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1、-学校代码： 10128学 号： 课程设计说明书题目：. z.-摘要换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常用作把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是*一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知。在接到完成设计年产2.9万吨酒精的生产任务时，我的思路是：在正常的
2、生产过程中，利用低压蒸汽作为加热介质在预热器中对原料液进行预热，达到泡点81.9后利用离心泵输送到精馏塔中进行蒸馏，塔顶蒸馏出的酒精蒸汽输送到塔顶冷凝器，利用循环冷却水作为冷却介质使酒精蒸汽转为液体，输送到分配器中，调节分配器使回流比为2，使部分酒精液体回流。未回流部分作为产品输送到塔顶冷却器中，在塔顶冷却器中再次用冷却水使其降到35输送到储装罐中。同时，利用塔釜再沸器将塔釜内液体进行快速加热使之达到泡点，输送到精馏塔中进行蒸馏，剩余的釜残液经过塔底冷却器冷却后输送到储装罐中。换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。
3、逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，所以在我的设计中应该尽量采用逆流换热。关键词：换热器；年产2.9万吨酒精的生产任务；酒精蒸馏；流向. z.-. z.-第一章换热器的设计1.1 设计方案的确定及选型在进行换热器的设计时，首先应根据年产2.9万吨酒精的生产任务的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
4、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且根据实际流体的腐蚀性确定换热器的材料，根据换热器内的压力来确定其壁厚。流程方案的初步设计中，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。1.1.1 流程方案的确定所选的换热器，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。换热器设计的第一步是确定换热系统的流程。在正常的生产过程中，利用低压蒸汽作为加热介质在预热器中对原料液进行预热
5、，达到泡点81.9后利用离心泵输送到精馏塔中进行蒸馏，塔顶蒸馏出的酒精蒸汽输送到塔顶冷凝器，利用循环冷却水作为冷却介质使酒精蒸汽转为液体，输送到分配器中，调节分配器使回流比为2，使部分酒精液体回流。未回流部分作为产品输送到塔顶冷却器中，在塔顶冷却器中再次用冷却水使其降到35输送到储装罐中。综合考虑地理位置等因素，我认为使用水蒸汽作为加热介质和循环冷却水做为冷却介质是比较经济的。材料中的两流体温差介于50和70之间，可选择带补偿圈的固定管板式换热器。1.1.2 换热器类型的选择列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广，历史悠久，设计资料完善，并已有系列化标准，特别是在高温、高压和大型
6、换热设备中占绝对优势。不同形式的列管式换热器主要针对换热器管程与壳程流体的温度差不同设计。由于列管式换热器管束与壳体内通过流体的温度不同，会引起管束与壳体热膨胀程度的差异，若两侧流体的温度差较大时，需加入膨胀节。换热器的选择类型有：（1）固定管板式换热器固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起。这类换热器结构简单、价格低廉，但管外清洗困难，适合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。补偿圈的弹性变形可减少温差应力，这种补偿方法使用于两流体温差小于70。C，且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。（2）浮头式换热器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
7、以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。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，应用极为普通，但结构复杂，造价高。原料预热器冷热流体的温度差大于70。C，所以选用浮头式换热器。冷凝器的平均温差大于50。C小于70。C，所以选用带有膨胀节的固定管板式换热器。塔顶冷却器两流体温差小于50。C，可以选用普通的固定管板式换热器。此外，在确定选用换热器的型式时，即要依据两流体的温度差考虑热补偿的问题，还应考虑流体的性质及检修和清晰等因素。1.1.3 设计的基本原则（1）冷却介质终温选择在换热器的设计中，进、出换热器物料的温度一般是由工艺确定的，而冷却介质（或加热介质）的
8、进口温度一般为已知，出口温度则由设计者根据自己的实际情况设定。如用冷却水冷却*热流体，水的进口温度可根据当地的气候条件作出估计，而出口温度需经过经济权衡确定。为了节约用水，可使水的出口温度高些，但所需传热面积加大；反之，为减小传热面积，则可增加水量，降低出口温度。一般来说，设计时冷却水的温度差可取8-10。C。缺水地区可选用较大温差，水源丰富地区可选用较小温差。内蒙古属于偏干旱地区水资源较为缺乏，所以设计时进出口温度可以较大。（2）流体流速的选择流体流速的选择涉及到传热系数、流动阻力及换热器结构等方面。增大流速，可加大对流传热系数，减少污垢的形成，使总传热系数增大；但同时使流动阻力加大，动力消
9、耗增多；选择高流速，使管子的数目减小，对一定的换热面积，不得不采用较长的管子或增加程数，管子太长不利于清洗，单程变为多程使平均传热温差下降。因此，一般需要通过多方面权衡选择适宜的流速。（3）流体流径的选择流体流径的选择是指在管程和壳程各走哪一种流体，以固定管板式换热器为例，介绍一些选择的原则。 不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清晰较方便。 若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流体走壳程，因壁面温度与h大的流体接近，以减少管壁与壳壁的温差，减少温差应力。根据上述原则，在后面的换热器设计中，应该尽量使乙醇液体或者冷却水走管程，水蒸汽或者乙醇蒸汽走壳程。 压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，
10、可节省壳体金属消耗量。 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外散热作用，增强冷却效果。 饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，一般不需清洗。 有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏量。 流量小或粘度大的流体宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改变，在低Re下即可达到湍流，以提高传热系数。 (4)加热介质根据工艺要求以及设备的承压能力，加热介质可选用低压蒸气。1.1.4 列管式换热器结构的确定列管式换热器主要分为管程和壳程两部分。（1）管程结构换热管：常用换热管的规格有192mm, 252mm。换热管在管板上的排列方式有正方形直列、长方形错列、三角形直列、三
11、角形错列和同心圆排列。管板：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。管板上开有管孔，管孔的排列方式有三角形、正方形和同心圆形。三角形可排列较多的管子，装配较多的管子，传热效果较好，所以常被采用，管子中心距一般在1.25d（d为管子外径）。管箱：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。（2）壳程结构壳体是一个圆筒形的容器。直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，大于400mm
12、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。折流挡板：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。因为蒸汽的冷凝与流动状态无关而且为了使冷凝水更好地排除，所以冷凝器不设折流板。列管式换热器除上述部件外，列管换热器根据尺寸大小和用途不同，大型换热器还设有拉杆、旁路挡板；冷凝器设有拦液板等等。1.1.5 壳程和管程数的确定当管内流体流量较小时，会使管内流速较低，对传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。采用多管程时，合理的换热器管的
13、长度为1.5、2、3或6m。管长与壳体直径之比L/D为4-6，水平放置的换热器可取大些。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，又使流体阻力增加，动力消耗就增多。因此，应选择适当流速。表1-1-1 工业一般流体流速液体的种类一般流体易结垢流体气体流速 m/s管程0.5-315-30壳程0.53-151.1.7 接管的选择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
14、酒精精馏换热器，压力、流量都不大，所选择接管的壁厚也不大。1.2列管式换热器的设计计算设计步骤1.系统物料衡算根据产量要求，计算换热系统的原料量、产品量，再进一步确定所需计算的换热器，逐步进行换热器的选用。2.选用换热器计算热负荷，冷却介质的用量计算或加热介质用量的计算。计算平均温度差，当两侧的流体均为变温传热时，应进行温度差的校正。试算并初选设备规格3.试算并初选设备规格 (1) 计算定性温度，并确定在定性温度下流体的性质。 (2) 由总传热速率方程 QKStm，初步算出传热面积S，并确定换热器的基本尺寸(如d、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列标准选择设备规格。 (3) 确定流体在换
15、热器中的流动途径。 (4) 计算平均温度差。 (5) 依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，选定总传热系数K选值。 3计算管、壳程压强降根据初定的设备规格，计算管、壳程流体的流速和压强降。检查计算结果是否合理或满足工艺要求。若压强降超过工艺允许的范围，则要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压强降直至满足要求为止。4核算总传热系数计算管、壳程对流传热系数hi 和ho，确定污垢热阻Rsi和Rso，再计算总传热系数K选，比较K得初始值和计算值，若K计/ K选1.101.25，则初选的设备合适。否则需另设K选值，重复以上计算步骤。通常，进行换热器的选择或设计时，应在满足传热要求的前提下，再考虑其他各项的问题。计算主要公式传热速率方程式Q = KStm 式中Q传热速率(热负荷)，W；K总传热系数，W/(m2)；S与K值对应的传热面积，m2；t m平均温度差，。（1）传热速率(热负荷) Q传热的冷热流体均没有相变化，且忽略热损失，则Q= WhCph ( T1 T
