列管式换热器的应用已有悠久的历史。在很多工业部门中，列管式换热器仍处于 主导地位，随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因 而对换热器的要求也日益加强，换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十 分活跃，一些新型的高效换热器相继问世。
本次设计任务是年产3.4万吨酒精精馏系统换热器设计，其中包含了生产工艺流 程中五个换热器：原料预热器，塔顶全凝器，塔底冷却器，塔顶冷却器和再沸器。选 取了三个换热器对其进行了精算，经反复选择与核算之后，选取了合适的换热器类型 及其结构尺寸等其他工艺指标要求。对其余两个换热器做了冷热流体的物料衡算，以 及对换热器的初步选型。
此次设计参考了较多的文献资料，结合实际生产需求采用了科学严谨的计算方法 和精确严密的计算步骤，设计出了较符合生产需求，经济实惠，安全可靠，操作简便， 易于清洗、维修的列管式换热器。
第一章概述
1.1设计设备在生产中的作用
在工业生产中，要实现热量的交换，须采用一定的设备，此种交换热量的设备称 为换热器。 换热器作为工艺过程必不可少的单元设备，广泛地应用于石油、化工、动力、轻 工、机械、冶金、交通、制药等工程领域中，据统计，在现代石油化工企业中，换热 器投资约占装置建设总投资的30%-40%在合成氨厂中，换热器占全部设备总台数的 40%由此可见，换热器对整个企业的建设投资及经济效益有着重要的影响。
1.2设计工艺流程示意图
图解：原料液通过原料液预热器预热后进入精馏塔，被成功加热后成为原料蒸汽
i
进入塔顶冷凝器被冷却水冷却成为液体， 再进入分配器，经过二次冷却成为产品进入 贮罐。而从塔底出来的一部分釜残液进入第一次预热器对原料液进行第一次加热， 一部分通过再沸器达到预期需要的温度后回到精馏塔，此过程循环进行。
另
1.3流程方案
在进行换热器的设计之前，首先应根据工艺要求确定换热系统的流程方案并选用 适当类型的换热器，确定所选定换热器中流体的流动空间及流速等参数， 成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。
随着环境意识的增强，节约能源，减少热污染等问题在换热器设计中已成为必须 考虑的问题，如何在满足工艺要求的前提下，实现节能和环保，是流程方案确定的主 要任务，经过慎重考虑确定出的流程方案最终表现在流程方案说明和流程图上。
具体流程方案说明如下：
由于任务要求以下所用换热器均为列管式换热器中的一种固定管板式换热器。 （1） 原料预热器
流经此预热器的是酒精和水蒸气两种流体，由于饱和蒸汽通入壳程便于及时排除 冷凝液，且蒸汽较洁净，壳程可不必清洗，除此之外，水蒸气在有折流板的壳程流动 时，由于流速和流向的不断改变，使流体在很低的
同时计算完
Re下即可达到湍流，将它安排在
壳程提高了对流传热系数，降低了热阻，使总传热系数增加，所需传热面积减少，设 备费用降低，所以，安排水蒸气走壳程，原料液走管程。 （2） 塔顶全凝器
流经此换热器的是酒精蒸汽和冷却水两种流体，由于蒸汽走壳程可及时排除冷凝 液，且蒸汽较洁净，壳程可不必清洗。为了便于清洗，应使酒精蒸汽走壳程，冷却水 走管程。 （3） 塔底冷却器
流经此换热器的是0.5%残液和水蒸气，考虑到冷却水较酒精易结垢和冷却，安 排酒精走壳程，冷却水走管程。
1.4设备方案
本次设计所有换热器均为固定管板式换热器， 它是列管式换热器中的一种，其结 构简单，坚固耐用，造价低廉，操作弹性大，应用材料广，适应性强，历史悠久，设
计资料完善。优点是结构紧凑，在相同的壳体直径内排管数最多， 旁路最少，每根换 热管都可更
2
换，且管内清洗方便，但缺点是壳程不易机械清洗，当换热管束与壳体内 通过流体的温差大于
50 °C时，由于热应力而引起管子弯曲或使管子从管板上拉脱， 因此，需在壳体上设置膨胀节。固
定管板式换热器适用于流体清洁且不易结垢， 体温差不大或较大但壳程压力不高的场所。
两流
分别介绍各个换热器的设备方案
(1) 原料预热器
两流体温度变化情况：水蒸气进口温度为 120C，出口温度为120C(液体)， 酒精进口温度
20C，出口温度81.9 C .两流体温差为69.05 C>50C，需要考虑补偿， 选用带有膨胀节的固定管
板式换热器。 (2) 塔顶全凝器
两流体温度变化情况：酒精进口温度78.3 C (蒸汽)，出口温度78.3 C (液体)。 冷却水进口温度15C，出口温度25C，两流体温差58.3 C >50C ,则选带有膨胀节的 固定管板式换热器。 (3) 塔底冷却器
两流体温度变化情况：0.5%乙醇进口温度99.3 C,出口温度35 C，冷流体进口 温度15C，出口温度25C，两流体温差57.15 C>50C，需要考虑温度补偿，所以选 择带膨胀节的固定管板式换热器。
1.5换热器的结构形式
1. 管壳式换热器
管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单， 坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳 式换热器根据结构特点分为以下几种： (1)
固定管板式换热器
这类换热器结构简单，价格低廉，
固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，
但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50 C且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。
带有膨胀节的固定管板式换热器， 其膨胀节的弹性变形可减小温差应力， 偿方法适用于两流体温差小于 70C且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。 (2)
浮头式换热器
这种补
浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接， 该端被称为浮头，管束连同浮头可以 自由伸缩，而
3
与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修， 适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。 （3）填料涵式换热器
填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀， 与浮头式换热器相比，结构简单，造价 低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。
2. 蛇管式换热器
蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单，操作最方便的一种换热设备，通常按 照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。
3. 套管式换热器
套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管， 其内管用U型时 管顺次连接，外管与外管互相连接而成，其优点是结构简单，能耐高压，传热面积可 根据需要增减，适当地选择管内、外径，可使流体的流速增大，且两种流体呈逆流流 动，有利于传热。此类换热器适用于高温，高压及小流量流体间的换热。
1.6材质的选择
在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操 作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。
要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，
当然，最后还 即从设备的强
度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一 个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且 也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切 关系。 一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。 （1） 碳钢
价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定， 很容易被酸腐蚀，在无耐 腐蚀性要求的环境中应用是合理的。 如一般换热器用的普通无缝钢管， 其常用的材料 为10号和20号碳钢。 （2） 不锈钢
奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定 的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。
4
1.7列管式换热器的结构
1.7.1管程结构
介质流经传热管内的通道部分称为管程。 （1）换热管布置和排列间距
常用换热管规格有 巾19X 2 mm巾25X 2 mm（1Crl8Ni9Ti）、巾25X 2.5 mm（碳钢
10）。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径， 可排列较多的
管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。 换热管管板上的排列方式有正方形直列、
心圆排列，如图1-4所示。
正方形错列、三角形直列、三角形错列和同
图1-4换热管在管板上的排列方式
（A）正方形直列
（D）三角形错列
（B）正方形错列
（C）
三角形直列
（巳同心圆排列
正三角形排列结构紧凑；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。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角 形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。 （2）管板
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。
管板与管子的连接可胀接或焊接。 胀接法是利用胀管器将管子扩胀， 产生显著的塑性 变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。 胀接法一般用在管子为碳素钢， 管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过 4 MPa,设计温度不超过350C的场合。 (3) 封头和管箱
5
封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。
① 封头当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头 与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。
② 管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱 ，壳径较大的换热器大多采用管 箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。
③ 分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器， 在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。 这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达 16程，常用的有2、4、6程。在布 置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板 的泄漏，以防止流体的短路。
1.7.2壳程结构
介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。
壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组 成。由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程内对各种元件的设置形式亦 不同，以此来满足设计的要求。各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类： 一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热设备的传热效果而设置的各 种挡板，如折流板、纵向挡板。旁路挡板等；另一类是为了管束的安装及保护列管而 设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。 (1) 壳体
壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进人和排出之用。直径 小于400mm勺壳体通常用钢管制成，大于 400mrn的可用钢板卷焊而成。壳体材料根 据工作温度选择，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。
介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。如壳侧传热膜系数远 小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。用两个换热器串联也可得到同样的效 果。为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。 (2) 缓冲板
在壳程进口接管处常装有防冲挡板， 或称缓冲板。它可防止进口流体直接冲击管 束而造成管子的侵蚀和管束振动，还有使流体沿管束均匀分布的作用。 也有在管束两 端放置导流筒，不仅起防冲板的作用，还可改善两端流体的分布，提高传热效率。 （3）其他主要附件
① 旁通挡板 如果壳体和管束之间间隙过大，则流体不通过管束而通过这个间隙 旁通，为了防
6
止这种情形，往往采用旁通挡板。
② 假管 为减少管程分程所引起的中间穿流的影响，可设置假管。假管的表面形 状为两端堵死的管子，安置于分程隔板槽背面两管板之间但不穿过管板， 焊接以便固定。假管通常是每隔3~4排换热管安置一根。
③ 拉杆和定距管为了使折流板能牢靠地保持在一定位置上，通常采用拉杆和定 距管。
可与折流板
1.8列管式换热器及全凝器的设计计算
1.8.1设计步骤
目前，我国已制订了管壳式换热器系列标准， 设计中应尽可能选用系列化的标准 产品，这样可简化设计和加工。但是实际生产条件千变万化，当系列化产品不能满足 需要时，仍应根据生产的具体要求自行设计非系列标准的换热器。此处将扼 这两者的设计计算的基本步骤。
（1）非系列标准换热器的一般设计步骤
① 了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能。
② 由热平衡计算传热量的大小，并确定第二种换热流体的用量。 ③ 决定流体通入的空间。
④ 计算流体的定性温度，以确定流体的物性数据。 ⑤ 初算有效平均温差。一般先按逆流计算，然后再校核。 ⑥ 选取管径和管内流速。
⑦ 计算传热系数K值，包括管程对流传热系数和壳程对流传热系数的计算。
由于 要介绍
壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关，因此一般先假定一个壳程对流传热系数， 以计算K值，然后再作校核。
⑧ 初估传热面积。考虑安全系数和初估性质，常取实际传热面积是计算值的
1.15~1.25 倍。
(2)系列标准换热器选用的设计步骤
①至⑤步与(1)相同。
⑥ 选取经验的传热系数K值。 ⑦ 计算传热面积。
⑧ 由系列标准选取换热器的基本参数。
⑨ 校核传热系数，包括管程、壳程对流传热系数的计算。假如核算的
7
K值与
原选的经验值相差不大，就不再进行校核；如果相差较大，则需重新假设K值并重复 上述③以下步骤。
⑩ 校核有效平均温差。
1.8.2设计计算主要公式
传热速率方程式
Q=KSAt m
Q 传热速率(热负荷)，W K --- 总传热系数，w/(m)；
2
S――与K值对应的传热面积，m；
A tm平均温度差，C。
(1)传热速率(热负荷)Q
①传热的冷热流体均没有相变化，且忽略热损失，则
Q=VhCph(Tl-T2)=VCCpc(t 2-t 1) W—流体的质量流量，kg/h或kg/s ; cp――流体的平均定压比热容，kJ/(kg •C)；
T――热流体的温度，C； t――冷流体的温度，C。
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②流体有相变化，如饱和蒸汽冷凝，且冷凝液在饱和温度下排出，则
Q=Vhr=VCCpc(t2-tl)
W饱和蒸汽的冷凝速率，kg/h或kg/s ; r ――饱和蒸汽的气化热，kJ/kg。
(2)平均温度差△ tm ① 恒温传热时的平均温度差 △ t m=-1
② 变温传热时的平均温度差 逆流和并流
8
出口。如＞2 丝
拉二 % 一％ 瑶血电
U
色^2 加彳 加—山2十血】 琳 2
式中△ t1、△ t2――分别为换热器两端热、冷流体的温差，C。 错流和折流
比=0曲
't――按逆流计算的平均温差，C；
二!一一温差校正系数，无量纲，：上■-''
，I
，J1
/-£]_冷流体的温升
二乔打二两流体的最初温差
7[-T2 _热流体的温降
二芦二冷流体的温升
温差校正系数迁!根据比值P和R通过图2-10~图2-13查出。该值实际上表 示特定流动形式在给定工况下接近逆流的程度。 在设计中，除非出于必须降低壁温 的目的，否则总要求九二「，如果达不到上述要求，贝U应改选其他流动形式。
(3) 总传热系数K(以外表面积为基准)
K = ------------- J -----------
土+
w
R虫+笙+& +丄 码a F仏 龟
2
式中K——总传热系数，W/(mi •T );
a i， a o ----- 传热管内、外侧流体的对流传热系数， W/(m •T );
9
Rsi, Rs ------- 传热管内、外侧表面上的污垢热阻， di , do, dm ---- 传热管内径、外径及平均直径，
入 -- 传热管壁导热系数， W/(m •C )；
m2/W; m
b ----- 传热管壁厚，m。
(4) 对流传热系数
传热膜系数的关联式与传热过程是否存在相变、换热器的结构及流动状态等因素
有关。关于传热膜系数的关联式很多，在选用时应注意其适用的范围。
k — 0.8 f 0.4 h = 0.023 —Re Pr
di
ho = [0.725
nd ta —tw
]
入 冷凝液的导热系数，w/ mC p ――冷凝液的密度，kg/ m
1――冷凝液的粘度，pa • S
n――水平管束在垂直列一的管数；
(5) 污垢热阻
在设计换热器时，必须采用正确的污垢系数，否则热交换器的设计误差很大。因
此污垢系数是换热器设计中非常重要的参数。污垢热阻因流体种类、操作温度和流速 等不同而各异。
1.8.3流体流动阻力计算主要公式
流体流经列管式换热器时由于流动阻力而产生一定的压力降， 必须满足工艺要求的压力降。 (1) 管程压力降
多管程列管换热器，管程压力降刀 △ Pi :
所以换热器的设计
△ Pi=( △ P1+A P2) Ft NsN3
式中A P1—直管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa；
A P2—回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa；可由经验公式 V算; Ft ----- 结垢校正系数，无因次，巾25X 2.5mm的换热管取1.4 ;巾19X 2mm的换
热管取1.5 ;
Ns――串联的壳程数; N3――管程数。
10
(2) 壳程压力降
① 壳程无折流挡板 壳程压力降按流体沿直管流动的压力降计算，以壳方的当量直 径de代替直管内径di。
② 壳程有折流挡板计算方法有Bell法、Kern法、Esso法等。Bell法计算结果与 实际数据一致性较好，但计算比较麻烦，而且对换热器的结构尺寸要求较详细。 工程 计算中常采用Esso法，该法计算公式如下：
E A Po=( △ P' 1 + A P' 2)FtNs
式中A P' 1——流体横过管束的压力降，Pa；
A P' 2――流体流过折流挡板缺口的压力降，Pa；
Ft ――结垢校正系数，无因次，对液体 Ft=0.15 ;对气体Ft=1.0 ;
畤恥(必+1俘 皆理(3,5晋肖
式中F――管子排列方式对压力降的校正系数：三角形排列
F=0.3，正方形错列F=0.4 ;
fO一一壳程流体的摩擦系数，fO=5.0X Reo-0.228( Re>500); nc ---- 横过管束中心线的管数， B —折流板间距，m
D——壳体直径，m
N3――折流板数目；
uO一一按壳程流通截面积 SO(SO=h( D- ncdO))计算的流速，m/s。
11
，正方形直列
F=0.5
12
第二章工艺计算
2.1全塔物料衡算:
(1) 粗馏原料: 粗酒精含乙醇 50%由20C预热至泡点81.9 C
(2) 塔顶产品: 含乙醇不低于 92% 78.3 C蒸汽冷凝为饱和液体回流，产品冷却 为35 C液体储存
(3) 塔底残液: 含乙醇不高于 0.5%, 99.3 C冷却为35E液体
50
XF = --------- 46 二 0.28
50/ +50 /
46
18
92 XD =——46
0.82
92/ + 8/
46 18
0.5
Xw = = ------ - ------- - =0.002
0.5/ +99 .5 /
D = 3.4 *10 7200
= 4722 .22 kg /h ；
进料平均摩尔质量:
Mm = XFMA + (1-XF)MB = 0.28X 46 + (1 - 0.28) X 18 =25.88g / mol
塔顶出料平均摩尔质量：
Mm = XDMA + (1-XD)MB = 0.82X 46+ (1 - 0.82) X 18
=40.91 g
塔底出料平均摩尔质量:
/ mol
M m = XwM A + (1 — Xw)M B
= 0.002
46 - (1 -0.002 )
18 =18 .05 g/ mol
由公式：
F = D + W
Fxf = D • XD + W • Xw 得：F =339.66kmol/h; W = 224.22kmol/ h
L
13
R =
D
2
V = L + D = (R+ 1) D =3D =346.29kmol / h L = 230.86 kmol/ h
2.2主体设备主要工艺尺寸的设计计算
2.2.1塔顶全凝器的设计计算
(一) 确定设计方案
1、 选择换热器的类型
两流体温度变化情况：热流体进口温度
78.3 C,出口温度35C ;冷流体15C,
出口温度25E，此过程流体温度变化不大，所以可选固定管板式换热器。
2、 流动空间及流速的确定
由于冷却水易结垢，为在日后操作中便于水垢清洗，应使冷却水走管程，热流 体走壳程。
(二) 确定定性温度下物性数据
管程热流体的定性温度T=78.3 C 壳程冷却水的定性温度T=
15
' 25 =20 C
2
根据定性温度可分别查出相关物性参数
(1)质量分率为92% (摩尔百分数为82%的乙醇在78.3 C下相关参数：
r =962.3 kJ /kg ； CP h=3.84kJ/kg ・°C； k = 0.1897w/m - °C
3
p h = 748.76 kg/ m3;卩=0.476X 10 pa • S
(2) 质量分率为92% (摩尔百分数为82%的乙醇在78.3 C蒸汽下相关参数：
p h=1.2kg/ m3;卩=0.010337X 10 pa • S
-
3
冷却水在20 C下的相关物性参数：
p h = 998.2 kg/ m3; CP c=4.18kJ/kg •C ; k = 0.5989w/m •C
14
卩=1.005X 10? pa • S；r =850kJ / kg
（三）计算总传热系数
1、热负荷：Q =w乙醇「乙醇=14166 .72
3600
I。。。=3786843W
962.3
2、冷却水的消耗量： W=
Q
=
3786843
(25 -15)
Cpc( t2 -t1) 4.18 10 T y
-90.53kg/s
3平均传热温差:
、
92汇醇 78.3 C
冷却水
78.3 C 15C 63.3 C
25 C
△ t
53.3
C
Lt Lti
263.3 -53.3
一
.：m 二
In ■\"^1
.迤
63.3
ln ------- 53.3
二 58 C
「-T2
R
t
2 - t1
78.3 — 78.3
---------- 0 25 -15
t2
P -
-t1
25 -15 78.3-15
0.158
_ 1
t
由图查得校正系数[=1
所以.％= [t,「tm =1 58=58C
（四） 选K值,估算传热面积
取 K=570 W/（m「C）
S=
Q 3786843
=114 m2
K（t2-t
）
570 58
（五） 初选换热器型号
由固定管板式换热器的系列标准，初选型号为 主要参数如下： 外壳直径 G800I-0.6-110
800 mm 110 m2 公称压力 管子尺寸 0. 6MPa 公称面积 6 25 X 2.5 15
管子数 管中心距 管子排列方 式
501 32 正三角形 积 管长 管程数 管程流通面 3000 m 1 0. 1574 m2 实际换热面积：SO二n二do
(L -0.1) =501 X 3.14 X 0.025 (3-0.1 )
=114.1 m
采用此换热面积的换热器,
则要求过程的总传热系数为:
= 570 .7W /(m2 ・°C)
3786843 114
58
（六）核算压降
①管程压降
EA Po=Q日+厶P2）FtNs其中选用© 25X 2.5伽的碳钢管
90.53
：■ * Ai 998 .2
Ft=1.4;Ns=1;Np=1
管程流速：u i =0.576 m / s
0.1574
0.576 1.005
998 .2 10
Re i
di*「
0.02
= 11446 (>10000)
Z 0.1
0 .005
对于碳钢管，取管壁粗糙度& =0.1
mm
di 20
由入一Re关系图中查得 入=0.028
△ P1=& 皿=0.028 汇丄-
L998.22_0.576
2
=696Pa
Di 2 0.02
△
P2=3
998 .2 0.576
2
=497Pa
Pi=(696+497) X 1.4 X 1X 仁 1671Pa<50KPa
②壳程压降Po=( A P' 1+A P' 2)FtNs 其中 Fs=1,Ns=1
管子为正三角形排列 F=0.5,Nc=1.1 =1.1.501 = 24.6
16
取折流挡板间距Z=0.3
NB = 一仁
L
3 0.3
.1=9
1 5
D 2 -ncd0)=0.3 (0.8-24.6 0.025) =0.0553 m UO= Vs 14166 .7 748 .76 0.0553 =0.0950 m / s 6 Ao 3600 Reo=dou。二 0.。25 O.。950 0.01 10 - \"8.7 ,782 .顶 Fo=5.0Re-0.228 =5.0(3782) -0.228 =0.76 2 748.76 0.0950 △ P； =0.5 X 0.76 X 24.6 X 10X = 317.7 Pa △ P2' =N (3.5-2ZphU^=9X (3.5-- °^)X B 748.76 0.0950 2 2 D 2 0.8 = 92.8 pa Po= 317.7+92.81 仁411Pa<50KPa 计算结果表明管程和壳程的压降均能满足设计条件 (七)核算总传热系数 ①管程对流传热系数 Rei=11446 (>10000) 3 _3 ()X X ， Pri= 4.18 10 1 .005 10 k —0.8 — 59.89 Re Pr di 0.4 7 hi= 0.023 / g.8 =0.023X -------- X(11446 ) :<7 0.02 c ccc、，0.5989 0 4 = 3703 w/ m「°C ②壳程对流传热系数ho = 0.725【 1/ 4 n 卩 d ta - tw 将588根管排列nc= 0.75 n1 • n 2 亠 亠 nz 26 .7 0.75 “ “ 0.75 n1 • n 2 亠 亠 nz 设壁温为31摄氏度 17 2 3 ho= 0.725 【 962.3 rp g 入 nd ta -tw 1000 1/ 4 0.25 =0.725 748 .76 2 9.81 0.025 0.1897 47 .3 24.6 0.000476 =1417w加「C 壁温校正，据经验公式: t 0 t w - ti - 亠 Rso h。 ③污垢热阻 1 1 hi 参考附录,管内,外侧污垢热阻分别取 Rsi=0.000172卅・C /w, Rso=0.00008598 m2^C / 所以tw =32.7与估计值不超过2摄氏度，符合设计要求。 do do ----- Rsi — Rso — dihi 0.025 K= 0.00008598 0.000172 1 di ho 0.025 1 3703 0.02 0.02 1417 =705.7 K计/K选=705.7/571=1.23故所选换热器符合要求，安全系数为：705 .7…57〔 = 23 % 571 设计结果为选固定管板式换热器加膨胀节，型号： G800I-0.6-110 （八）接管 (1)料液蒸汽进口接管： Vs= 3600 1.2 =3.28 取 u=35m/s, =0.345m \\ 3.14 汉 35 则接管内径 d=］丝 =J ~ \\ nu 根据管子规格，取标准管径为-377 15 口耐勺普通无缝钢管。 18 核算流速：di =377-15 2=0.347m u = 4 3.28 2 = 34 . 7 m / s 3.14 x0.347 校核合格. (2)冷却水进、出口接管 Vs= 325905_77_ =0.0907 m3/h 取 u=2.5m/s , 3600 则接管内径 d= = 4V 4 0.0907 998 .2 =0.215m \\ nu \\ 3.14 汉 2.5 245 14 mm的普通无缝钢管。 根据管子规格，取标准管径为 核算流速：di =245-14 2=0.217m 4 0.0907 u = 3.14 疋 0.215 2 = 2.50 m / s 校核合格. （3）料液冷凝液出口接管 14166 .72 748 .76 3600 3 Vs= ----------------- =0.00526 m / h 取 u=1.5m/s， d= 4 0.00526 :3.14 1 .5 廿 =0.0668m 76 4.0 mm的普通无缝钢管 根据管子规格，取标准管径为 核算流速：di =76-4.0 2=0.068m 4 0.0526 u = --------------------- - = 1 .45m / s 3.14 X0.068 校核合格. 2.2.2原料液预热器的设计计算 (一)确定设计方案 1.选择换热器的类型 两流体的温度变化情况：预热器中用120C水蒸汽对52C原料液进行加热，加热至 81.9°C。可选管板式换热器。 19 2、 流动空间及流速的确定 由于用120C水蒸汽加热，冷流体为50%勺乙醇溶液，为防结垢，所以使原料液走 管程式，水蒸汽走壳程，选用© 25X 2.5伽碳钢管。 （二）确定物性数据 定性温度：取流体进出口温度的平均值。 壳程水蒸汽的定性温度T = 120二!120 /20 C 2 管程原料液的定性温度T = 52 +81~ =66.95 C 2 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的相关物性数据。 120C水定性物性参数： p h = 943.1 kg/ m3； CP h= 4.26 kJ / kg「C ; k = 0.686w/m - C u =28.38X 10 pa • S 120C时的水蒸汽的定性参数： 5 -5 p h= 1.12 kg/ m3；u = 1.27X 10 pa • S; r =2205.24kJ/kg. 原料液定性温度下相关数据： p c = 849.75 kg/ m3; CP c= 3.78kJ/ kg •C ; k =0.460w/m • C u =0.593X 10 pa • S; （三）热负荷计算 -3 3、 热负荷计算及温度校核 Q= WcCpc（t2 —11）= - : 3.78 10 3600 7940 3 , * 81.9 -50 =276127.8W 水蒸汽用量：W= Q = 276127.8 3=450.77 kg/h 27612r 2205 .8 00 则原料液的终温t2 = 一一= Q7 .8 十20 =52.4°C WF .Cpc 8790 .4 x 3.78 假设正确，所以原料液的终温T2=52C 20 4、 计算平均温差 蒸汽 120―― 120 水 81.9——50 △ t 38.1 ——70 38.1 -70 38.1 ln ------ 70 -52.4 C ’ (四) 选K值,估算传热面积 取 K=500 W/(mi •C) S= Q 276127 .8 500 52.4 =10 m2 — (五) 初选换热器型号 由固定管板式换热器的系列标准，初选型号为： 主要参数如下：主要参数如下： 外壳直径 公称面积 管子数 管中心距 管子排列方 G400 V -1.6-10 400 mm 10 im2 86 32 正三角形 积 公称压力 管子尺寸 管长 管程数 管程流通面 1. 6MPa © 25 X 2.5 1500 m 4 0.0068 m 式 实际换热面积： SO 二n 二 d°(L -0.1)=86X 3.14 X 0.025 (1.5-0.1 ) =9.5mi 采用此换热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为： K。=-Q=556.9 w/m C S。At m 21 (六) 核算压降 22 ① 管程压降 EA Po=(P i+A P2)FtNs 其中选用门 25X 2.5 伽的碳钢管 Ft=1.4;Ns=1;Np=4 管程流速：Ui - W Ai 0.425 m /s d u P Re = diUi =12183.6 (>10000) 对于碳钢管，取管壁粗糙度& =0.1 mm 名 0.1 di 20 0.005 由入一Re关系图中查得 入=0.033 P1 = L PUi Di 2 2 2 0.033 1.5 0.02 998.2X0.425 193 Pa P2 = 3 998 .2 0.425 2 = 231 Pa EA Pi=(193+231)x 1.4 x 1 x 4=2370 Pa<50 KPa ② 壳程压降: EA Po=( A P' 1 + A P*NS)Ft其中 Fs=1.15, Ns=1 管子为正三角形排列 F=0.5, Nc=1.1 n =1.1. 86 =9 则选折流挡板间距为：Z=0.3m。 NB= J +1 =2 —1 =9 D 0.3 2 AO=Z(D —ncd 0)/ 2 = 0.0263 m UO= Vs =4.26 m/s AO d u Re 0 二 0 0 =9389.9>500 fo=5.0Re -0.228 -0.228 , =5.0(9389.9) =0.621 4.26 ― 2 A P1 =0.5X 0.621 x 9X 10x 1 .12 二 283 .9 Pa 23 2Z Pu 2 0.3 1.12 4.26 △ P2=NB(3.5 一) ________ 9(3.5 ________ ) ___________ 251.4 Pa D 2 0.4 2 ' 2 2 PO==( △ P' 1 + A P' 2)F 8N S9+251.4) x 1.15 1=535 Pa<50kPa 计算结果表明，管程和壳程的压降均能满足设计条件 （七）核算总传热系数 ①管程对流传热系数 Rei=12183.6(>10000) Pri= Cp 」3.78 k 10 3 5.93 10 - 3 二 4.88 0.460 k 0.8 0.4 hi= 0.023 一Re Pr di 0.5989 D 0 7 ---------- ：12183 .6 =(1 (—) )0.023X 0.02 L 0.8 0.4 4.88 J = 2853 w/tf・C 4 4 ②壳程对流传热系数 ho =0.725( n1 n2 ■ n1 • n2 0.75 0.75 r ；? 2 , 3 1 g k nc3 U d° ■： =t ) -nz 亠nz 3] 0.25 ~0.75 将177根管排列nc= - = 14.6，设壁温为72摄氏度。 2258 .4 X 958 .4 X 9.81 X 0.683 2 2 ho=0.725 9 x 2.838 X10 x 0.025 x 48 3 -4 =1049.7 w/tf^T 壁温校正 据经验公式: t 0 - t w t w - ti —R so 丄+ R. hi si h。 ③ 污垢热阻 参考附录，管内，外侧污垢热阻分别取 Rsi=0.000172 tfC /w, Rso=0.00008598 tf・C /w 所以tw -72.02与估计值72不超过1摄氏度。符合设计要求 24 K z： ---------------------------------------- do do 1 ------ :Rsi ——:Rso ■-—— dihi di ho 2583 °.° 0.02 25 =632.3 0.0008598 0.000172。曲 0.02 1049 .7 632 K计/K选=632.3/556=1.13,故所选换热器符合要求，安全系数为: 一556 .13% 556 .(八)接管 (1) 蒸汽进口接管 蒸汽体积流量Vs =0.112 m3 / s 取u=35 m/s则接管内径为 d= J 竺=0.0638 m 二u 根据管子规格, 取标准管径为 G - 70 3.0mm的普通无缝钢管 其内径为 d=70-6=0.064 m 重新核算流速 4 X 0.112 U= 2 = 34 .8 m / s 兀 X0.064 (2) 蒸汽冷凝液接管 VS 450 .77 3600 X 943.1 0.000130 取u=0.5m/s则接管内径为 d=竺=0.0182 m -二 u 根据管子规格，取标准管径为 d=32-6X 2=0.020m 重新核算流速u= ：•：」=32 6 mm的普通无缝钢管 ，其内径为 4 0.000130 厂 0.414 m/s 兀況0.020 (3) 原料液进口接管 原料液的体积流量 Vs= 8790 .4 0.00287 m3/s 3600 X 849.75 取u=2m/s则接管内径为 4Vs d= =0.0428 m 25 i 二 u 根据管子规格，取标准管径为 G = 57 7 mm的普通无缝钢管 ，其内径为d=57-7X 2=0.043 m 重新核算流速U= 4 0.00287 2 =1.98 m/s 兀 X 0.043 2.2.3塔顶冷却器的设计计算 （一） 确定设计方案 1、选择换热器的类型 两流体温度变化情况：热流体进口温度 78.3 C,出口温度35C ;冷流体15C, 出口温度2仁C，此过程流体温度变化不大，所以可选固定管板式换热器。 2、流动空间及流速的确定 由于冷却水易结垢，为在日后操作中便于水垢清洗，应使冷却水走管程，热流 体走壳程。 （二） 确定定性温度下物性数据 管程冷却水的定性温度T=壳程热流体的定性温度T=15 ' 21 =18 C 2 78.3 35 = 56.65 C 2 根据定性温度可分别查出相关物性参数 （1）质量分率为92% （摩尔百分数为82%的乙醇在56.65 C下相关参数： CP h=3.12kJ/kg •C； k = 0.1897w/m・ C p h = 767.65 kg/ m;卩=0.664X 10 pa • S 3-3 （2）冷却水在19C下的相关物性参数： p h = 998.2 kg/ m3; CP c=4.18kJ/kg •C ; k = 0.5989w/m •C 卩=1.035X 10 pa • S; -3 （三）计算总传热系数26 1、热负荷:Q = WhCP h (t? -ti )= 4722.24X 3.12(78.3-35) = 177309.9 w 冷却水的消耗量：W= 2、 Q Cpc（t2 -t1） 4.18 ______ 3 _______ =25426.9kg/h 10 3 (21-15) 177309.9 平均传热温差：92汇醇78.3 C 3、 冷却水 21 △ t 57.3 .：t m > 35 C • 15C 出一讥= 軽1 3 63.3 一 53.3 =58 ln心 63.3 In ------- 53.3 只 j二「=78.二78.3 =0 t2 -t1 25 -15 二t1—二一 “.158 p 二一 「—匕 78.3—15 2 t 2515 由图查得校正系数1=1 所以.vtm==..vtm=1 58=58C （四）选K值,估算传热面积 取 K=500 W/(mi「C) S= Q J77309.9 =10 K t2 —11 500 58 （五）初选换热器型号 由固定管板式换热器的系列标准，初选型号为 主要参数如下: 外壳直径 公称面积 管子数 管中心距 管子排列方式 G400 n -1.6-10 0.4m 10 m2 102 0.032m 正三角形 公称压力 管子尺寸 管长 管程数Np 管程流通面积 1. 6MPa 4)25X 2.5 1.5m 2 0.0160 tf 27 实际换热面积： SO 二n 二 do(L _0.1) =102X 3.14 X 0.025 (1.5-0.1 ) =11.2 采用此换热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为： Q K o 177309 .9 2 。 S。也tm 11.2X58 446 .1W /(m « C) (六) 核算压降 ① 管程压降 EA Po=Q日+厶P2)FtNs其中选用© 25X 2.5伽的碳钢管 Ft=1.4;Ns=1;Np=2 管程流速：Ui - Ai 998 .2 7.06 0.0160 998 .2 =0.442 m/ s Re 0.02 0.442 1 .035 X10 ° = 11269 (>10000) 对于碳钢管，取管壁粗糙度& =0.1伽 ；=由入一Re关系图中查得 入=0.036 0.1 二0.005 di 20 P1「 加 L Di 2 △ 2 998 .2 0.442 1 .5 998.2X 0.442 二 266Pa = 0.036 ■ 0.02 2 2 2 =292Pa Pi=(266+292) X 1.4 X 1X 2=558Pa<50KPa ② 壳程压降Po=( A P' 1+A P' 2)FtNs 其中 Fs=1.0,Ns=1 △耳二顷％僦+ 1)军 管子为正三角形排列 F=0.5,Nc=1.1 \" =1.1.102 =11.1 取折流挡板间距Z=0.085 1 5 D N B = …1 = Z 0.1 L 1=14 壳程流通面积 A。=z(D -ncd。)=0.1 (0.4-11.1 0.025) =0.010 m2 28 Vs 4722 . 24 0.164 m / s Ao 3600 767 .65 0.010 Reo=dou。' 0.025 0.164 767 .65 - 0.01 汉 10 13 二 4674 .8 . 500 Fo=5.QRe-0'228 =5.0(4674.8) -0'228 =0.728 △ P767 .65 0.164 1' =0.5 X 0.728 X 11.1 X 15X 二 722 .5 Pa r 2 2 J △ P2 = N B (3.5 2Z ——: u )——14(3.5 --------- 2 0.1 767 .65 ) 0.164 D 2 0.4 549 .2 Po=(722.5+549.2)X 1.0 X 仁 1272Pa<50kPa 计算结果表明，管程和壳程的压降均能满足设计条件 七) 核算总传热系数 ①管程对流传热系数 Rei=11269 (>10000) _3 Pri= 4.18 10 3 1 .005 10 59.89 hi= 0.023 —Re 0.8 —di Pr 0.4 =0.023X …5989 x(1.1269 X10 4 { 0.4 =2958 w/ m2 0.02 ②壳程对流传热系数 管子为正三角形排列 2 0. -d 2 4(一t 3 '•3 2 兀 0 de = 2 4 ) 4( ------- ： 0.032 -0.025 2 ) 2 4 = 0.02 m 二do 二 0.025 Ao= Z (D -ncd。)/4 = 0.00744 m2 壳程流速u=0.230 m/s 釜残液被冷却，取(一)0.14 =0.95 w 29 Pa ( k ho =0.36 (一) (— de d eU P C , , , 2 — ) 0.95 =844w/川 C 33 1 卩 ③ 污垢热阻 参考附录,管内,外侧污垢热阻分别取 Rsi=0.000172卅・C /w, Rso=0.00008598 m2^C / 1 K = ----------------------------------------- do do 1 ---- 亠Rsi——亠Rso —— dihi di ho K= 0.025 0.000172 0.025 ■:—— 2958 0.02 0.02 1 844 ■: 0.00008598 =501.5 K计/K选=501.5/446=1.12故所选换热器符合要求，安全系数为: 501 .5 -446 446 12 % （八）接管 (1)产品冷凝液进、出口接管: Vs= --------- . ------- =0.00171 3600 767 .65 4722 24 取 u=1m/s, 则接管内径d= _ 4 0.00171 V 3.14X1 =0.0467m 5 mm勺普通无缝钢管。 根据管子规格，取标准管径为-57 核算流速：di =57-5 2=0.047m 0.00171 u = 2 0.047 乂3.14 4 = 0.986 m / s 校核合格. (2)冷却水进、出口接管 Vs= 3600 — =0.00708 m3/ h 取 u=2m/s, 998 .2 f 4V 4 0.00708 则接官内径d= 勺 nu \\ 3.14 況 2 =0.0672m 30 根据管子规格，取标准管径为-76 4 mm勺普通无缝钢管。 核算流速：di =76-4.0 2=0.068m 0.00708 2 0.068 3.14 4 u 1.95m / s 校核合格. 2.2.4预热噐的设计计算 （一） 确定设计方案 1 •选择换热器的类型 热流体即流至塔釜的有机溶剂进行热量计算，算出其放出热量，其进口温度为 99.3 C,出口温度为35 E，冷流体进口温度15C,出口温度25C，此过程流体温度变 化小于50C，所以可选固定管板式换热器。 2 .流动空间及流速的确定 由于冷却水较易结垢，为便于清洗，应原料液走管程，乙醇蒸汽走壳程。选用© 25 X 2.5 mm碳钢管。 （二） 确定物性数据 定性温度：取流体进出口温度的平均值。 99 3 +35 1. 壳程乙醇的定性温度T = 管程冷却水的定性温度t = 5235 = 67.15 C 2 2 上20 = 36 C 2. 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的相关物性数据。 冷却水在20°C下的物 性质量分率为0.5%的乙 醇在参数 67.15 C时的物性参 数 密度kg/ m 3 979.3 998.2 31 定压比热容 4.18 4.18 kj/（kg C） 导热系数w/(m C) 粘度mPaS 0.6653 1.1 0.5989 1.005 （三）热负荷计算 利用试差法可以计算出釜残液带出热量能使 20C的原料液升高到的温度。即: Q=Cp（T1-T2） Wh =3650/3600 4.17 （99.3 -35）1000 =272683.2 W ⑴ Q=Wc*Cpc* ：t=4.17 1000 7940/3600 （T-20） 解得：T=50C 2.2.5塔底再沸器的设计计算 （一） 物料恒算 因为泡点进料q =1 所以 L=L • F =2 D • F =2 V ' =V =14166 .72 kg / h W =4048.11kg / h 4722 .22 - 8788 .18 =181332 .62 kg /h （二） 热负荷计算 查得乙醇蒸汽汽化热=812 kJ / kg 120°C水蒸气汽化热.■■：rh'^2205 .2kJ /kg '14166 .72 3 6 32 贝U Q =V「：rh 3600 Q 812 10 =3.2 10 w 3.2 106 ' 3 水蒸汽用量 Wh 1.45 kg /s △ r h 2205 .2 0033 第3章设计结果概要或设计一览表 塔顶全凝器主要结构尺寸 换热器：固定管板式 换热面积（m2）: 110 工艺参数 名称 管程 壳程 物料 冷却水 乙醇 名称 流量 325905.7 12916.1 Kg/h 流体 988.2 748.76 密度 Kg/m3 流速 0.576 0.0950 m/s 程数 1 1 附图: 34 III I I I III 推荐 使用材料 碳钢 碳钢 管子 规格 管间 距mm ©25 X2.5 管数 501 管长mm 30000 32 排列方式 正三角形 折流 板型式 流体 内径mm 间距 切口高度 mm 800 保温层厚度mm 35 参考文献 [1] .柴诚敬，张国亮•化工流体流动与传热[M].北京:化工工业出版社，2003. [2] .姚玉英等.化工传质与分离[M].天津:天津科技技术出版社,2001. [3] .贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计[M]天津:天津大学出版社,2006 [4] .化工工程手册编委会.化工工程手册第1篇,化工基础数据[M].北京:化工工业出 版社.1989. [5] .贺运初.换热器的传热强化与优化[J]设计化工装备技术.1997,18(2)25-28 36 附图 P4.8.7上 1 o o o O 荷亠量爆3TJS揪0 0,5 0>6 0.7 0.8 0.9 E0 売侧1程，管侧3、氣9程 表1-对数平均温度差校正系数值 管程 水（流速为0.9〜 壳程 水（流速为0.9〜1.5m/s ） 「 水（流过较咼时） 轻有机物 卩v0.5mPa・s 中有机物 卩=0.5〜1 mPa・s 重有机物 卩＞ l mPa -s 轻有机物 卩v0.5mPa・s 有机溶剂卩=0.3〜 总传热系数/ [ W/( m • K)] 1.5m/s） 水 冷水 冷水 冷水 盐水 有机溶剂 轻有机物卩＜ 582〜698 814〜1163 467〜814 290〜698 116 〜467 233〜582 198〜233 233〜465 116〜349 0.55mPa・s 轻有机物 卩v0.5mPa・s 中有机物 卩=0.5〜1 mPa・s 0.5mPa・s 中有机物卩=0.5〜1 mPa-s 37 重有机物卩＞ l mPa-s 水（流速为1m/s） 水 水溶液卩v 2mPa・s 水溶液卩＞2mPa-s 重有机物 卩＞ l mPa -s 水蒸气（有压力）冷凝 水蒸气（常压或负压）冷凝 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝 58 〜233 2326〜4652 1745〜3489 1163〜1071 582〜2908 582〜1193 291〜582 114〜349 582〜1163 116〜349 58 〜174 582〜1163 174〜349 814〜1163 698〜930 756 有机物 卩v0.5mPa・s 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝 有机物卩=0.5〜1 mPa-s 有机物卩＞ 1mPa・s 水 水 水 水 水 水 水 水 水蒸气冷凝 有机物蒸汽及水蒸气冷凝 重有机物蒸汽（常压）冷凝 重有机物蒸汽（负压）冷凝 饱和有机溶剂蒸汽（常压）冷 凝 含饱和水蒸气的氯气（V 50C） SO2冷凝 NH3冷凝 氟里昂冷凝 表2-管壳式换热器总传热系数K的推荐值 污垢热阻 m流体名称 有机物蒸 汽 溶剂蒸汽 天然气 焦炉气 水蒸汽 「c /W 流体名 称 有机物 污垢热阻m・c /W 流体名 称 石脑油 煤油 汽油 重油 污垢热阻 m -c /W 1.7197 X 10-4 1.7197 X 10-4 1.7197 X 10-4 8.5980 X 10-4 0.8598 X 10-4 1.7197 X 10-4 1.7197 X 10-4 0.8598 X 10-4 5.1590 X 10-4 1.7197 X 10-4 盐水 1.7197 X 10-4 熔盐 1.7197 X 10-4 植物油 0.8598 X 10-4 原油 沥青油 1.7 197X 10-3 (3.4394~12.098) X 10-4 表3-壁面污垢热阻系数 38 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容