乙醇—水精馏塔顶产品冷凝器设计课程设计书.doc
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化工原理课程设计说明书
设计题目：
乙醇—水精馏塔顶产品冷凝器设计
指导教师：
杨世芳
班级：
05化工
姓名：
周淑敏
梁虎
王箭
石珍珍
日期：
2008年6月11日
目录
第一章设计任务书…………………………………1
第二章概述…………………………………………3
第三章结构设计与说明………………………………4
第四章冷凝器的设计计算…………………………5
第五章总结…………………………………………14
第六章参考文献………………………………………15
第一章乙醇冷凝器设计任务书
一设计名称
精馏塔顶产品全凝器
二设计条件
1.操作条件
（1）.处理量6万t/y；
（2）.产品浓度含乙醇95%
（3）.操作压力常压；
（4）.冷却介质水（P为0.3MPa，进口温度30℃，出口温度40℃）
（5）.每年按300天计；每天24h连续运转。
（6）.使用地点湖北
三设计课题的工程背景
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的纯度可达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0.03~0.4%，酸类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醇。
本课程设计即为粗乙醇（初馏塔出来的乙醇—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。
四设计任务
设计一冷凝器，冷凝乙醇—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6万t/y，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℃。
选择合适的立式列管冷凝器并进行较核计算。
对冷凝器的附件进行设计，包括结构设计。
五计说明书概要
1.目录
2.概述
3.热力计算（包括选择结构，传热计算，压力核算等）
4.结构设计与说明
5.设计总结
6.参考文献
7.附工艺流程图及冷凝器装配图一张
六、设计进度
1.设计动员，下达设计任务书0.5天；
2.搜集资料，阅读教材，拟定设计进度1.5天
3.工艺设计计算，结构设计计算（包括电算）5～6天；
4.绘图3～4天
5.整理，抄写说明书2天；
6.设计小结及答辩2天
七、设计成绩评分体系
设计成绩优，良，中，及格，和不及格等级计分制
总成绩由以下几个部分构成
1．平时成绩10%；2．设计说明书45%；3．设计图纸25%；4．答辩成绩20%
第二章概述
冷凝过程在炼油、化工和石油化工等装置中的应用极其广泛，但是，冷凝过程是复杂的，实际工况是多样的。
对于纯组分冷凝工况，会因气相分率的显著变化，引起冷凝器内沿长度方向上气液两相流况的改变，并导致局部传热性能和压力降梯度的变化；对于多组分混合物的冷凝过程，伴随着热量传递、质量传递和动量传递。
在大化工生产中，列管式冷凝器（以下简称“冷凝器”）作为最重要设备之一应用很广，良好冷凝器的设备结构形式、工艺设计控制方法的选择，不仅使化工过程能稳定进行，而且节约投资，降低能耗，增加效益。
冷凝器是通过冷热交换将气体冷却冷凝的设备。
热量的传递是以温差为推动力，温度高的气体将热量经过冷凝器管壁传给温度低的移热介质，达到气体冷凝的目的。
在冷凝器的工艺设计中，流体压降要求、流量分配、流路情况设计的好坏，直接关系到冷凝器是否能满足实际过程要求、经济和操作稳定性，这就归结到流体力学问题。
在设计时，对已经确定型式的冷凝器来说，提高给热系数的最有效方法就是提高流速，但同时又意味着增大压降。
设计方案原则:
1.满足工艺和操作要求2.经济效果最佳3.确保生产安全。
两换热介质谁走管程谁走壳程的总原则:
有利于传热;压力损失,材料消耗和生产成本减小;经济,安全,运行和检修方便。
第三章结构设计与说明
冷凝器工艺流程及控制方案图
1、加料方式
从精馏塔出来的产品直接进入冷凝器
2、进出料热状况
78.2℃的乙醇蒸汽直接冷凝成78.2℃的液态乙醇
3、冷凝方式
用地下水冷凝，得到全部冷凝产品
4、生产条件的确定和说明
（1）.压强降不大于105pa
（2）.出料热状况:
泡点出料
（3）.地下水冷凝
5、冷凝器工艺流程及控制方案
为了保证冷凝器的正常工作，必须要加强对其工艺流程的控制。
本设计采用冷凝液温度与冷却水流量的串级控制系统。
第四章冷凝器的设计计算
含乙醇95%
沸点78.2度
密度800
一．确定方案
1.选择冷凝器
由于此次精馏为初馏塔出来的乙醇—水溶液，属于中间产品，还要进行再处理，下段工序还要在进行加热，则只要求乙醇冷凝液为78.2℃，以节约能源。
采用30℃的地下水冷凝，冷凝器管壁温度与壳体温度之差并不大，而且该冷凝器的热负荷不太大，可初步确定为固定管板式冷凝器。
为了使冷却水出口温度不太高，并加大传热推动力，采用一个较大冷凝器即可。
流程安排：
乙醇蒸汽走壳程，地下水走管程。
选用的碳钢管，假设管内流速为
管外乙醇—水蒸气流速
二．确定物性参数
定性温度：
取流体进出口温度平均值
平均温度t=
T1——冷流体进口温度,
T2——冷流体出口温度,
1.95%乙醇冷凝液78.2℃物性参数
密度ρh=804㎏/m3
平均比热容Ch=3.14KJ/（kg·℃）
汽化热rh=943.3KJ/kg
沸点：
78.2℃
2.35℃水特性
比热容Cpc=C水=4.174KJ/（kg·℃）
密度ρ=993.9㎏/m3
导热系数λc=0.625W/（m·K）
粘度
三、传热面积计算
1.冷却水流量
由得
==188376.2
Q——单位时间单位的总热量，KJ/h
Wh——乙醇—水流量，kg/h
Wc——冷却水流量，kg/h
2.平均传热温度
3.计算传热面积
设
K——总传热系数，
则传热面积
四、冷却水管尺寸确定
1.选用的碳钢管通冷却水，管内水流速
2.传热管数计算
取ns=152根
——管内径，m
——传热管数，
按单程管计算，所需传热管长度为：
单程管过长，采用双管程结构：
取L=4m，则管程数
取=2，则传热管总根数
3.传热管排列方法
采用组分排列法，即每程内正三角排列。
管心距取32mm
——传热管外径，mm
隔板中心到离其最近的一排管中心距离
各程相邻管的管心距为44mm
管束分程方法，双程传热管总共304根，排列如图所示：
五、外壳尺寸确定
设乙醇—水蒸气流速
=
0.2993
式中：
——冷却水管总截面积，
——通蒸气的截面积，
——蒸气流量，
——冷凝器内部总截面积，
选用壳体外直径壁厚为，设计压力为１.６Ｍ
D——外壳直径，m
t——管中心距，m
——位于管束中心线上的管数
——管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离，一般取=（1~1.5）,m
管子按正三角形排列
六、冷凝器的核算
1.热负荷
（1）壳程中垂直管束外冷凝表面传热系数
式中：
——无量纲冷凝表面传热系数
——冷凝表面传热系数，
Re——雷诺准数
M——单位传热管表面积上的质量流量，
适用于液膜沿管壁呈层流流动
（2）管内表面传热系数
流体加热时，n=0.4
管内流体流通截面积
管程流体流速
∴0.7＜Pr＜120Re＞10000
对的低黏度流体
（3）污垢热阻和管壁热阻
管外侧有机物蒸汽污垢热阻
管内侧地下水污垢热阻
管壁为碳钢，导热系数
（4）总传热系数K
，初选的冷凝器合适。
（5）传热面积裕度
计算传热面积
该冷凝器实际的传热面积
冷凝器面积裕度为
传热面积的裕度合适，冷凝器可完成任务。
2.壁温核算
解得℃
壳体壁温可取正戊烷的温度
℃
温差不大，故该冷凝器不需要安装膨胀节等温度补偿装置。
3.冷凝器内流体流动阻力
（1）管程流动阻力
碳钢管
（2）壳程阻力
壳程压力降为2965.31Pa〈101325Pa。
故管理和壳程压降都能满足要求。
物料参数一览表
参数
管程
壳程
质量流量（kg/h）
188327.8
8333.3
进口温度（℃）
30
78.2
出口温度（℃）
40
78.2
压力（MPa）
0.3
1.01325
物
性
参
数
定性温度（℃）
35
78.2
密度（）
993.95
800
定压比热（kJ/（kg·K））
4.174
3.61
黏度（pa·s）
热导率（W/（m·K））
0.6257
0.17
汽化热（kJ/kg）
943.3
冷凝器主要结构尺寸
设
备
结
构
参
数
形式
管板式
管程数
2
壳体内径（mm）
690
材质
碳钢
壳体外径（mm）
700
台数
1
管径（mm）
φ25×2
壳程数
1
管长（mm）
4000
管心距（mm）
44
管数目（根）
304
管子排列
正三角形
传热面积（）
95.5
计算结果表
主要计算结果
管程
壳程
流速（m/s）
1.001
5.0
表面传热系数（）
4775.04
1084.00
污垢热阻（）
阻力（Pa）
6051.22
2965.31
热负荷（kJ/h）
7860801.9
平均传热温差（K）
43.3
总传热系数（）
66
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