年产35万吨酒精精馏系统换热器项目设计方案文档格式.docx

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1.2.2固定管板式换热器结构的确定

固定管板式换热器由管板、壳体、封头等组成。

固定管板式换热器最容易出现的故障就是管子和管板连接部分泄漏。

所以必须注意固定管板式换热器的连接方法和质量。

固定管板式换热器主要分为管程和壳程两大部分。

1.2.2.1管程结构

换热器管程由换热管、管板、封头或管箱组成。

1、换热管布置和排列间距

管束的多少和长短由传热面积的大小和换热器结构来决定，它的材质选择主要考虑传热效果、耐腐蚀性能、可焊性等。

常用管径和壁厚有￠19×

2，￠25×

2.5等；

管长有1500mm、2000mm和3000mm；

材料有普碳钢或不锈钢等。

在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用ф19mm×

2mm直径的管子更为合理。

这次用到的换热器的压力不大，换热器中流体没有腐蚀性，所以选择ф25×

2.5mm碳钢管。

本次设计采用ф25×

2.5mm无缝钢管。

换热管管板上的排列方式有正方形直列、正三角形排列、同心圆排列，正三角形排列比较紧凑，管板利用率高，管外流体湍动程度高，对流传热系数大，但管外清洗较困难；

正方形排列便于机械清洗；

同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。

本次设计选择正三角形的排列方式。

2、管子与管板及其连接方式的选择

管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。

列管式换热器管板是用来固定管束连接壳体和端盖的一个圆形厚板，它的受力关系比较复杂。

厚度计算应根据我国“钢制压力容器设计规定”进行，一般采用20到30个毫米的。

管板与管子的连接可胀接，焊接和胀焊并用。

焊接法应用广泛，这次用到的换热器内流体温度不高，压力不大，所以选择焊接的方式连接管子和管板。

3、封头、管箱的确定

列管式换热器管箱即换热器的端盖，也叫分配室。

用以分配液体和起封头的作用。

压力较低时可采用平盖，压力较高时则采用凸形盖，用法兰与管板连接。

检修时可拆下管箱对管子进行清洗或更换。

1.2.2.2壳程结构

壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板及缓冲板等元件组成。

1、换热器壳体的确定

根据管间压力、直径大小和温差力决定它的壁厚；

由介质的腐蚀情况决定它的材质。

直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，大于400mm的用钢板卷焊而成。

根据工作温度选择壳体材料，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。

2、列管式换热器折流板的作用是；

增强流体在管间流动的湍流程度；

增大传热系数；

提高传热效率。

同时它还起支撑管束的作用。

这次设计中的原料预热器和塔顶全凝器的壳程走的是蒸汽所以不安装折流板。

1.2.3流体流动空间的选择

在列管式换热器的设计计算过程中，需要预先确定哪一种流体走管程，那种流体走壳程，成为流体流动空间的选择。

影响选择结果的因素很多，主要从以下三方面考虑：

1.传热效果

（1）粘度大的流体或流量小的流体宜走管程。

将两流体中热阻较大的一方安排在壳程，可提高对流传热系数，强化传热。

（2）待冷却的流体宜走壳程，便于传热。

2.设备结构

高压的流体、腐蚀性的流体宜在管内流过。

3.清洗方便

不洁净的或易结垢的流体宜走管程，便于清洗管子。

饱和蒸汽一般通入壳程以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，壳程可不必清洗。

1.2.4流体流速的选择

增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。

但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。

因此，应选择适当流速。

下表列出工业一般采用的流体流速范围。

表1-1工业一般流体流速

液体的种类

一般液体

易结垢液体

气体

流速m／s

管程

壳程

0.5－3.0

0.2－1.5

＞1.0

＞0.5

5.0－30

3.0－15

1.2.5流体进出口温度的确定

为了节省水，可提高水的出口温度，但传热面积就需要加大；

为了减小传热面积，则要增加水量。

设计时可采取冷却水两端温差为8～10℃。

缺水地区选用较大的温度差，水源丰富地区选用较小的温度差。

对于热流体的温差可根据工艺要求计算。

1.2.6接管的确定

接管的选择与流体的流速和流量有关。

冷凝器的管程进出口接管直径通常直径较大采用热轧无缝钢管，管壁较厚，壳程流体出口接管选择冷轧无缝钢管。

这次设计的为酒精精馏换热器，压力、流量都不大，所选接管的壁厚也不大。

1.2.7管程和壳程数的确定

当管内流体流量较小时，会使管内流速较低，对流传热系数较小。

为了提高管内流速，可采用多管程。

但是程数过多，将导致管程流体阻力增加，面积的利用率也降低。

这次采用单壳程多管程（2、4）固定管板式换热器。

1.3固定管板式换热器的设计计算

1.3.1设计计算步骤

1.3.1.1系统物料衡算

根据产量要求，计算换热系统的原料量、产品量，再进一步确定所需计算的换热器，逐步进行换热器的选用。

1.3.1.2选用换热器

1、热负荷的计算，冷却介质用量的计算或加热介质用量的计算；

2、平均温度差的计算，当两侧流体均为变温传热时，应进行温度差的校正；

3、流动空间的选择；

4、初估总传热系数，计算换热面积，初选换热器。

1.3.1.3核算总传热系数

计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻，在计算总传热系数K计。

比较K计和K选，若（,则初选的设备合格。

否则需另设K选值，重复以上计算步骤。

1.3.1.4计算管、壳程压强降

计算出选设备的管、壳程流体的压强降，如超过工艺允许的范围，要调整流速，再确定管程数，或选择另一规格的换热器，重新计算压强降直至满足要求为止。

1.3.1.5接管尺寸计算

1.3.2传热计算的主要公式

1.3.2.1传热速率方程式及相关计算公式

式中Q——传热速率（即热负荷），W；

K——总传热系数，W／（m2．℃）；

S——与K值对应的换热器传热面积，m2；

——平均温度差，℃。

1.热负荷（传热速率）Q

无相变传热

相变传热（蒸汽冷凝且冷凝液在饱和温度下离开换热器）

式中W——流体的质量流量，kg／h；

Cp——流体的平均定压比热容，J／（kg·

℃）；

T——热流体的温度，℃；

t——冷流体的温度，℃；

r——饱和蒸气的冷凝潜热，kJ／kg。

下标h和c分别表示热流体和冷流体，下标1和2分别表示换热器的进口和出口。

2.平均温度差Δtm

一侧恒温,逆流与并流的平均温差相等

两侧变温，平均温差用逆流平均温差校正

-温差校正系数，,其中

3.总传热系数K

初选换热器时，应根据所要设计的换热器的具体操作物流选取K的经验数值，选定的K的经验值为K选。

确定了选用的换热器后，需要对换热器的总传热系数K进行核算，总传热系数K的计算按下列公式：

式中——基于换热器外表面积的总传热系数，；

——分别为管外及管内的对流传热系数，；

—一分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，;

——分别为换热器列管的外径、内径及平均直径,；

——列管管壁厚度,；

4.对流传热系数

（1）对于低粘度流体（μ小于或等于2倍常温水的粘度）

当流体被加热时，＝0.4

当流体被冷却时，＝0.3

式中：

——分别为流体的密度和粘度，；

——分别为流体的导热系数和比热容,;

——管内流速，；

——列管内径，。

应用范围：

Re＞l0000，Pr＝0.7-160，管长与管径之比L/d＞60，若L/d＜60可将上式算出的α乘以

特征尺寸：

管内径d,m

定性温度：

取流体进、出口温度的算术平均值。

（2）蒸汽在水平管束上冷凝时的冷凝传热系数

若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数：

—冷凝液的导热系数，w／（m·

ρ——冷凝液的密度，kg／m3。

；

μ——冷凝液的粘度，Pa·

s；

γ——饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg；

Δt——蒸汽的饱和温度与壁温之差，此处取

nc——水平管束在垂直列上的管数；

5．换热器实际传热面积

根据选定换热器的管径、管长和管数可计算所选换热器的实际传热面积Sp。

实际传热面积应该比所需传热面积大一些，称为面积裕度，一般面积裕度控制在10%-30%比较合适。

1.3.2.2计算流体压降的主要公式

一般说来，流经列管式换热器允许的压强降，液体为10—100kPa，气体为1—10kPa左右。

（1）管程压力降

直管中因摩擦阻力引起的压力降Pa；

回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa；

结垢校正系数，无因次，φ25×

2.5mm的换热管取1.4；

φ19×

2mm的换热管取1.5；

串联的壳程数；

管程数。

ξ——阻力系数，列管换热器管内ξ=3

（2）壳程压力降

流体横过管束的压力降Pa；

流体流过折流挡板缺口的压力降Pa；

结垢校正系数，无因次，对液体，取1.15；

对气体，取1.0；

管子排列方式对压力降的校正系数：

三角形排列F=0.5；

正方形排列F=0.3；

正方形错列F=0.4；

壳程流体的摩擦系数；

横过管束中心线的管数

折流挡板间距，m；

壳体直径，m；

折流挡板数目；

按壳程流通面积So计算的流速，m/s。

第二章设计的工艺计算

2.1全塔物料衡算

根据设计要求可知：

塔顶产品酒精的质量D=3.5万吨，乙醇的质量分数XD=0.92,精馏原料粗乙醇的质量分数XF=0.5,塔底残液乙醇的质量分数XW=0.005

由

求得

回流比:

所以

2.2预热器的设计和计算

2.2.1确定设计方案

1．选择换热器的类型

换热器中两流体温度差不大，壳程压力较小，故可选择固定管板式换热器。

2．流动空间和管材的选用

设计任务的热流体为水蒸汽，冷流体为原料液乙醇。

由于蒸汽比较干净不易结垢，所以蒸汽走壳程以便于及时排除冷凝液，原料液中可能含有杂质、易