终稿年生产24万吨的甲醇精馏工段预塔冷凝器设计可行性方案Word文档下载推荐.docx

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接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。

30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。

在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。

60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。

此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。

70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。

混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。

由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。

例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷

空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。

蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体（填料）表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。

这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。

以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。

间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。

间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。

管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；

板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；

其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。

管壳式换热器一般有固定管板式，浮头式，U形管式，釜式重沸器，填料函式等。

固定管板式换热器以结构简单，操作弹性大，可靠程度高，造价低等优点而广泛被使用。

固定管板式换热器的两端管板，采用焊接方式与壳体连接固定。

其简单的结构形式如图1-1所示：

图1-1固定管板式换热器的结构

固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。

固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和管箱焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板，用以增大湍动程度，提高传热系数。

这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。

　　固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。

壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。

当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。

固定管板式换热器的特点是：

1、旁路渗流较小；

2、造价低；

3、无内漏；

4、稳定性好。

固定管板式换热器的缺点是：

壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢的场合。

对于固定管板式换热器，常见的流型有三种：

并流，逆流和折流。

在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；

若传热面积不变，采用逆流可使加热或冷却流体的消耗量降低。

前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。

1.2列管式换热器设计简介

列管式换热器的设计、制造、检验和验收必须遵循中华人民共和国国家标准“钢制管壳式（即列管式）换热器”（GB151）执行。

按该标准，换热器的公称直径做出如下规定：

卷制圆筒，一圆筒内径作为换热器的公称直径，mm；

钢管制圆筒，以钢管外径作为换热器的公称直径，mm。

换热器的传热面积：

计算传热面积，是以传热管外径为基准，扣除伸入管板内的换热管长度后，计算所得的管束外表面积的总和，m2。

公称传热面积，指圆整后的计算传热面积。

传热管公称长度：

以以换热管长度（m）作为换热器的公称长度。

传热管为直管时，取直管长度；

传热管为U型管时，取U型管的直管长度。

该标准还将列管式换热器的主要组合部件分为前端管箱、壳体和后端结构（包括管束）三部分。

该标准将换热器分为Ⅰ、Ⅱ两级，Ⅰ级换热器较高级冷拔传热管，适用于无相变传热和易产生振动的场合。

Ⅱ级换热器采用普通级冷拔传热管，适用于重沸，冷凝和无振动的一般场合。

列管式换热器的工艺设计主要包括下列内容：

⑴根据生产任务和有关要求确定设计方案；

⑵初步确定换热器结构和尺寸；

⑶核算换热器的传热能力和流体阻力；

⑷确定换热器的工艺结构。

本设计方案已定为固定管板式冷凝器，属于Ⅱ级换热器，其他工艺要求已给定，所以工艺计算省略。

第2章冷凝器零部件的工艺结构设计

2.1设计任务和设计条件

焦炉气制甲醇生产工艺是将来自焦化厂经过预处理的焦炉煤气送进储气罐缓冲稳压、压缩增压，接着进行加氢转化精脱硫，即焦炉煤气的净化；

然后通过催化或非催化方法将焦炉煤气中的CH4、CmHn转化为合成甲醇的有效气体组分（H2+CO），再通过补碳调整原料气的氢碳比，就制成了氢碳比符合甲醇合成所需的合成气；

将合成气压缩增压后送入甲醇合成塔进行合成反应，生成粗甲醇，然后对粗甲醇进行精馏，就制成了煤基清洁能源和用途广泛的有机化工原料精甲醇。

本设计项目为24万吨/年甲醇精馏工段预塔冷凝器的设计及ANSYS软件的应用。

题目已知参数为

（1）规格：

φ1200×

7795

（2）列管：

φ19×

2，L=6000，n=1914根，F=673m2

（3）操作温度：

管程：

32/42℃壳程：

75/70℃

（4）操作压力（表压）：

0.4MPa壳程：

0.03MPa

（5）设计温度：

60℃壳程：

90℃

（6）设计压力（表压）：

0.5MPa壳程：

0.3MPa

（7）物料名称：

冷却水壳程：

粗甲醇

再假定接管尺寸如下：

壳程粗甲醇入口接管φ478×

9

壳程冷凝液出口接管φ219×

管程冷却水出入接管φ377×

壳程排气孔接管φ57×

3.5

2.1管程和壳程

2.1.1管程数

在换管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程。

在管壳式换热器中，最简单最常用的是单管程的换热器。

如果根据换热器的工艺设计要求，需要加大换热面积时，可以采用增加管长或者管数的方法。

但前者受到加工、运输、安装以及维修等方面的限制，故常采用后一种方法。

在本设计中，省去了工艺计算，所以由已知：

壳体内径DN=1200mm,

换热管为：

2，L=6m，n=1914．

可以看出相对壳体内径而言换热管数多，而又知公称直径DN=1200mm，换热管为φ19×

2时，单程管板最大开空数是1945，双管程管板最大开孔数是1922，本设计要求换热管数是1914（不含拉杆数），同时考虑到管板的利用率不会达到100%，所以只能选择单管程，而且必须采用正三角形排管方式。

2.1.2壳程数

壳程是指介质流经换热管外的通道及与其相贯通的部分。

根据工艺设计要求，或为增大壳程流体传热系数，也可将换热器分为多程的结构。

当按热系数不是很小，流体雷诺数不小于50到100时，一般都不需要增加壳程数，采用单壳程就可以满足要求。

本题目中流体处理量较大，传热面积也较大，所以可以直接选用单壳程。

亦可以用如下方法确定壳程数：

首先，在坐标上做Q-T和Q-t线，有热量衡算方程知，若两流体的热容量流率不变，则Q-T和Q-t线都是直线。

依据两流体进出口温度，可在坐标纸上做出两条直线，如图1-1所示。

然后从冷流体出口温度t2开始作水平线与Q-T线相交，在交点处向下作垂直线与Q-t线相交，重复以上步骤，直至垂线与Q-t线交点的温度等于或低于冷流体的进口温度，此时图中水平线数目就是所需壳程数，图2-1所示的情况正好与前面所述的单壳程相吻合。

所以壳程是单壳程。

2.2管子排列

图2-1壳程数的确定

2.2.1传热管排列方式

传热管在管板上的排列有三种基本形式，即正三角形、正四边形和同心圆排列。

如图1-2所示。

传热管的排列应使其在整个换热器圆截面上均匀而紧凑地分布，同时还要考虑流体性质，管箱结构及加工制造等方面的问题。

一般说来，正三角形排列在相同的管板面积上课排列较多的管子，而且管外表面传热系数较大，但正三角形排列时管外机械清洗较为困难，而且管外流体的流动阻力也较大。

正方形排列在同样的管板面积上可排列的传热管数最少，但管外易于进行机械清洗，所以当管子外壁需要机械清洗时常采用这种排列方法。

同心圆排列方式的优点在于靠近壳体的地方管子分布较为均匀，在壳体直径很小的换热器中可排的换热管数较正三列还要多。

结合已知题目换热管数要求很多，而壳体直径不是很大，所以综上所述，应该选择正三角形排列方式排列。

由图1-2可以看出，采用正三角形排列时管子排列面积是一个正六边形，排在正六边形内的传热管数位

NT=3a（a+1）+1

若设b是正三角形对角线上的管子数目，则

b=2a+1

式中NT—排列的管子数目；

a—正六角形的个数。

采用正三角形排列，当管子数目超过127根，即正六边形的个数a>

6时。

最外层六边形和壳体间的弓形部分空间较大，也应配置传热管，可排的管子数目见表1-1。

可以从表中看到NT=1657,a=23,b=47

2.2.2管心距

管板上两传热管中心距离称为管心距。

管心距的大小主要与传热管和管板的连接方式有关，此外还要考虑到管板强度和清洗管外表面时所需的空间。

传热管和管板的连接方法有胀接和焊接两种，当采用胀接法时，采用过小的管心距，常会造成管板变形。

而采用焊接法时，管心距过小，也很难保证焊接质量，因此管心距应有一定的数据范围。

一般情况下，胀接时，取管心距t=（1.3～1.5）d0；

焊接时，取t=1.25d0（d0为管子外径）。

对于直径较小的管子，要注意，管心距最小不能小于（d0+6）mm，而且t/d0值应稍大些。

常用管心距列于下表2-1中。

本题目中已知换热管尺寸为：

2，所以查表1-2知管心距t=25mm。

表2-1常用管心距/mm

换热管外径d

10

14

19

25

32

38

45

57

最大无支撑跨距

80