精餾塔設(shè)計(jì)換熱器選型.doc

前 言工業(yè)生產(chǎn)過程中，兩種物流之間熱的交換通過換熱器實(shí)現(xiàn)。在石油、化工、食品加工、輕工、制藥等行業(yè)的生產(chǎn)過程中，換熱器是通用工藝設(shè)備，可用作加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，換熱器類型，性能各異，但設(shè)計(jì)所依據(jù)的傳熱基本原理相同，不同之處是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要根據(jù)各自設(shè)備特點(diǎn)采用不同的計(jì)算方法。為此，本次僅對(duì)設(shè)計(jì)成熟，應(yīng)用廣泛的列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)作介紹。列管式換熱器的應(yīng)用已有悠久的歷史。在很多工業(yè)部門中，列管式換熱器仍處于主導(dǎo)地位，隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)，換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理的研究十分活躍，一些新型的高效換熱器相繼問世。本次設(shè)計(jì)任務(wù)是年產(chǎn)3.4萬噸酒精精餾系統(tǒng)換熱器設(shè)計(jì)，其中包含了生產(chǎn)工藝流程中五個(gè)換熱器：原料預(yù)熱器，塔頂全凝器，塔底冷卻器，塔頂冷卻器和再沸器。選取了三個(gè)換熱器對(duì)其進(jìn)行了精算，經(jīng)反復(fù)選擇與核算之后，選取了合適的換熱器類型及其結(jié)構(gòu)尺寸等其他工藝指標(biāo)要求。對(duì)其余兩個(gè)換熱器做了冷熱流體的物料衡算，以及對(duì)換熱器的初步選型。 此次設(shè)計(jì)參考了較多的文獻(xiàn)資料，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求采用了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算方法和精確嚴(yán)密的計(jì)算步驟，設(shè)計(jì)出了較符合生產(chǎn)需求，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，安全可靠，操作簡(jiǎn)便，易于清洗、維修的列管式換熱器。 第一章 概 述1.1設(shè)計(jì)設(shè)備在生產(chǎn)中的作用在工業(yè)生產(chǎn)中，要實(shí)現(xiàn)熱量的交換，須采用一定的設(shè)備，此種交換熱量的設(shè)備稱為換熱器。換熱器作為工藝過程必不可少的單元設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于石油、化工、動(dòng)力、輕工、機(jī)械、冶金、交通、制藥等工程領(lǐng)域中，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱器投資約占裝置建設(shè)總投資的30%-40%；在合成氨廠中，換熱器占全部設(shè)備總臺(tái)數(shù)的40%，由此可見，換熱器對(duì)整個(gè)企業(yè)的建設(shè)投資及經(jīng)濟(jì)效益有著重要的影響。1.2設(shè)計(jì)工藝流程示意圖原料液原料液預(yù)熱器再沸器精餾塔分配器釡液貯罐冷卻器塔頂冷凝器預(yù)熱器器產(chǎn)品貯罐圖解：原料液通過原料液預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入精餾塔，被成功加熱后成為原料蒸汽進(jìn)入塔頂冷凝器被冷卻水冷卻成為液體，再進(jìn)入分配器，經(jīng)過二次冷卻成為產(chǎn)品進(jìn)入貯罐。而從塔底出來的一部分釜?dú)堃哼M(jìn)入第一次預(yù)熱器對(duì)原料液進(jìn)行第一次加熱，另一部分通過再沸器達(dá)到預(yù)期需要的溫度后回到精餾塔，此過程循環(huán)進(jìn)行。1.3流程方案在進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求確定換熱系統(tǒng)的流程方案并選用適當(dāng)類型的換熱器，確定所選定換熱器中流體的流動(dòng)空間及流速等參數(shù)，同時(shí)計(jì)算完成給定生產(chǎn)任務(wù)所需的傳熱面積，并確定換熱器的工藝尺寸。隨著環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，節(jié)約能源，減少熱污染等問題在換熱器設(shè)計(jì)中已成為必須考慮的問題，如何在滿足工藝要求的前提下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保，是流程方案確定的主要任務(wù)，經(jīng)過慎重考慮確定出的流程方案最終表現(xiàn)在流程方案說明和流程圖上。具體流程方案說明如下：由于任務(wù)要求以下所用換熱器均為列管式換熱器中的一種固定管板式換熱器。（1）原料預(yù)熱器流經(jīng)此預(yù)熱器的是酒精和水蒸氣兩種流體，由于飽和蒸汽通入殼程便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，殼程可不必清洗，除此之外，水蒸氣在有折流板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，使流體在很低的Re下即可達(dá)到湍流，將它安排在殼程提高了對(duì)流傳熱系數(shù)，降低了熱阻，使總傳熱系數(shù)增加，所需傳熱面積減少，設(shè)備費(fèi)用降低，所以，安排水蒸氣走殼程，原料液走管程。（2）塔頂全凝器流經(jīng)此換熱器的是酒精蒸汽和冷卻水兩種流體，由于蒸汽走殼程可及時(shí)排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，殼程可不必清洗。為了便于清洗，應(yīng)使酒精蒸汽走殼程，冷卻水走管程。（3）塔底冷卻器流經(jīng)此換熱器的是0.5%殘液和水蒸氣，考慮到冷卻水較酒精易結(jié)垢和冷卻，安排酒精走殼程，冷卻水走管程。1.4設(shè)備方案本次設(shè)計(jì)所有換熱器均為固定管板式換熱器，它是列管式換熱器中的一種，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，造價(jià)低廉，操作彈性大，應(yīng)用材料廣，適應(yīng)性強(qiáng)，歷史悠久，設(shè)計(jì)資料完善。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，在相同的殼體直徑內(nèi)排管數(shù)最多，旁路最少，每根換熱管都可更換，且管內(nèi)清洗方便，但缺點(diǎn)是殼程不易機(jī)械清洗，當(dāng)換熱管束與殼體內(nèi)通過流體的溫差大于50時(shí)，由于熱應(yīng)力而引起管子彎曲或使管子從管板上拉脫，因此，需在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)。固定管板式換熱器適用于流體清潔且不易結(jié)垢，兩流體溫差不大或較大但殼程壓力不高的場(chǎng)所。分別介紹各個(gè)換熱器的設(shè)備方案（1）原料預(yù)熱器兩流體溫度變化情況：水蒸氣進(jìn)口溫度為120，出口溫度為120（液體），酒精進(jìn)口溫度20，出口溫度81.9.兩流體溫差為69.0550，需要考慮補(bǔ)償，選用帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。（2）塔頂全凝器兩流體溫度變化情況：酒精進(jìn)口溫度78.3（蒸汽），出口溫度78.3（液體）。冷卻水進(jìn)口溫度15，出口溫度25，兩流體溫差58.350,則選帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。（3）塔底冷卻器兩流體溫度變化情況：0.5%乙醇進(jìn)口溫度99.3，出口溫度35，冷流體進(jìn)口溫度15，出口溫度25，兩流體溫差57.1550，需要考慮溫度補(bǔ)償，所以選擇帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。1.5換熱器的結(jié)構(gòu)形式1.管殼式換熱器管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，造價(jià)低廉，用材廣泛，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為以下幾種：（1） 固定管板式換熱器固定管板式換熱器兩端的管板與殼體連在一起，這類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于50且殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，其膨脹節(jié)的彈性變形可減小溫差應(yīng)力，這種補(bǔ)償方法適用于兩流體溫差小于70且殼方流體壓強(qiáng)不高于600Kpa的情況。（2） 浮頭式換熱器浮頭式換熱器的管板有一個(gè)不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)。浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清洗和檢修，適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱，應(yīng)用極為普遍，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。（3） 填料涵式換熱器填料涵式換熱器管束一端可以自由膨脹，與浮頭式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但殼程流體有外漏的可能性，因此殼程不能處理易燃，易爆的流體。2.蛇管式換熱器蛇管式換熱器是管式換熱器中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，操作最方便的一種換熱設(shè)備，通常按照換熱方式不同，將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。3.套管式換熱器 套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管，其內(nèi)管用U型時(shí)管順次連接，外管與外管互相連接而成，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要增減，適當(dāng)?shù)剡x擇管內(nèi)、外徑，可使流體的流速增大，且兩種流體呈逆流流動(dòng)，有利于傳熱。此類換熱器適用于高溫，高壓及小流量流體間的換熱。1.6 材質(zhì)的選擇在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器各種零、部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度。流體的腐蝕性能以及對(duì)材料的制造工藝性能等的要求來選取。當(dāng)然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟(jì)合理性。一般為了滿足設(shè)備的操作壓力和操作溫度，即從設(shè)備的強(qiáng)度或剛度的角度來考慮，是比較容易達(dá)到的，但材料的耐腐蝕性能，有時(shí)往往成為一個(gè)復(fù)雜的問題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會(huì)影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。 一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 （1）碳鋼 價(jià)格低，強(qiáng)度較高，對(duì)堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。如一般換熱器用的普通無縫鋼管，其常用的材料為10號(hào)和20號(hào)碳鋼。 （2）不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的18-8奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。1.7 列管式換熱器的結(jié)構(gòu)1.7.1 管程結(jié)構(gòu)介質(zhì)流經(jīng)傳熱管內(nèi)的通道部分稱為管程。 （1）換熱管布置和排列間距 常用換熱管規(guī)格有192 mm、252 mm(1Crl8Ni9Ti)、252.5 mm(碳鋼10)。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較?。煌瑫r(shí)，對(duì)于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面積的金屬耗量更少。換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯(cuò)列、三角形直列、三角形錯(cuò)列和同心圓排列，如圖1-4所示。 （A）（B）（C） （D）（E）圖 1-4 換熱管在管板上的排列方式(A) 正方形直列 （B）正方形錯(cuò)列 (C) 三角形直列 （D）三角形錯(cuò)列 （E）同心圓排列 正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國(guó)換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯(cuò)列排列居多，也有正三角形排列。 （2）管板 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。 管板與管子的連接可脹接或焊接。脹接法是利用脹管器將管子擴(kuò)脹，產(chǎn)生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達(dá)到密封緊固的目的。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力不超過4 MPa，設(shè)計(jì)溫度不超過350的場(chǎng)合。 （3）封頭和管箱 封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。封頭 當(dāng)殼體直徑較小時(shí)常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。 管箱 換熱器管內(nèi)流體進(jìn)出口的空間稱為管箱,殼徑較大的換熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。由于清洗、檢修管子時(shí)需拆下管箱，因此管箱結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝拆。分程隔板 當(dāng)需要的換熱面很大時(shí)，可采用多管程換熱器。對(duì)于多管程換熱器，在管箱內(nèi)應(yīng)設(shè)分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質(zhì)流速，增強(qiáng)傳熱。管程多者可達(dá)16程，常用的有2、4、6程。在布置時(shí)應(yīng)盡量使管程流體與殼程流體成逆流布置，以增強(qiáng)傳熱，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)防分程隔板的泄漏，以防止流體的短路。1.7.2 殼程結(jié)構(gòu)介質(zhì)流經(jīng)傳熱管外面的通道部分稱為殼程。殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要由折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件組成。由于各種換熱器的工藝性能、使用的場(chǎng)合不同，殼程內(nèi)對(duì)各種元件的設(shè)置形式亦不同，以此來滿足設(shè)計(jì)的要求。各元件在殼程的設(shè)置，按其不同的作用可分為兩類：一類是為了殼側(cè)介質(zhì)對(duì)傳熱管最有效的流動(dòng)，來提高換熱設(shè)備的傳熱效果而設(shè)置的各種擋板，如折流板、縱向擋板。旁路擋板等；另一類是為了管束的安裝及保護(hù)列管而設(shè)置的支承板、管束的導(dǎo)軌以及緩沖板等。 （1）殼體 殼體是一個(gè)圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)人和排出之用。直徑小于400mm的殼體通常用鋼管制成，大于400mrn的可用鋼板卷焊而成。殼體材料根據(jù)工作溫度選擇，有防腐要求時(shí)，大多考慮使用復(fù)合金屬板。 介質(zhì)在殼程的流動(dòng)方式有多種型式，單殼程型式應(yīng)用最為普遍。如殼側(cè)傳熱膜系數(shù)遠(yuǎn)小于管側(cè)，則可用縱向擋板分隔成雙殼程型式。用兩個(gè)換熱器串聯(lián)也可得到同樣的效果。為降低殼程壓降，可采用分流或錯(cuò)流等型式。 （2）緩沖板 在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖擋板，或稱緩沖板。它可防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動(dòng)，還有使流體沿管束均勻分布的作用。也有在管束兩端放置導(dǎo)流筒，不僅起防沖板的作用，還可改善兩端流體的分布，提高傳熱效率。 （3）其他主要附件 旁通擋板 如果殼體和管束之間間隙過大，則流體不通過管束而通過這個(gè)間隙旁通，為了防止這種情形，往往采用旁通擋板。 假管 為減少管程分程所引起的中間穿流的影響，可設(shè)置假管。假管的表面形狀為兩端堵死的管子，安置于分程隔板槽背面兩管板之間但不穿過管板，可與折流板焊接以便固定。假管通常是每隔34排換熱管安置一根。 拉桿和定距管 為了使折流板能牢靠地保持在一定位置上，通常采用拉桿和定距管。1.8 列管式換熱器及全凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算1.8.1 設(shè)計(jì)步驟目前，我國(guó)已制訂了管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能選用系列化的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，這樣可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和加工。但是實(shí)際生產(chǎn)條件千變?nèi)f化，當(dāng)系列化產(chǎn)品不能滿足需要時(shí)，仍應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的具體要求自行設(shè)計(jì)非系列標(biāo)準(zhǔn)的換熱器。此處將扼 要介紹這兩者的設(shè)計(jì)計(jì)算的基本步驟。 （1）非系列標(biāo)準(zhǔn)換熱器的一般設(shè)計(jì)步驟 了解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性能。 由熱平衡計(jì)算傳熱量的大小，并確定第二種換熱流體的用量。 決定流體通入的空間。 計(jì)算流體的定性溫度，以確定流體的物性數(shù)據(jù)。 初算有效平均溫差。一般先按逆流計(jì)算，然后再校核。 選取管徑和管內(nèi)流速。 計(jì)算傳熱系數(shù)K值，包括管程對(duì)流傳熱系數(shù)和殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算。由于殼程對(duì)流傳熱系數(shù)與殼徑、管束等結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此一般先假定一個(gè)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)，以計(jì)算K值，然后再作校核。 初估傳熱面積?？紤]安全系數(shù)和初估性質(zhì)，常取實(shí)際傳熱面積是計(jì)算值的1.151.25倍。 （2）系列標(biāo)準(zhǔn)換熱器選用的設(shè)計(jì)步驟 至步與(1)相同。 選取經(jīng)驗(yàn)的傳熱系數(shù)K值。 計(jì)算傳熱面積。 由系列標(biāo)準(zhǔn)選取換熱器的基本參數(shù)。 校核傳熱系數(shù)，包括管程、殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算。假如核算的K值與原選的經(jīng)驗(yàn)值相差不大，就不再進(jìn)行校核；如果相差較大，則需重新假設(shè)K值并重復(fù)上述以下步驟。 校核有效平均溫差。 1.8.2 設(shè)計(jì)計(jì)算主要公式傳熱速率方程式 Q=KStm Q傳熱速率(熱負(fù)荷)，W； K總傳熱系數(shù)，W/(m2)； S與K值對(duì)應(yīng)的傳熱面積，m2； tm平均溫度差，。 （1）傳熱速率(熱負(fù)荷)Q傳熱的冷熱流體均沒有相變化，且忽略熱損失，則 Q=WhCph(T1-T2)=WcCpc(t2-t1) W流體的質(zhì)量流量，kg/h或kg/s； cp流體的平均定壓比熱容，kJ/(kg)； T熱流體的溫度，； t冷流體的溫度，。下標(biāo)h和c分別表示熱流體和冷流體，下標(biāo)1和2分別表示換熱器的進(jìn)口和出口。流體有相變化，如飽和蒸汽冷凝，且冷凝液在飽和溫度下排出，則 Q=Whr=WcCpc(t2-tl) W飽和蒸汽的冷凝速率，kg/h或kg/s； r飽和蒸汽的氣化熱，kJ/kg。 （2）平均溫度差tm恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差 tm=T-t變溫傳熱時(shí)的平均溫度差 逆流和并流 式中 t1、t2分別為換熱器兩端熱、冷流體的溫差，。 錯(cuò)流和折流 按逆流計(jì)算的平均溫差，； 溫差校正系數(shù)，無量綱， 溫差校正系數(shù)根據(jù)比值P和R，通過圖2-10圖2-13查出。該值實(shí)際上表示特定流動(dòng)形式在給定工況下接近逆流的程度。在設(shè)計(jì)中，除非出于必須降低壁溫的目的，否則總要求，如果達(dá)不到上述要求，則應(yīng)改選其他流動(dòng)形式。(3)總傳熱系數(shù)K(以外表面積為基準(zhǔn))式中 K總傳熱系數(shù)，W/(m2)；i，o傳熱管內(nèi)、外側(cè)流體的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2)； Rsi，Rso傳熱管內(nèi)、外側(cè)表面上的污垢熱阻，m2/W； di，do，dm傳熱管內(nèi)徑、外徑及平均直徑，m； 傳熱管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)； b傳熱管壁厚,m。（4）對(duì)流傳熱系數(shù) 傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式與傳熱過程是否存在相變、換熱器的結(jié)構(gòu)及流動(dòng)狀態(tài)等因素有關(guān)。關(guān)于傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式很多，在選用時(shí)應(yīng)注意其適用的范圍。hi = ho = 冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，wm冷凝液的密度，kgm冷凝液的粘度，paSn水平管束在垂直列一的管數(shù)；（5）污垢熱阻 在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，必須采用正確的污垢系數(shù)，否則熱交換器的設(shè)計(jì)誤差很大。因此污垢系數(shù)是換熱器設(shè)計(jì)中非常重要的參數(shù)。污垢熱阻因流體種類、操作溫度和流速等不同而各異。1.8.3 流體流動(dòng)阻力計(jì)算主要公式流體流經(jīng)列管式換熱器時(shí)由于流動(dòng)阻力而產(chǎn)生一定的壓力降，所以換熱器的設(shè)計(jì)必須滿足工藝要求的壓力降。（1）管程壓力降 多管程列管換熱器，管程壓力降Pi： Pi=(P1+P2)FtNsNp式中P1直管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa； P2 回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa；可由經(jīng)驗(yàn)公式算； Ft 結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，252.5mm的換熱管取1.4；192mm的換熱管取 1.5； Ns 串聯(lián)的殼程數(shù)； Np 管程數(shù)。 （2）殼程壓力降 殼程無折流擋板 殼程壓力降按流體沿直管流動(dòng)的壓力降計(jì)算，以殼方的當(dāng)量直徑de代替直管內(nèi)徑di。 殼程有折流擋板 計(jì)算方法有Bell法、Kern法、Esso法等。Bell法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)一致性較好，但計(jì)算比較麻煩，而且對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸要求較詳細(xì)。工程計(jì)算中常采用Esso法，該法計(jì)算公式如下： Po=(P1+P2)FtNs式中 P1流體橫過管束的壓力降，Pa； P2流體流過折流擋板缺口的壓力降，Pa； Ft結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，對(duì)液體Ft=0.15；對(duì)氣體Ft=1.0； 式中 F管子排列方式對(duì)壓力降的校正系數(shù)：三角形排列F=0.5，正方形直列F=0.3，正方形錯(cuò)列F=0.4； fO殼程流體的摩擦系數(shù)，fO=5.0Reo-0.228(Re500)； nc橫過管束中心線的管數(shù)， B折流板間距，m； D殼體直徑，m； NB折流板數(shù)目； uO按殼程流通截面積SO(SO=h(D-ncdO)計(jì)算的流速，m/s。 第二章 工藝計(jì)算2.1全塔物料衡算：（1）粗餾原料：粗酒精含乙醇50%，由20預(yù)熱至泡點(diǎn)81.9（2）塔頂產(chǎn)品：含乙醇不低于92%，78.3蒸汽冷凝為飽和液體回流，產(chǎn)品冷卻為35液體儲(chǔ)存（3）塔底殘液：含乙醇不高于0.5%，99.3冷卻為35液體XF = 0.28XD = 0.82Xw = = 0.002D = ;進(jìn)料平均摩爾質(zhì)量：Mm = XFMA + (1XF)MB = 0.2846(10.28)18=25.88gmol塔頂出料平均摩爾質(zhì)量:Mm = XDMA + (1XD)MB = 0.8246(10.82)18 = 40.91 gmol塔底出料平均摩爾質(zhì)量：Mm = XwMA + (1Xw)MB =gmol由公式：F = D + WFxf = DXD + WXw得：F =339.66kmolh；W = 224.22kmolhR = V = LD = (R1) D =3D =346.29kmolhL = 230.86 kmolh2.2 主體設(shè)備主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算2.2.1 塔頂全凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算（一）確定設(shè)計(jì)方案1、選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度78.3，出口溫度35；冷流體15,出口溫度25，此過程流體溫度變化不大，所以可選固定管板式換熱器。2、流動(dòng)空間及流速的確定由于冷卻水易結(jié)垢，為在日后操作中便于水垢清洗，應(yīng)使冷卻水走管程，熱流體走殼程。（二）確定定性溫度下物性數(shù)據(jù)管程熱流體的定性溫度T=78.3殼程冷卻水的定性溫度T=根據(jù)定性溫度可分別查出相關(guān)物性參數(shù)(1)質(zhì)量分率為92%（摩爾百分?jǐn)?shù)為82%）的乙醇在78.3下相關(guān)參數(shù)：=962.3/；CP h=3.84kJkg；k = 0.1897w/m h = 748.76 kg; = 0.47610-3 paS (2)質(zhì)量分率為92%（摩爾百分?jǐn)?shù)為82%）的乙醇在78.3蒸汽下相關(guān)參數(shù)：h =1.2kg; = 0.01033710-3paS（3）冷卻水在20下的相關(guān)物性參數(shù)：h = 998.2 kg; CP c=4.18kJkg;k = 0.5989w/m = 1.00510-3 paS;=850/(三)計(jì)算總傳熱系數(shù) 1、熱負(fù)荷：Q =3786843w2、冷卻水的消耗量：W=90.53kg/s3、平均傳熱溫差：92%乙醇 78.3 78.3 冷卻水 25 15 t 53.3 63.3= 由圖查得校正系數(shù)=1 所以=.=158=58（四）選K值,估算傳熱面積取K=570 W/(m2)S=114（五）初選換熱器型號(hào)由固定管板式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)，初選型號(hào)為G800I-0.6-110主要參數(shù)如下：外殼直徑800公稱壓力06MPa公稱面積110管子尺寸252.5管子數(shù)501管長(zhǎng)3000管中心距32管程數(shù)1管子排列方式正三角形管程流通面積01574實(shí)際換熱面積：5013.140.025（3-0.1） =114.1 m2 采用此換熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為： （六）核算壓降管程壓降 Po=(P1+P2)FtNs 其中選用252.5的碳鋼管Ft=1.4;Ns=1;Np=1管程流速： Rei =11446（10000）對(duì)于碳鋼管，取管壁粗糙度=0.1 由Re關(guān)系圖中查得=0.028 P1=696Pa P2=497PaPi=(696+497)1.411=1671Pa50KPa殼程壓降Po=(P1+P2)FtNs 其中Fs=1,Ns=1管子為正三角形排列 F=0.5,Nc=1.124.6取折流擋板間距Z=0.3 ZD=殼程流通面積=0.3（0.8-24.60.025）=0.0553Uo= Reo=Fo=5.0Re-0.228=5.0(3782)-0.228=0.76P1=0.50.7624.610PaP2=(3.5-)=9(3.5-)paPo=（317.7+92.8）11=411Pa10000)Pri=hi=0.023w/殼程對(duì)流傳熱系數(shù)ho = 將588根管排列nc=設(shè)壁溫為31攝氏度。 ho=0.725=1417w/壁溫校正，據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：污垢熱阻參考附錄,管內(nèi),外側(cè)污垢熱阻分別取Rsi=0.000172/w,Rso=0.00008598/所以32.7 與估計(jì)值不超過2攝氏度，符合設(shè)計(jì)要求。K=705.7K計(jì)/K選=705.7/571=1.23故所選換熱器符合要求，安全系數(shù)為：%設(shè)計(jì)結(jié)果為選固定管板式換熱器加膨脹節(jié)，型號(hào)：G800I-0.6-110(八)接管（1）料液蒸汽進(jìn)口接管：Vs=3.28 取u=35m/s,則接管內(nèi)徑d=0.345m根據(jù)管子規(guī)格，取標(biāo)準(zhǔn)管徑為mm的普通無縫鋼管。核算流速：=377-152=0.347m 校核合格.（2）冷卻水進(jìn)、出口接管Vs=0.0907 取 u=2.5m/s，則接管內(nèi)徑d=0.215m根據(jù)管子規(guī)格，取標(biāo)準(zhǔn)管徑為mm的普通無縫鋼管。核算流速：=245-142=0.217m 校核合格.（3）料液冷凝液出口接管Vs=0.00526 取u=1.5m/s，d=0.0668m根據(jù)管子規(guī)格，取標(biāo)準(zhǔn)管徑為mm的普通無縫鋼管。核算流速：=76-4.02=0.068m 校核合格.2.2.2 原料液預(yù)熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算（一）確定設(shè)計(jì)方案1.選擇換熱器的類型兩流體的溫度變化情況：預(yù)熱器中用120水蒸汽對(duì)52原料液進(jìn)行加熱，加熱至81.9?？蛇x管板式換熱器。2.流動(dòng)空間及流速的確定由于用120水蒸汽加熱，冷流體為50%的乙醇溶液，為防結(jié)垢，所以使原料液走管程式，水蒸汽走殼程，選用252.5碳鋼管。（二）確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：取流體進(jìn)出口溫度的平均值。殼程水蒸汽的定性溫度T =管程原料液的定性溫度T =66.95根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的相關(guān)物性數(shù)據(jù)。120水定性物性參數(shù)：h = 943.1kg; CP h= 4.26 kJkg;k = 0.686w/m =28.3810-5 paS120時(shí)的水蒸汽的定性參數(shù)：h = 1.12kg; = 1.2710-5 paS；r =2205.24kJ/kg.原料液定性溫度下相關(guān)數(shù)據(jù)：c = 849.75kg; CP c= 3.78kJkg;k =0.460w/m =0.59310-3 paS；(三)熱負(fù)荷計(jì)算3、熱負(fù)荷計(jì)算及溫度校核 Q= WcCpc(t2t1)=276127.8W水蒸汽用量:W=450.77 kg/h則原料液的終溫= 假設(shè)正確，所以原料液的終溫=524、計(jì)算平均溫差蒸汽 120120 水 81.950 t 38.170 = （四）選K值,估算傳熱面積取K=500 W/(m2)S=10（五）初選換熱器型號(hào)由固定管板式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)，初選型號(hào)為：G400-1.6-10主要參數(shù)如下：主要參數(shù)如下：外殼直徑400公稱壓力16MPa公稱面積10管子尺寸252.5管子數(shù)86管長(zhǎng)1500管中心距32管程數(shù)4管子排列方式正三角形管程流通面積0.0068 實(shí)際換熱面積： 863.140.025（1.5-0.1）=9.5m2 采用此換熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為： w/ （六）核算壓降管程壓降Po=(P1+P2)FtNs 其中選用252.5的碳鋼管Ft=1.4;Ns=1;Np=4管程流速：Rei =12183.6（10000）對(duì)于碳鋼管，取管壁粗糙度=0.1 mm 由Re關(guān)系圖中查得=0.033P1=193 PaP2=231 PaPi=(193+231)1.414=2370 Pa500fo=5.0Re-0.228=5.0(9389.9)-0.228=0.621P1=0.50.621910 PaP2= PaPo=(P1+P2)FtNs=283.9+251.4) 1.15535 Pa10000)Pri=hi=0.023 w/殼程對(duì)流傳熱系數(shù)ho =0.725將177根管排列nc=，設(shè)壁溫為72攝氏度。 ho=0.725=1049.7 w/壁溫校正據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：污垢熱阻參考附錄,管內(nèi),外側(cè)污垢熱阻分別取Rsi=0.000172 /w,Rso=0.00008598 /w所以72.02 與估計(jì)值72不超過1攝氏度。符合設(shè)計(jì)要求= =632.3K計(jì)/K選=632.3/556=1.13, 故所選換熱器符合要求，安全系數(shù)為：%.(八)接管（1）蒸汽進(jìn)口接管 蒸汽體積流量取u=35 m/s,則接管內(nèi)徑為d=0.0638 m根據(jù)管子規(guī)格，取標(biāo)準(zhǔn)管徑為，其內(nèi)徑為d=70-6=0.064 m重新核算流速u=（2）蒸汽冷凝液接管 Vs 取u=0.5m/s,則接管內(nèi)徑為d=0.0182 m根據(jù)管子規(guī)格，取標(biāo)準(zhǔn)管徑為，其內(nèi)徑為d=32-62=0.020m重新核算流速u=（3）原料液進(jìn)口接管原料液的體積流量 Vs=取u=2m/s.則接管內(nèi)徑為d=0.0428 m根據(jù)管子規(guī)格，取標(biāo)準(zhǔn)管徑為，其內(nèi)徑為d=57-72=0.043 m重新核算流速u=2.2.3 塔頂冷卻器的設(shè)計(jì)計(jì)算（一）確定設(shè)計(jì)方案1、選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度78.3，出口溫度35；冷流體15,出口溫度21，此過程流體溫度變化不大，所以可選固定管板式換熱器。2、流動(dòng)空間及流速的確定由于冷卻水易結(jié)垢，為在日后操作中便于水垢清洗，應(yīng)使冷卻水走管程，熱流體走殼程。（二）確定定性溫度下物性數(shù)據(jù)管程冷卻水的定性溫度T=殼程熱流體的定性溫度T=根據(jù)定性溫度可分別查出相關(guān)物性參數(shù)(1)質(zhì)量分率為92%（摩爾百分?jǐn)?shù)為82%）的乙醇在56.65下相關(guān)參數(shù)：CP h=3.12kJkg；k = 0.1897w/m h = 767.65 kg; = 0.66410-3 paS (2) 冷卻水在19下的相關(guān)物性參數(shù)：h = 998.2 kg; CP c=4.18kJkg;k = 0.5989w/m = 1.03510-3 paS; (三)計(jì)算總傳熱系數(shù)1、熱負(fù)荷：Q = WhCP h (t2 t1 )= 4722.243.12(78.3-35) = 177309.9 w2、冷卻水的消耗量：W=25426.9kg/h3、平均傳熱溫差：92%乙醇 78.3 35 冷卻水 21 15 t 57.3 20= 由圖查得校正系數(shù)=1 所以=.=158=58（四）選K值,估算傳熱面積取K=500 W/(m2)S=10（五）初選換熱器型號(hào)由固定管板式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)，初選型號(hào)為G400-1.6-10主要參數(shù)如下：外殼直徑0.4m公稱壓力16MPa公稱面積10管子尺寸252.5管子數(shù)102管長(zhǎng)1.5m管中心距0.032m管程數(shù)2管子排列方式正三角形管程流通面積0.0160實(shí)際換熱面積： 1023.140.025（1.5-0.1） =11.2 采用此換熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為： （六）核算壓降管程壓降 Po=(P1+P2)FtNs 其中選用252.5的碳鋼管Ft=1.4;Ns=1;Np=2管程流速： Rei =11269（10000）對(duì)于碳鋼管，取管壁粗糙度=0.1 由Re關(guān)系圖中查得=0.036 P1=266Pa P2=292PaPi=(266+292)1.412=558Pa50KPa殼程壓降Po=(P1+P2)FtNs 其中Fs=1.0,Ns=1管子為正三角形排列 F=0.5,Nc=1.111.1取折流擋板間距Z=0.085 ZD=殼程流通面積=0.1（0.4-11.10.025）=0.010Uo=Reo=Fo=5.0Re-0.228=5.0(4674.8)-0.228=0.728P1=0.50.72811.115PaP2= PaPo=(722.5+549.2)1.01=1272Pa10000)Pri=hi=0.023w/殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 管子為正三角形排列 則 m Ao=0.00744 殼程流速u=0.230 釜?dú)堃罕焕鋮s，取844w/污垢熱阻參考附錄,管內(nèi),外側(cè)污垢熱阻分別取Rsi=0.000172/w,Rso=0.00008598/K= =501.5 K計(jì)/K選=501.5/446=1.12故所選換熱器符合要求，安全系數(shù)為：%(八)接管（1）產(chǎn)品冷凝液進(jìn)、出口接管：Vs=0.00171 取u=1m/s,則接管內(nèi)徑d=0.0467m根據(jù)管子規(guī)格，取標(biāo)準(zhǔn)管徑為mm的普通無縫鋼管。核算流速：=57-52=0.047m 校核合格.（2）冷卻水進(jìn)、出口接管Vs=0.00708 取u=2m/s，則接管內(nèi)徑d=0.0672m根據(jù)管子規(guī)格，取標(biāo)準(zhǔn)管徑為mm的普通無縫鋼管。核算流速：=76-4.02=0.068m 校核合格.2.2.4 預(yù)熱噐的設(shè)計(jì)計(jì)算（一）確定設(shè)計(jì)方案1 .選擇換熱器的類型熱流體即流至塔釜的有機(jī)溶劑進(jìn)行熱量計(jì)算，算出其放出熱量，其進(jìn)口溫度為99.3，出口溫度為35，冷流體進(jìn)口溫度15,出口溫度25，此過程流體溫度變化小于50，所以可選固定管板式換熱器。2 .流動(dòng)空間及流速的確定由于冷卻水較易結(jié)垢，為便于清洗，應(yīng)原料液走管程，乙醇蒸汽走殼程。選用252.5碳鋼管。（二）確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：取流體進(jìn)出口溫度的平均值。1.殼程乙醇的定性溫度T =管程冷卻水的定性溫度t =2.根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的相關(guān)物性數(shù)據(jù)。質(zhì)量分率為0.5%的乙醇在67.15時(shí)的物性參數(shù)冷卻水在20下的物性參數(shù)密度 kg/979.3 998.2定壓比熱容 kj/(kg)4.18 4.18導(dǎo)熱系數(shù)w/(m)0.6653 0.5989粘度 mPaS1.1 1.005（三）熱負(fù)荷計(jì)算利用試差法可以計(jì)算出釜?dú)堃簬С鰺崃磕苁?0的原料液升高到的溫度。即：Q=Cp(T1-T2) (1)=3650/3600=272683.2 WQ=Wc*