列管换热器设计—年产3.8万吨酒精精馏系统换热器 应用化工系毕业论文.docx

列管换热器设计年产3.8万吨酒精精馏系统换热器 应用化工系毕业论文 （ 二 一 一 年 十 月 内蒙古工业大学课程设计任务书 学院（系）： 课程名称： 化工原理 指导教师（签名）： 专业班级： 学生姓名： 学号： 1 化工原理课程设计说明书 题 目：列管换热器设计 年产3.8万吨酒精精馏系统换热器 学生姓名： 学 院： 系 别：应用化工系 专 业：应用化工技术 班 级：应用化工班 指导教师： 设计日期： 前言 化工原理课程设计是针对学习化工原理课程的学生开设的具有强化性的实训课程。课程设计主要是提高学生的动手能力，设计能力以及对化工原理课程内容的掌握。 在此次化工原理课程设计中，设计任务多种多样，列管换热器的设计便是其中之一。换热器是工业常用设备之一，在工业生产中扮演着重要的角色。换热器主要作用是对工业原料及产物的热性质进行改变。根据用途主要又分为加热器与冷凝器。常用换热器主要有固定板式换热器、浮头式换热器、U型换热器等。 我在课设中主要选用固定板式换热器，对其进行了物料衡算、换热管的选择、换热器的选型等一系列工业设计。熟悉掌握换热器的化工工艺用途、设计方法、 设计注意事项。 在设计过程程中查阅相关资料获得所需物料的物化特性，向老师提问有关问题，对我们的设计是至关重要的 目录 摘要 (6) 字符说明 (7) 第一章换热系统的流程方案的确定 (8) 1.1换热系统的流程方案的设计 (8) 1.2换热设计方案的确定 (8) 1.3固定管板式换热器的设计计算 (12) 第二章设计工艺计算 (17) 2.1全塔物料衡算 (17) 2.2原料预热器的设计和计算 (24) 2.3塔顶冷凝器的设计和计算 (30) 2.4塔顶冷却器的设计和计算 (30) 主参看文献 (37) 附录 (38) 致辞 (40) 摘要 在石油、化工、食品加工、轻工、制药等行业的生产过程中，换热器是通用工艺设备，可用作加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，换热器类型，性能各异，但设计所依据的传热基本原理相同，不同之处是在结构设计上需要根据各自设备特点采用不同的计算方法。 换热器伴随工业生产的始终，其效果的好坏直接影响化工生产的质量和生产效益，所以换热器是非常重要的化工生产设备,在化工领域中，它扮演着主力军的身份，它是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备，在化工设备中占大约50%以上的比重。为了完成年产3.8万吨酒精的生产任务并节约能源，减少对环境的污染，本次换热器设计的思路为用塔底釜残液的热量来先加热原料液，是原料液加热到一定温度，然后再用高温蒸汽来加热原料液。塔顶酒精蒸汽经过全凝器，用冷却水是酒精蒸汽冷却至液体，再经过冷却器是产品冷却至35度。 关键词：换热器、冷却器、全凝器、预热器。 符号说明 Q 传热速率(即热负荷)，W ； K 总传热系数，W (m 2)； S 与K 值对应的换热器传热面积，m 2； tm 平均温度差，。 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 。 K 。基于换热器外表面积的总传热系数，w (m 2)； i O 基于管内及管外的对流传热系数，w (m 2·)； R so 、R si 一分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，(m 2)w; d o 、d i 、d m 分别为换热器列管的外径、内径及平均直径,m ； b 列管管壁厚度, m ； k 一列管管壁的导热系数，w (m ·) t 蒸汽的饱和温度与壁温之差， n c 水平管束在垂直列上的管数； 1P ?直管中因摩擦阻力引起的压力降Pa ； 2P ?回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa ； t F 结垢校正系数，无因次，25×2.5mm 的换热管取1.4；19×2mm 的换热管 取1.5； s N 串联的壳程数； p N 管程数。 阻力系数，列管换热器管内=3 B N 折流挡板数目； 0u 按壳程流通面积S o 计算的流速，m/s 。 第一章 换热系统的流程方案的确定 1.1换热系统的流程方案的设计 进行换热器的设计，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，确定所选换热器中流体的流动空间及流速等参数，同时计算完成给定生产任务所在地需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。 流程方案的初步设计中，考虑使用塔底残液的废热来预热原料液，达到废热再利用的效果，实现节能减排。 本次换热系统为精馏系统的换热设备，包括原料预热器，塔顶全凝器，塔顶产品冷却器，塔底再沸器，塔底残液冷却器。对原料预热器和塔顶产品冷凝器进行精算，塔顶冷却器和塔底残叶冷却器只作初算，而塔底再沸器不作要求。 1.2 换热器设计方案的确定 1.2.1换热器类型的选择 对于所选择的换热器，应尽量满足以下要求：具有较高的传热效率、较低的压力降；重量轻且能承受操作压力；有可靠的使用寿命；产品质量高，操作安全可靠；所 使用的材料与过程流体相容；设计计算方便，制造简单，安装容易，易于维护与维修。 在实际选型中，这些选择原则往往是相互矛盾、相互制约的。在具体选型时，我们需要抓住实际工况下最重要的影响因素或者说是所需换热器要满足的最主要目的，解决主要矛盾。 本文中两流体温差介于50和70之间的选择带补偿圈的固定管板式换热器，小于50的选择固定管板式换热器。 根据制定的流程方案，可选择带补偿圈的和不带补偿圈的固定管板式换热器，此类换热器的结构简单，价格低廉，宜处理两流体温差50到70且壳方流体较清洁及不宜结垢的物料，流体压强不高于600Kpa的情况。 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19mm×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25×2.5 mm碳钢管。本次设计采用25×2.5 mm碳钢管。 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1-2-1 工业一般流体流速 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810。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。