95%乙醇-水冷凝器设计说明书

1目录1.设计方案简介………………………………………………………………22.工艺流程草图及其说明……………………………………………………23.主要设备的计算和说明……………………………………………………43.1初选换热器规格计算……………………………………………………43.1.1换热器选型…………………………………………………………43.1.2确定流体的定性温度，物性数据…………………………………43.1.3计算传热量Q………………………………………………………53.1.4计算有效平均温差，按逆流计算…………………………………53.1.5估算K值的大小……………………………………………………63.1.6工艺结构设计………………………………………………………63.1.6.1管径与管内流速………………………………………………63.1.6.2管程数和传热管数……………………………………………63.1.6.3传热管排列和分程办法………………………………………73.1.6.4壳体内径的计算………………………………………………73.1.6.5折流挡板………………………………………………………73.1.6.6其他附件………………………………………………………73.1.6.7计算混合气的密度……………………………………………73.1.6.8接管……………………………………………………………83.1.6.9核算总传热系数………………………………………………93.1.6.9.1计算管程对流传热系数……………………………………93.1.6.9.2计算壳程对流传热系数𝐚𝟎…………………………………93.1.6.9.3确定污垢热阻………………………………………………103.1.6.9.4总传热系数𝐊𝟎………………………………………………103.1.6.9.5核算壁温……………………………………………………103.1.6.9.6计算压降……………………………………………………113.2所选固定管板式换热器的结构说明……………………………………123.2.1管程结构……………………………………………………………123.2.1.1密封形式………………………………………………………123.2.1.2管子的排列……………………………………………………123.2.1.3管板……………………………………………………………123.2.1.4封头和管箱……………………………………………………123.2.2壳体结构……………………………………………………………123.2.2.1壳体……………………………………………………………133.2.2.2折流挡板………………………………………………………133.2.2.3缓冲板…………………………………………………………133.2.3其他主要附件………………………………………………………134.换热器的主要结构和计算结果……………………………………………145.思考题…………………………………………………………………………1522乙醇一水精馏塔项产品冷凝器的设计任务书1、设计题目乙醇一水精馏塔顶产品全凝器的设计。设计一冷凝器，冷凝乙醇一水系统精馏塔顶部的馏出产品。产品中乙醇的浓度为95%，处理量为（x）×104t/a，要求全部冷凝。冷凝器操作压力为常压，冷却介质为水，其压力为0.3MPa，进口温度为30℃，出口温度为40℃。工程背景：采用薯类与谷类原料进行发酵。发酵法制乙醇是一个很复杂的生化过程，发酵在密封的发酵罐中进行产生的CO2的纯度达99%-99.5%以上，其余为气态杂质，组分（以CO2质量为基准）为：乙醇0.4%-0.8%，脂类：0.03%-04%，酸类：8.0.08%-0.09%。成熟发酵醪中的乙醇必须经过初馏、精馏和除杂才能得到合格的乙醉。本课程设计即为粗乙醇（初馏塔出来的乙醇一水溶液），在进行精馏获得合格产品的过程中，精馏塔顶冷凝器的设计。发酵法制乙醇的工艺也可以参考有关书籍或文献资料。设计的目的：通过对乙醇一水系统精馏塔顶产品全凝器的设计，使学生了解和掌握化工单元操作设备设计的步骤、方法及基本技能，熟悉文献资料及物性参数的查阅和收集方法，懂得如何论证优化设计方案，合理科学地应用公式及数据。在设计中提高学生的分析能力和解决问题的能力。2、设计任务及操作条件①处理量：（x)×10^4t/年②产品浓度：含乙醇95%；3③冷却介质：P为0.3MPa，入口温度30℃，出口温度40℃；④操作压力：常压；⑤允许压降：不大于l0^5Pa；⑥每年按330天计，每天24h连续运行。⑦设计项目：a.设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。b.换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。c.换热器的主要结构尺寸设计。d.主要辅助设备选型。e.绘制换热器总装配图。3、设计说明书的内容①目录；②设计题目及原始数据（任务书）；③论述换热器总体结构（换热器型式、主要结构）的选择；④换热器加热过程有关计算（物料衡算、热量衡算、传热面积、换热管型号、壳体直径等）；⑤设计结果概要（主要设备尺寸、衡算结果等）；⑥主体设备设计计算及说明；⑦主要零件的强度计算（选做）；⑧附属设备的选择（选做）；⑨参考文献；⑩后记及其他。4、设计图纸要求附工艺流程图及冷凝器装配图一张。5、设计思考题①换热器及工作原理？②影响传热的主要因素有哪些？③何为冷凝器，冷凝器的主要型式及结构？4④选择走管程或壳程的介质应考虑什么原则？⑤循环冷却水的进出口温度确定原则？⑥设计冷凝器的主要步骤。⑦对冷凝器的设计你进行了哪些优化？3主要设备的计算和说明一、初选换热器规格计算1.列管式换热器是目前应用最广泛的一种换热设备，设计资料和数据比较完善，并且有结构牢固，适应性大，材料范围广的独特优点，因此初选列管式换热器。相比乙醇来说，冷却水较容易结垢，因此选择水过管程，易于清洗，乙醇过壳程，便于散热。2.确定流体的定性温度，物性数据，并选择列管式换热器的形式。冷却水介质取自来水，进口温度𝒕𝟏为30℃，出口温度𝒕𝟐为40℃。由于塔顶产品乙醇出口相型为液相，而入口相型为气相，固中间在壳程存在相变。假定全程只存在冷凝段，而没有冷却段，固易知出口温度为液态凝点𝑻𝟐为78.2℃。而由于乙醇在壳程中发生了相变，若忽略相变流体压力的变化，则相变流体在整个换热面上保持其饱和温度，即可知进口温度𝑻𝟏为78.2℃。水的定性温度𝒕𝒎=𝟑𝟎+𝟒𝟎𝟐=35℃塔顶乙醇的定性温度𝑻𝒎=𝟕𝟖.𝟐+𝟕𝟖.𝟐𝟐=78.2℃两流体的温度差𝑻𝒎-𝒕𝒎=78.2-35=43.2℃50℃，同时压力5为0.3mpa0.588mpa,压力满足要求，固选用固定板管式换热器。下表为两流体在定性温度下的物性参数物性流体温度T（℃）密度ρKg/𝒎𝟑黏度μMpa·s比热容𝑪𝒑kJ/（kg·℃）热导系数λW/(m·℃)液化潜热r/(kJ/kg)95%乙醇78.2738.590.55663.550.1647925.265冷却水35992.20.7284.1740.63382258.43.计算传热量Q已知乙醇的处理量为𝑴𝟏=2.4×𝟏𝟎𝟒吨/年=0.8418kg/s管程处汽化潜热𝒓管=𝒓纯乙醇×95%+𝒓水×5%=885.1×95%+2258.4×5%=925.265kJ/kg计算传热量，即Q=𝑴𝟏×𝒓管=0.8418kg/s×925.265kJ/kg=778.89kw忽略换热器的热损失，则水的流量可由热量衡算求得Q=𝑴𝟐×𝑪𝒑水×（𝒕𝟐-𝒕𝟏）则𝑴𝟐=𝐐𝑪𝒑水×（𝒕𝟐−𝒕𝟏）=𝟕𝟕𝟖.𝟖𝟗𝟒.𝟏𝟕𝟒×(𝟒𝟎−𝟑𝟎)=18.66kg/s4.计算有效平均温差，按逆流计算热流体：𝑻𝟏=78.2℃→𝑻𝟐=78.2℃冷流体：𝒕𝟐=40℃→𝒕𝟏=30℃6温差Δt:38.2℃48.2℃逆流时的对数平均温差：Δt=𝚫𝐭𝒎𝒂𝒙−𝚫𝐭𝒎𝒊𝒏𝒍𝒏𝚫𝐭𝒎𝒂𝒙𝚫𝐭𝒎𝒊𝒏=𝟒𝟖.𝟐−𝟑𝟖.𝟐𝒍𝒏𝟒𝟖.𝟐𝟑𝟖.𝟐=43℃温度校正：p=𝑻𝟏−𝑻𝟐𝒕𝟐−𝒕𝟏=𝟕𝟖.𝟐−𝟕𝟖.𝟐𝟒𝟎−𝟑𝟎=0R=𝒕𝟐−𝒕𝟏𝑻𝟏−𝒕𝟏=𝟒𝟎−𝟑𝟎𝟕𝟖.𝟐−𝟑𝟎=0.21由P，R查对数平均温差校正系数得𝛆Δt≈1.00.8，固可选单壳程列管式换热器。则𝚫𝐭𝒎=Δt×𝛆Δt=43℃5.估算K值的大小K值的估算往往依靠经验，由水与乙醇的黏度可知K的范围为300～700W/（𝒎𝟐·℃），初选K=350W/（𝒎𝟐·℃）估算换热面积:A=𝑸𝑲×𝚫𝐭𝒎=𝟕𝟕𝟖.𝟖𝟗×𝟏𝟎𝟑𝟑𝟓𝟎×𝟒𝟑=51.75𝒎𝟐6.工艺结构6.1管径与管内流速管径选取𝚽25mm×2.5mm，管内流速取𝐮𝟏=1m/s壳程流速取𝐮𝟐=0.8m/s6.2管程数和传热管数设单程管数为n，内径为𝒅𝒊，外径为𝒅𝑰则水的体积流量𝑽𝟐=𝑴𝟐𝛒水=𝟏𝟖.𝟔𝟔𝟗𝟗𝟐.𝟐=0.0188𝒎𝟑/s则n=𝑽𝟐𝟏𝟒𝝅𝒅𝒊𝟐×𝐮𝟏=𝟎.𝟎𝟏𝟖𝟖𝟏𝟒𝝅×𝟎.𝟎𝟐𝟐×𝟏≈62根则管长L=𝑨𝒏×𝝅×𝒅𝑰=𝟓𝟏.𝟕𝟓𝟔𝟐𝝅×𝟎.𝟎𝟐𝟓=10.62m,考虑做成单管程管子过长，固根据实际情况取管长为5.5m，则该换热器的管程数7𝐍𝒑=10.62÷5.5≈2则传热管总数为𝒏总=62×2=124根6.3传热管排列和分程办法采用组合排列的方法，由于是2程换热器，在每一程中选择采用三角形排列法，而隔板中间则选择用正方形排列法。由换热管外径为25mm，查表得中心距s=32mm,分程隔板槽两侧相邻管中心距𝒍𝑬=44mm横过管数中心线的管数𝒏𝒄=1.19√𝒏总=1.19×√𝟏𝟐𝟒=14根6.4壳体内径的计算采用两管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体内径为D=1.05t√𝒏总𝛈=1.05×32×√𝟏𝟐𝟒𝟎.𝟕=447mm，圆整可取D=500mm6.5折流挡板采用弓形折流挡板，取弓形折流挡板的圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度h=0.25×500=75mm。取折流板间距为B=0.4D，则B=0.4×500=200mm则折流板数𝑵𝑩=传热管长折流板间距-1=𝟓𝟓𝟎𝟎𝟐𝟎𝟎-1=28-1=27块折流挡板圆缺面水平装配6.6其他附件拉杆直径取Φ12mm，数量取4～5根，壳程入口应设置防冲挡板6.7计算混合气的密度8𝝆纯乙醇=5.733Kg/𝒎𝟑（气态）𝝆水=0.2788Kg/𝒎𝟑（气态）𝝆混合气=5%×0.2788+95%×5.733=5.46Kg/𝒎𝟑6.8接管①壳程流体（混合气体）进口接管，取接管内气体流速𝒖,为20m/s（饱和蒸汽的速度范围是20m/s到40m/s），则接管内径为𝒅𝟏=√𝟒𝑽𝝅𝒖𝟐′=√𝟒×𝟎.𝟖𝟒𝟏𝟖÷𝟓.𝟒𝟔𝝅×𝟐𝟎=0.099m取标准管径为Φ194mm×5mm出口接管取管内液体流速为0.8m/s（乙醇管内安全流速为0.8m/s～1.5m/s），则接管内径为𝒅𝟐=√𝟒𝑽𝝅𝐮𝟏=√𝟒×𝟎.𝟖𝟒𝟏𝟖÷𝟕𝟑𝟖.𝟓𝟗𝝅×𝟎.𝟖=0.043m取标准管径为Φ89mm×5mm②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，则接管内径为𝒅𝟐=√𝟒𝑽𝝅𝒖𝟏′=√𝟒×𝟏𝟖.𝟔𝟔÷𝟗𝟗𝟐.𝟐𝝅×𝟐=0.11m/s取标准管径为Φ219mm×𝟖mm则初选固定管板式换热器规格如下：公称直径DN/mm500公称压力PN/Mpa1管程数N2管子根数𝒏总124中心管子数𝒏中8管子直径𝒅