年產(chǎn)29萬噸酒精精餾換熱器設(shè)計

1、內(nèi)蒙工業(yè)大學(xué)本科課程設(shè)計學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號： 課程設(shè)計說明書題 目：26摘 要換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常用作把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。換熱器既可是一種單元設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的換熱器。換熱器是化工生產(chǎn)中重要的單元設(shè)備，根據(jù)統(tǒng)計，熱交換器的噸位約占整個工藝設(shè)備的20%有的甚至高達(dá)30%，其重要性可想而知。在接到完成設(shè)計年產(chǎn)2.9萬噸酒精的生產(chǎn)任務(wù)時，

2、我的思路是：在正常的生產(chǎn)過程中，利用低壓蒸汽作為加熱介質(zhì)在預(yù)熱器中對原料液進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到泡點81.9后利用離心泵輸送到精餾塔中進(jìn)行蒸餾，塔頂蒸餾出的酒精蒸汽輸送到塔頂冷凝器，利用循環(huán)冷卻水作為冷卻介質(zhì)使酒精蒸汽轉(zhuǎn)為液體，輸送到分配器中，調(diào)節(jié)分配器使回流比為2，使部分酒精液體回流。未回流部分作為產(chǎn)品輸送到塔頂冷卻器中，在塔頂冷卻器中再次用冷卻水使其降到35輸送到儲裝罐中。同時，利用塔釜再沸器將塔釜內(nèi)液體進(jìn)行快速加熱使之達(dá)到泡點，輸送到精餾塔中進(jìn)行蒸餾，剩余的釜殘液經(jīng)過塔底冷卻器冷卻后輸送到儲裝罐中。換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，

3、至出口處溫差為最小。逆流時，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進(jìn)出口溫度一定的條件下，當(dāng)兩種流體都無相變時，以逆流的平均溫差最大順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減??；若傳熱面積不變，采用逆流時可使加熱或冷卻流體消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費，后者可節(jié)省操作費，所以在我的設(shè)計中應(yīng)該盡量采用逆流換熱。 關(guān)鍵詞：換熱器；年產(chǎn)2.9萬噸酒精的生產(chǎn)任務(wù)；酒精蒸餾；流向第一章 換熱器的設(shè)計1.1 設(shè)計方案的確定及選型在進(jìn)行換熱器的設(shè)計時，首先應(yīng)根據(jù)年產(chǎn)2.9萬噸酒精的生產(chǎn)任務(wù)的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，確定所選換熱器中流

4、體的流動空間及流速等參數(shù)，同時計算完成給定生產(chǎn)任務(wù)所在地需的傳熱面積，并確定換熱器的工藝尺寸且根據(jù)實際流體的腐蝕性確定換熱器的材料，根據(jù)換熱器內(nèi)的壓力來確定其壁厚。流程方案的初步設(shè)計中，使用塔底殘液的廢熱來預(yù)熱原料液，達(dá)到廢熱再利用的效果，實現(xiàn)節(jié)能減排。1.1.1 流程方案的確定所選的換熱器，應(yīng)盡量滿足以下要求：具有較高的傳熱效率、較低的壓力降；重量輕且能承受操作壓力；有可靠的使用壽命；產(chǎn)品質(zhì)量高，操作安全可靠；所使用的材料與過程流體相容；設(shè)計計算方便，制造簡單，安裝容易，易于維護(hù)與維修。換熱器設(shè)計的第一步是確定換熱系統(tǒng)的流程。在正常的生產(chǎn)過程中，利用低壓蒸汽作為加熱介質(zhì)在預(yù)熱器中對原料液進(jìn)行

5、預(yù)熱，達(dá)到泡點81.9后利用離心泵輸送到精餾塔中進(jìn)行蒸餾，塔頂蒸餾出的酒精蒸汽輸送到塔頂冷凝器，利用循環(huán)冷卻水作為冷卻介質(zhì)使酒精蒸汽轉(zhuǎn)為液體，輸送到分配器中，調(diào)節(jié)分配器使回流比為2，使部分酒精液體回流。未回流部分作為產(chǎn)品輸送到塔頂冷卻器中，在塔頂冷卻器中再次用冷卻水使其降到35輸送到儲裝罐中。綜合考慮地理位置等因素，我認(rèn)為使用水蒸汽作為加熱介質(zhì)和循環(huán)冷卻水做為冷卻介質(zhì)是比較經(jīng)濟(jì)的。材料中的兩流體溫差介于50和70之間，可選擇帶補償圈的固定管板式換熱器。1.1.2 換熱器類型的選擇列管式換熱器的結(jié)構(gòu)簡單、牢固，操作彈性大，應(yīng)用材料廣，歷史悠久，設(shè)計資料完善，并已有系列化標(biāo)準(zhǔn)，特別是在高溫、高壓和

6、大型換熱設(shè)備中占絕對優(yōu)勢。不同形式的列管式換熱器主要針對換熱器管程與殼程流體的溫度差不同設(shè)計。由于列管式換熱器管束與殼體內(nèi)通過流體的溫度不同，會引起管束與殼體熱膨脹程度的差異，若兩側(cè)流體的溫度差較大時，需加入膨脹節(jié)。換熱器的選擇類型有：（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)簡單、價格低廉，但管外清洗困難，適合處理兩流體溫差小于50。C且殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。補償圈的彈性變形可減少溫差應(yīng)力，這種補償方法使用于兩流體溫差小于70。C，且殼方流體壓強(qiáng)不高于600Kpa的情況。（2） 浮頭式換熱器換熱器的管板有一個不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管束連

7、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)用極為普通，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。原料預(yù)熱器冷熱流體的溫度差大于70。C，所以選用浮頭式換熱器。冷凝器的平均溫差大于50。C小于70。C，所以選用帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。塔頂冷卻器兩流體溫差小于50。C，可以選用普通的固定管板式換熱器。 此外，在確定選用換熱器的型式時，即要依據(jù)兩流體的溫度差考慮熱補償?shù)膯栴}，還應(yīng)考慮流體的性質(zhì)及檢修和清晰等因素。1.1.3 設(shè)計的基本原則（1） 冷卻介質(zhì)終溫選擇在換熱器的設(shè)計中，進(jìn)、出換熱器物料的溫度一般是由工藝確定的，而冷卻介質(zhì)（或

8、加熱介質(zhì)）的進(jìn)口溫度一般為已知，出口溫度則由設(shè)計者根據(jù)自己的實際情況設(shè)定。如用冷卻水冷卻某熱流體，水的進(jìn)口溫度可根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件作出估計，而出口溫度需經(jīng)過經(jīng)濟(jì)權(quán)衡確定。為了節(jié)約用水，可使水的出口溫度高些，但所需傳熱面積加大；反之，為減小傳熱面積，則可增加水量，降低出口溫度。一般來說，設(shè)計時冷卻水的溫度差可取8-10。C。缺水地區(qū)可選用較大溫差，水源豐富地區(qū)可選用較小溫差。內(nèi)蒙古屬于偏干旱地區(qū)水資源較為缺乏，所以設(shè)計時進(jìn)出口溫度可以較大。（2） 流體流速的選擇 流體流速的選擇涉及到傳熱系數(shù)、流動阻力及換熱器結(jié)構(gòu)等方面。增大流速，可加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢的形成，使總傳熱系數(shù)增大；但同時使流動

9、阻力加大，動力消耗增多；選擇高流速，使管子的數(shù)目減小，對一定的換熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數(shù)，管子太長不利于清洗，單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶄鳠釡夭钕陆?。因此，一般需要通過多方面權(quán)衡選擇適宜的流速。（3） 流體流徑的選擇流體流徑的選擇是指在管程和殼程各走哪一種流體，以固定管板式換熱器為例，介紹一些選擇的原則。 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程，因為管程清晰較方便。 若兩流體溫差較大，宜使對流傳熱系數(shù)大的流體走殼程，因壁面溫度與h大的流體接近，以減少管壁與殼壁的溫差，減少溫差應(yīng)力。根據(jù)上述原則，在后面的換熱器設(shè)計中，應(yīng)該盡量使乙醇液體或者冷卻水走管程，水蒸汽或者乙醇蒸汽走殼程。 壓力高的流體宜走管

10、程，以免殼體受壓，可節(jié)省殼體金屬消耗量。 被冷卻的流體宜走殼程，可利用殼體對外散熱作用，增強(qiáng)冷卻效果。 飽和蒸汽宜走殼程，以便于及時排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，一般不需清洗。 有毒易污染的流體宜走管程，以減少泄漏量。 流量小或粘度大的流體宜走殼程，因流體在有折流擋板的殼程中流動，由于流速和流向的不斷改變，在低Re下即可達(dá)到湍流，以提高傳熱系數(shù)。 (4)加熱介質(zhì)根據(jù)工藝要求以及設(shè)備的承壓能力，加熱介質(zhì)可選用低壓蒸氣。1.1.4 列管式換熱器結(jié)構(gòu)的確定列管式換熱器主要分為管程和殼程兩部分。（1） 管程結(jié)構(gòu) 換熱管：常用換熱管的規(guī)格有192mm, 252mm。換熱管在管板上的排列方式有正方形直列、長方

11、形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列。管板：列管式換熱器管板是用來固定管束連接殼體和端蓋的一個圓形厚板，它的受力關(guān)系比較復(fù)雜。厚度計算應(yīng)根據(jù)我國“鋼制壓力容器設(shè)計規(guī)定”進(jìn)行。管板上開有管孔，管孔的排列方式有三角形、正方形和同心圓形。三角形可排列較多的管子，裝配較多的管子，傳熱效果較好，所以常被采用，管子中心距一般在1.25d（d為管子外徑）。 管箱：列管式換熱器管箱即換熱器的端蓋，也叫分配室。用以分配液體和起封頭的作用。壓力較低時可采用平蓋，壓力較高時則采用凸形蓋，用法蘭與管板連接。檢修時可拆下管箱對管子進(jìn)行清洗或更換。 （2） 殼程結(jié)構(gòu)殼體是一個圓筒形的容器。直徑小于400mm的殼體通

12、常用鋼管制成，大于400mm的用鋼板卷焊而成。根據(jù)工作溫度選擇殼體材料，有防腐要求時，大多考慮使用復(fù)合金屬板。折流擋板：列管式換熱器折流板的作用是；增強(qiáng)流體在管間流動的湍流程度；增大傳熱系數(shù)；提高傳熱效率。同時它還起支撐管束的作用。因為蒸汽的冷凝與流動狀態(tài)無關(guān)而且為了使冷凝水更好地排除，所以冷凝器不設(shè)折流板。列管式換熱器除上述部件外，列管換熱器根據(jù)尺寸大小和用途不同，大型換熱器還設(shè)有拉桿、旁路擋板；冷凝器設(shè)有攔液板等等。1.1.5 殼程和管程數(shù)的確定當(dāng)管內(nèi)流體流量較小時，會使管內(nèi)流速較低，對傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。列管式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采

13、用多管程時，合理的換熱器管的長度為1.5、2、3或6m。管長與殼體直徑之比L/D為4-6，水平放置的換熱器可取大些。1.1.6流體流速的選擇增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增加，動力消耗就增多。因此，應(yīng)選擇適當(dāng)流速。表1-1-1 工業(yè)一般流體流速液體的種類一般流體易結(jié)垢流體氣體流速 m/s管程0.5-315-30殼程0.2-1.50.53-151.1.7 接管的選擇接管的選擇與流體的流速和流量有關(guān)。冷凝器的管程進(jìn)出口接管直徑通常直徑較大采用熱軋無縫鋼管，管壁

14、較厚，殼程流體出口接管選擇冷軋無縫鋼管。這次設(shè)計的為酒精精餾換熱器，壓力、流量都不大，所選擇接管的壁厚也不大。1.2 列管式換熱器的設(shè)計計算1.2.1設(shè)計步驟1.系統(tǒng)物料衡算根據(jù)產(chǎn)量要求，計算換熱系統(tǒng)的原料量、產(chǎn)品量，再進(jìn)一步確定所需計算的換熱器，逐步進(jìn)行換熱器的選用。2.選用換熱器計算熱負(fù)荷，冷卻介質(zhì)的用量計算或加熱介質(zhì)用量的計算。計算平均溫度差，當(dāng)兩側(cè)的流體均為變溫傳熱時，應(yīng)進(jìn)行溫度差的校正。試算并初選設(shè)備規(guī)格 3.試算并初選設(shè)備規(guī)格 (1) 計算定性溫度，并確定在定性 溫度下流體的性質(zhì)。 (2) 由總傳熱速率方程 QKStm，初步算出傳熱面積S，并確定換熱器的基本尺寸(如d、L、n及管子

15、在管板上的排列等)，或按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)備規(guī)格。 (3) 確定流體在換熱器中的流動途徑。 (4) 計算平均溫度差。 (5) 依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值范圍，或按生產(chǎn)實際情況，選定總傳熱系數(shù)K選值。 3計算管、殼程壓強(qiáng)降 根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格，計算管、殼程流體的流速和壓強(qiáng)降。檢查計算結(jié)果是否合理或滿足工藝要求。若壓強(qiáng)降超過工藝允許的范圍，則要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流板間距，或選擇另一規(guī)格的設(shè)備，重新計算壓強(qiáng)降直至滿足要求為止。 4核算總傳熱系數(shù) 計算管、殼程對流傳熱系數(shù)hi 和ho，確定污垢熱阻Rsi和Rso，再計算總傳熱系數(shù)K選，比較K得初始值和計算值，若K計/ K選1.101.25，則初選的設(shè)備

16、合適。否則需另設(shè)K選值，重復(fù)以上計算步驟 。 通常，進(jìn)行換熱器的選擇或設(shè)計時，應(yīng)在滿足傳熱要求的前提下，再考慮其他各項的問題。1.2.2計算主要公式傳熱速率方程式 Q = KStm 式中 Q傳熱速率(熱負(fù)荷)，W； K總傳熱系數(shù)，W/(m2)； S與K值對應(yīng)的傳熱面積，m2； t m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 )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 t1 ) 式中 W流體的質(zhì)量流量， kg/s； Cp流體

17、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 飽和蒸汽的冷凝潛熱，J/kg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。 （2）平均溫度差 一側(cè)恒溫，逆流與并流的平均溫差相等tm =(t1-t2)/ln(t1/t2)式中 t1、t2分別為換熱器兩端熱、冷流體的溫差，。 （3）管程壓強(qiáng)降 Pi =（P1+P2）FtNsNp其中：P1 = P2 =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)驗公式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

18、 。 Ns 串聯(lián)的殼程數(shù)； Np 管程數(shù)。 （4）殼程壓強(qiáng)降 殼程無折流擋板，殼程壓力降按流體沿直管流動的壓力降計算，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,計算公式如下： Po =（P1+P2）FsNs P1= Ff0nc（NB + 1）u2o / 2P2=NB3.5 （2 B / D） （uo2）/ 2NB = L / Z 1f0 = 5.0Reo 0.228nc = 1.1n 1/2Ao= h( D ncdo)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； Fs結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，對液體Fs =1.15；對氣體Fs =1.0； F管子排

19、列方式對壓力降的校正系數(shù)：三角形排列F =0.5，正方形 直列F = 0.3，正方形錯列F =0.4； f0殼程流體的摩擦系數(shù)， nc橫過管束中心線的管數(shù)，可按式3-2及式3-3計算； h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計算的流速，m/s。 （5）總傳熱系數(shù)Ko (以外表面積為基準(zhǔn))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取K的經(jīng)驗數(shù)值，選定的K的經(jīng)驗值為K選， 確定了選用的換熱器后，需要對換熱器的總傳熱系數(shù)進(jìn)行核算，管內(nèi)對流傳熱系數(shù)管外對流傳熱系數(shù)則，總傳熱系數(shù)的計算公式為： 式中 K0基于換熱器外表面積的總傳熱系數(shù)，W/(m2)；

20、hi，ho傳熱管內(nèi)、外側(cè)流體的對流傳熱系數(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換熱器列管的內(nèi)徑、外徑及平均直徑，m； k列管管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)； b傳熱管壁厚，m。 由上式計算得到的總傳熱系數(shù)為K計 。（6）接管內(nèi)徑 d =（4 Vs /u）1/2 核算流速 u = 4 Vs /d2式中： d 接管內(nèi)徑，m ； Vs 管程、殼程流體的體積流量，m3 / s ; u 流體流速，m / s 。第二章 列管式換熱器的工藝計算2.1 原料預(yù)熱器的工藝計算 D=2.910324300=4.027103Kg/h 全塔物料衡算：F=W+D F

21、xF=Wxw+DxD 所以R=L/D=2 L=3D=1.2081104Kg/h=3.356Kg/s2.2原料預(yù)熱器的設(shè)計和計算2.2.1確定設(shè)計方案1.選擇換熱器類型 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.流動空間和管材選用 設(shè)計任務(wù)的熱流體為水蒸氣，冷流體為原料液乙醇。由于蒸汽比較干凈不易結(jié)垢，所以蒸汽走殼程以便于及時排除冷凝液，原料中可能含有雜質(zhì)、易結(jié)垢，而粘度大、流量小的原料液中的水為易結(jié)垢液體，所以原料液走管程便于清洗管子，此外還可以提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)。蒸汽的溫度大于原料液的溫度，蒸汽走殼程，原料液走管程，有利于減小管子和殼體因受熱不同而產(chǎn)生的

22、熱應(yīng)力。因此，為使原料液出口溫度達(dá)到泡點，令蒸汽走殼程，原料液走管程。因碳鋼管價格低強(qiáng)度好，預(yù)熱器中的流體沒有腐蝕性，所以選碳鋼管。2.2.2根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù)（1）估算傳熱面積，初選換熱器型號熱流體：水蒸氣 冷流體：原料液 本物性數(shù)據(jù)的查?。涸弦旱亩ㄐ詼囟龋?120 釜殘液的定性溫度： （20+81.9）/2 =50.95物性參數(shù)：表2-2-1 預(yù)熱器內(nèi)原料物性參數(shù)名稱密度Kg/m3定壓比熱CpKJ/(Kg)導(dǎo)熱系kW/(m)粘度Pas汽化熱rKJ/Kg乙醇50.957792.760.130.710-3水 50.95988.14.170.6485.49410-4水蒸汽1201.120

23、.0261.3810-52205水 120943.14.2660.6862.37310-4熱負(fù)荷計算Qh = Whr =WFCPc(t2-t1)=QcCpm= （C乙醇+C水 ）/ 2 = 3.465KJ/(Kg)Qc= WcCpm(t2-t1)=2.06753.46510381.9-20= 441390W =1589000KJ/h因為r=2205.2 KJ/Kg ，水蒸汽的消耗量：Wh= Qc / r = 720.57kg/h=0.2002Kg/s確定流體的流徑設(shè)計任務(wù)的熱流體為水蒸氣，冷流體為原料液，為防止原料液在管程中流動從而使管程結(jié)垢，所以令水蒸氣走殼層，原料液走管程。計算平均溫度差暫

24、按單殼程二管程考慮，先求逆流平均溫度差水蒸氣 T1=120 T2 =120 原料液 t2=81.9 t1=20 t 38.1 100tm=（100-38.1）/ln（100/38.1）=64.15 計算R：R=(T1-T2)/(t2-t1)=0 無需校正tm。選K值，估算傳熱面積取K=1000W/(m2)S=Q/(Ktm )=441390/（100064.15）=6.88m2初選換熱器型號 由于兩流體溫差大于50小于70，可選用固定管板式式換熱器初選換熱器型號為：JB/T 4715-92主要參數(shù)如下：外殼直徑325mm公稱壓力2.5MPa公稱面積7.87m2管子尺寸192.0管子數(shù)68管長20

25、00mm管中心距25mm管程數(shù)Np4管子排列方式正三角形管程流通面積0.0030m2實際換熱面積：So=ndoL-0.06=683.140.0192-0.06=7.87m2采用此換熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為：K=Q/ (Sotm )=441390/（7.8764.15）=874.28W/(m2)（2）核算壓強(qiáng)降管程壓強(qiáng)降 Pi=（P1+P2）FtNsNp (其中Ft=1.5，Ns=2，Np=4)1/m=wA/A+wB/B ， 平均密度：m=871.18Kg/m3 lgm =xilgi ，平均粘度： m=6.20210-4 Pas管程流速：ui=Wc/(mAi)=8744.51/(

26、861.720.00533600)=0.5318m/sRei=dimui /m=（0.015861.720.5318）/（6.7110-4）=10.244103對于碳鋼管，取管壁粗糙度=0.1，則相對粗糙度為/di=0.1/15=0.007由教材-Re關(guān)系圖查得，=0.041P1=0.041（3/0.015）（861.20.53182）/2=774PaP2= 3861.720.53182/2=365.55PaPi=（P1+P2）FtNsNp=（999+366）1.412=3822Pa（50KPa）所以管程壓強(qiáng)降符合設(shè)計要求。 殼程壓強(qiáng)降 Po=（P1+P2）FtNs (其中Ft=1.0，Ns=

27、1 , ) 因為殼程走的為水蒸氣，不需要加折流擋板 nc=1.1(60)0.5=8.52殼程流通面積： Ao=（/4）(D2- ndo2 ) =（3.14/4）（0.3252-8.520.0192） =0.0803 m2殼程流速：uo=Wh/(Ao)=891/(1.4960.08033600)=2.06m/sReo=douo /=（0.0191.4692.06）/（1.32410-5）=4.343103 （500）Fo=5.0Reo-0.228=5.0（4.343103）-0.228=0.741管子為正三角形排列F=0.5P1=Ffonc（ NB+1）u2o/2P1=0.50.7418.52(

28、1+1)1.4962.062/2=19.7PaPo=P1FsNs=19.711=19.7Pa（100 KPa）計算結(jié)果表明，管程和殼程的壓降均能滿足條件（3）核算總傳熱系數(shù)管程對流傳熱系數(shù)Cp=（C乙醇+C水 ）/ 2 = 3.58 KJ/(Kg)k=0.5(0.148+0.6625)=0.405 W/(m)m=6.7110-4 Pas W/(m2)殼程對流傳熱系數(shù) =2112.5 W/(m)污垢熱阻由表查得：Rso=0.85910-4 ( )/WRsi=1.719710-4( )/W總傳熱系數(shù)K:k=670.66 W/(m)dm=(do-di)/ln(do/di)=0.01692m =1/1

29、.6610-3即 Ko=837W/(m2)由于 (Ko K)/K=（837-670.66）/ 670.66= 24.8% 故所選的換熱器是合適的 （4）接管管程流體進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)流體流速為：u=2m/s，則接管內(nèi)徑為d=(4V/u)0.5、=(48744.51/3.142861.723600)0.5=0.042m，查出do=50mm,b=3mm,di=42mm，因為u=V/Ao=(48744.51)/(3.143600861.720.0422)=2.04m/s( 1m/s u 3m/s) 符合所以，標(biāo)準(zhǔn)接管內(nèi)徑為42mm。殼程流體進(jìn)口接管，取接管內(nèi)流體流速為：u=30 m/s，則接管內(nèi)徑

30、為d=(4V/u)0.5=(891.274)/(3.1436001.46930)=0.085m，查出do=95mm,b=5.0mm,di=85mm，因為u=V/Ao=(891.274)/(3.1436001.4690.0852)=29.7m/s( 20m/s u 40m/s) 符合 所以，標(biāo)準(zhǔn)接管內(nèi)徑為40mm殼程流體進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)流體流速為：u=2.0 m/s，則接管內(nèi)徑為d=(4V/u)0.5=(891.274)/(3.143600934.82)=0.013m，查出do=15mm,b=1.0mm,di=13mm，因為u=V/Ao=(891.274)/(3.143600934.80.0

31、132)=1.996m/s( 1m/s u 3m/s) 符合 所以，標(biāo)準(zhǔn)接管內(nèi)徑為13mm。2.2 全凝器的工藝計算（1） 估算傳熱面積，初選換熱器型號熱流體：以純蒸汽（92%）冷流體：冷卻水 （15）基本物性數(shù)據(jù)的查取92%乙醇蒸汽的定性溫度 78.3 冷卻水的定性溫度 （15+35）/2 =25物性參數(shù)：名稱密度Kg/m3定壓比熱CpKJ/(Kg)導(dǎo)熱系kW/(m)粘度Pas汽化熱rKJ/Kg乙醇液78.3736.7750.15324.410-4846乙醇?xì)怏w78.31.62481.80460.0221.03810-5850水78.3972.8174.1950.67453.56510-4水

32、蒸汽78.30.29290.62281.153510-52307.8冷卻水20998.24.830.5989100.510-5熱負(fù)荷計算rm =92%850 + 8%2307.8=966.7 KJ/KgWh=L+D=4722.2784+9444.5568=14167kg/hQ= W* rm = 14167966.7103/3600=3804.2103W由 Q=WcCpc ( t2 - t1) 得Wc=Qh/Cpc ( t2 - t1)=3804.2103/4.183103（35-15）=45.47kg/s =163699.73 kg/h確定流體的流徑設(shè)計任務(wù)的熱流體為乙醇蒸汽，冷流體為冷卻水，

33、為使乙醇蒸汽通過殼壁面向空氣中散熱從而提高冷卻效果，所以令乙醇蒸汽走殼層，冷卻水走管程。計算平均溫度差暫按單殼程雙管程考慮，先求逆流平均溫度差 乙醇蒸汽 T1=78.3 T2 =78.3 冷卻水 t2=20 t1=15 t 58.3 63.3tm =（63.3-58.3）/ln（63.3/58.3）=60.8 （50tm70,接近，需加膨脹節(jié)）計算R：R=(T1-T2)/(t2-t1)=0 無需校正tm。選K值，估算傳熱面積取K=600W/(m2)S=Q/(Ktm )=3804.2103/（60060.8）=120.5m2初選換熱器型號 由于兩流體溫差接近50，可選用帶有熱膨脹節(jié)的固定管板式換

34、熱器，初選換熱器型號為：G273-2.5-4.4主要參數(shù)如下：外殼直徑700mm公稱壓力2.5MPa公稱面積122.6 m2管子尺寸252.5管子數(shù)355管長4.5 m管中心距32mm管程數(shù)Np1管子排列方式正三角形管程流通面積0.1115m2實際換熱面積：So=ndo (L-0.1)=3553.140.025(4.5-0.1)=122.617m2采用此換熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為：Ko=Q/ (Sotm )= 3804.2103 /（122.61752.6）=589.83W/(m2)（2）接管管程流體進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)流體流速為：u=2m/s，則接管內(nèi)徑為d=(4V/u)0.

35、5=(445.47/3.142998.5)0.5 =0.170m，查出do=190mm,b=10mm,di=170mm，因為u=4V/d2=(1444594)/(3.14998.50.0172)=1.999 m/s ( 1m/s u 3m/s)所以，標(biāo)準(zhǔn)接管內(nèi)徑為190mm殼程流體進(jìn)口接管，取接管內(nèi)流體流速為：u=30 m/s，則接管內(nèi)徑為d=(4V/u)0.5=(414167/3.14301.62483600)0.5 =0.3206m查出do=345mm,b=10mm,di=325mm因為u=4V/d2=(141674)/(3.141.624836000.3252)=29.2m/s( 20m

36、/s u 40m/s)所以，標(biāo)準(zhǔn)接管內(nèi)徑為325mm。殼程流體出口接管，取接管內(nèi)流體流速為：u=2.0 m/s，則接管內(nèi)徑為d=(4V/u)0.5=(414167/3.142752.53600)0.5 =0.058m，查出do=68mm,b=5mm,di=58mm，因為u=V/Ao=(141674)/(3.143600752.50.0582)=1.98m/s( 1m/s u 3m/s)所以，標(biāo)準(zhǔn)接管內(nèi)徑為58mm。2.3 塔頂冷卻器的工藝計算（1）估算傳熱面積，初選換熱器型號熱流體：含乙醇為92%的乙醇液體 冷流體：冷卻水（15）基本物性數(shù)據(jù)的查取乙醇液的定性溫度 （78.3+25）/ 2=5

37、1.65冷卻水的定性溫度 （35+15）/ 2 =25物性參數(shù)：名稱密度Kg/m3定壓比熱CpKJ/(Kg)導(dǎo)熱系kW/(m)粘度Pas汽化熱rKJ/Kg乙醇液56.657602910.1646.6710-4水56.65985.54.1770.65564.9610-42500冷卻水20998.54.1830.5898100510-5熱負(fù)荷計算Cpm=92%C乙醇+8%C水 =3.186 KJ/(Kg)Q=WhCpm(T1-T2) =4722.283.186(78.3-35)3600=180960 WQ=WhCpm(T1-T2)= WcCpm(t2-t1)所以冷卻水耗量： Wc=Q/Cpc (

38、t2 - t1) = 180960/4.18310315 =2.88 kg/s = 10383kg/h確定流體的流徑設(shè)計任務(wù)的熱流體為乙醇液體，冷流體為冷卻水，為使乙醇液體通過管壁面向空氣中散熱提高冷卻效果，所以令乙醇液體走殼程，冷卻水走管程。計算平均溫度差暫按單殼程雙管程考慮，先求逆流平均溫度差 乙醇蒸汽 T1=78.3 T2=35 冷卻水 t2=30 t1=25 t 48.3 10tm =（48.3-20）/ln（48.3/20）=28.52計算R：R=(T1-T2)/(t2-t1)=(78.3-35)/(30-25)=3.55 P=(t1-t2)/(tT1-t1)= (30-25)/(7

39、8.3-25)=0.09由教材4-19圖查得 =tm* =28.520.9=25.67選K值，估算傳熱面積取K=380 W/(m2)S=Q/(Ktm )=180960 /（38025.67）=18.6m2初選換熱器型號 由于兩流體溫差小于50，可選用普通的固定管板式換熱器，初選換熱器型號為：G700 -4.0-13.8主要參數(shù)如下：外殼直徑DN400mm公稱壓力PN2.5MPa公稱面積18.8m2管子尺寸192管子數(shù)108管長3m管中心距32mm管程數(shù)Np4管子排列方式正三角形管程流通面積0.0008 m2實際換熱面積：So=ndL=1083.140.0252.9=24.5862 m2采用此換

40、熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為：Ko=Q/ (Sotm )= 180960/（24.586225.67）=286.72W/(m2)（2）接管管程流體進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)流體流速為：u=2.0 m/s，則接管內(nèi)徑為d=(4V/u)0.5=(42.88/ (3.142998.5)0.5=0.04m，查出do=45mm,b=2.5mm,di=40mm，因為u=V/Ao=(103834)/(3.14998.536000.042)=2.30m/s ( 1m/s u 3m/s)所以，標(biāo)準(zhǔn)接管內(nèi)徑為40mm。殼程流體進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)流體流速為：u=2 m/s，則接管內(nèi)徑為d=(4V/u)0.5

41、=(42.88/ (3.142998.5)0.5=0.043m，查出do=49mm,b=2mm,di=45mm，因為u=V/Ao=(4722.284)/(3.14752.50.0452)=1.10m/s ( 1m/s u 3m/s)所以，標(biāo)準(zhǔn)接管內(nèi)徑為45mm。備注：D=4027Kg/hF=7443.75Kg/hW=3416.32Kg/hQh=441390Wtm=64.15So=7.87m2K=874.28W/(m2)m=871.18Kg/m3m=6.20210-4 Pasui=0.5318m/sRei=10.244103uo=2.06m/sReo=4.343103k=0.405W/(m) W/(m2)W/(m2)Rso=1.719710-4 ( )/WRsi=1.719710-4( )/WKo=837W/(m2)管程進(jìn)出口標(biāo)準(zhǔn)接管外徑為50mm。殼程進(jìn)口標(biāo)準(zhǔn)接管外徑為95mm。殼程出口標(biāo)準(zhǔn)接管外徑為15mm備注rm=966.7