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/m3 804.52 查物性表 G1 冷凝蒸汽的流量 kg/s 2.073 依公式计算 r1 蒸汽的汽化潜热 kJ/kg 946.75 查物性表 ρ1 蒸汽的密度 kg/m3 1.5 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