乙醇水精馏塔顶产品全凝器的设计.docx
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乙醇水精馏塔顶产品全凝器的设计
《化工原理》课程设计说明书
题目：
6.9X104吨/年乙醇-水精馏塔顶产品全凝器的设计
姓名：
班级学号：
指导老师：
完成时间：
1.设计任务书
1.1设计题目
《乙醇-水精馏塔顶产品全凝器的设计》
1.2设计任务及操作条件
处理能力
6.9>104吨/年
产品浓度
含乙醇95%（w/w）
操作压力
常压
操作温度
78C
冷却介质
循环水，入口温度30T，出口温度40C
允许压降
v105Pa
每年按330天计，每天24小时连续运行。
1.3设计项目
设计方案简介
对确定的工艺流程及换热器型式进行简要叙述
换热器的工艺计算
确定换热器的传热面积
换热器的主要结构尺寸设计
对本设计的评述
绘制换热器总装配图一张主视图；一张剖面图；一张局部放大图（选作）
2.设计方案简介
2.1选择换热器的类型
因为夹套式换热器、套管式换热器、板式换热器等都有着传热面积小、金属消耗量大、流量小且处理量不大等缺点。
因此列管式换热器由于其结构简单、坚固、适应性强、制造容易且处理量大等优点被广泛应用。
对于本次课设，初步选择使用的便是浮头式换热器
2.2流动空间及流速的确定
循环水不清洁且易结垢，为方便水垢清洗。
加之水流动压力比乙醇蒸汽高，液态水粘度较高，因此循环水应走管程。
而作为饱和乙醇蒸汽在管间冷凝，易于及时排出冷凝液，且走壳程便于高温乙醇蒸汽的散热。
综上所诉，应使冷却水走管程，乙醇蒸汽走壳程冷凝。
取管径为？
25mmx2mm的不锈钢管，管内流速为1m/s。
3.工艺流程草图及说明
如图所示，由精馏塔上升乙醇蒸汽作为进料。
蒸出乙醇气体从1号接管进入换热器，再从2号接管流出进入冷凝液储槽。
循环水从3号接管进入再从4号接管出来。
到达冷凝液储槽的冷凝液，一部分作回流液回流，另一部分经冷却后为产品。
4.工艺计算及主体设备设计
4.1确定物性参数
壳程乙醇蒸汽定性温度为
管程冷却水的定性温度
因此，通过查阅课本文献获得以下数据
名称
温度C
密度kg/m3
导热系数
W/m-1?
K-1
粘度
Pa•s
比热容
kJ/kg-°C
比汽化热
kJ/kg
水
35
993.95
0.6265
7.274
X10-4
4.174
2412
95%乙醇
78
738.59
0.1647
5.566
X10-4
3.550
953.76
4.2计算总热负荷
乙醇的进料速度
95%乙醇比汽化热
Y纯乙醇Y水
=885.1X0.95+2258.4X0.05
=953.76kJ/kg
因此可以计算出设备的热负荷
Q=q・丫Jw
4.3对于错流的平均温差的计算
求温度矫正系数
通过差温差校正系数图中的1壳程图得其-1,大于0.8。
因此，选用但壳程的列管式换热器。
逆流计算温差
校正后温差
4.4估算设备K值与换热面积A
于是根据书中表4-7的有机物粘度卩=0.5〜1mPa-s（乙醇为0.7274mPa・s）有机物冷凝一水体系K值的大致范围为200〜700W/m2-K
初选530W/m2-K，得
估「
换热器工艺结构尺寸
4.5管程流量的计算
水的流量可以通过热量恒算求得
Q=2289kw=q水c水-
既
w
水水.J-（-）
4.6通过估算面积和流量计算管程数和管子根数
管程管子选择？
25mmx2mm的不锈钢管，内径di=21mm,外径d2=25mm。
管内
水流速初选u=1m/s
估算单程管根数
根据传热面积估算管子长度
若使用2管程，则每管程官长选用l=4500mm,管子数约为320根。
有换热器系列
标准初选浮头式换热器型号为BES-800-2.5-125.4-4.5/25-2U。
相关参数如下表。
公称直径DN/mm
800
公称压力PN/MPa
2.5
管程数Np
2
管子根数n
366
中心管子根数n
15
管子直径mm
25X2
换热管长度mm
4.5
换热面积S/m
125
若选择该型号的换热器，则该过程的总传热系数为
5换热器核算
5.1计算管程对流传热系数
管程流动面积
-—-（）—
进一步计算出流速
水
水
计算出雷诺数
—>10000湍流
圆形直管强制湍流公式
Nu=0.023Re°.8Prn
其中_
流被加热n取0.4
由一得管程对流传热系数
5.2计算壳程对流传热系数
壳程为95%乙醇冷凝，而冷凝器为卧式，故冷凝为水管外冷凝，使用公式
（（
其中丫为比汽化热J/kg；p为冷凝液密度kg/m3;入为冷凝热导率W/（m•k）;卩为冷凝液黏度Pa-s；△t为饱和温度ts与壁面温度tw之差；nt为管子总数；定性温度为
膜温，既——，特征尺寸管外直径do。
壁温tw的计算
w
（—）-
;Q为2289kw;a为4250.6W/k•m2;Rd2
得——
其中一
为0.58X10-3m2•k/W
解得tw=56.95C
继续计算Tw
其中Q=2289kw，b=4X10-3，入=45W/m•k，
解得Tw=58.93C
因此可获得式子中△t的大小为78C-54.4T=21.05C，而定性温度为66.07C
由文献得ns=1.370nT°518,解得压=29，则m/ns=126
算得壳程传热系数
a（
（）
（）
•°C
5.3总传热系数（以外壁为基准）
确定污垢内阻
水塔用水5.8X10-4m2-k/W
42
95%乙醇1.76X10-m-k/W
则总传热计算系数计算式为
解得K=476.6W/m2-C>C
实际换热器面积为
该换热器的面积裕度为——
穿热气面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务
5.4核算压强降
（）
其中Ft=1.5,Ns=1,Np=2
管程流动面积
-—-（）
进一步计算得出
水
水
进一步计算其雷诺数
>10000湍流
设管壁的粗糙度£=0.1mm,-—,
查《化工原理》P37入-Re图得：
入=0.033
所以△————=2660Pa
5
<10Pa
管程压强降压符合要求。
壳程为乙醇气体且流量低，估算压降远小于要求
6.辅助设备的计算及选型
折流挡板计算
采用圆缺形折流挡板，切去圆缺高度为内径的25%，因此可取高度h=0.25X800
得200mm，挡流板的间距B=0.5D得400mm。
算得折流板数——
（块）。
由下表查询可知，折流板厚度选4mm
公称直径DN（tnm）
按执管无支擇跨距
<300
300^600
600*^00
900^1200
1200^1500
1500
折流板的最小厚度缶曲
<400
3
4
5
8
10
10
400^700
4
5
6
10
10
12
700^900
5
6
3
10
12'
16
900^1500
6
a
10
12
16
7.设计一览表
换热器型式：
浮头式换热器
工艺参数
流体空间
管程
壳程
物料名称
循环水
甲醇蒸汽
操作温度c—
30/40
78/78
操作压力MPa
0.1013
0.1013
流体密度kg/m3
993.95
738.59
流速m/s
0.87
流量kg/s
54.84
2.42
传热量kw
2289
对流传热系数W/m2•K
4250.6
1167.98
总传热系数W/m2•K
476.6
污垢系数m2•K/W
5.8X10-4
-4
1.76X104
程数
2
1
使用材料
碳钢
碳钢
管子规格
①25X2
管数366根
管长4500mm
管间距mm
32
排列方式
45度斜正方形
折流板型式
上下
间距400
切口高度200mm
壳体内径mm
800
换热面积
125m2
8.对本设计的评述
在这次设计中，流速确定后的换热器选择尝试了四次。
过程实确繁琐，但最终还是选出了最优方案。
翻书、查资料，每个公式的准确与否都锱铢必较。
经过没日没夜地推导、计算，最终得出这份报告。
不知是课设在大学期间做多了而麻木了。
本次课设并无大喜大悲，做完只是感开着闪光灯在断电后打字的日子就再告一段落了。
并无太多欣喜，亦无过多苛责。
今天是2015年12月31日，新年快乐。
9•附图（带控制点的工艺流程简图、主体设备设计条件图）
T
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