化工原理设计换热器设计计算

化工单元操作与单元设备设计任务书

任务书之十一

拟采用常压筛板(浮阀)塔分离苯-甲苯混合液。已知原料流量为4000kg/h，原料含苯组成30%（摩尔百分数，下同），精馏分离使塔顶产品苯含量不低于97%，塔底产品甲苯含量不低于98%；沸点进料，沸点回流，操作回流比可取2.0；要求产品进入贮罐的温度不低于50℃，原料贮罐贮料、产品贮罐要满足八小时生产任务。设计任务：

• 1.画出流程方框图和带控制点工艺流程图

• 2.做分离全过程做物料衡算与热量衡算

• 3. 做换热器设计与精馏塔设计

（1）换热器设计——塔底产品冷却器设计

上述精馏生产过程中，需要将塔底产品从80℃冷却至45℃，要求换热器的管程和壳程压降不大于10kpa，试选用合适的换热器。

（2）精馏塔（筛板或浮阀）设计

完成上述分离任务所需的精馏塔相关设计。

原始数据：精馏塔塔顶压强：4 kpa（表压），单板压降不超过0.7kPa，冷却循环水温度：25℃，饱和水蒸汽压力：0.25Mpa(表压)，设备型式：筛板(浮阀)塔，建厂地区压力：1atm

组长：

叶敏萍060

组员：

张光华030 贾国柱011 薛进军059 陈科云006 邢祥龙057

【设计方案】

【一】、选择换热器的类型 （1）、两流体的温度变化情况： 热流体进口的温度80℃ 出口的温度45℃ 冷流体的进口温度25℃ 出口温度35℃

（注）、该换热器用凉水塔水冷却，初步确定选用带有膨胀节的固定板式换热器。 （2）、流动空间及流速的确定：

由于利用凉水塔水冷却，而易结垢，为方便清洗，应使水走管程，甲苯走壳程。选用φ25㎜*2.5㎜的碳钢管，管内流速为Ui=0.5m/s 。 【二】、确定物性参数

（1）、平均温度差

（2）、定性温度

T=﹙T1+T2﹚／2=﹙80+45﹚÷2=62.5℃ ; t=﹙t1+t2﹚／2=﹙35+25﹚÷2=30℃ 平均温差

Δt1=﹙80-35)=45℃ ;Δt2=﹙45-25﹚=20℃ Δt1/Δt2=45/20=2.25 Δt1/Δt2＞2

Δt ´m=﹙Δt1-Δt2﹚／㏑﹙Δt1÷Δt2﹚ =(45—20) ÷ln(45÷20)=30.83℃

有关的物性参数数据如下：

【三】、计算产品物料的总传热系数

1、精馏塔的产品物料衡算：

①、苯：M苯=78.11kg/kmol ;M甲苯=92.13kg/kmol

产品摩尔百分数： X F=0.3 ;X D＝0.97 ;X W=0.02

②、原料液及精馏塔顶、塔底的产品的平均摩尔质量：

M F=X F*M甲+(1-X F)* M甲苯=0.3×78.11＋﹙1－0.3﹚×92.13＝87.924㎏／kmol M D=X D*M甲+(1-X D)* M甲苯=0.97×78.11＋﹙1－0.97﹚×92.13＝78.53㎏／kmol M W=X W*M甲+(1-X W)* M甲苯=0.02×78.11＋﹙1－0.02﹚×92.13＝91.85㎏／kmol

2、物料衡算：

原料处理量：F= q／M F=4000kg/h÷87.924kg／kmol≈45.49kmol/h

总物料衡算：F= D + W ①

苯物料衡算: F*X F=D* X D + W *X W ②

联立①、②式得：

X D =13.14kmol/h

X W =32.08kmol/h

甲苯流量转换：

q甲苯=W*MW= 32.08kmol/h ×91.85kg/kmol =2947.00kg/h

3、热流量：

Q=q甲苯*Cp*﹙T1-T2﹚= q水*Cp*﹙t1+t2﹚

Q=q甲苯*Cp*﹙T1-T2﹚=2947.00kg/h ×1.843kJ/kg.℃×（80-45）℃

=190096.24kJ/h 则热流量为：Q=190096.24kJ/h ÷3600s =52.805 [kw] 4、冷却水用水量：

q水 =Q／Cp*﹙t2-t1﹚=190096.24kJ/h÷4.171kJ/kg.℃÷（35-25）℃

=4554.34kg/h

5、总传热系数K :

①、管程传热系数：（注：水在管程里流动，流体流速设为U i=0.5m/s）

Re=di*ui*ρi／μi=0.02×0.5×995.7÷0.0008012 =12427.61

Pr= Cp*μ／λ =4.171×10^3×0.0008012÷0.6171 =5.42

ai=0.023*λi／di* Re^0.8*pr^0.4

ai=0.023×0.6171÷0.02×12427.61^0.8×5.42^0.4 =2631.26

则ai=2631.26

②、壳程传热系数：

假设壳程系数：ao=400w／(㎡.℃﹚

则有化工手册查得甲苯及其水在该条件下的污垢热阻：

冷却水的污垢热阻：Ri=0.000344㎡.℃／w

甲苯的污垢热阻：Ro=0.000172㎡.℃／w

选用的换热管的管壁厚度为b=0.0025 (m) ，

则可选用的管壁导热系数λ=45w／m.℃

6、总传热系数：

K=1／[﹙do/ai*di﹚+﹙0.000344*do/di﹚+﹙b*di/λ*do﹚+0.000172＋﹙1/ao﹚]

K=1÷[(0.025÷2631.26÷0.02)+(0.000344×0.025÷0.02)+(0.0025×0.025÷0.02

÷45)+0.000172+(1÷400)]

K=274.35 w／㎡.℃

【四】、计算换热器换热面积：