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酒精精餾換熱器課程設計-在線瀏覽

2024-07-31 19:24本頁面
  

【正文】 換熱器管程由換熱管、管板、封頭 。常用管徑和壁厚有¢ 19 2,¢ 25 等;管長有 1500mm、 2021mm 和 3000mm;材料有普碳鋼或不銹鋼等。這次用到的換熱器的壓力不大,換熱器中流體沒有腐蝕性,所以選擇ф 25 mm 碳鋼管。 換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正三角形排列、同心圓排列,正三角形排列比較緊湊,管板利用率高,管外流體湍動程度高,對流傳熱系數(shù)大,但管外清洗較 困難;正方形排列便于機械清洗;同心圓排列用于小殼徑換熱器,外圓管布管均勻,結構更為緊湊。我國換熱器系列中,固定管板式多采用正三角形排列;浮頭式則以正方形錯列排列居多,也有正三角形排列。 管子與管板及其連接方式的選擇 管板的作用是將受熱管束連接在一起,并將管程和殼程的流體分隔開。厚度計算應根據(jù)我國“鋼制壓力容器設計規(guī)定”進行,一般采用 20到 30 個毫米的。焊接法應用廣泛,這次用到的換熱器內流體溫度不高,壓力不大,所以選擇焊接的方式連接管子和管板。用以分配液體和起封頭的作用。檢修時可拆下管箱對管子進行清洗或更換。 換熱體的確定 根據(jù)管間壓力、直徑大小和溫差力決定它的壁厚;由介質的腐蝕情況決定它的材質。根據(jù)工作溫度選擇殼體材料,有防腐要求時,大多考慮使用復合金屬板。同時它還起支撐管束的作用。 流體流動空間的選擇 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 8 在列管式換熱器的設計計算過程 中,需要預先確定哪一種流體走管程,那種流體走殼程,成為流體流動空間的選擇。將兩流體中熱阻較大的一方安排在殼程,可提高對流傳熱系數(shù),強化傳熱。 設備結構 高壓的流體、腐蝕性的流體宜在管內流過。飽和蒸汽一般通入殼程以便于及時排除冷凝液,且蒸汽較潔凈,殼程可不必清洗。但是流速增加,又使流體阻力增大,動力消耗就增多 ,操作費用增加 。 下表列出工業(yè)一般采用的流體流速范圍。反之,若選用較低的冷水出口溫度,冷水量增加,而傳熱面積可減少。一般來說,設計時所采取的冷卻水進出口溫度差應不低于 5℃,對于缺水地區(qū),應選用較大的溫度差。 管程和殼程數(shù)的確定 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 9 當換熱器的換熱面積較大而管子又不能很長時,就得排列較多的管子,為了提高流體在管內的流速,需將管束分程。管殼式換熱器系列標準中管程數(shù)有 6 四種。 管程數(shù) N按下式計算: N=u/v 式中 u—— 管程內流體的適宜流速; V—— 管程內流體的實際流速。 選用換熱器 熱負荷的計算,冷卻介質用量的計算或加熱介質用量的計算; 平均溫度差的計算,當兩側流體均為變溫傳熱時,應進行溫度差的校正; 流動空間的選擇; 初估總傳熱系數(shù),計算換熱面積,初選換熱器。比較 K計 和 K 選 ,若 K 計 /K 選 =,則初選的設備合格。 計算管、殼程壓強降 計算出設備的管、殼程流體的壓強降,如超過工藝允許的范圍,要調整流速,再確定管程數(shù),或選擇另一規(guī)格的換熱器,重新計算壓強降直至滿足要求為止。接管尺寸由管內流體的體積流量和流速決定。 傳熱計算的主要公式 傳熱速率方程式及相關計算公式 Q=KSΔt m 式中 Q—— 傳熱速率 (即熱負荷 ), W; K—— 總傳熱系數(shù), W/ (m2. ℃) ; S—— 與 K值對應的換熱器傳熱面積, m2; Δt m—— 平均溫度差, ℃ 。℃ ); T —— 熱流體的溫度, ℃ ; t—— 冷流體的溫度, ℃ ; r—— 飽和蒸氣的冷凝潛熱, kJ/ kg。 2 .平均溫度差Δ tm 一側恒溫 ,逆流與并流的平均溫差相等 兩側變溫,平均溫差用逆流平均溫差校正 T?? 溫差校正系數(shù), ? ?RPfT ,??? ,其中 2112 TT ttP ??? 1221 tt TTR ??? 3. 總 傳熱系數(shù) K 初選換熱器時,應根據(jù)所要設計的換熱器的具體操作物流選取 K 的經(jīng)驗數(shù)值,選定的 K 的經(jīng)驗值為 K 選?!?); Rso、 Rsi— 一分別為管外側及管內側表面上的污垢熱阻, (m2.℃ )/ w?!?)。 s; ? 、 Cp—— 分別為流體的導熱系數(shù)和比熱容 ,w/(m u—— 管內流速. m/ s; d—— 列管內徑, m。 (2)蒸汽在水平管束上冷凝時的冷凝傳熱系數(shù) 若蒸汽在水平管束上冷凝,用下式計算冷凝傳熱系數(shù): 413232 )(tdngrhoco ??? ? ?? 式中: ? — 冷凝液的導熱系數(shù), w/ (m; μ —— 冷凝液的粘度, Pa ? ?0 d L n??? 實際傳熱面積應該比所需傳熱面積大一些,稱為面積裕度,一般面積裕度控制在10%30%比較合適。 ( 1)管程壓力降 ? ? psti NNFPPP 21 ?????? 221udLP????? ?? ?????????? 2 22 uP ?? ???1P 直管中因摩擦阻力引起的壓力降 Pa ; ???2P 回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降 Pa; ??tF 結垢校正系數(shù),無因次,φ 25 的換熱管取 ;φ 19 2mm 的換熱管取 ; ??SN 串聯(lián)的殼程數(shù); ??pN 管程數(shù)。239。1P 流體橫過管束的壓力降 Pa ; ??? 39。 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 15 第 3 章 設計的工藝計算 全塔的物料衡算 根據(jù)設計要 求可知:塔頂產(chǎn)品乙醇的質量 D= 萬噸,乙醇的質量分數(shù) XD=,精餾原料粗乙醇的質量分數(shù) XF=,塔底殘液乙醇的質量分數(shù) XW= 830024 7 ????D 由WDF XWXDXFWDF += += 求得: F= hkg W= hkg 回流比: R=2 所以 V=L+D=3D=3 3375= hkg 原料預熱器的設計 確定設計方案 1.選擇換熱器的類型 換熱器中兩流體溫度差不大,殼程壓力較小,故可選擇固定管板式換熱器。由于蒸汽比較干凈不易結垢,所以蒸汽走殼程以便于及時排除冷凝液,原料液中可能含有雜質、易結垢,而粘度大、流量較小的原料液中的水為易結垢液體, 所以原料液走管程便于清洗管子,此外還可以提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)。因此,為使原料液出口溫度達到泡點,令蒸汽走殼程,原料液走管程。 根據(jù)定性溫度分別 查取的物性參數(shù)如下: 表 1 預熱器內原料物性參數(shù) 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 16 名 稱 密度ρ Kg/m3 定壓比熱 Cp kJ/(Kg℃ ) 粘度μ Pa℃ ) 傳熱面積 S: 23m111 ?? ???? K QS (5)初選換熱器型號 由于兩流體溫差大于 50℃,小于 70℃,可選用帶有補償圈的固定管板式換熱器。 22 mS ? ?? 22 1 9 (WK℃) 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 19 其中 ? , 1?SN , 4PN? , 3?? 管程流速 00 99u i ?????? AM S? 雷諾數(shù) 37 270 3iiii ?? ?????? ? ?R10000(湍流 ) 對于碳鋼管 ,取管壁粗糙度ε =,所以 01 i ??? 由《 食品工程 原理》書的λ Re關系圖中可查得 λ =。 因管子排列方式為正三角形,所以 F=。 r 為水在 120℃下的汽化熱。 (1)管程流體進出口接管的選擇 根據(jù)液體一般在管中的流速大小,選擇原料液進出接管的流速為 ? ,則接管內徑為 00 994u4d1???? ??? ? SV 根據(jù)《化工原理教材上冊》附錄 375 頁的熱軋無縫鋼管的標準規(guī)格選擇規(guī)格為φ 68mm ,di=63mm= 核算流速 2 ???? ?? 故選擇的接管規(guī)格合適。 ( 3)殼程流體出口接管的選擇 根據(jù)液體一般在管中的流速大小,選擇冷凝液流出接管時的流速為 sm1u? ,則接管內徑為 26m ????? 根據(jù)《化工原理教材上冊》附錄 358 頁的冷軋無縫鋼管的標準規(guī)格選擇規(guī)格為φ 13mm , di== 核算流速 2 ??? ?? 故選擇的接管規(guī)格合適 殼程流體進口接管選擇規(guī)格為φ 325mm14mm 的熱軋無縫鋼管 殼程流體出口接管選擇規(guī)格為φ 13mm 的冷軋無縫鋼管 塔底冷卻器的設計 確定設計方案 1.選擇換熱器的類型 冷卻器是把 ℃的含乙醇 %的釜底液冷卻儲存,熱流體的進口溫度是℃,熱流體的出口溫度是 35℃ ,為了節(jié)約熱量選擇用原料液來冷卻釜底液體 .冷流體的進口溫度是 15℃ ,出口溫度 25℃。所以原料液走管程,釜底液走殼程。 根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù) 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 23 蒸汽 T ℃ → 35℃ 原料液 t 25℃ ← 15℃ △ t ℃ 20℃ 熱流體的定性溫度為 15 ℃.672 ???T。 根據(jù)定性溫度分別查取的物性參數(shù)如下: 表 3 塔底冷卻器原料物性參數(shù) 名稱 密度ρ Kg/m3 定壓比熱 Cp kJ/(Kg℃ ) 粘度μ Pa 22ii1PLP ????????? ?? u( 22i2 PP ??????? )?? ) ssp21iPFNNPPP???????????????)(( 22 ? 22 1060 /()KWm ??℃ iu s? ie 38518R ? λ = i 327 aPP?? 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 26 離心泵的選型與計算 設計任務要求離心泵用于原料液的輸送,是原料泵,根據(jù)流 程圖,該離心泵需要完成從儲罐輸送原料液流經(jīng)塔底冷卻器管程、 100m 長的直管管路、管路中各部件(包括 2 個截止閥、 1個調節(jié)閥、 5個標準彎頭)、預熱器管程,再到精餾塔進料口?!?) 導熱系數(shù) λ W/(m s 汽化熱 r kJ/kg 原料液( ℃) 869 104 水 (120℃ ) 104 水蒸汽 (120℃ ) 105 則: smFQ / 00 99 33????? ? 離心泵的選型 ⑴體積流量 smFQ / 00 99 33????? ? ⑵設計輸送高度(儲罐液面與精餾塔進料口高度差)為 Z1=20m,根據(jù)預熱器接管的計算,已知輸送管道為令儲罐液面保持恒定,并且設計儲罐液 面上方維持常壓并以此為基準面,設液面絕對壓力為 ,設計精餾塔進料口處的塔內絕對壓力為. ( 3) 泵的選擇 選取儲液槽上方液面為 11’ ,進料口為 22’ ,列伯努利方程: ???? e1211 pg2 HpguZ ??? pg2 2222 pguZ f∑ H 01?Z mZ 202 ? 0u2? 因為蒸汽正殼程故: 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 27 31 2Q 10u m / sA ??? ? ??π 1p ? 2p ? 2221 21e1 u u p p= Z + + +2 g g fHH?? ? ⑷阻力壓頭損失的計算 直管阻力壓頭損失的計算 ie 4du 0 . 0 6 3 0 . 9 8 8 6 9R 1 1 7 4 0 14 . 5 7 1 0?? ???? ? ??10000 湍流 取碳鋼管的粗糙度為 =? ,則 i ??? 由 Re? 圖,查得 λ = 直管長 L=100m,則 直管壓降122f i u 1 0 0 0 . 9 8= = 0 . 0 5 4 = 2 1 . 1 5 md 2 g 0 . 0 1 2 5 2 9 .8 1LH ? ?? ?? 直管管 路中各部件包括 2個截止閥、 1個調節(jié)閥、 5 個標準彎頭: 截止閥: e=2 15=30mL ? 調節(jié)閥(全開): =6? 標準彎頭: 5 ? ? ? 出口阻力系數(shù): =1? 進口阻力系數(shù): =? 共有進口 4個,出口 3 個 所以局部阻力壓降為 2222f=2 30 54 6 4 3 1 63 2 1lu
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