化工原理课程设

化工原理课程设计立式热虹吸再沸器设计第1页共23页化工原理课程设计——碳八分离工段立式热虹吸再沸器学院：环境与化学工程学院专业班级：高材111指导老师：王卫京学生姓名：陈应龙学号：11416025日期：2013.7.5化工原理课程设计立式热虹吸再沸器设计第2页共23页目录化工原理课程设计任务书............................................3第一章前言....................................................41.1课程设计基本要求...........................................41.2立式热虹吸再沸器...........................................41.3设计方法简介及步骤.........................................61.3.1设计方法.................................................61.3.2设计步骤.................................................61.4再沸器壳程与管程的设计条件.................................61.5物性数据...................................................71.5.2管程流体在定性温度144℃下的物性数据：....................8第二章工艺结构设计............................................92.1估算再沸器尺寸.............................................92.1.1再沸器的热流.............................................92.1.2计算传热温度差△tm.......................................92.1.3假定传热系数K...........................................92.1.4计算实际传热面积Ap..................................102.1.5工艺结构设计........................................102.2传热能力核算..........................................112.2.1显热段传热系数KL....................................112.2.2蒸发段传热系数ＫＥ..................................132.2.3显热段及蒸发段长度..................................132.2.4计算平均传热系数KC..................................142.3面积裕度核算..............................................142.4循环流量的校核............................................142.4.1计算循环推动力△PD.......................................142.4.2循环阻力△Pf.........................................162.4.3循环推动力△PD与循环阻力△Pf的比值计................20设计自我评价.....................................................21附表1...........................................................22参考文献.........................................................23化工原理课程设计立式热虹吸再沸器设计第3页共23页化工原理课程设计任务书学生姓名__陈应龙______班级__高材111___设计题目：碳八分离工段立式热虹吸再沸器设计1.工艺条件（1）工艺物流组成：乙苯1.99%，对二甲苯21.5%，间二甲苯47.7%，邻二甲苯28.8%，（以上均为摩尔分率）（2）操作温度188℃，（3）操作压力塔顶压力为常压（4）塔底部压力0.12Mpa（5）加热水蒸气压力25kg/cm2，（6）加热负荷1240000kJ/h，（7）加热方式间接蒸汽加热（8）要求管程和壳程压差均小于50kPa，试设计标准立式热虹吸再沸器。化工原理课程设计立式热虹吸再沸器设计第4页共23页第一章前言1.1课程设计基本要求化工原理课程设计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、塔板结构等图形。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、经济合理性。因此,学生在进行设计时，应该以严谨、认真的态度对待，经过精密演算，得出所设计设备的各项参数。1.2立式热虹吸再沸器如右图所示，立式热虹吸再沸器是利用塔底单相釜液与换热器传热管内汽液混合物的密度差形成循环推动力，构成工艺物流在精馏塔底与再沸器间的流动循环。这种再沸器具有传热系数高，结构紧凑，安装方便，釜液在加热段的停留时间短，不易结垢，调节方便，占地面积小，设备及运行费用低等显化工原理课程设计立式热虹吸再沸器设计第5页共23页著优点。但是由于结构上的原因，壳程不能采用机械方法清洗，因此不适宜用于高粘度或者较脏的加热介质。同时由于是立式安装，因而增加了塔的裙座高度。立式热虹吸再沸器是利用热介质在壳侧提供热量将管侧工艺流体加热沸腾的管壳式换热器，它是自然循环的单元操作，动力来自与之相连的精馏塔塔釜液位产生的静压头和管内流体的密度差。与卧式相比其循环速率高传热膜系数高。但是工业上应用的立式热虹吸再沸器其加热督要有一定高度才能获得较高的传热速率而塔底液面与再沸器上部管板约为等高这样就提高了塔底的标高使设备安装费增加并且设备的清洗和维修也困难。立式热虹吸再沸器的不稳定性往往是由于两相流的不稳定流型所致。在立式热虹吸管内蛇两相流沸腾流型自下而上相继出现鼓泡化工原理基础强化训练流、弹状流、环状流及环雾流等。弹状流的大汽抱的不断出现与破裂激发了操作的不稳定性。立式热虹吸再沸器与卧式相比虽有较好的防垢性能但对于粘度大的物料例如石按化工中一些高分子聚合物也常因结垢堵塞管道而要定期清除垢物。严重的情况下运转一年就会将再沸器中绝大部分管子堵死垢物的清除费力费时十分困难。改善立式热虹吸再沸器的操作性能强化其传热具有十分重要的意义。化工原理课程设计立式热虹吸再沸器设计第6页共23页1.3设计方法简介及步骤1.3.1设计方法立式热虹吸式再沸器的流体流动系统式有塔釜内液位高度Ι、塔釜底部至再沸器下部封头的管路Ⅱ、再沸器的管程Ⅲ及其上部封头至入塔口的管路Ⅳ所构成的循环系统。由于立式热虹吸再沸器是依靠单相液体与汽液混合物间的密度差为推动力形成釜液流动循环，釜液环流量，压力降及热流量相互关联，因此，立式热虹吸再沸器工艺设计需将传热计算和流体力学计算相互关联采用试差的方法，并以出口气含率为试差变量进行计算。假设传热系数，估算传热面积。1.3.2设计步骤1、初选传热系数，估算传热面积2、依据估算的传热面积，进行再沸器的工艺结构设计；3、假设再沸器的出口气含率，进行热流量核算；4、计算釜液循环过程的推动力和流动阻力，核算出口气含率。1.4再沸器壳程与管程的设计条件壳程混合气体的定性温度为131℃。化工原理课程设计立式热虹吸再沸器设计第7页共23页表1混合物各纯组分物性数据（t=131℃）物性组分黏度（g）Pas黏度（l）Pas热容（g）J热容（l）J密度（l）Kg汽化焓J乙苯8.7000.0002461172.844228.084765.4343.599对二甲苯8.5160.0002305169.440220.355760.4663.639间二甲苯8.6930.0002315169.743222.411764.5833.673壳程管程温度/℃131188压力/Mpa2.452.4蒸发量/(kg/h)72001.5物性数据1.5.1壳程水蒸汽在定性温度200℃下的物性数据：潜热rc=1943.5kJ/kg热导率λc=0.663W/(m.k)黏度μc=0.136mPa.s密度ρc=863.0kg/m3化工原理课程设计立式热虹吸再沸器设计第8页共23页1.5.2管程流体在定性温度144℃下的物性数据：液相潜热rb=361.14kJ/kg液相热导率λb=0.124W/(m.k)液相黏度μb=0.24mPa.s液相密度ρb=791kg/m3表面张力σ=0.0173N/m液相比热容Cpb=1.6kJ/(kg.k)汽相密度ρv=5.81kg/m3汽相黏度μv=0.009mPa.s蒸汽压曲线斜率（Δt/Δp）=0.00303m2.K/kg化工原理课程设计立式热虹吸再沸器设计第9页共23页第二章工艺结构设计2.1估算再沸器尺寸2.1.1再沸器的热流根据任务书所给热流量为Q=1.24×106=3.44×105wＱ＝ＷＧ×△Ｈｖ平均汽化潜热△Ｈｖ＝361有机液体蒸发量Ｗ=Q/△Ｈｖ=260000/36.1=7200(kg/h)2.1.2计算传热温度差△tm饱和水蒸气温度tｍ＝188℃操作压力下液体沸腾温度tｂ＝144℃传热温差△Ｔｍ＝tｍ－tｂ＝188－144＝44℃2.1.3假定传热系数K表2—1传热系数K值大致范围壳程管程K/（W/(m2·K)）备注水蒸气液体1390垂直式短管水蒸气液体1160水平管式水蒸气水2260-5700垂直管式水蒸气有机溶液570-1140化工原理课程设计立式热虹吸再沸器设计第10页共23页水蒸气轻油450-1020水蒸气重油（减压下）140-430假定传热系数K值为600W/（m2·K）。2.1.4计算实际传热面积Ap=3.44×105/(600×44)=13.03（m2）2.1.5工艺结构设计（1）选定传热管长度L=500mm（2）传热管规格为φ45×3.5mm（3）管子排列方式：正三角形排列则总传热管数NT为=13.03/(3.14×0.038×0.5)=217排管构成正六边形的个数a、最大正六边形内对角线上管子数目b和再沸器壳体内径D可分别按下式计算。NT=3a（a+1）+1则a=8b=2a+1则b=17)85.9)44600/(106.225mtKQAmR（63)2025.0/(85.90LdANT化工原理课程设计立式热虹吸再沸器设计第11页共23页D=t（b-1）+（2-3）d0则D=32×（17-1）+2×38=588mm取管程进口管直径Di=250mm,出口管直径Do=300mm正三角形排列L/Ds应合理，一般在4—6左右，不符合则应修改。卷制壳体内径以600mm为基数，以100mm为进档级。接管尺寸，查表2.2传热能力核算2.2.1显热段传热系数KL1、计算循环量设传热管出口处气含率xe=0.10（＜25%）=7200/（3600×0.10）=20（kg/s）2、计算显热段管内传热膜系数αi=3.14/4×0.0382×217=0.246=20/0.246=81.3kg/（m2·s）管内Re和Pr数：=（0.038×81.3）/0.00024TNb1.1)/(67.16)12.03600/(7200skgxDWebt019.06302.044220TiNdssmk