化工原理课程设计指导书精馏塔之预热器冷凝器再沸器资料.docx
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化工原理课程设计指导书精馏塔之预热器冷凝器再沸器资料
化工原理课程设计指导书
—精馏塔的预热器、冷凝器、再沸器工艺设计
适应专业:
化学工程与工艺
编写作者:
胡建明
编写日期:
2007.7
邵阳学院生物与化学工程系
预热器、冷凝器、再沸器的工艺设计
概述
蒸馏是化工生产中分离均相液体混合物的典型单元操,其历史悠久,应用广泛。
蒸馏的基本原理是将液体混合物部分汽化、部分冷凝,利用其中个组分挥发度不同而将其分离。
其本质是液、汽相间的质量传递和热量传递。
为使分离彻底,以获得较纯的产品,工业生产中常采用多次部分汽化、多次部分冷凝的方法——精馏。
精馏过程通常是在塔设备内完成的。
预热器、冷凝器、再沸器是精馏过程必不可少的设备。
它们承担着将物料预热、气化、冷凝等重要任务。
而固定管板式换热器更是因其具有工艺简单、造价低廉、工艺设计成熟、热效率较高等优点而得到广泛的应用,尤其在很多大工业生产中。
换热器的工艺设计主要内容和步骤
1物料衡算
1.1设计依据
1.1.1《×××××设计任务书》
1.1.2产量年产99.5%(均为质量分数,下同)环己烷(丙酮)20000吨,根据工
业生产中连续生产的特点,取年平均生产时间为8000小时,即小时产量为:
3
20000×103/8000=2500kg/h,本设计以小时产量为计算基准。
1.1.3进料组成xF、产品组成xD
1,1.4分离要求
1.2精馏塔物料衡算
1.2.1
物料衡算示意图
1.2.2
塔底采出GW
用质量分率计算进料量及塔釜采出量
解得:
GF(kg/h)GW(kg/h)
1.2.3计算摩尔量、摩尔分率
化工原理课程设计指导书由物质A、B组成的混合物,其分子量分别为MA,MB则其平均分子量:
MMAxAMBxB,用摩尔量表示为:
DGD;WGW;FGF;同理可求得XD、XW、XF
MMM
1.2.4精馏塔物料衡算表
表1.1精馏塔的物料衡算表
进料
出料
塔顶采出D
塔底采出W
组分
kmol/h
kg/h
wt%
kmol/h
kg/h
wt%
kmol/h
kg/h
wt%
总量
Σ进
Σ出
※必须达成Σ进=Σ出。
1.3冷凝器物料衡算
1.3.1操作回流比选取
1)查阅相关资料,找出物系的气液平衡数据
2)由计算得到物系的气液平衡数据
3)作出平衡线(x—y图)
4)利用平衡线(x—y图)求取最小回流比Rmin(泡点进料)
5)确定实际回流比:
R=(1.1~2.0)Rmin。
1.3.2进料量及组成确定
1)采出量及组成
2)回流量及组成计算
3)进料量及组成计算
4)冷凝器物料衡算表
进料
出料
塔顶采出D
回流L
组分
kmol/h
kg/h
wt%
kmol/h
kg/h
wt%
kmol/h
kg/h
wt%
化工原理课程设计指导书
总量
Σ进
Σ出
2热量衡算
2.1冷凝器的热量衡算
2.1.1确定塔顶、塔底控制温度
精馏塔塔顶、塔底温度是精馏塔主要操作控制参数,它直接影响到塔顶产品、塔底产品质量。
方法一:
通过查阅资料得到物系的泡点线和露点线数据,作图后根据塔顶与塔底的浓度直接查出塔顶、塔底及进料的温度。
方法二:
利用试差法求取已知浓度时的泡点、露点(C)
2.1.2已知条件
1)变化过程:
冷却水从20℃升温到45℃,物料由饱和蒸汽变为饱和液体。
2)冷凝器的物料组成表(表2.1)
进料
出料
塔顶采出D
回流L
组分
kmol/h
kg/h
wt%
kmol/h
kg/h
wt%
kmol/h
kg/h
wt%
总量
Σ进
Σ出
2.1.3各组分热力学参数(表2.2)
冷流体
热流体
潜热
进口温度
出口温度
组分
Cp(kJ/kgK·)
Cp(kJ/kgK·)
kJ/kg
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2.1.4计算
1)物料冷凝所放出的热量
Q放=m
假定热损失Q损=(5~10%)Q放;由热平衡:
(0.9~0.95)Q放=Q吸
1.2.2冷却水量的计算假设冷却水量为mkg/h,则:
(0.9~0.95)
Q吸=mcpt(0.9~0.95Q放)mcpt
其他设备热量衡算依次进行
3冷凝器的工艺设计
3.1流体流径的选择
在选择流体的流径时,首先考虑流体的压强、防腐蚀和清洗等要求,然后再校核α及ΔP,作出较恰当的选择。
3.2热负荷q
qQ;Q——管程流体吸收或放出的热量。
3600
3.3流体两端温度的确定
3.3.1若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件规定,无选择。
3.3.2若一个流体仅已知进口温度,出口温度由设计者定,例冷却水,若出口温度升高,可节省水量,操作费降低;反之,则设备费增加。
一般,设计时两端流体温度差
可取5~10℃。
传热温度差(先按逆流方式计算):
3.4总传热系数K
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按照资料先选择一传热系数K,初步设计好换热器后进行校核,确认是否合适
3.5换热面积S的计算
Sq,求取计算换热面积Kt
3.6初步选择管程数
3.6.1确定管程流速u:
列管式换热器常用的流速范围
流体的种类
一般流体
易结垢液体
气体
流速,m/s
管程
0.5~3
>1
5~30
壳程
0.2~1.5
>0.5
3~15
列管换热器中不同粘度液体的常用流速
液体粘度,mPa·s
>1500
1500~500
500~100
100~35
35~1
<1
最大流速,m/s
0.6
0.75
1.1
1.5
1.8
2.4
3.6.2流通截面积A:
AVS
u
3.6.3单程换热管数:
选定换热管规格,通常换热管规格有192、252.5(2,不锈钢)二种。
2流体流通截面积:
Adi2nn
4
3.7单根换热管长度L
S
Snd0LLS;根据管长选择管程数N(管长一般为1.5、2、3、6m)。
nd0
如果选择为多管程,则需要校正传热温差(参照化工原理上册P225~226),重新计
算换热面积。
重复以上过程,直至面积基本不变。
3.8筒体直径的计算
3.8.1管中心距t=1.25do(焊接),t=1.4do(胀接),最外列管中心距筒壁b'1=.5~2do。
3.8.2中心线上布管数:
nc=1.19Nn,取nc=1.19Nn的整数(正方形排列)
nc=1.1Nn,取nc=1.1Nn的整数(正三角形排列)
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3.8.3筒体直径的计算:
DNt(nc1)2b',圆整至规格尺寸D。
3.8.4实际换热面积S'
3.9折流挡板
加大壳程流体的速度,使湍动程度加剧,以提高壳方的α,Re>100即可达湍流。
3.9.1挡板的形式
圆缺形(弓形)特点:
切去的弓形高度约为外壳内径D的10%~40%,一般取20~25%(即缺口面积为25%的壳体内截面积)。
(a)盘环形(b)分流形(c)圆缺形
3.9.2板间距h:
两相邻挡板的距离。
一般h=0.2~1D。
系列标准中常采用的h值有:
固定管板式:
150、200、300、600mm三种;浮头式:
150、200、300、480、600mm五种。
※注:
h过小,不便制造和检修,ΔP也较大;h过大,流体就难于垂直地流过管束,对流传热系数减小。
3.10核算总传热系数K值
计算管、壳程对流传热系数α,确定污垢热阻Rf1、Rf2,再计算K',比较K,若
S'S
K'/K=1.15~1.25或者K≈K',而15%SS30%,初选换热器合格,否则,需另设
S
K值,重复以上计算步骤。
3.11流体流动阻力(压强降)的计算
3.11.1管程流体阻力:
摩擦阻力公式计算。
PiP1P2FiNsNp
lu2
式中:
ΔP1——每程直管的压降,P1lu。
1d2
NS——壳程数;
NP——为一壳程的管程数;
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Fi——结垢校正因数,无因次。
φ25×2.5mm的管子,取Fi=1.4;φ19×2mm的管子,取Fi=1.5。
3.11.2
壳程阻力损失:
NB——折流挡板数目;de——壳程的当量直径。
方法二:
应用埃索法公式计算。
PoP1P2F0NS
式中:
F0——壳程压降结垢校正因数,无因次,对液体:
F0=1.15;对气体:
F0=1.0。
P1'——流体横向流过管束的压降,P1'Ff0ncNB1
(其中:
F——管子排列方式对压强降的校正因数,对正三角形排列:
F=0.5;对正方形排列:
F=0.3;对正方形斜转45℃,F=0.4。
f0——壳程流体的摩擦系数,当Re>500
2huo2。
D2。
时,f05.0Re00.228)
P2'——流体通过折流挡板缺口的压降,P2'NB3.5
般,液体流径换热器的压降为10~100kPa,气体为1~10kPa。
4结构尺寸设计
4.1筒体厚度
壳体标准尺寸与壁厚
壳体内径,mm
325
400500600700
8009001000
12001400
最小壁厚,mm
5
6
8
10
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4.2椭圆形封头
椭圆形封头与圆筒厚度相等,即mm,JB/T4737-95
4.3压力容器法兰(甲型)
4.4膨胀节
当Tmtm50C,设置设置膨胀节。
4.5管板
固定管板式换热器的管板的主要尺寸:
公称直径
DN/mm
隔板最小厚度/mm
碳素钢
4.7分程隔板两侧相邻管中心距
t25mm,d019mm,d01.2523.75mm25mm
换热管中心距宜不小于1.25倍的换热管外径,所设计的换热器不用机械方式清洗
4.8拉杆的直径、数量和尺寸
拉杆公称直径dn/mm
数
量
基本尺寸
拉杆直径d/mm
La/mm
Lb/mm
b/mm
12
4
19
15
2.0
4.9拉杆孔
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dn12mm,l21.5dn1.512m1m8
4.10换热管与管板的连接
换热管规格外径壁厚/mm
换热管最小伸出长度l1/mm
最小坡口深度l3/mm
192
2
2
4.11
接管的计算
4.12
管法兰
4.13
支座选取
4.14
其他装配尺寸
1、封头:
椭圆形、圆形
2、缓冲挡板:
为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击,可在进料管口装设缓冲挡板。
3、放气孔、排液孔
目的:
排除不凝性气体和冷凝液。
4、接管:
流体进、出口接管直径d:
10
u的经验值:
液体:
1~2m/s
蒸汽:
10~30m/s
5、材料选用根据压强、温度及流体的腐蚀性等选取。
常用材料有金属(碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等)和非金属(石墨、聚四氟乙烯、玻璃等)等。
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