注意事项，提高结合实际情况选用设备型号的技能。在此次化工原理课程设计中，达到综合运用化工原理课程的基本知识、基本原理和计算，进行融会贯通、独立思考，在规定的时间内完成指定的化工单元操作设计任务，具有初步进行工程设计的能力；达到熟悉工程设计的基本内容，掌握化工单元操作设计的主要程序和方法；提高和进一步培养分析和解决工程实际问题的能力；树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真、高度负责的科学作风，实现全面推近创新新思维的开发。内蒙古工业大学课程设计说明书2符号说明Q——传热速率(即热负荷)，W；K——总传热系数，W／(m2．℃)；S——与K值对应的换热器传热面积，m2；Δtm——平均温度差，℃。W——流体的质量流量，kg／h；Cp——流体的平均定压比热容，J／(kg·℃)；T——热流体的温度，℃；t——冷流体的温度，℃；r——饱和蒸气的冷凝潜热，kJ／kg。K。——基于换热器外表面积的总传热系数，w／((m2．℃)；iO——基于管内及管外的对流传热系数，w／(m2·℃)；Rso、Rsi—一分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，(m2．℃)／w;do、di、dm——分别为换热器列管的外径、内径及平均直径,m；b——列管管壁厚度,m；k一列管管壁的导热系数，w／(m·℃)Δt——蒸汽的饱和温度与壁温之差，nc——水平管束在垂直列上的管数；1P——直管中因摩擦阻力引起的压力降Pa；2P——回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa；tF——结垢校正系数，无因次，φ25×2.5mm的换热管取1.4；φ19×2mm的换热管取1.5；sN——串联的壳程数；pN——管程数。ξ——阻力系数，列管换热器管内ξ=3BN——折流挡板数目；0u——按壳程流通面积So计算的流速，m/s。内蒙古工业大学课程设计说明书3第一章换热系统的流程方案的确定1.1换热系统的流程方案的设计进行换热器的设计，第一步应根据酒精精馏的工艺要求确定换热系统的流程方案。第二步根据酒精的产量及酒精与水的质量分数，原料液的质量分数，年产量的工作时间，进行物料衡算，得到流量数据，第三步确定所选换热器中流体的流动空间及流速等参数，同时计算完成给定生产任务所在地需的传热面积，进行传热系数的核算及确定，最后并确定换热器的工艺尺寸选用适当类型的换热器。流程方案的初步设计中，考虑使用塔底残液的废热来预热原料液，达到废热再利用的效果，实现节能减排。本次换热系统为精馏系统的换热设备，包括原料预热器，塔顶全凝器，塔顶产品冷却器，塔底再沸器，塔底残液冷却器。对原料预热器，塔顶冷却器和塔顶产品冷凝器进行精算，塔底残液冷却器塔底再沸器，只作初算。1.2换热器设计方案的确定1.2.1换热器类型的选择对于所选择的换热器，应尽量满足以下要求：具有较高的传热效率、较低的压力降；重量轻且能承受操作压力；有可靠的使用寿命；产品质量高，操作安全可靠；所使用的材料与过程流体相容；设计计算方便，制造简单，安装容易，易于维护与维修。在实际选型中，这些选择原则往往是相互矛盾、相互制约的。在具体选型时，我们需要抓住实际工况下最重要的影响因素或者说是所需换热器要满足的最主要目的，解决主要矛盾。本文中两流体温差介于50℃和70℃之间的选择带补偿圈的固定管板式换热器，小于50℃的选择固定管板式换热器。根据制定的流程方案，可选择带补偿圈的和不带补偿圈的固定管板式换热器，此类换热器的结构简单，价格低廉，宜处理两流体温差50℃到70℃且壳方流体较清洁及不宜结垢的物料，流体压强不高于600Kpa的情况。1.2.2固定管板式换热器结构的确定固定管板式换热器由管板、壳体、封头等组成。固定管板式换热器最容易出现的故障就是管子和管板连接部分泄