目录设计任务书一、 设计题目：乙醇水精馏系统换热器设计 二、 设计依据：1、产量：7万吨2、年工作时间：330天3、原料乙醇：浓度50%（质量），出库温度25℃4、产品乙醇：浓度95%（质量），入库温度≤45℃5、乙醇回收率：%6、原料乙醇泡点进料，回流比R=7、循环冷却水进口温度：30℃8、再沸器饱和水蒸气温度：150℃9、系统散热损失：不考虑系统散热损失 10、换热器KA 值裕度：20~40% 11、原料预热器（2）设计三、设计要求：第1节：物料衡算、热量衡算1.精馏塔物料衡算乙醇、水的相对分子质量为M 乙醇=mol ，M 水=mol 由原料乙醇质量浓度为50%得原料乙醇的摩尔分率为：F=50%/M X 50%/M M 50%/46.07=50%/46.07+50%/18.02=0.2812乙醇乙醇水+50%/ 由产品乙醇质量浓度为95%得产品乙醇的摩尔分率为：D 95%/X =95%/95%/46.0795%/46.075%/18.020.8814M M =+=乙醇乙醇水+5%/M 原料F 、塔顶馏出液D 的平均相对分子质量：F X M /F F M X g mol=⨯M +⨯⨯46.07+⨯18.02=25.91乙醇水（1-）=0.2812（1-0.2812） D D D X M 8814881442.74/M X g mol=⨯M +⨯⨯46.07+⨯18.02=乙醇水（1-）=0.（1-0.） 塔顶产品流率D ：(33024)D MD M h=⨯⨯()7371042.7433024206.79/8.83810/h kmol h kg h⨯=⨯⨯==⨯由乙醇回收率99.5%DFDX FX η==得：206.790.88140.28120.995651.42/D F DX F X kmol hη=⨯=⨯=4651.4225.9116878.29/1.68810/F kg hkg h =⨯=≈⨯流率W ：651.42206.79444.63/W F Dkmol h=-=-= 塔底残液摩尔分率：3651.420.2812206.790.8814444.632.0610F DW FX DX X W--=⨯-⨯==⨯塔底残液W 的平均相对分子质量：()()mol g M X M X M W W W /08.1802.181006.2-107.461006.213-3-=⨯⨯+⨯⨯=⨯-+⨯=水乙醇 3444.6318.088038.91/8.04010/W kg h kg h=⨯=≈⨯ 计算R min乙醇-水气液平衡数据11作图如下：由图可得min 0.1931DX R =+，故R min = R==⨯ 塔顶冷凝器将来自塔顶的蒸汽全部冷凝，即该冷凝器为全凝器，凝液在泡点温度下部分地回流入塔，由恒摩尔流假定，塔顶液体摩尔流率L 、气体摩尔流率V 为:44.1055206.79848.898/3.62810/L RDkmol h kg h==⨯==⨯ ()415.1055206.791055.77/45123.45/4.51210/V R D kmol h kg h kg h=+=⨯==≈⨯ 因为是泡点进料，所以q=1()()()()()4V V 1114.10551206.7911651.421055.77/19088.32/ 1.90910/q F R D q Fkmol h kg h kg h =--=+--=+⨯--⨯==≈⨯344.1055206.791651.421.510/27127.17/2.71310/L L qFRD qFkmol h kg h kg h=+=+=⨯+⨯≈⨯=≈⨯又W=*10-3，则V =L -W 成立2.冷凝器物料衡算及热量衡算查【《化工原理》下册P268附录】得，质量组成为95%的乙醇水溶液的沸点为℃。
此温度下乙醇的汽化潜热r 可以下式求得：水水乙醇乙醇x r x r r +=其中B c A(t t)r -=【查《化工原理》上册281P 附表】得： 乙醇：A=113，B=，c 243t C =︒乙醇; 水：A=，B=；c 374t C =︒水求得973.18/kJ kg r =乙醇；2460.29/kJ kg r =水； 其中8814.002.18/%507.46/%9507.46/%95/%5/%95/%95=+=+=水乙醇乙醇乙醇M M M x1186.0-1==乙醇水x x所以kg kJ r /55.1149=则冷凝塔顶混合蒸汽放出的热量1Q11745123.451149.5551871661.95J /5.18710J /14408.80kwmv Q q rk h k h ==⨯=≈⨯= 冷凝器冷却水进口温度为1t =30℃，故假定冷却水出口温度2t =50℃。
取水的比热容为()()12/23050/240t t t C =+=+=时的Cp=kg ·℃，设冷却水用量为2mv q ,由()1221t t C q Q p mv -=得:()()1221551871661.95621366.34 6.2110/4.1745030mv p Q q C t t kg h -===≈⨯⨯- 冷凝器对数平均温度△m t :503037.3178.230ln78.250m t C -∆==--由传热基本方程 m t ∆Q=KA 得：151871661.951390288.44/386.19/37.31m Q KA kJ h C kw C t ===•≈∆ 3.产品冷却器物料衡算及热量衡算 无相变，出口量等于进口量，物料无变化 故：D=h产品由℃经产品冷却器降低到40℃，78.24059.12t +==℃，由【《化工原理》279P 附表】:B AtC p +=，其中21058.1-⨯=A ，264.2=B 得：164.1 3.198/p C C kJ kg C =•时则产品冷却器的将产品冷却所需的热量为:()21578.24038.2 3.1988838.201079706.33/10.79710/p Q C D kJ h kJ h=-⨯⨯=⨯⨯=≈⨯ 产品冷却器进口温度1t =25℃，假定出口温度2t =℃，则C t 2.332254.41=+=可得：，其中633.3B 10333.8A ,3-2=⨯=+=B At C p 2 3.910/p C kJ kg C =•()22541.42516.4 3.91016878.291082303.47/10.82310/300.64kwp Q C F kJ h kJ h =-⨯⨯=⨯⨯=≈⨯=前后所需热量相近，故假定出口温度为℃成立。
产品冷却器对数平均温度△m t :()()()()29.2425404.412.78ln25404.412.78=-----=∆m t由传热基本方程m t ∆Q=KA 得：21082303.4744557.57/12.377/24.29m Q KA kJ h C kw C t ===•=∆ 4.原料预热器（1）的物料衡算及热量衡算 无相变，出口量等于进口量，物料无变化一般出原料预热器残液温度比出产品冷却器的原料温度高5-10℃，故选择出原料预热器残液的温度为50℃。
又进原料预热器的残液温度为C 100，则C t 75210050=+=由公式B t C p +=A 水得：Cp 水= kJ/（kg ·℃） 原料预热所需的热量:()361005050 4.2148038.911693798.34/1.69410/hp Q C W kJ h kJ =-⨯⨯=⨯⨯=≈⨯水原料预热器进口温度为℃，假定出口温度为66℃，则C t 7.5324.4166=+=由公式()C kg kJ B A B At C p p •==⨯=+=-/080.4C 633.3,10333.8;3得：其中,所以()366641.424.6 4.08316878.291695285.83/1.69510/p Q C F kJ h kJ h=-⨯⨯=⨯⨯=≈⨯ 前后所需热量相近，故假定出口温度为66℃成立。
原料预热器对数平均温度△m t :()()()()C t m 48.184.415066100ln4.415066100=-----=∆由传热基本方程 m t ∆Q=KA 得：5.原料预热器（2）的物料衡算及热量衡算原料无相变，出口量等于进口量，饱和水蒸汽液化，进出口流率相等 从原料预热器（1）出来的原料为66℃，要求泡点进料，所以从原料预热31695285.8391736.25/25.48/18.48m Q KA kJ h C kw Ct ===•=∆器（2）出来的原料为℃，则82.036674.0152t C +==。
由公式()3;8.33310, 3.633C 4.2498/p p C At B A B kJ kg C -=+=⨯==•其中得：,所以()4682.036616.03 4.249816878.291149821.59/1.149810/p Q C F kJ h kJ h=-⨯⨯=⨯⨯=≈⨯利用饱和水蒸汽的潜热加热，则1501501502t C +== 此时2118.5/rkJ kg =41149821.59/mv Q q r kJ h ==得mv q =/kg h =/kmol h =s()()()()15082.031506675.7015082.03ln15066m t C ---∆==--41149821.5915189.19/ 4.219/75.70m Q KA kJ h C kw Ct ===•=∆6.再沸器的物料衡算及热量衡算 再沸器的热量衡算：由【《化工原理》上册265P 】得饱和水蒸气汽化热： 100℃:kg kJ r /4.22581= 150℃:kg kJ r /5.21182=5172258.419088.3243109061.89/4.31110/Q rV kJ h kJ h==⨯=≈⨯ 又Q 5=r 2V 汽452Q 43109061.8920348.86/ 2.034810/2118.5V kmol h kmol hr ==≈≈⨯汽再沸器对数平均温度△m t :C t m 50100150=-=∆由传热基本方程 m t ∆Q=KA 得：543109061.89862181.24/239.495/50m Q KA kJ h C kw Ct ===•≈∆7.物料衡算汇总表8.热量衡算及换热器要求汇总表第2节：列管式换热器选型及校核（原料预热器①）1.初选原料预热器（1）规格(1)换热器的选型两流体温度变化情况：塔顶热流体（水）进口温度100℃，出口温度50℃（无相变）.冷流体（乙醇水）进口温度℃，而冷却水的出口温度为66℃，管壳温差较小，因此初步确定选用卧式的固定管板式换热器,并且固定管板式换热器旁路渗流较小、造价低、无内漏，是很常用的换热器。