化工设计案例教案环科.docx

化工设计案例教案环科.docx

《化工设计案例教案环科.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工设计案例教案环科.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

化工设计案例教案环科

化工基础设计案例

一、设计任务书

1.课题名称：

乙醇-水精馏塔塔顶产品冷凝器设计

2.设计条件与基本参数

（1）实际条件

①塔顶冷凝气相产品量：

6×104t/a；

②气体中乙醇浓度：

95%（重）；

③冷凝器操作压力：

常压；

④冷却介质：

水（P=294.3kPa;进口温度30℃，出口温度40℃。

（2）基本数据

①一年以365d计，除去检修30d，生产时间为335d；

②冷却水定性温度按进出口平均值计算，其密度、粘度、比热、导热系数等从有关参考文献查阅；

③塔顶蒸汽冷凝潜热、密度、泡点、冷凝后液体密度等从有关参考文献查阅；

④冷凝器操作压力常压和冷却水压力294.3kPa均为表压；

⑤冷凝蒸汽一侧污垢热阻设为零。

3.设计任务

设计一台冷凝器，将精馏塔顶乙醇-水气相产品全部冷凝。

课程设计工作要求冷凝器设计计算、初选冷凝器并进行核算、冷凝器结构设计及说明，撰写设计说明书，绘制冷凝器装配图。

（1）设计计算书、说明书

①设计任务；

②设计资料；

③初选冷凝器并进行核算；

④冷凝器结构设计及说明

⑤设计说明书后附结论和建议、参考文献、致谢。

（2）设计图纸

精馏塔流程图以及塔顶乙醇-水气相产品冷凝器装配图各一张。

4.设计说明书内容

①目录

②概述

③工艺方案

④操作条件及基本数据

⑤设计计算（初选结构、传热计算及核算）

⑥冷凝器结构设计及说明

⑦设计小结

⑧参考文献

⑨附图

5.计划进度

发题时间年月日

指导教师布置设计任务、熟悉设计要求1天

准备工作、收集资料及方案比选1天

设计计算3天

整理数据、编写说明书2天

绘制图纸2天

质疑或答辩1天

指导教师：

；教研室主任：

；

二、工艺原理

冷凝是在一定外压下，将气体或气体混合物的温度降至其平均沸点以下使之变为液体的过程。

将气体全部冷凝成液体的设备称为全凝器；如果根据混合物各组分之间沸点不同而部分冷凝，则称为分凝器。

当采用冷却剂将气体温度逐渐降低达到其中某一气体沸点以下时，该气体即变为液体，而另外的气体仍然呈气态，从而可分离气体混合物。

三、设计方案的比较和确定

1.方案确定的原则

确定设计方案，总的原则是在考虑可行性、经济性、安全性等的基础上，尽量采用技术上最先进、经济上最合理、生产中可行的设备，符合优质、高产、安全、低消耗原则。

（1）方案的可行性

①设计方案应充分考虑符合国情和因地制宜原则，设备结构不应超出一般机械加工能力。

②满足工艺和操作的要求。

即所设计出来的设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定。

其次，所定的设计方案需要有一定的操作弹性，流量应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。

（2）方案的经济性

①应对市场情况作适当的综合分析，估计产品目前和将来的市场需求。

②设计应符合能量充分有效合理利用和节能原则，符合经常生产费用和设备投资费用的综合核算最经济原则。

（3）方案的安全性

对易燃、易爆、有腐蚀性的物料，在设计时应格外注意，都应采用相应的设备与操作参数以确保安全。

（4）方案的可靠性和稳定性

现代化生产应优先考虑运行的安全可靠和操作的稳定易控这一原则。

不得采用缺乏可靠性的不成熟技术和设备，不得采用难以控制或难以保证安全生产的技术和设备。

2.冷凝器性能比较

冷凝器按其冷却介质不同，可分为水冷式、空气冷却式、蒸发式3大类。

这里只介绍水冷式冷凝器。

水冷式冷凝器是以水作为冷却介质，靠水的温升带走冷凝热量。

冷却水一般循环使用，但系统中需设有冷却塔或凉水池。

水冷式冷凝器按其结构形式又可分为壳管式冷凝器和套管式冷凝器两种，常见的是壳管式冷凝器。

（1）立式壳管式冷凝器立式冷凝器有以下几个特点

①由于冷却流量大、流速高，故传热系数较高，一般K=600～700kcal/（m2.h.K）。

②垂直安装占地面积小，且可以安装在室外。

③冷却水直通流动且流速大，故对水质要求不高，一般水源都可以作为冷却水。

④管内水垢易清除，且不必停止制冷系统工作。

⑤但因立式冷凝器中的冷却水温升一般只有2～4℃，对数平均温差一般在5～6℃左右，故耗水量较大。

且由于设备置于空气中，管子易被腐蚀，泄露时容易被发现。

（2）卧式壳管式冷凝器

它与立式冷凝器有相类似的壳体结构，主要区别在于壳体的水平安放和水的多路流动。

卧式冷凝器不仅广泛地用于氨制冷系统，也可以用于氟利昂制冷系统，但其结构略

有不同。

卧式冷凝器传热系数较高，不易积气，检修和安装方便，但占地面积大，为减薄液膜厚度，安装时应有1/100左右坡度，或将管束斜转一个角度。

综上所述，本次乙醇-水蒸馏塔塔顶产品冷凝器的设计中，采用的就是卧式管壳式冷凝器。

四、处理单元的设计计算

1.冷凝器选型

（1）初选结构

设计原始数据

项目及数据备注

冷却水进口温度t1=30℃

冷却水出口温度t2=40℃表中压力均为表压

冷却水工作压力P2=294.3kPa

饱和蒸汽冷凝操作压力P1=101.3kPa

冷凝蒸汽乙醇质量含量含乙醇95%

乙醇蒸汽物性参数

符号计算项目单位数值备注

y摩尔分数88.14%依公式计算

ts冷凝蒸汽的泡点℃78.2查物性表

ρ2冷凝液体密度kg/m3804.52查物性表

G1冷凝蒸汽的流量kg/s2.073依公式计算

r1蒸汽的汽化潜热kJ/kg946.75查物性表

ρ1蒸汽的密度kg/m31.5查物性表

②水

计算过程:

定性温度：

tn=（t1+t2）/2=（30+40）/2=35℃

普兰特数：

Pr=CP2μ2/λ2=4.174×103×0.7274×10-3/0.626=4.82

冷却水物性表见下表

水的物性参数表

符号计算项目单位数值来源备注

tn水的定性温度℃35（t1+t2）/2温差不大

ρ2水的密度kg/m3994查物性表

CP2水的比热kJ/（kg.℃）4.174查物性表定压比热

λ2水的导热系数W/（m.℃）0.626查物性表

μ2水的粘度Pa.s727.4×10-6查物性表

Pr2水的普兰特数4.82查物性表或计算

2.设K0初选冷凝器

①在进行换热器的计算时，需先估计冷、热流体的传热系数，工业换热器中传热系数的大致范围如下表所示。

管壳式换热器的K值大致范围

进行换热的流体K（W/（m2.℃））

由气体到气体12～35

由水到水800～1800

由冷凝蒸汽到水29～4700

由冷凝蒸汽到油60～350

由冷凝蒸汽到沸腾油290～870

由有机溶剂到轻油120～400

由上表可见，一般管壳式冷凝器的传热系数K范围为290～4700W/（m2.℃）。

故可初设K0=650W/（m2.℃），

公式：

Q0=K0A0′Δtm→A0′=Q0/K0Δtm

故初步设计其传热面积

A0′=Q0/K0Δtm=1.963×106/（650×43.01）=70.2（m2）

②选用Φ25mm×2.5mm碳钢管，设冷却水流速u2=0.8m/s。

单程管数：

Nt′=G2/（u2πd22ρ2/4）

=47.02/（0.8×0.785×0.022×994）=188（根）

单程管长：

L′=A0′/Nt′πd1=70.2/（188×3.14×0.025）=4.76（m）

选定换热管长：

L=6m，

则管程数NP′为：

NP′=L′/L=4.76/6=0.79

取NP′=1，则总管数Nt=NP′×Nt′=188（根）

③初选冷凝器

根据A0′=70.2m2，NP′=1，查列管式固定管板换热器的基本参数，直径500mm的标准规格中管根数只有174根，因此使用后水流速比0.8m/s大，这正是所希望的。

初步选择

的冷凝器型号为G500-1-25-80列管换热器，其具体参数如下。

公称直径：

Dg=500mm;

公称传热面积：

S=80m2；

管数：

Nt=174（根）；

管子规格：

Φ25mm×2.5mm;

公称压力：

Pg=2.5×106Pa;

管程数：

NP=1;

管长：

L=6m;

管心距：

a=32mm;

管内径：

d1=20mm;

管子外径：

d2=25mm；

管子壁厚：

b=2.5mm；

管子的排列方式：

正三角形排列；

管子的平均直径：

dm=（d1-d2）/ln（d1/d2）=22.4mm;

④计算换热器的外表面积：

A1=πd2NtL=3.14×0.025×174×6=82（m2）

3.传热计算

（1）管程换热系数α2

①管程流通截面积A2：

查表可得A2=d22Ntπ/4=0.0202×174×3.14/4=0.0546（m2）

管程流速

u2=G2/（ρ2A2）=47.02/（994×0.0546）=0.866（m/s）

冷却水水速一般不低于0.8m/s，易结垢河水管程流速应大于1m/s，这样冲刷加强且不易结垢，但因为控制热阻在冷凝蒸汽侧，水速稍低是允许的。

②管程雷诺数Re2

Re2=d2ρ2u2/μ2=0.02×994×0.866/727.4×10-6=2.37×104

所以，冷却水为湍流。

③管程换热系数α2

当流体被加热时，n=0.4

α2=0.023Re20.8Pr20.4λ2/d1

=0.023×（2.37×104）0.8×（4.847）0.4×0.626/0.02

=0.023×3160.81×1.88×0.626/0.02

=4277.9[W/（m2.℃）]

（2）壳程传热系数α1

设壳程蒸汽为层流

α1=1.13[r1ρ12gλ13]/[μ1LΔt]1/4

=1.13[946.75×103×804.52×9.81×0.1773]/[0.54×10-3×6×（78.2-58）]1/4=955.7[W/（m2.℃）]

检验：

Re1=4α1LΔt/r1μ1

=4×955.7×6×（78.2-58）/（946.75×103×0.54×10-3）

=906.26＜2000,故假设层流正确α1=955.7[W/（m2.℃）]

（3）污垢热阻与传导热阻

①冷凝蒸汽热阻：

查表知乙醇蒸汽的污垢热阻为0，R1=0

②传导热阻：

查表得到金属材料钢的平均导热系数

λ=45[W/（m.℃）]

以换热管的外表面积为基准的传导热阻为：

Rm=（b/λ）（d1/dm）=（0.0025/45）（0.025/0.0225）

=0.000062[（m2.℃）/W]

③水的污垢热阻

本设计冷却剂选用的河水是一般河水，由参考文献可知，当热流体温度≤115℃，水温≤50℃，水速≤1m/s，其结垢热阻R2为主要热阻，属于控制热阻。

因此，如果直接用一般河水来做冷却介质，则会大大影响传热系数K值大小，使传热效率大大降低。

可设计一方案来澄清河水，使其污垢热阻减小。

通过文献查阅，查得洁净河水的结垢热阻在同一条件下为

R2=0.21×10-3[（m2.℃）/W]，这样主要热阻则集中在冷凝蒸汽侧，与设想相符。

（4）传热校核

①计算总传热系数K0

K0=1/（1/α1+R1+δd1/λdm+R2d1/d2+d1/α2d2）

K0=1/[1/954.6+0+0.000062+0.21×10-325/20+25/（4205.8×20）]

=599.1≈600[（m2.℃）/W]

②校核tw

tw=T-K0Δtm/α1=78.2-600×43.01/955.7=51.2℃

与假设值58℃相比差6.8℃，认为计算合理。

（5）冷凝传热面积校核

所需传热面积：

A=Q/（K0Δtm）=1.963×106/（599.1×43.01）

=76.2（m2）

安全系数为A1/A=82/76.2=1.07，此值在1.05～1.30之间

，表示所选冷凝器符合要求。

（6）管束与壳温差的计算

根据对流传热速率可得：

Q0=α2A（tw′-tm）

所以有：

tw′=Q0/α2A+tm

=1.963×106/（4205.8×76.2）+68=6.13+68=74.13℃

则管束的平均温度为

tmg=（tw′+tw）/2=（74.13+58）/2=66.07℃

所以壳体与管束的平均温差为：

Δt=ts-tmg=78.2-66.07=12.13℃＜50℃

上述计算表明，所选型号的冷凝器符合工艺要求。

4.压降计算

实际流体在流动过程中因克服内摩擦而消耗机械能，流体通过的直管时产生的压力降是阻力损失的直观表现。

同时，通过弯管、阀门等局部阻力也会引起机械能损耗。

计算压降，是要以此来选择泵、鼓风机等动力装置，以此为基础来选择高位槽以及评价能量损耗问题。

压降是有一定范围的，如果压降太大，泵功率消耗则会增加。

而且流体对传热面的冲蚀加剧等不利影响致使必须选择合理的压降。

管壳式换热器压力降允许范围见下表。

管壳式换热器允许压力降范围

工艺物流的压力/Pa允许压力降/Pa

＜9.8×1049.8×103

（9.8～16.7）×1043.9×103～3.3×104

＞16.7×104≥3.3×104

由上面数据可知，低压运行的合理压降ΔP为9.8×103，设计中应尽量减小管路系统中的各种局部流阻，使有条件提高器内流速，从而降低换热器造价。

（1）管程压降计算

管程总阻力损失Hft应是各程直管损失hf1与每程回弯阻力hf2和进出口等局部损失hf3之和，与hf2和hf1相比，hf3可忽略不计，则管程损失公式为：

Hft=（hf1+hf2）ftNp

式中，ft为管程结垢后的矫正系数，三角形排列为1.5，正方形排列为1.4。

Np—管程数。

压降计算公式：

ΔP1=（λL/d+3）ftNpρui2/2

（2）求λ水的Re=ρ2d2u2/μ2=23230＞4000,湍流；取碳钢粗糙度ε=0.15mm，则

ε/d2=0.15/20=0.0075

查摩狄图可得：

λ=0.038。

则ΔP1=（λL/d+3）ftNpρui2/2

=（0.038×6/0.02+3）1.5×1×994×0.852/2

=7756.2（Pa）

（3）壳程压降计算

蒸汽冷凝壳程压降很小，可不进行压降核算，可忽略。

5.结构设计

传热计算与冷凝器选型以后的工作就是零部件的设计与选用。

一般来说，零部件都是按国家标准制定的，我们必须有合理的依据才能选用到科学、合理的部件，使换热完全发挥其作用，所以，结构设计仍是较为重要的部分内容。

（1）冷凝器的安装与组合

①卧式冷凝器传热系数较高，不易积气，检修和安装方便，但占地面积大。

为减薄液膜厚度，安装时应有1/100左右坡度，或将管束斜转一个角度α，角度按下式估算：

α=30°-sin-1（d0/2A）

式中d0—为管子外径；A—为管心距。

这样，上层积累的冷凝液仅包住下层管周1/4左右，当管子上下层数很多时，也可考虑水平分隔，以引出上层凝液。

②随着蒸汽的冷凝，其通道截面积可逐渐缩小，以保持必要的气速，并改善分布，消除死角，蒸汽中混有不凝气时，这一措施的效果更为显著。

③冷凝器设计中，组合方式有单台大型、多台并联、多台串联等基本形式，我们只有一台单型。

④由传热计算可知，传热系数K的主要矛盾在冷凝侧，我们可限制冷凝负荷，达到提高K的目的。

当液膜处于湍流状态时，此时冷凝侧的α1是随蒸汽冷凝负荷的增大而增大的，但此时冷凝侧的α1值本来就大，不是主要热阻，因而也无必要将蒸汽冷凝负荷提得很高。

我们不用折流档板是因为壳程一侧走的蒸汽，它的湍流程度与它的α1提高并无很大关系，而且我们已设置了10%的面积余量，可不必再设折流挡板。

壳程的α1只与管外壁的液膜有关，即与液膜的厚度、湍流有关。

在通入蒸汽前必须有一排气管先排放出空气

和一些不凝气体，冷凝过程中要关闭并防止泄露。

（2）管设计传热管的形状、尺寸和布置对换热器性能和经济影响很大，管子设计内容包括管形、管径、管长、管束排列方式及管材等。

①管子外形有光管、翅片管或螺纹管两类常见形式，一般情况应尽量采用光管，以求经济易得和安装、检修、清洗方便。

②管径的标准尺寸：

我国列管式换热器标准中无缝钢管规格有（外径×壁厚）Φ19×2mm、Φ25×2.5mm、Φ38×2.5mm、Φ57×2.5mm等，我们采用的管径为Φ25×2.5mm。

小管径能强化传热，且单位体积传热面积大，结构紧凑，金属耗量少，传热系数高。

但管径太小流阻大，且不易清洗，易结垢阻塞，所以不选太小的管径。

③管子的长度应以经济和稳定性两方面为依据，在壳程500mm以下的管长有3m、4.5m、6m，本设计选用的6m的金属耗量要少，而传热面积也大。

④管子在管板上排列方式，应力求均布、紧凑，并考虑清扫和整体结构的要求。

我们选用最常用的等边三角形式，其一边与流向垂直，在水平管稍微倾斜的情况下，管子以正三角形错列，管外的冷凝液将下面的管子润湿的机会就变少，这样可保持较高的传热系数，并且正三角形排列法在一定的管板面积上可以配置较多的管子数，且由于管子间的距离都相等，在管板加工时便于划线与钻孔。

我们所设计的管子数为174根，层数大于6，则其最外层管子和壳体之间弓形部分也应配置上附加的管子，这样不但可以增加排列管数，增大传热面积，而且清除了管外

空间这部分不利于传热的地方。

（3）管间距的设计

①管子在管板上的固定管子在管板上的固定方法，必须保证管子和管板连接牢固，不会在连接处产生泄露，否则将会给操作带来严重的故障。

目前广泛采用的连接方法有膨胀和焊接两种。

②胀接利用胀管器挤压伸入管板孔的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，当取去胀管器后，管板弹性收缩，管板与管子之间就产生一定的挤紧压

力，紧紧地贴在一起，达到密封固紧连接的目的。

③焊接当温度高于300℃或压力高于40kgf/cm2时，一般采用焊接法。

④管心距管心距就是指管板上两管子中心的距离。

管心距的决定要考虑管板的强度和清洗管子外表面时所需的空隙，它与管子在管板上的固定方法有关。

当管子采用焊接方法固定时，相邻两根管的焊缝太近，就会互相受到影响，使焊接质量不易保证，而采用胀接法固定时，过小的管心距会造成管板在胀接法时由于在挤压力的作用下发生变形，失去了管子与管板之间的连接力，因此管心距必须有一定的数值范围。

根据生产实践经验，最小的管心距Smin一般采用以下数据：

焊接法：

Smin=1.25d0。

胀接法：

Smin≥1.25d0。

式中d0为管子外径。

但管心距S最小不能小于（d0+6）mm，对于直径小的管子，S/d0的数据应大些。

最外层列管中心至壳体内表面的距离不应小于（1/2d0+10）mm。

本设计采用胀接法，管心距取32mm。

（4）管板设计

①管板的作用是固定作为传热面的管束，并作为换热器两端的间壁将管程和壳程流体分隔开来。

管板上的孔数、孔径、孔间距、开孔方式及管子的连接方式等都要与管子设计一并决定。

②管板直径与壳体直径应一致，管板厚度与材料强度、介质压力、温差和压差以及管子和外壳的固定方式和受力状况因素有关。

对于连接管板最小厚度，此时管板厚度b=3/4d，可查有关文献。

③固定管板式的管板与壳体的连接采用不可拆式，两端管板直接焊在外壳上并伸出壳体圆圈之外兼作法兰。

拆下顶盖可检修接口或清扫管内。

④管板厚度取40mm。

⑤管程数的确定NP′=L′/L=4.75/6=0.79所以取管程数NP=1；

（5）壳体的厚度计算壳体的内径为500mm，一般用钢板卷制。

外壳厚度可用有关公式计算，也可直接查阅参考文献选取。

公称直径：

Dg=500mm,厚度：

10mm。

1m高筒节钢板质量：

125kg。

由此来选支撑板和支座。

（6）封头设计管箱封头有平板形、椭圆形、蝶形等型式，换热器以前两种型式居多。

椭圆形力学性能好，所需壁厚小，受力状况仅次于球形封头，且有专用模具冲压，加工简单，所以选用国家标准的椭圆形封头。

封头公称直径以内径为500mm，其厚度与壳体一致为10mm，由参考文献查得，直边高度h2=40mm,质量G=27.1kg，曲面高度h1=125mm。

封头选用：

Dg=500×10（标准JB1154—73）

（7）进出口管径设计

①进出口管径设计水的流速为0.85m/s，这是指管程内部，水在泵出口或管路中的流速范围为1.5～3m/s，取管内流速为2.68m/s，已知ρ水、冷凝水流量G2，则管路截面积A3：

A3=G2/ρ水u水=47.02/（994×2.68）=0.0177m2。

由于S=πd02/4,所以d0=150mm,d0为内径。

可查参考文献，选用的无缝钢管Dg=150mm,其外径dH=159mm,壁厚为4.5mm。

②管方位设计实践证明，表面水平布置的进、出口管不利于管程流体的均匀分布，使部分传热管不能很好地发挥作用，甚至因流速太低而被堵塞，进、出口管布置在换热器底部和顶部使流体向上流动，比布置在两侧水平流动为佳，故设置在封头的相对位置。

进、出口管方位示意图见下图。

（8）壳程进出口管设计

①出口管径（冷凝液）流速在1.5～3m/s的范围内，选用Dg=40mm，外径为45mm的管子，已知冷凝液流量为2.073kg/s，u=G1/（ρ2×πd02/4）=2.073/（804.52×π0.0382/4）=2.27m/s。

管壁厚3.5mm，内径d0=45-2×3.5=38mm。

则此标准管子可选用Φ40mm×3.5mm。

②蒸汽入口管径的设计蒸汽质量流量仍为2.073kg/s，其密度为1.5kg/m3，要使其流速在规定的20～30m/s范围内，由参考文献知，圆筒开孔最大直径d≤0.5D，当Di=520mm时，最大开孔外径为260mm，查标准管径系列表，只能选dH=245mm，厚度=7mm，内d0=231mm，故核算流速如下：

U=G1/（ρ1πd02/4）=2.073/（1.5×3.14×0.2312/4）=33m/s

此流速过大，可设计如下方案，即选取两个入口管，从壳体上侧入口，这样，质量流量减半，管径可变小。

选用标准钢管Φ219mm×6mm。

流速核算：

d0=dH-2S=219-2×6=207mm

U=0.5G1/（ρ1πd02/4）=0.5×2.073/（1.5×3.14×0.2072/4）=20.5m/s

流速符合要求，但因管径外径较大，还需考虑补强问题，由参考文献知，可选用国家标准来补强。

③蒸汽管方位设计我们设计的是冷凝器，其蒸气与冷却水的顺、逆流无区别，故蒸气可以从筒壳体上部两管进入，然后冷凝液从下部低面流出，总体来说保证逆流形式，相对错流。

（9）法兰选用标准法兰，其公称直径与管子公称直径一致。

由参考文献可查得蒸气介质易燃，其接管法兰选用甲型平焊法兰：

Y2.5-200和Y2.5-40。

冷却水压力为294.3kPa，压力较高，选用Y6-150。

（10）支座化工设备上的支座是支持设备重量和固定设备位置用的一种不可或缺的部件，在某些场合下，支座还可以承受设备操作时的振动、地震载荷、风雪载荷等。

支座的结构形式和尺寸往往决定于设备的形式、载荷情况及构造材料。

最常用的有悬挂式支座、支撑式支座和鞍式支座。

此次设计的换热器为卧式设备，常用鞍式支座支撑，且采用双支座，一个Ⅰ型，一个Ⅱ型。

JB-1167-81，Dg500-BⅠM-3001个

JB-1167-81，Dg500-BⅡM-3001个

（11）其他均可根据容器设计规范取用或计算，一般均采用国家标准。

6.工艺流程与设备图

（1）工艺流程图工艺流程图参见课程设计的图纸要求。

流程图