乙醇预热器的设计

化工原理课程设计说明书

题目：乙醇—水精馏塔预热器的设计 学院： 海洋学院 班级： 食品本 姓名： XXX X 学号： 11XXXXXXXX 指导老师： XX 时间： 2014年6月 日

目录

设计任务书··································································3

一、概述 ···································································4

二、确定设计方案····························································5

1、参数的计算 ·····························································5

2、换热器型号的选取·························································8

3、传热排列方法及壳体内径···················································9

4、折流挡板·································································9

5、接管·····································································9

三、总传热系数的核算 ·······················································10

1、管程核算··································································10

2、壳程核算·································································10 3、管壳程压力降核算··························································11 4、总传热系数核算对··························································13 四、设计结果一览表···························································15

五、设计者心得体会···························································16

六、主要参考文献····························································17 七、主要符号说明·····························································17

设计任务书

本课程设计任务是乙醇——水预热器的设计。是利用塔釜液对原料液进行加温。

设计数据及条件 （1） 生产能力：年处理乙醇—水混合液6000t（开工率300天/a，24h/d）； （2） 原料：乙醇含量为50%（质量）的常温25~35℃液体； （3） 产品浓度/%(质量)：94

（4） 塔顶乙醇含量不低于99.8%（质量）； （5） 塔底乙醇含量不高于0.2%（质量）。 （6） 设备型式：列管式换热器；

（7） 允许压强降：管程压强降小于10kPa；壳程总压强降小于60kPa。 组成（含乙醇量） 物料 流量 kg/h 摩尔分数 釜液 原料液 462.1 840.3 0.28 0.00078 温度 ℃ 进口 105 30 出口 86.5 操作压力 MPa 0.85 0.48

设计计算内容

（1）传热面积、换热管根数；

（2）确定管束的排列方式、管程数、挡板、隔板的规格和数量； （3）壳体的数量；

（4）冷、热流体进、出口管径； （5）核算总传热系数； （6）管壳程流体阻力校核。 设计成果

（1）设计说明书一份；阐明设计特点，列出主要技术数据，对有关工艺流程和设备选型做出技术上和经济上的论证和平价。应按设计程序列出计算公式和计算结果；对所得物性数据很实用的经验公式图表应注明来历。

（2）预热器的装配图一张（A1图纸）。

3

一、概述

换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。

按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。

在进行换热时一种流体由封头的连结管处进入，在管内流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程。另一种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出这称为壳程列管式换热器。按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：

固定管板式换热器

结构特点：固定管板式换热器适用于管壁与壳壁温差≤50℃的场合。当温差在50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置或考虑其他结构。

U型管式换热器

结构特点：换热器中的每根管子都弯制成U形，进口、出口分别安装在同一管板的两侧，由于仅一块管板，管子在受热或冷却时可以自由伸缩。

填料函式换热器

结构特点：结构比浮头式换热器简单，壳体和管束热变形自由，不产生热应力。管束可从壳体中抽出，壳程的检修和清洗方便。

浮头式换热器

结构特点：管束可以拉出，以便清洗，管束的膨胀不变壳体约束因而当两种换热器介质的温差大时不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点是结构复杂，造价高，比固定管板高20%。在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。

利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要，同时也节约能源和成本。

下图（图1）是工业生产中用到的列管式换热器。

4

二、确定设计方案

2.1参数的计算 (a)热流量Q

以原料液为基准亦计入5%的热损失，按以下步骤求得传热量Q。 平均温度tm=(30+86.5)/2=58.3℃ 分别查的乙醇、水的物性为：

物性常数

组分 粘度μ/Pa·s 热导系数λ/ 密度ρ/kg/m3 定压比热容物性 乙醇 水 混合物 5.6×10-4 4.7×10-4 5.01×10 -4W/(m·℃) 0.162 0.659 0.569 745 983.2 865.9 Cp/kJ/(kg·℃) 2.89 4.178 3.782

以上表上混合的各物性数据分别由下式求得。 混合物粘度μm ?m混合物热导率λ

m

1/3?x1?11/3?x2?2

1/3?m?0.9(?1?1??2?2)

?1/?1??2/?2

?Cp,1?1?Cp,2?2

混合物密度ρm 1/?m?混合物平均定压比热容Cp,m Cp,m式中xi为组分i的摩尔分数，ωi为组分i的质量分数.其他符号意义同前。所需要的热流量

Q?1.05ms,cCp,c(tc2?tc1)

=1.05?840.3?3.782?(86.5?30)

5 =1.819?10KJ/h

=50.5kW

(b)确定釜液出口温度th2

假设th2 =75℃ 则定性温度为

th1?th2)/2?(105?75)/2?90℃ tm?(由tm 可查得乙醇、水物性，亦由以上公式分别求得釜液的物性为：

5

m0840..3u0???0.0053..m/s

3600?S0??03600?0.0525?865..9 式中 u0－壳程流速m/s； ?0－原料液平均密度kg/m3 m0－原料液流率kg/h。 (3)当量直径:

4[de?

32?2t?d0]24?d030.0322?0.785?0.0252]2?0.02m??0.025

4?[? (4)雷诺数:

Re0? ?deu0?0?00.02?0.0053?865.9?1731..8 ?30.501?10 式中?0? 原料液平均粘度pa?s

从以上计算结果可知，两流体在换热器中流动均能达到湍流，有利于传热。

a. 管、壳程压力降

?pi ①管程压力降

取管壁绝对粗糙度：E＝0.2mm

相对粗糙度：E/di?0.2/20?0.01 由前面计算已得Rei是得单管程压力降为：

?10617.7，故可查得直管壁摩擦系数??0.04，于

L?iui?pi??di2 回弯压降：

260.4522?880.5?0.04???1013.5Pa

0.022?Pr???iui22880.5?0.004522?3??26.82Pa

211

式中

?－阻力系数

?(?Pi??Pr)FtNpNs

?1.5

管程总压力降：?Pi 校正系数 Ft 管程数

Np?2

?2（即串联的换热器数）

1?0u02 2 串联的壳程数 Ns?pt?(1013.5?269.82)?1.5?2?2?7.68kpa?10kpa

②壳程压力降

?Ps 管束压降 ?P0?Ff0Ntc(NB?1)? 三角形排列：F=0.5

壳程流体摩擦因数 f0 折流板数

?5.0?Re0?0.2280.5?5.0?(1731.8)?0.228?0.4428

?1.1?(488)0.5?24.3

NTC?1.1?(n)NB?18

?P?24.3?(18?1)?1/2?897.9?0.61720?0.5?0.4428?17399Pa?0.017399MPa 折流板缺口压降：

?Pip?NB(3.5?2BDi)??0u0222?0.3879.9?0.00532?18?[3.5?]? 0.82?8290.5Pa?0.00829MPa 壳程总压力降：

?Ps?(?P0??Pip)FsNs 壳程压力降结垢校正系数Fs?1.15 壳程数 Ns?2

12

?Ps?(17399?8290.5)?1.15?2?59085.8?0.0591MPa?60KPa

b. 总传热系数K

① 管程传热膜系数?i

管内雷诺数 Rei?10617.70?104 普兰特数

Pri?Cpiui/?i

4.067?103?0.0045??3.367?0.60.548 管长与管内径比： l/di?6000/0.02?3.0?105?50

o 式中 Cpi－釜液平均热容 kJ/(Kg?C)

?i－釜液平均导热系数 W/(m?C)；

o?i?i0.80.3?0.023??ReiPridi ?0.023?0.548?10617.70.8?3.3670.3

0.02?2538.89W/(m2?oC) ②管外传热膜系数a0

管外雷诺数Re0?41442 普兰特数

pr0?Cp?0/?003?34.103?10?0.0053?10 ??1.254

0.569 式中

Cp0－原料液平均热容 KJ/(kg?℃）；

?0?－原料液平均粘度 pa?s； ?0－原料液平均导热系数 W/(m?℃）

13

a0?00.55?0.36?Re0prde130.569?1731.80.55?1.2540.33 0.02?2854.5w/(m2?C0)?0.36? ③污垢及管壁热阻

管壁内外侧污垢热阻均为2.6?10?4m2? ℃／W 钢管壁热导率 ??45w/(m?℃）

0.0025?5.56?10?5m2?℃)／W

?45 ④总传热系数

管壁热阻

b?d11bd01d0??Rd0??Rdi0?k0a0?dmdiaidi ?125251?25 ?2.6?10?4?5.56?10?5??2.6?10?4??4220.522.5203343?20?1.258?10?3 得 k0?794.9w/(m2? ℃) 式中 Rd0－管外污垢 m2?℃／W； Rdi－管内污垢 m2?℃／W； b－管壁厚m；

dm－管壁平均直径m 传热面积A0

A0?QK0?tm1.819?105?103 ?

794.9?3600?18.3?287m2 所选换热器实际传热面积：AP

2 AP?2?22? 745m4

换热器传热面裕度：

AP?A0454?287??100%?46.87%

A0287 由校核可知，各项性能符合要求，换热能力可满足生产需求，所选换热器可

以采用。

14

四、设计结果一览表

换热器形式：固定管板式换热器 换热面积： 227m2 工艺参数： 名称 物料名称 操作压力 Mpa 操作温度 ℃ 流量 kg/h 流体密度 kg/m3 流速 m/s 传热量 kW 总传热系数 W/m2·K 传热系数 W/（m2·℃） 阻力降 KPa 程数 推荐使用材料 管子规格 管间距 mm 折流板型式 壳体内径 mm 管程 釜液 0.85 90 462.1 865.9 0.0045 50.5 794.9 2538.89 7.68 2 碳钢 ф25×2.5 32 上下 800 管束 488 排列方式 间距 mm 300 保温层厚度 mm 表格 1

壳程 原料 0.48 58.3 840.3 886.5 0.0053 2854.5 59.1 1 碳钢 管长 6m 正三角形 切口高度88 未知

15

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vvxa.html