化工原理优秀课程设计原料预热器.doc

目录
一、 设计题目 1
二、 设计依据 1
三、 设计要求 1
第1节：物料衡算、热量衡算 1
1.精馏塔物料衡算 1
2.冷凝器物料衡算及热量衡算 6
3.产品冷却器物料衡算及热量衡算 8
4.原料预热器（1）物料衡算及热量衡算 9
5.原料预热器（2）物料衡算及热量衡算 10
6.再沸器物料衡算及热量衡算 11
7.物料衡算汇总表 12
8.热量衡算及换热器要求汇总表 13
第2节：列管式换热器选型及校核（原料预热器①） 15
1.初选原料预热器（1）规格 15
2.核实总传热系数 21
第3节：所选固定管板式换热器结构说明 23
1.管程结构 23
2.壳体结构 24
3.其它关键附件 24
第4节：换热器关键结构和计算结果 25
第5节：参考文件及资料 26
附 27

设计任务书
一、 设计题目：乙醇水精馏系统换热器设计
二、 设计依据：
1、产量：7万吨
2、年工作时间：330天
3、原料乙醇：浓度50%（质量），出库温度25℃
4、产品乙醇：浓度95%（质量），入库温度≤45℃
5、乙醇回收率：99.5%
6、原料乙醇泡点进料，回流比R=1.15Rmin
7、循环冷却水进口温度：30℃
8、再沸器饱和水蒸气温度：150℃
9、系统散热损失：不考虑系统散热损失
10、换热器KA值裕度：20~40%
11、原料预热器（2）设计
三、 设计要求：
第1节：物料衡算、热量衡算
1.精馏塔物料衡算
乙醇、水相对分子质量为M乙醇=46.07g/mol，M水=18.02g/mol
由原料乙醇质量浓度为50%得原料乙醇摩尔分率为：

由产品乙醇质量浓度为95%得产品乙醇摩尔分率为：

原料F、塔顶馏出液D平均相对分子质量：

塔顶产品流率D：

由乙醇回收率得：

流率W：

塔底残液摩尔分率：

塔底残液W平均相对分子质量：

计算Rmin
乙醇-水气液平衡数据
P(kPa)
T(℃)
X
Y
101.325
100.0177
0
0
101.325
94.80857
0.020408
0.187889
101.325
91.45791
0.040816
0.295516
101.325
89.13188
0.061224
0.365032
101.325
87.44582
0.081633
0.413396
101.325
86.17473
0.102041
0.448925
101.325
85.19216
0.122449
0.476089
101.325
84.41518
0.142857
0.497555
101.325
83.7881
0.163265
0.515008
101.325
83.27224
0.183674
0.529566
101.325
82.83999
0.204082
0.54
101.325
82.47122
0.22449
0.552871
101.325
82.15107
0.244898
0.562574
101.325
81.86842
0.265306
0.571414
101.325
81.61487
0.285714
0.579625
101.325
81.38405
0.306122
0.587387
101.325
81.17115
0.326531
0.594843
101.325
80.97247
0.346939
0.602108
101.325
80.78525
0.367347
0.609275
101.325
80.60739
0.387755
0.616421
101.325
80.43734
0.408163
0.62361
101.325
80.27395
0.428571
0.630897
101.325
80.11644
0.44898
0.638329
101.325
79.96425
0.469388
0.645945
101.325
79.81705
0.489796
0.653783
101.325
79.67465
0.510204
0.661873
101.325
79.537
0.530612
0.670245
101.325
79.40416
0.55102
0.678926
101.325
79.27625
0.571429
0.687942
101.325
79.15347
0.591837
0.697317
101.325
79.03606
0.612245
0.707074
101.325
78.92223
0.632653
0.717273
101.325
78.81668
0.653061
0.727858
101.325
78.71742
0.673469
0.738896
101.325
78.62479
0.693878
0.750411
101.325
78.53917
0.714286
0.762426
101.325
78.46095
0.734694
0.774966
101.325
78.39052
0.755102
0.788058
101.325
78.3283
0.77551
0.80173
101.325
78.2747
0.795918
0.816009
101.325
78.23013
0.816327
0.830926
101.325
78.19504
0.836735
0.846514
101.325
78.16987
0.857143
0.862807
101.325
78.15505
0.877551
0.879841
101.325
78.15105
0.897959
0.897655
101.325
78.15834
0.918367
0.916291
101.325
78.17739
0.938776
0.935794
101.325
78.2087
0.959184
0.956211
101.325
78.25276
0.979592
0.977595
101.325
78.31033
1
1

作图以下：

由图可得，故Rmin=3.57
R=1.15Rmin=1.153.57=4.1055
塔顶冷凝器未来自塔顶蒸汽全部冷凝，即该冷凝器为全凝器，凝液在泡点温度下部分地回流入塔，由恒摩尔流假定，塔顶液体摩尔流率L、气体摩尔流率V为:

因为是泡点进料，所以q=1

又W=1.76*10-3，则=-W成立
2.冷凝器物料衡算及热量衡算
查【《化工原理》下册P268附录】得，质量组成为95%乙醇水溶液沸点为78.2℃。
此温度下乙醇汽化潜热r能够下式求得：

其中
【查《化工原理》上册附表】得：
乙醇：A=113，B=0.4218，;
水：A=445.6，B=0.3003；
求得；；
其中

所以
则冷凝塔顶混合蒸汽放出热量

冷凝器冷却水进口温度为=30℃，故假定冷却水出口温度=50℃。
取水比热容为时Cp=4.174kJ/kg·℃，设冷却水用量为,由得:

冷凝器对数平均温度△:

由传热基础方程 得：

3.产品冷却器物料衡算及热量衡算
无相变，出口量等于进口量，物料无改变
故：D=206.79kmol/h
产品由78.2℃经产品冷却器降低到40℃，，由【《化工原理》附表】:
，其中，得：

则产品冷却器将产品冷却所需热量为:

产品冷却器进口温度=25℃，假定出口温度=41.4℃，则

前后所需热量相近，故假定出口温度为41.1℃成立。
产品冷却器对数平均温度△:

由传热基础方程得：

4.原料预热器（1）物料衡算及热量衡算
无相变，出口量等于进口量，物料无改变
通常出原料预热器残液温度比出产品冷却器原料温度高5-10℃，故选择出原料预热器残液温度为50℃。又进原料预热器残液温度为，则
由公式得：Cp水=4.214 kJ/（kg·℃）
原料预热所需热量:

原料预热器进口温度为41.4℃，假定出口温度为66℃，则
由公式
,所以

前后所需热量相近，故假定出口温度为66℃成立。原料预热器对数平均温度△:

由传热基础方程 得：

5.原料预热器（2）物料衡算及热量衡算
原料无相变，出口量等于进口量，饱和水蒸汽液化，进出口流率相等
从原料预热器（1）出来原料为66℃，要求泡点进料，所以从原料预热器（2）出来原料为82.03℃，则。由公式,所以

利用饱和水蒸汽潜热加热，则
此时

得=542.75=30.15=213.43m3/s

6.再沸器物料衡算及热量衡算
再沸器热量衡算：
由【《化工原理》上册】得饱和水蒸气汽化热：
100℃:
150℃:

又Q5=r2V汽

再沸器对数平均温度△:

由传热基础方程 得：

7.物料衡算汇总表
精 馏 塔
乙醇质量分数
摩尔流率Kmol/h
质量流率Kg/h
原料50% F
651.42

塔顶95%
冷凝器
上升蒸汽V
1055.77

回流L
848.898

产品D
206.79

塔釜
再沸器
下降液体
1500

回塔蒸汽
1055.77

残液W
444.63

产品冷却器
冷流体进口
651.42

冷流体出口
651.42

热流体进口
206.79

热流体出口
206.79

原料预热器（1）
冷流体进口
651.42

冷流体出口
651.42

热流体进口
444.63

热流体出口
444.63

原料预热器（2）
冷流体进口
651.42

冷流体出口
651.42

热流体进口
30.15

热流体出口
30.15

8.热量衡算及换热器要求汇总表
名称
冷热 流体
进口温度
℃
出口温度
℃
交换热kJ/h
△tm
℃
KA值kw/℃
精馏塔

82.03
78.2
100

冷凝器
热流体
78.2（气）
78.2（液）

37.31
386.19
冷流体
30
50
产品
冷却器
热流体
78.2
40

24.29
12.377
冷流体
25
41.4
原料 预热器（1）
热流体
100
50

18.48
25.48
冷流体
41.4
66
原料 预热器（2）
热流体
150
150（有相变）

75.70
4.219
冷流体
66
82.03
再沸器
热流体
150（气）
150（液）

50.0
239.495
冷流体
100（液）
100（气）
第2节：列管式换热器选型及校核（原料预热器①）
1.初选原料预热器（1）规格
(1)换热器选型
两流体温度改变情况：塔顶热流体（水）进口温度100℃，出口温度50℃（无相变）.冷流体（乙醇水）进口温度41.4℃，而冷却水出口温度为66℃，管壳温差较小，所以初步确定选择卧式固定管板式换热器,而且固定管板式换热器旁路渗流较小、造价低、无内漏，是很常见换热器。
(2)流动空间安排、管径及流速确实定
加热水易结垢应该走管程，原料走壳程加热，取管径为25mm*2.5mm碳素钢管，管内流速为1.0m/s。
（3）确定流体定性温度、物性数据
（a）定性温度
壳程乙醇水定性温度为
T=(41.4+66)/2=53.7℃
管程热水水定性温度为
t=(100+50)/2=75℃
（b）物性数据
依据定性温度，分别查取壳程和管程流体相关物性数据:
流体水定性温度75℃下物性参数 【查《化工原理》上册】
密度： ρc=974.8kg/m3 【查化原上册P261附表】
热导率： λc=0.6635W/（m·K）【查化原上册P261附表】
粘度： μc=0.377mPa·S【查化原上册P263附表】
定压比热容：Cpc=4.214 kJ/（kg·K）【查化原上册P261附表】
液化潜热： rc=2568.75 kJ/kg 【查化原上册P281附录】
‚冷流体（乙醇水）53.7℃下物性参数表【查《化工工艺算图》第一册----常见物料物性数据】
密度： ρh=858.72kg/m3 【P112】
热导率： λh=0.35613 W/（m·K）【P325】
粘度： μh=0.538MPa·S 【P385】
定压比热容： Cph=4.08kJ/（kg·K）【P267】
液化潜热： rh=973.18kJ/kg 【化原上册P281附录】
（4）工艺计算及主体设备设计
(a)计算热负荷Q
热负荷Q=1.694106kJ/h=470.56kw
(b)平均传热温差确实定
对数平均传热温差
温度校正：
P=(t2-t1)/(T1-t1)=(66-41.4)/(100-41.4)=0.42

由P和R查对数平均温差校正系数图得：此时Ψ约等于0.82，
大于0.8，所以选择双壳程列管式换热器。【查《化工原理课程设计》P59对数平均温差校正图】
平均传热温差△tm=Ψ·△tm’=15.15℃
（c)初选传热系数K估，估算传热面积A估
依据壳内为乙醇水，管内为热水，【查 匡国柱《化工单元过程及设备过程设计》P60表3-1】 总传热系数范围在582~1163 W/(m2·℃)，故：初选K估=1000W/(㎡·℃)
所以：A估’=KA/K估=25.48103/1000=25.48m2
（5） 工艺结构尺寸
(a)管径和管内流速
管径Φ25mm×2.5mm,管内流速 u=1.0m/s 壳程流速u=0.8 m/s
(b)管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数
n=V水/(di2uπ/4)=42.2910-3/(π*0.022*1.0)≈8(根)
按七程管计算，所需传热管长度为

传热管管长取6.0m。
传热管总根数
(c)传热管排列和分程方法
采取正三角形排列
取管心距t=1.25×25=32mm.见【《化工原理（上册）》P226：图6-51】

作图或查表【匡国柱《化工单元过程及设备课程设计》 P66 表3-6排管数目】可取NT=91根（其中a=5，b=11)
(d) 壳体内径
采取单管程结构，壳体内径
D=t(b-1)+2e=32*(11-1)+31.252=382.5mm
其中，t为管心距；b为横过管束中心线管数；e表示管数中心线上最外层管中心到壳体内壁距离，通常取e=(1--1.5)d0，此处取e=1.25d0=1.25*25=31.25mm
圆整后D=400mm,取壁厚为12mm【查涂伟萍.化工过程及设备设计P12表1-4标准尺寸】
（e)支承板
采取弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径25%，则切去圆缺高度为h=0.25×400=100mm，取h=100mm；
【查匡国柱《化工单元过程及设备课程设计》 P133 表4-5 折流板管孔尺寸及许可偏差】取折流板管孔直径b=25.8mm,许可偏差为0.40；
取折流板间距为B=100mm

折流板圆缺垂直安装。
支承板厚度取8mm【查涂伟萍.《化工过程及设备设计》P16表1-7支承板厚度】
（f) 其它附件
拉杆直径Φ12mm，其数量不少于4根，壳程入口应设置防冲挡板【查涂伟萍.化工过程及设备设计P15表1-6拉杆直径和拉杆数】
（g) 接管
接管由【《多种换热器设计具体说明书》】查得：换热器中流体进、出口接管直径按下式计算，即：

其中：
Vs--流体体积流量，m3/s；u --接管中流体流速，m/s。
①壳程流体
进口接管
计算混合液密度（常压下）
纯乙醇=760kg/m3 水= 986.65kg/m3
混合=0.5*ρ乙醇+（1-0.5）*ρ水=858.72kg/m3
取接管内液体流速为1m/s,则接管内径

故取标准管径为Φ85mm×8mm
出口接管
取管内液体流速为1m/s, 接管内无相变，温度对液体密度影响很小，故和进口内径一样。故取标准管径为Φ85mm×8mm
② 管程流体（循环水）进出口接管 取接管内循环水流速为2m/s，则接管内径

取标准管径为Φ57mm×6mm，其它接管略。
（6）初选固定管板式换热器规格
公称直径
400
公称压力
1
管程数
7
管子根数
91
中心管子数
11
管子直径
Φ25mm×2.5mm.
换热管长度
6000
换热面积
36.4
管子排列方法
中心线采取正方型排列，两侧采取正三角形排列

冷凝器实际传热面积：

2.核实总传热系数
(1) 换热器管程对流给热系数α1
计算式为：

【《化工原理》（上册）：P184式（6-41）】

故管程对流传热系数
W/(m2.℃)
（2）换热器壳程对流给热系数α2
因为卧式管壳式换热器，壳程为乙醇水期间无相变，故α2用以下公式求得 【查 匡国柱《化工单元过程及设备课程设计》：P72式（3-22）】

（3）确定污垢热阻
【查涂伟萍.化工过程及设备设计P25表1-15壁面污垢热阻】：
(m2.℃)/W（有机液体) (m2.℃)/W(河水）
（4）计算总传热系数K
当换热管为碳钢时，λ=45.4W/(m·℃)

（5）校核换热器KA值

【查 匡国柱 《化工单元过程及设备课程设计》P76 式3-36 】则该换热器裕度符合生产要求。
第3节：所选固定管板式换热器结构说明
1.管程结构
（1）管子在管板上固定
因为操作温度高于30℃，所以选择焊接形式，此种方法优越性表现在：管板孔加工要求低，加工简便，焊接强度高，在高温高压下仍能保持连续紧密性等。
（2）管子排列
此换热器传热管采取φ25mm×2.5mm 规格，采取正三角形排列，因为是焊接，则管间距（管中心间距）t和管外径d0比值为1.25。
（3） 管板
管板作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程流体分隔开来。管板和管子连接可胀接或焊接，所设计换热器连接方法为焊接。管板和壳体连接有可拆连接和不可拆连接两种，固定管板常见不可拆连接，两端管板直接焊在外壳上并兼作法兰，拆下顶盖可检验可检修胀口或清洗管内，所设计换热器选择此方法连接。
（4） 封头和管箱
封头和管箱在壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。因为所设计换热器壳体直径较小，故采取封头，接管和封头可采使用方法兰连接，街头和壳体之间用螺纹连接，方便卸下封头，检验和清洗管子。
2.壳体结构
（1） 壳体
壳体呈圆筒形，壳壁焊有接管，采取不锈钢管制成（因为碳钢数据查不到）。在壳程进口接管处装有防冲板，以预防进口流体直接撞击管束上部管排，因为流体撞击会侵蚀管子，并引发振动。
（2）折流挡板
折流挡板关键作用是引导壳程流体反复改变方向作错流流动，以加大壳程流体流速和湍流速度，致使壳程传热系数提升，另外折流挡板还起了支撑管子作用，预防管束振动和弯曲。所设计换热器选择圆缺形折流挡板，切缺率（切掉圆弧高度和壳内径之比）为25%，采取垂直放置。
3.其它关键附件
（1）旁通挡板
为预防壳体和管束之间间隙过大，流体不经过管束而经过这个间隙旁通，采取旁通挡板。
（2）假管
此换热器不设置假管
（3）拉杆和定距管
为了使折流挡板能牢靠地保持在一定位置上，采取拉杆和定距管。
（4）防冲挡板
在壳程进口接管处装有防冲挡板，可预防进口流体直接冲击管束而造成管子侵蚀管束振动，还有使流体沿管束均匀分布作用。
第4节：换热器关键结构和计算结果
换热器形式：固定管板列管式换热器
换热面积（m2）：239.57
工艺参数
名称
管程
壳程
管子规格（mm）
25mm×2.5mm
物料名称
水
原料
管子数量：
91
操作温度（℃）
(进/出)
100/50
41.4/66
管长（mm）
6000
流体密度
（kg/m3）
974.8
858.7
折流板数量
59
流速（m/s）
1
0.8
折流板间距（mm）
100
传热量（kW）
470.56kw
切口高度
25%
总传热系数
（W·m-2·K-1）
892.4
壳体内径（mm）
400
对流传热系数
（W·m-2·K-1）
5340
2585.2

污垢系数
（m2·℃/ W）
1.76×10-4
2.1×10-4
程数
10
1

第5节：参考文件及资料
（1）《化工原理（上下册）》 陈敏恒 丛德滋 方图男 齐鸣斎编著 化学工业出版社
（2）《化工过程及设备设计》 涂伟萍 陈佩珍 程达芳编 化学工业出版社
（3）《化工单元过程及设备课程设计》 匡国柱 史启才主编 化学工业出版社

附：
关键符号说明

符号 意义 计量单位
F 加料流率 kmol/h
XF 进料液组成摩尔数
D 气相产物流率 kmol/h
XD 气相产物组成摩尔分数
W 塔斧液相产物流率 kmol/h
XW 塔斧液相产物摩尔组成份数
η 回收率
q 加料热状态
r 汽化潜热 kJ/㎏
K 传热系数 W/（㎡·K）
L 回流液流量 kmol/h
V 精馏段塔内上升蒸汽流量 kmol/h
提馏段下降液体流量 kmol/h
提馏段上升蒸汽流量 kmol/h
Q 传热量 kJ/kmol
R 回流比
NT 管子总数
λ 热导率 W/（m·K）
μ 粘度 Pa·s
ρ 流体密度 ㎏/m3
Cp 流体定压比热容 kJ/（kg·K）
△tm 对数平均温度差 ℃
d 管径 m
λL 膜温下凝液导热系数 W/m·℃
ρL 膜温下凝液密度 kg/m3
μL 膜温下凝液粘度 Pa·s
G 冷凝负荷 kg/m·s
g 重力加速度 m/s2
W 每根管蒸发量 kg/s
do 管外径 m
l 蒸发管长 m
D 壳体内径 m
Pr 普朗特数
Re 雷诺数
注：文章后另附工艺步骤图。