生物化工课程设计

学号36江西理工大学化工原理课程设计说明书专业：生物工程学生班级：二○一○级1班学生姓名：胡发彪指导教师：陈喜蓉资源与环境工程学院2012年9月15日 目录 1．化工原理课程设计任务书工艺条件：设计一冷凝器，冷凝乙醇-水系统精馏塔顶部的馏出产品。产品中乙醇的浓度为95%，处理量为10万t/y。要求全部冷凝。冷凝操作压为常压，冷却介质为水，其压力为0.3Mpa。进口温度为30℃,出口温度为42℃。1进水管道的直观阻力系数取0.0252出水管道的直观阻力系数取0.0183冷凝器的管程壳程压降均不超过0.3atm4设计换热器放置距离地面7.5米处。相应管件与直管总长则依据所绘工艺流程图计算。处理量10万吨/年设计要求：1处理量10万吨/年2操作压力常压3冷却介质水（压力为0.3Mpa出口温度及进口温度30℃/42℃4乙醇全部冷凝进口温度79.4出口温度48.6℃。2．概述与设计方案简介采用薯类与谷类原料进行发酵。发酵法制乙醇是一个很复杂的生化过程，发酵在密封的发酵罐中进行产生的CO2的纯度饿达99—99.5%以上，其余为气态杂质，组分(以CO2质量为基准)为：乙醇0.4~0.8%，脂类0.03~0.4%，酸类0.08~0.09。该冷凝器是用来冷凝乙醇-水精馏塔出来的浓度为95%的乙醇器的冷却介质为水,即冷却水与95%乙醇通过逆流传热过程将乙醇冷凝。其中因为是蒸汽冷凝，所以乙醇水走壳程,冷却水走管程以便于排出冷凝液乙醇。乙醇-水的进口温度为79.4℃,出口温度为48.6℃。13 设计条件及主要物性参数表主要物理参数参数95%乙醇冷却水定性温度T=64℃t=36℃密度定压比热容Cp1=3.50kj/(kg.℃)Cp2=4.174kj/(kg.℃)导热系数黏度60乙醇和水的有关物理参数参数乙醇水比汽化热870kj/kg.2343kj/kg.摩尔浓度0.950.05摩尔质量46181选择换热器类型该换热器用循环冷却水冷却，该换热器的管壁温度和壳体壁温之差比较小，因此初步确定选用固定管板式换热器。选用192mm的碳钢管,管内流体流速取速取1.5m/s2流程安排由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢的增长速度，使得换热器传热速率下降，所以应使循环水走管程又因为便于收集冷却后的乙醇产品(二)计算总传热系数Ｔ1.热流量==3.404t=64℃时,乙醇的比汽化热为870,乙醇的摩尔质量为46,13 所以摩尔汽化热为87046=40020。t=64℃时,水的比汽化热为2343,摩尔质量为18,摩尔汽化热为234318=42174,所以组分中乙醇含量为为0.95的乙醇-水溶液的摩尔汽化热rc=400200.95+421740.05=40128该组分的平均摩尔质量M=0.9546+0.0518=44.6所以乙醇-水的摩尔流量==0.0763乙醇-水在相变过程中放出热量==0.076340128=3061.8。乙醇和水变成液体后降温过程中释放出的热量为=()+()=0.95×3.404×3.5×(78.3-48.6)+0.05×3.404×4.174×(78.3-48.6)=433.72kj/s.所以总传热量=+=3061.8+433.72=3495.52kj/s2.平均传热温差由于操作压力为常压，可选较小的k值，取k=500w/（.℃)则估算传热面积=18.8/0.6985=26.91℃3.冷却水用量冷却水因为乙醇是易结构的流体而实验中也是为了获得乙醇，所以乙醇水应选用管程，只选用，选取192mm管程速度=19mm=19-4=15mm=0.015m13 单程管长度:按单管设计传热管过长，不符合实际，现取=4.5m壳程数：管子总根数：n=4×265=1060根平均温差的校正：按单壳程4管程查图得0.93由于平均传热温度差校正系数大于0.8.同时壳程流体流量较大故取单壳程合适4).传热管排列和分程法采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列，剩余的用正方形排列于补充.取管心距,则各程相邻的管心距为38mm每程各有传热管265根，4管程。壳体内径采用多管程结构,取管板利用率为=0.75,则壳体内径为壳程直径13 经查数据得192mm管径的换热器的基本参数如下：,管程数N=4，管子总根数n=1186根，换热管长度L=4.5m，中心管子数39，热面积=311.5，通过这些初步信息可以选用换热器型号：BES1000--311.5-19/4.5-4ⅠⅡ传热管折流板采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径25%,则切去的圆缺高度为h=0.251000=250mm,固定管板式换热器h=200mm取折流板间距可取B=0.3D=0.31000=300mm折流板数=传热管长/折流板间距-1=(块)折流板圆缺水平装配其他附件本换热器壳体内径为700mm查表得其拉杆直径拉杆数6个。(6).接管壳程流体进出口接管:取接管内95%乙醇流速为u=0.2m/s,则接管内径为接管内直径=0.170m圆整后标准直径50mm管程流体进出口接管:取接管内水流速U=2.5m/s,则接管内径为=0.189m取标准管径为(5).换热器核算(1)壳程对流传热系数对于有相变时，蒸汽在水平管外冷凝的对流传热系数为：壁温的计算：→13 当量直径,由正三角形排列得壳程流通截面壳程流体流速及其雷诺数分别为(2)管程对流传热系数管程流通截面积管程流体流速=1.34m/s普朗特常数由此可求得污垢热阻和管壁热阻，查化工设计书附录9，管外侧污垢热阻，管内侧污垢热阻，碳钢在该条件下的热导率。13 =492满足相对面积宽裕度所以符合条件。换热器压降管程阻力其中=1，=4，=1.5由=26926，传热管相对粗糙度0.01，查得=0.038，所以流速=1.34m/s,=994kg/=10173.5=2677.2=(10173.5+2677.2)141.5=77104.2壳体阻力其中=1，=1流体流经管束的阻力=0.5，=，=，=14，=754kg/，=0.063m/s。==419.113 流体流过折流板缺口阻力=其中h=0.3m,D=1.0m==121.5=419.1+121.5=540.613 参数管程壳程流量Kg/s38.111.902进出口温度/℃30（42）79.4（48.6）压力/MPa物性定性温度/℃3664密度/kg/m3994754比热容/KJ/kg·℃4.1743.5黏度/Pa·s0.742×10０.６５10热导系数/[W/(m·℃)]0.６２７0.1６２普朗特数４.９１６.３设备及参数型式固定管板式壳程数　1壳体内径/mm７００台数　1管径/mm25×2.5管心距/mm　22管长/mm６０００管子排列　正三角形管数目/根３２２折流板数/个　29传热面积/㎡１４９.１折流板间距/mm　２００管程数4材质　碳钢主要计算结果管程壳程流速/m/s１.５0.５表面传热系数/[W/（m℃）]５６０３８６４污垢热阻/㎡.℃/W３．１４×10０.８６×10阻力/KPa18.26210.156传热温差/K１２　　　　　　３０.８传热系数/[W/(㎡·℃)]５６０３８６４裕度/﹪１０.６％13 设备操作条件及结构尺寸一览表黄燕1.dwg热器型式定列管式管口表换热面积（）：１４９.１符号尺寸用途连接方式工艺参数a200冷却水进口平面名称管程壳程b200乙醇蒸汽入口凹面物料名称水乙醇-水c20放气口凹面操作压力，atmd70乙醇物料出口凸面操作温度,３０/４２７９.４/４８.６e20排净口凸面流量kg/s３８.１１１.９０２f200冷却水入口平面流速，0.５1.５附图：流体密度，９９４７５４总传热量，w１９０９.０２总传热系数,　５２６.３对流传热系数,　５６０３８６４污垢系数,０.０００３４０.００００８６程数４1使用材料碳钢碳钢管子规格管数332管长：6000mm管间距：mm22排列方式三角形排列折流板型式上下间距：200mm切口高度200mm壳体内径：mm500保温层mm13 28S20-056-3顶丝M208Q235-A16接管25×3227JB/T4704垫片800-0.61耐油橡胶石棉板15换热管25×2.533226JB/T81法兰70-101Q235-A14GB/T41螺母M121625JB/T4712鞍座B1800-F.S2Q235-A.F13S20-056-3拆流板Q235-A24筒体直径600116MNRL=700012S20-056-3拉杆12623JB/T81法兰70-101Q235-A11S20-056-3拉杆12622接管76×4110L=15710定距管25×2.51021JB/T4737椭圆封头DN600×101Q235-A9定距管25×2.51020S20-056-1防冲板1Q235-A8定距管25×2.51019JB/T4704垫片800-0.61耐油橡胶石棉板7定距管25×2.51018S20-056-1后管板116MNR6JB/T81法兰200-10Q235-A17JB/T81法兰20-101Q235-A5接管219×610L=1556S20-056-2前管板1L=60005GB/T41螺母M20484GB/T5780螺栓M20×4.048L=103S20-056-2管箱1L=28002L=23201L=930江西理工大学生物09115号L=460乙醇换热器直径700×600013 设计评述（对设计的评价和设计体会）此换热器能完全符合该厂的需求，考虑比较全面，管路设计较合理，计算也合理。设计体会：以前总觉得作为工科的学生处理数据挺困难的，尤其是没有耐心的人，更加烦恼。经过短短两个星期的设计，选型设计是一个反复试算的过程，我在一次次烦躁中静下心来一遍又一遍的处理数据，如果中间有一步算错将导致后面的计算错误，而且心不静出错的概率越大通过一次次核算。我反复算了四次，非常辛苦，连续六天与数字打交道，途中我有好几次想甩笔不干了，但想想这点事都做不来以后自己还能干什么了。但很庆幸我选到了一个合适的换热器和辅助设备，这使我真正懂得了坚持就是胜利。化工原理课程设计使我初步掌握了化工单元操作设计的基本方法和程序，提高了我的计算、绘图、运用设计资料、使用经验数据，估算和处理数据的能力、利用化工原理解决实际问题的能力。当然通过这次我的办公软件尤其是word的使用越来越熟练了。当然这中途我很是抱歉，因为很多问题自己无法解决，经常去烦老师，当然也很感谢陈喜蓉老师，她真的很耐心也很乐于帮助我们，记得我的Word没有公式编辑器，陈老师也耐心的告诉我如何去下载。我想没有她的帮助我根本无法顺利完成这次设计，她跟个大姐姐似的。13 黄燕2.dwg工艺流程图发酵罐精馏塔釜液罐产品-储罐冷凝器13 符号说明符号意义及单位符号意义及单位B折流板间距，mD壳体内径，m热阻，Re雷诺数对流传热系数导热系数粘度，PaSA传热面积,m2密度，K总传热系数，校正系数L管长，mN管数，程数折流板数P压力,pad管径,mh圆缺高度，mu流速，r半径，m管子外径t管心距，m质量流量,kg/h参考文献1.王志魁编.化工原理(第三版).北京.化学工业出版社2韩冬冰李叙凤王文华编.化工工程设计.北京.学苑出版社3.詹姆斯.G.斯佩特编著.陈晓春孙巍译.化学工程师实用数据手册.北京.化学工业出版社4.熊洁羽编.化工制图.北京.化学工业出版社5.钱颂文编.换热器工作手册.化学工业出版社13