化工原理課程設(shè)計換熱器的設(shè)計

摘要換熱器的應(yīng)用貫徹化工生產(chǎn)過程的始終，換熱器換熱效果的好壞直接影響化工生產(chǎn)的質(zhì)量和生產(chǎn)效益。因此換熱器是非常重要的化工生產(chǎn)設(shè)備,在化工領(lǐng)域中，它扮演著主力軍的身份，它是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備，在化工設(shè)備中占大概50%以上的比重。既然換熱器在化工生產(chǎn)中扮演如此重要的角色，那么如何設(shè)計出換熱效果好，設(shè)備健全合理，三廢排放量更低，能源運用率更高，經(jīng)濟效益高的換熱器是我們從事化工行業(yè)工作人員刻不容緩的職責。為了完畢年產(chǎn)2.8萬噸酒精的生產(chǎn)任務(wù)，設(shè)計換熱器的總體思路：在正常的生產(chǎn)過程中，運用塔底的釜殘液作為加熱介質(zhì)在塔底冷卻器中進行第一次預(yù)熱，然后用少量的水蒸汽便可在預(yù)熱器中使原料液達成預(yù)期的溫度進入精餾塔中。塔頂酒精蒸汽通過全凝器，運用循環(huán)冷卻水作為冷卻介質(zhì)使酒精蒸汽轉(zhuǎn)為液體。最后，在塔頂冷卻器中再次用冷卻水使其降到25。C輸送到儲裝罐中。核心詞：冷卻器；再沸器；全凝器；對流傳熱系數(shù)；壓降；列管式換熱器；離心泵。目錄HYPERLINK第一章?lián)Q熱器的設(shè)計 1HYPERLINK1.1概述 1HYPERLINK1.1.1流程方案的擬定 1HYPERLINK1.1.2加熱介質(zhì)、冷卻介質(zhì)的選擇 1HYPERLINK1.1.3換熱器類型的選擇 1HYPERLINK1.1.4流體流動空間的選擇 2HYPERLINK1.1.5流體流速的擬定 2HYPERLINK1.1.6換熱器材質(zhì)的選擇 3HYPERLINK1.1.7換熱器壁厚的擬定 3HYPERLINK1.2.固定管板式換熱器的構(gòu)造 3HYPERLINK1.2.1管程構(gòu)造 3HYPERLINK1.2.2殼程構(gòu)造 4HYPERLINK1.3列管換熱器的設(shè)計計算 4HYPERLINK1.3.1換熱器的設(shè)計環(huán)節(jié) 4HYPERLINK1.3.2計算所涉及的重要公式 5HYPERLINK第二章設(shè)計的工藝計算 9HYPERLINK2.1全塔物料恒算 9HYPERLINK2.2原料預(yù)熱器的設(shè)計和計算 10HYPERLINK2.2.1擬定設(shè)計方案 10HYPERLINK2.2.2根據(jù)定性溫度擬定物性參數(shù) 10HYPERLINK2.2.3換熱器的選擇 11HYPERLINK2.3塔頂全凝器的設(shè)計和計算 16HYPERLINK2.3.1擬定設(shè)計方案 16HYPERLINK2.3.2根據(jù)定性溫度擬定物性參數(shù) 16HYPERLINK2.2.3換熱器的選擇 17HYPERLINK2.4塔頂冷卻器的設(shè)計 22HYPERLINK2.4.1擬定設(shè)計方案 22HYPERLINK2.4.2根據(jù)定性溫度擬定物性參數(shù) 22HYPERLINK2.4.3換熱器的選擇 23HYPERLINK2.5塔底冷卻器的設(shè)計 27HYPERLINK2.5.1擬定設(shè)計方案 27HYPERLINK2.5.2根據(jù)定性溫度擬定物性參數(shù) 27HYPERLINK2.5.3換熱器的選擇 28HYPERLINK2.6再沸器的設(shè)計 32HYPERLINK2.6.1擬定設(shè)計方案 32HYPERLINK2.6.2根據(jù)定性溫度擬定物性參數(shù) 32HYPERLINK2.6.3再沸器的工藝計算 33第三章HYPERLINK附錄 42HYPERLINK符號闡明 42第四章HYPERLINK設(shè)計感想 43HYPERLINK參考文獻 44第一章?lián)Q熱器的設(shè)計1.1概述工業(yè)生產(chǎn)過程，兩種物料之間的熱交換普通是通過熱交換器完畢的，因此換熱器的設(shè)計就顯的尤為重要。進行換熱器的設(shè)計，首先應(yīng)根據(jù)工藝規(guī)定擬定換熱系統(tǒng)的流程方案并選用適宜類型的換熱器，擬定所選換熱器中流體的流動空間及流速等參數(shù)，同時計算完畢給定生產(chǎn)任務(wù)所在地需的傳熱面積，并擬定換熱器的工藝尺寸且根據(jù)實際流體的腐蝕性擬定換熱器的材料，根據(jù)換熱器內(nèi)的壓力來擬定其壁厚。1.1.1流程方案的擬定換熱器設(shè)計的第一步是擬定換熱系統(tǒng)的流程。為了節(jié)省能源，提高熱量的運用率，采用原料液冷卻塔底釜液，這樣不僅冷卻了釜液又加熱了原料液，既能夠減少預(yù)熱原料所需要的熱量，又可減少冷卻水的消耗。從冷卻器出來的釜液直接儲存，從冷卻器出來的原料液再通往原料預(yù)熱器預(yù)熱到所需的溫度。塔頂蒸出的乙醇蒸汽通入塔頂全凝器進行冷凝，冷凝完的液體進入液體再分派器，其中的1/2回流到精餾塔內(nèi)，另1/2進入冷卻器中進行冷卻，流出冷卻器的液體直接儲存作為產(chǎn)品。1.1.2選擇加熱介質(zhì)、冷卻介質(zhì)在換熱過程中加熱介質(zhì)和冷卻介質(zhì)的選用應(yīng)根據(jù)實際狀況而定。除應(yīng)滿足加熱和冷卻溫度外，還應(yīng)考慮來源方面，價格低廉，使用安全。我們本次課程設(shè)計所用的加熱介質(zhì)是120℃的水蒸氣，冷卻介質(zhì)是選擇水1.1.3換熱器類型的選擇列管式換熱器的構(gòu)造簡樸、牢固，操作彈性大，應(yīng)用材料廣，歷史悠久，設(shè)計資料完善，并已有系列化原則，特別是在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中占絕對優(yōu)勢。因此本次設(shè)計過程中的換熱器都選用列管式換熱器。由于本次設(shè)計過程中所涉及的換熱器的中冷熱流體溫差不大（不大于70℃）,各個換熱器的工作壓力在1.6MP下列，都屬于低壓容器，因固定管板式換熱器兩端管板與殼體連在一起，這類換熱器構(gòu)造簡樸、價格低廉、管子里面易清洗，因此可選擇列管式換熱器中的固定管板式換熱器。1.1.4流體流動空間的選擇哪一種流體流經(jīng)換熱器的管程，哪一種流體流經(jīng)殼程，下列各點可供選擇時參考(以固定管板式換熱器為例)。(1)不干凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，方便于清洗管子。(2)腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，并且管子也便于清洗和檢修。(3)壓強高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。(4)飽和蒸氣宜走管間，方便于及時排除冷凝液，且蒸氣較干凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。(5)被冷卻的流體宜走管間，可運用外殼向外的散熱作用，以增強冷卻效果。

(6)需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常不大于殼程，且可采用多管程以增大流速。(7)粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不停變化，在低Re(Re>100)下即可達成湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。在選擇流體流徑時，上述各點常不能同時兼顧，應(yīng)視具體狀況抓住重要矛盾，例如首先考慮流體的壓強、防腐蝕及清洗等規(guī)定，然后再校核對流傳熱系數(shù)和壓強降，方便作出較恰當?shù)倪x擇。1.1.5流體流速的擬定流體的流速對傳熱來說非常的重要，由于在滯留層的傳熱是一熱傳導為主，熱傳導的傳熱速率不大于對流傳熱。因此如果流速太小它形成的滯留層會很厚，會大大減小傳熱速率，又因如果流速太小雜質(zhì)會在壁面沉積也會造成傳熱速率的下降，提高流體在換熱器中的流速，能夠增大對流體傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即減少了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增加，所需要傳熱面積減少，設(shè)備費用減少。但是流速增加，流體阻力將對應(yīng)加大，使操作費用增加。所選擇流速時應(yīng)當綜合考慮。下表列出工業(yè)普通采用的流體流速范疇。液體的種類普通液體易結(jié)垢液體氣體流速m／s管程0.5－3＞15－30殼程0.2－1.5＞0.53－151.1.6換熱器材質(zhì)的選擇在進行換熱器設(shè)計時，換熱器多個零、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材料的制造工藝性能等的規(guī)定來選用。固然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟合理性。碳鋼價格低，強度較高，對堿性介質(zhì)的化學腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性規(guī)定的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。如普通換熱器用的普通無縫鋼管，其慣用的材料為10號和20號碳鋼。在本次設(shè)計中所涉及的換熱器中的流體都是乙醇或水，不存在腐蝕性。因此本次設(shè)計中的換熱器的管材和殼材都選用碳鋼。1.1.7換熱器壁厚的擬定普通內(nèi)壓容器厚度由應(yīng)滿足剛度和壓力的規(guī)定，本次設(shè)計中所用到的換熱器內(nèi)部壓降都不太大，都屬于常壓容器，因此換熱器的壁厚只要滿足剛度規(guī)定即可。1.2.固定管板式換熱器的構(gòu)造固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的構(gòu)造簡樸；在相似的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；由于這種構(gòu)造使殼側(cè)清洗困難，因此殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。當管子和殼體的壁溫差不不大于50℃時，應(yīng)在殼體上設(shè)立溫差賠償——膨脹節(jié)，依靠膨脹節(jié)的彈性變形能夠減少溫差應(yīng)力。膨脹節(jié)的形式較多，常見的有U形、平板形和Ω形等幾個。由于U形膨脹節(jié)的撓性與強度都比較好，因此使用得最為普遍。當管子和殼體的壁溫差不不大于60℃和殼程壓強超出0.6MPa時，由于賠償圈過厚，難以伸縮，失去溫差賠償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其它構(gòu)造。由此可見，這種換熱器比較合用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。1.2.1管程構(gòu)造1.2.1.1換熱管布置和排列間距慣用換熱管規(guī)格有ф19×2mm,ф25×2.5mm(碳鋼10)。小直徑的管子能夠承受更大的壓力，并且管壁較??；同時，對于相似的殼徑，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。因此，在管程結(jié)垢不很嚴重以及允許壓力降較高的狀況下，采用ф19mm×2mm直徑的管子更為合理。如果管程走的是易結(jié)垢的流體，則應(yīng)慣用較大直徑的管子，有時采用ф38mm×2.5mm或更大直徑的管子。這次用到的換熱器的壓力不大，換熱器中流體沒有腐蝕性，因此選擇ф25×2.5mm和ф19mm×2mm碳鋼管。1.2.1.2管子與管板的連接方式的選擇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，焊接和脹焊并用。脹接法是運用脹管器將管子擴脹，產(chǎn)生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達成密封緊固的目的。脹接法普通用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計壓力不超出4MPa，設(shè)計溫度不超出350℃的場合。焊接法在高溫高壓條件下更能確保接頭的嚴密性。這次用到的換熱器內(nèi)流體溫度不高，壓力不大，因此選擇脹接的方式連接管子和管板。1.2.2殼程構(gòu)造殼程內(nèi)的構(gòu)造，重要由折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件構(gòu)成。由于多個換熱器的工藝性能、使用的場合不同，殼程內(nèi)對多個元件的設(shè)立形式亦不同，以此來滿足設(shè)計的規(guī)定。如當殼程走的是蒸汽時不安裝折流板。這次設(shè)計中的原料預(yù)熱器和塔頂全凝器的殼程走的是蒸汽因此不安裝折流板。介質(zhì)在殼程的流動方式有多個型式，單殼程型式應(yīng)用最為普遍。如殼側(cè)傳熱膜系數(shù)遠不大于管側(cè)，則可用縱向擋板分隔成雙殼程型式。1.3列管換熱器的設(shè)計計算1.3.1換熱器的設(shè)計環(huán)節(jié)1.理解換熱流體的物理化學性質(zhì)和腐蝕性能。2.由熱平衡計算傳熱量的大小，并擬定第二種換熱流體的用量。3.決定流體通入的空間。4.計算流體的定性溫度，以擬定流體的物性數(shù)據(jù)。5.初算有效平均溫差,普通先按逆流計算，然后再校核,并根據(jù)溫度差校正系數(shù)不應(yīng)不大于0.8的原則，決定殼程數(shù)。6.選用經(jīng)驗的傳熱系數(shù)K值,計算傳熱面積。7.由系列原則選用換熱器的基本參數(shù)。所選換熱器面積應(yīng)為計算出的面積的1.1-1.25倍。8.核算壓強降，校核傳熱系數(shù)，涉及管程、殼程對流傳熱系數(shù)的計算。如果核算的K值與原選的經(jīng)驗值比值在1.10～1.30之間，就不再進行校核；如果相不在這個范疇，則需重新假設(shè)K值并重復(fù)上述6下列環(huán)節(jié)。1.3.2計算所涉及的重要公式Q=KSΔtm式中Q——傳熱速率(即熱負荷)，W；K——總傳熱系數(shù)，W／(m2．℃)；S——與K值對應(yīng)的換熱器傳熱面積，m2；Δtm——平均溫度差，℃。1.熱負荷(傳熱速率)Q無相變傳熱Q＝WhCph(T1-T2)＝WcCpc(t2-t1)相變傳熱(蒸汽冷凝且冷凝液在飽和溫度下離開換熱器)Q＝Whr＝WcCpc(t2一t1)式中W——流體的質(zhì)量流量，kg／h；Cp——流體的平均定壓比熱容，J／(kg·℃)；T——熱流體的溫度，℃；t——冷流體的溫度，℃；r——飽和蒸氣的冷凝潛熱，kJ／kg。下標h和c分別表達熱流體和冷流體，下標1和2分別表達換熱器的進口和出口。2.平均溫度差Δtm一側(cè)恒溫,逆流與并流的平均溫差相等3.總傳熱系數(shù)K初選換熱器時，應(yīng)根據(jù)所要設(shè)計的換熱器的具體操作物流選用K的經(jīng)驗數(shù)值，選定的K的經(jīng)驗值為K選。擬定了選用的換熱器后，需要對換熱器的總傳熱系數(shù)K進行核算，總傳熱系數(shù)K的計算按下列公式：式中K?！趽Q熱器外表面積的總傳熱系數(shù)，w／((m2．℃)；ho、hi——分別為管外及管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)，w／(m2·℃)；Rso、Rsi—一分別為管外側(cè)及管內(nèi)側(cè)表面上的污垢熱阻，(m2．℃)／w;do、di、dm——分別為換熱器列管的外徑、內(nèi)徑及平均直徑,m；b——列管管壁厚度,m；k一列管管壁的導熱系數(shù)，w／(m·℃)。4.對流傳熱系數(shù)(1)對于低粘度流體(μ不大于或等于2倍常溫水的粘度)當流體被加熱時，n＝0.4當流體被冷卻時，n＝0.3式中：ρ、μ——分別為流體的密度和粘度，kg／m3、Pa·s；k、Cp——分別為流體的導熱系數(shù)和比熱容,w/(m·℃)、J/kg?℃;u——管內(nèi)流速．m／s；di——列管內(nèi)徑，m。應(yīng)用范疇：Re＞l0000，Pr＝0.7-160，管長與管徑之比L/d＞60，若L/d＜60可將1-10式算出的α乘以（1+（d/L）0.7）特性尺寸：管內(nèi)徑d定性溫度：取流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。(2)蒸汽在水平管束上冷凝時的冷凝傳熱系數(shù)若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式計算冷凝傳熱系數(shù)：式中：k—冷凝液的導熱系數(shù)，w／(m·℃)；ρ——冷凝液的密度，kg／m3。；μ——冷凝液的粘度，Pa·s；γ——飽和蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg；Δt——蒸汽的飽和溫度與壁溫之差，Δt＝ts-tw5．流體壓力降的計算式（1）管程壓力降直管中因摩擦阻力引發(fā)的壓力降Pa；回彎管中因摩擦阻力引發(fā)的壓力降，Pa；結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，φ25×2.5mm的換熱管取1.4；φ19×2mm的換熱管取1.5；串聯(lián)的殼程數(shù)；管程數(shù)。ξ——阻力系數(shù)，列管換熱器管內(nèi)ξ=3（2）殼程壓力降流體橫過管束的壓力降Pa；流體流過折流擋板缺口的壓力降Pa；結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，對液體，取1.15；對氣體，取1.0；F—管子排列方式對壓力降的校正系數(shù)：三角形排列F=0.5；正方形排列F=0.3；正方形錯列F=0.4；殼程流體的摩擦系數(shù)；橫過管束中心線的管數(shù)z——折流擋板間距，m；D——殼體直徑，m；折流擋板數(shù)目；按殼程流通面積So計算的流速，m/s。普通說來，流經(jīng)列管式換熱器允許的壓強降，液體為10—100kPa，氣體為1—10kPa左右。第二章設(shè)計的工藝計算2.1全塔物料恒算根據(jù)設(shè)計規(guī)定可知：塔頂產(chǎn)品乙醇的質(zhì)量D=2.8萬噸，乙醇的質(zhì)量分數(shù),精餾原料粗乙醇的質(zhì)量分數(shù),塔底殘液乙醇的質(zhì)量分數(shù),乙醇的摩爾質(zhì)量MA=46kg/kmol,水的摩爾質(zhì)量MB=18kg/kmol。,由求得F=247.57kmol/hW=163.03kmol/h2.2原料預(yù)熱器的設(shè)計和計算2.2.1擬定設(shè)計方案1．選擇換熱器的類型預(yù)熱器是把經(jīng)塔底冷卻器加熱到51.59℃的原料液預(yù)熱到泡點81.9℃，采用0.2MPa壓力下120℃的飽和蒸汽進行加熱。熱流體的進出口溫度都是120℃，原料液的進口溫度是換熱器中兩流體溫度差不大，殼程壓力較小，故可選擇固定管板式換熱器。2．流動空間和管材的選用設(shè)計任務(wù)的熱流體為水蒸汽，冷流體為原料液乙醇，為使原料液出口溫度達成泡點，令蒸汽走殼程，原料液走管程。2.2.2根據(jù)定性溫度擬定物性參數(shù)冷流體的定性溫度為℃熱流體的定性溫度為T=120根據(jù)定性溫度分別查取的物性參數(shù)以下：名稱密度ρKg/m3定壓比熱CpkJ/(Kg·℃)導熱系數(shù)k，W/(m·℃)粘度μPa·s汽化熱rkJ/kg乙醇液745.58793.08810.15525.0469×10-4水（66.7℃）978.27574.18950.66244.0893×10-4水(120℃)932.01024.26810.68372.0722×10-4水蒸汽(120℃)1.65012.26150.02922.1×10-52204.6混合液體的物性參數(shù)計算式：,，，含乙醇50%的乙醇液體在66.7℃名稱密度/kg/m3定壓比熱CpmkJ/(kg·℃)導熱系數(shù)kmW/(m·℃)粘度μm/Pa·s乙醇液體932.014.16210.434.2×10-42.2.3換熱器的選擇預(yù)熱器的工藝計算備注1.估算傳熱面積，初換熱器(1)熱負荷的計算(2)蒸汽的消耗量(3)計算平均溫度差暫按單殼程、雙管程考慮，一側(cè)恒溫，求逆流時的平均溫度差：蒸汽T120℃←120℃原料液t51.9℃→81.9℃△t68.1℃38.1℃(4)選K值，估算傳熱面積參考《化工原理課程設(shè)計指導書》的85頁表4-2中，取K=1000W/(m2·℃)傳熱面積S：(5)初選換熱器型號由于兩流體溫度差為63.34℃(50℃～70℃)，可選用帶有熱膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，根據(jù)固定管板式換熱器的系列原則，初選的固定管板式換熱器型號為：JB/T4715—92。重要參數(shù)以下：公稱直徑DN/mm273公稱壓力PN/MPa4換熱面積/4.8管子尺寸φ25×2.5管子數(shù)n32管長L/mm管中心距mm32管程數(shù)Np2管子排列方式正三角形管程流通面積/0.005實際換熱面積SO采用此換熱面積的換熱器，則規(guī)定過程的總傳熱系數(shù)為：即K選=881W/(m2·℃)2.核算壓降(1)管程壓降其中,,管程流速(湍流)其中,對于碳鋼管,取管壁粗糙度ε=0.1mm，因此由《化工流體流動與轉(zhuǎn)熱》書中52頁的λ-Re關(guān)系圖中可查的λ=0.03。(2)殼程壓降,其中Fs=1.15，Ns=1。,因管子排列方式為正三角形，因此F=0.5。因殼程通過的是水蒸汽，故不需加折流擋板，即NB=0。殼程流通面積殼程流速由于殼程走蒸汽無折流擋板，因此=0。計算成果表明,管程和殼程的壓降均能滿足設(shè)計規(guī)定。3.核算總傳熱系數(shù)(1)管程對流傳熱系數(shù)對于低粘度流體，式中，,原料液為被加熱流體，取n=0.4.因此(2)殼程對流傳熱系數(shù)若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式計算冷凝傳熱系數(shù)：式中、μ、ρ均為水在133.3℃時液體的物性參數(shù)。為水在133.3℃下的汽化熱。(3)污垢熱阻根據(jù)《化工流體流動與傳熱》書中的附錄二十查得管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別為：(4)總傳熱系數(shù)K式中k為壁面材料碳鋼的導熱系數(shù)，由《化工流體流動與傳熱》書中的附錄十二查得k=50W/(m·℃)即K計=971.3W/(m2·℃)K計/K選=971.3/881=1.102，故所選擇的換熱器是適宜的。該換熱器的安全系數(shù)為設(shè)計成果：選用固定管板式換熱器，型號：JB/T4715—92。4.接管的選擇(1)管程流體進出口接管的選擇根據(jù)液體普通在管中的流速大小，選擇原料液進出接管的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)《化工流體流動與轉(zhuǎn)熱》附錄二十二的冷軋無縫鋼管的原則規(guī)格選擇規(guī)格為φ42mm×3mm,di=36mm。核算流速故選擇的接管規(guī)格適宜。(2)殼程流體進口接管的選擇根據(jù)飽和蒸汽普通在管中的流速大小，選擇水蒸汽進入接管時的蒸汽的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)冷軋無縫鋼管的原則規(guī)格選擇規(guī)格為φ70mm×4mm,di=62mm。核算流速故選擇的接管規(guī)格適宜。2.4塔頂冷卻器的設(shè)計2.4.1擬定設(shè)計方案1．選擇換熱器的類型塔頂冷卻器是把78.3℃的含乙醇92%的飽和液冷卻儲存，熱流體的進出口溫度都是78.3℃，熱流體的出口溫度是35℃。采用冷卻水進行冷卻，冷卻水的進口溫度是15℃，出口溫度是35℃冷卻器中流體溫度差不大，殼里壓力是常壓，可選擇固定管板式換熱器。Wc=F=6362.55kg/hQ=221924WWh=0.1kg/sS=4.3m2Reo=2146.5fo=0.87hi=2134.9w/(m2·℃)ho=11439w/(m2·℃)K計=971.3W/(m2·℃)(K計-K選)/K選=10.25%d=0.0345mu=1.84m/sd=0.0616mu=29.6m/s2.4.2根據(jù)定性溫度擬定物性參數(shù)熱流體的定性溫度為。冷流體的定性溫度為。根據(jù)定性溫度分別查取的物性參數(shù)以下：名稱密度ρKg/m3定壓比熱CpkJ/(Kg·℃)導熱系數(shù)k，W/(m·℃)粘度μPa·s乙醇液762.10982.89320.15916.7029×10-4水（51.65℃987.27994.18180.64555.3201×10-4冷卻水(20℃998.24.1830.59891.005×10-3含乙醇92%的乙醇液體在51.65℃下的物性參數(shù)以下：名稱密度kg/m3定壓比熱kJ/(kg·℃)導熱系數(shù)W/(m·℃)粘度Pa·s乙醇液體776.27702.99630.17826.4269×10-42.4.3換熱器的選擇塔頂冷卻器的工藝計算備注估算傳熱面積，初選換熱器(1)熱負荷的計算(2)冷卻水消耗量(3)計算平均溫差兩側(cè)變溫，平均溫差用逆流平均溫差校正。溜出液78.3→78.3冷卻水35←15△t43.363.3逆流平均溫差(4)選擇K，估算傳熱面積參考《化工原理課程設(shè)計指導書》的85頁表4-2，取K=840。傳熱面積S：考慮10%～25%的面積裕量在15.16～17.91,由固定管板式換熱器的系列原則，可選換熱器型號：JB/T4715—92。重要參數(shù)以下：公稱直徑DN/mm900公稱壓力PN/MPa4換熱面積/126.1管子尺寸mmφ25×2.5管子數(shù)n554管長mm3000管中心距mm32管程數(shù)Np4管子排列方式正三角形管程流通面積/0.0435實際換熱面積：,故面積余度適宜。采用此換熱面積的換熱器，則規(guī)定過程的總傳熱系數(shù)為：即K選=754.8W/(M2·℃)2．核算壓降⑴管程壓降其中，，。Vs=Ws/ρ=59.9/997.1=0.06管程流速對于碳鋼管取，取管壁粗糙度ε=0.1mm，因此由《化工流體流動與轉(zhuǎn)熱》書中52頁的λ—Re關(guān)系圖中可查得λ=0.029。(2）殼程壓降由于殼程走乙醇蒸汽，因此Fs=1，其中Ns=1。式中。管子排列方式為正三角形，F(xiàn)=0.5。取折流擋板間距,。殼程流通面積為殼程流速為因此計算成果表明，管程和殼程的壓降均能滿足設(shè)計規(guī)定。（3）總傳熱系數(shù)K1)管程對流傳熱系數(shù)流體在管內(nèi)的流動速度：下式中，,原料液為被加熱流體，取n=0.4.雷諾數(shù)：2）殼程對流傳熱系數(shù)若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式計算冷凝傳熱系數(shù)：式中、μ、ρ均為乙醇蒸汽在78.3℃時液體的物性參數(shù)。為乙醇在78.3℃下的汽化熱。(3)污垢熱阻根據(jù)《化工流體流動與傳熱》書中的附錄二十查得管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別為：總的傳熱系數(shù)：=902.5W/(m.℃)所選擇的換熱器的傳熱系數(shù)：即K選=881W/(m2·℃)由于：10%<<25%故選擇適宜設(shè)計成果：選用固定管板式換熱器，型號：JB/T4715—92。4.接管的選擇(1)管程流體進出口接管的選擇根據(jù)液體普通在管中的流速大小，選擇原料液進出接管的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)《化工流體流動與轉(zhuǎn)熱》附錄二十二的冷軋無縫鋼管的原則規(guī)格選擇規(guī)格為φ180mm×5mm,di=170mm。核算流速故選擇的接管規(guī)格適宜。(2)殼程流體進口接管的選擇根據(jù)飽和蒸汽普通在管中的流速大小，選擇水蒸汽進入接管時的蒸汽的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)冷軋無縫鋼管的原則規(guī)格選擇規(guī)格為φ402mm×5mm,di=392mm。核算流速故選擇的接管規(guī)格適宜。2.6再沸器的設(shè)計2.6.1擬定設(shè)計方案1．選擇換熱器的類型再沸器是把99.3℃的含乙醇0.5%的部分塔底液加熱產(chǎn)生蒸汽回到塔底，蒸汽沿塔上升，在塔內(nèi)汽液兩相進行熱質(zhì)交換。設(shè)計采用0.2MPa下120℃的水蒸汽對塔底液加熱。熱流體的進出口溫度為120℃，冷流體的進出口溫度是99.3℃,兩相均發(fā)生相變。再沸器中流體溫度變化不太大，可選擇固定管板式換熱器。2．擬定流體的流經(jīng)由于部分塔底液可能含有渣滓,走管程利于清洗，且部分塔底液可通過熱流體的傳熱提高溫度，使其汽化；水蒸汽走殼程可通過殼壁面對空氣中散熱，有助于冷卻。因此部分塔底液走管程，水蒸汽走殼程。換熱器內(nèi)的流體沒有腐蝕性，因此選用碳鋼管，可減少設(shè)備費。2.6.2根據(jù)定性溫度擬定物性參數(shù)熱流體的定性溫度為。冷流體的定性溫度為2.6.3再沸器的工藝計算1.估算傳熱面積，初選換熱器(1)再沸器的物料衡算，L=V+W=16230+2943.51(2)熱負荷的計算(3)水蒸汽的消耗量2.5離心泵的選型與計算輸送的液體是50%的乙醇溶液物性參數(shù)：由于是碳鋼管因此，則因此由圖查的又直管長２５m直管壓降為又在管路中又2個截止閥，1個原則閥，9個原則彎頭截止閥：原則閥：（全開）原則彎頭：出口阻力系數(shù)：因此局部阻力壓降為：換熱器的壓降為由于管路的壓頭且，，又由于輸送的液體為有機溶劑，屬于易燃易爆物品，因此規(guī)定必須有較高的密封性能，故選用油泵（Y型）。根據(jù)，從油泵Y系列中選用50Y-60A型離心泵。在Q=11.2H=49mN=4.27KWη=35%(NPSH)r=2.3m由于輸送液體的密度不大于水的密度，因此不需核算軸功率從上述的數(shù)據(jù)來看，泵所提供的流量Q和揚程H均不不大于管路系統(tǒng)的規(guī)定值，留有一定的裕量。附錄D—————換熱器外殼直徑z—————折流板間距f—————摩擦系數(shù)k—————導熱系數(shù)φ—————校正系數(shù)ρ—————密度r—————汽化潛熱d—————管徑ε—————粗糙度b—————壁厚μ—————粘度ξ—————阻力系數(shù)L—————管長下標：c—————冷流體h—————熱流體i—————管內(nèi)K—————總傳熱系數(shù)P—————壓力u—————流體速度h—————對流傳熱系數(shù)h—————圓缺高度—————折流板數(shù)—————雷諾數(shù)—————普蘭特準數(shù)—————怒賽爾特準數(shù)N—————程數(shù)s—————污垢m—————平均o—————管S—————傳熱面積設(shè)計感想生命的每一次綻放，都會開出美麗的花朵；生活的每一次努力，都會故意想不到的收獲，恰似這