碳八分离工段原料预热器设计方案

1 碳八分离工段原料预热器设计方案 第一章、设计任务书 冷流体：液体流量为 10h 组分摩尔分率 乙苯 对二甲苯 间二甲苯 邻二甲苯 18% 18% 40% 24% 加热水蒸汽压力为 12 30加热到 162 要求管程与壳程压差均小于 50计标准式列管换热器。 第二章、概述及设计方案简介 (一 ) 分离 仅在苯乙烯生产需要原料乙苯，或在 烃异构化过程，为防止乙苯会在异构化过程中使氧化铝 需要分离乙苯。近年来因苯烷基化技术的发展，由 烃分离乙苯在经 济上已无法与合成乙苯竞争，并且新一代贵金属异构化催化剂能有效地将乙苯转化成二甲苯，从而使乙苯分离的重要性大大 2 下降。 由 烃中分出乙苯，工业上有三种方法：精馏，需用300 400 块塔板，回流比为 75；吸附分离，该法操作费用比精馏法低 1/3；色层分离，在分离对二甲苯的同时，也联产乙苯。 邻二甲苯分离 将邻二甲苯与其他两种异构体分离约需100 块塔板。如果 烃中含有少量的碳九芳烃 ,则尚需另设 30块板的精馏塔以分离 烃，才能得到较高纯度的邻二甲苯。 对二甲苯分离 分离间二甲苯和对二甲苯可 采用低温结晶、吸附分离 (二 ) 换热器简介 换热器是化学、石油化学及石油炼制工业中以及其他一些行业中广泛使用的热量交换设备，在生产中占有重要地位。工业生产中所用的换热器按其用途可分为加热器、预热器、过热器、冷 3 却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分为四大类，即间壁式、直接接触式、蓄热式和中间载热体式。 间壁式换热器，亦称为表面式换热器或间接式换热器。在此类换热器中，冷热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量由热流体通过壁面传给冷流体。该类型换热器 适用于冷热流体不允许混合的场合。间壁式换热器应用广泛，型式多样，各种管壳式和板式结构的换热器均属此类。 直接接触式换热器，亦称为混合式换热器。在此类换热器中，冷热流体直接接触，相互混合传递热量。该类型换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许混合的场合，常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝等。 蓄热式换热器，亦称为回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高，然后与冷流体接触，将热量传给冷流 体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。回转式空气预热器即是一种蓄热式换热器。 中间载体式换热器，亦称为热媒式换热器。此类换热器将两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来，载热体在高、低温流体换热器内循环，从高温流体换热器中吸收热量后带至低温流体换热器中传递给低温流体。该类型换热器多用于核能工业、化工过程、冷冻技术及余热利用中。热管式换热器 、液体 4 或气体偶联的间壁式换热器均属于此类。 在四类 换热器中，间壁式换热器应用最多。 第三章、设计条件及主要的物性参数 (一 ) 选择换热器类型 流体温度变化情况如下：混合流体进口温度为 30，被加热后出口温度达到： 162，并且该换热器用的是水蒸气加热，要求管程和壳程压差均小于 50以考虑用固定管板式换热器，但是因为固定管板式只能用于管壁温与壳体壁温 之差低于 6070及壳程压力不高的场合，所以初选换热器为浮头式换热器。其特点是管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生热应力。能在较高压力下工作，适用于壳体壁温与管壁温差较大或壳程流体易结垢的场合。 (二 ) 流程安排 实 际生产中要求饱和蒸汽走壳程，混合冷流体走管程。采用逆流传热。 (三 ) 确定物性参数 定性温度 混合冷流体 30+162） /2=96 水蒸气定性温度 5 管程内 混合液在 96下的物性参数如下： 表 1 混合液 96下的物性参数 热流体水蒸气在 12kg/定性温度 件下物性参数如下表： 表 2 水蒸气 物性参数 密度m /m K） 焓g H=J/（ K） 汽化热J/ 热导率m = m K） 密度 L 热导率 L 粘度 L Pas 6 粘度m=Pas 表 3 冷流体摩尔分率 乙苯 对二甲苯 间二甲苯 邻二甲苯 18% 18% 40% 24% 表 4 各组分物性参 数 碳四芳烃 沸点（） 凝固点（） 乙苯 二甲苯 二甲苯 二甲苯 5 设计条件 冷流体 加热水蒸汽 进口温度（） 30 口温度（） 162 性温度（） 96 7 第四章、工艺设计计算 (一 ) 换热器的热流量 换热器的热流量指的是在确定的物流进口温度下，使其达到规定的出口温度，冷流体和热流体之间所交换 的热量，或是通过冷、热流体的间壁所传递的热量。 在热损失可以忽略不计的条件下，对于无相变化的物流，换热器的热流量由下式确定： Q1= 式中 热流量， W； 工艺流体的质量流量， kg/s； 工艺流体的定压比热容， k）； 工艺流体的温度变化， k M= M 0 01010 331 kg/s 132=76320W (二 ) 加热剂用量 加热剂的用量取决于工艺流体所需的热量及加热剂的进出 8 口温度，此外还和设备的热损失有关。对于工艺流体被加热的情况，加热剂放出的热量等于工艺流体被加热的情况，加热剂放出的热量等于工艺流体所吸收的热量损失的热量之和，即 1+Q 式中 工艺流体所吸收的热流量， W； 加热剂放出的热量， W； Q 损失的热流量 Q取 5% 即 Q=76320 816W 则有： 76320+3816=80136W 若以水蒸气作为介质，则水蒸气的用量可用下式确定 水蒸气质量流量， kg/s； 水蒸气冷凝热， kJ/ s/-(三 ) 平均传热温差 平均传热温差是换热器的传热推动力。其值不但和流体的进出口温度有关，而且还与换热器内两种流体的流型有关。对于列管式换热器，常见的流型有 3 种：并流、逆流和折流。对于并流和逆流，平均传热温差均可用换热器两端流体温度的对数平均温差表示， 9 即 1212 式中 逆流或并流的平均传热温差， K； 1t 2t 根据流型计算； 折流情况下的平均传热温差可先按纯逆流情况计算，然后加以校正，即 = t 逆 式中 折流情况下的平均传热温差， K； t 温度校正系数； 实际采用逆流固有 ： = 5 7 (四 ) 估算传热面积 在估算传热 面积时，可以根据冷热流的具体情况，参考换热器传热系数的大致范围，假设一 K 值，估算传热面积 P t 式中 估算传热面积， K 假设传热系数系数， W/（ k）； 平均传热温差， K 在上的计算中， 可先按纯 逆流计算，然后待确定换热器结构之后，再进行适当校正。 P t = 0 1 36 10 选择管径及管内流 由于管长及管程数均和管径及管内流速有关，故应首先确定管径及管内流速。目前国家内常用的换热管规格和尺寸偏差见表6 表 6 常用换热管的规格 材料 钢管标准 外径厚度/(级换热器 级换热器 外径偏差 /厚偏差 外径偏差 /厚偏差 碳钢 163 10 +12% +15% 14 2 19 2 25 2 25 2 3 38 3 45 3 7 10% 1% +12%，不10 +12% 14 2 19 2 25 2 11 若选择较小的管径，管内表面传热系数可以提高，而且对于同样的传热面积来说可以减小壳体直径。但管径小，流动阻力大，清洗困难，设计可根据具体情况用适宜的管径。 管内流速的大小对表面传热系数及压力降的影响较大，一般要求所选的流 速应使流体处于稳定的湍流状态，即雷诺指数大于10000，对于传热热阻较大的流体后易结垢流体应选取较大的流速。另外还要考虑在所选的流速下，换热器应有适当的管长和管程数，并保证不会由于流体的动力冲击导致管子强烈振动而损坏换热器。 选取管长确定管程数和总管数 选定了管径和管内流速后，可依据下式确定换热器的单程管子数 sn 中 单程管子数目； 单程流体的体积流量， m3/s; 传热管的内径， m； 锈钢 270 32 2 38 5 10% 15% 57 1% 12 u 管内流体流速， m/s； 取管径为 225 较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u=m/s,则有： sn 0 1 29 次可求出 按单程换热器计算所得的管子长度： 0 = 式中 L 按单程计算的管子长度， m； 0d 管子外径， m； 如果按单程计算的管子太长，则应采用多管程，在选取管长时应注意合理利用材料，还要使换热器具有适宜的长径比。取每程管子长度 l=6m，则确定了每程管子长度之后，即可求得管程数 P LN l= 式中 L 按单程计算的管子长度， m； l 选取的每程管子长度， m； 管程数（必须取整数） 换热器管程数为： T p n =4（根） 式中 ， m；换热器的总管数 (五 ) 平均传热 温差校正及壳程数 若选用多管程换热器，可提高管内表面传热系数，但同时也 13 增加了换热器的阻力，并损失部分传热温度。其中温差校正系数t 与流体的进出口温度有关，也与换热器的壳程数及管程数有关。 1221 = 03087 P=T= 式中 1T , 2T 热流体进、出口温度，； 1t ， 2t 冷流体进出、口温度，； 对单侧温度变化流体，折流、逆流、并流的平均传热温差相等 即t =1，则 = t 逆= (六 ) 传热管的排列 传热管在管板上的排列有三种基本形式，即正方形、正四边形和同心圆排列。 由于壳外是清洁的蒸汽加热剂，故采用正三角形排列，管子排列面积是一个正六边形，排在正六边形内传热管数为 3a（ a+1） +1 若设 b 为正六边形对角线上管子数目，则 b=2a+1 式中 热流体进、出口温度，； 14 a 冷流体进出、口温度，； 对于对多程换热器，常采用组合排列法。各程内采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用矩形排列方法。 管心距 板上两传热管中心距离称为管心距。管心距的大小主要与传热管和管板的连接方式有关，此外还要考虑到管板强度和清洗外管面所需的空间。 传热管和管板的链接方式有胀接和焊接两种，当采用胀接法，采用过小的 管心距，常会造成管板变形。而采用焊接法时，管心距过小，也很难保证焊接质量，因此管心距应有一定的数值范围，一般情况下，胀接时，取管心距 t=(.5)焊接时，取t=25=32管程结构中，隔板占有管板部分面积。一般情况下，隔板中心到离其最近一排管中心距离可用下式计算 62=22 各程相邻管的管心距为 44 管束的分程方法 在设计中，如采 用多管程，则需要在管箱中安装分程隔板。分程时，应使各程管字数目大致相等，隔板形式要简单，密封长度要短，一般采用偶数管程。 管束分程方法常采用平行和 T 行方式。 15 壳体内径 换热器壳体内径取决于传热管数、管心距和传热管的排列方式。对于单程换热器： D=t（ +（ 23） 式中 t 管心距， 传热管外径， 上式中， b 的取值和管子的排列方式有关，对于正三角形排列 对于正方形排列 多管程换热器壳体的内径还和管程数有关： D= 中 管板利用率 ； 整圆可取 150 折流板和支承板 列管式换热器的壳程流体流通面积比管程流通面积大，故需设置折流板。折流板有横向折流板和纵向折流板两类 ，单壳程的换热器仅需设置横向折流板，多壳程换热器不但需要横向折流板，而且需要设置纵向折流板。 取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25%，则切去的圆缺高度为： 16 h=150=折流板间距 B= B=150=45流板数 N （块）折流板间距 传热管长 1321 0 01- 旁路挡板 防冲挡板 接管 壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为 m/s，则接管内径为 D 0 2 圆整后取管内径为 40 管程 流体进出口接管：取接管内液体流速 m/s,则接管内径为 D 圆整后取管内径为 30 (七 ) 换热器核算 热流量核算 17 式中 K 传热系数， W/（ k） ； W/（ k）； 0R 壳程污垢热阻， k/w； 管程污垢热阻， k/w； 0d 传热管外径， m； 传热管内径， m； 传热管平均值径， m； 管程表面传热系数， W/（ k）； 管程流体无相变传热 克恩提出下式作为采用了弓形折行板时壳程表面传热系数的计算式 d 三角形排列时 220034 24e = 4 22 t 管间距， m 壳程流通截面积 D（ 1o） = =m 18 壳程流通流速及雷诺数分别为 =m/s 2 普朗特数 0 9 粘度校正 则有： 9 60 9 7 7 70 2 7 管内表面传热系数 有： 管内流体流通截面积 24 管内流体流速 i / 19 得 h 2 iW/( K) 污垢热阻和管壁热阻 可取： 管外侧污垢热阻 R ( K/W) 管内测污垢热阻 R ( K/W) 管壁热阻计算，按书中表 3该条件下（ 96）热导率为：(m K)所以有 ： R 2w 04 0 c 有 ( ）179 61000 5000 5000 5 ( K) 换热器面积裕度 1t = 0136 = 根据 求出该换热器的面积裕度 20 = 27% 式中 H 换热器的面积裕度； 实际传热面积， 计算传热面积， 为保证换热器操作的可行性，一般应使换热器的面积裕度大于 15%20%。 (八 ) 传热管和壳体壁温核算 对于稳定的传热过程，若忽略污垢热阻，则有 )-(h wm 1w m t 考虑到污垢热阻的影响则有： 1w m 1w m t 一般情况下，管壁温度可取为： 2由于管壁热阻很小，所以有 21 hh 1t w 式中液体的平均温度 t = T K ) W / ( W / ( 传热管平均壁温 t=1 7 9 211 7 9 7 =体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即 T= 壳体壁温和传热壁温之差为 t=6K 该温差较大，故需设温度补偿 装置。由于换热器壳程流体压力较高，因此，需选用浮头式换热器较为适宜。 (九 ) 换热器内流体阻力计算 管程总阻力 ()t i r s p sp p p N N F 21 N ， 22 22 由 热管相对粗糙度 ，查莫狄图得 i 速 u=s， kg/m，所以 3 r 3402 2 3 1程流体阻力在允许范围之内。 壳程阻力 s ， 流体流经管束的阻力 21p 2o F= 4 4 7 7 75 N /32 o 23 2 4 4 体流过折流板缺口的阻力 2 4 i 23107阻力 s =25262 于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。 (十 ) 换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器主要结构尺寸和计算见下表。 表 7 换热器主要结构尺寸和计算结果表 参数 管程 壳程 流率 /(kg/s) 口 /出口温度（） 30/162 性 定性温度 / 96 度 /(压比热容（ kJ/K） 24 粘度 /（ s） 热导率 /（） 朗特数 备结构参数 形 式 浮头式 台数 1 壳体内径 /50 壳程数 1 管径 /25 管心距/2 管长 /000 管子排列 管数目 4 折流板数 /个 132 传热面积 /流板间距/5 管程数 4 材质 碳钢 主要计算结果 管程 壳程 流速 /m/s 面传热数/W/( K) 796 污垢热阻 / 25 （ m ） 阻力 /5262 热流量 /W 80136 传热温差 /K 热系数/W/( K) 度 /% 27 第五章、设计自我评价 通过这次课程设计让我明白两点：细心与合作。 整个过程的计算我算了两遍，在第一次计算中由于个人没耐心，烦躁导致得出的数据较为离谱。于是静下心后，我开始了检查工作，即第二次计算。这次我认真的从头开始重 算，发现在计算的前半部分就已经开始出错了，庆幸我检查了一遍，真的是该细心工作的。当然这次的课程设计是我们第一次接触到设计领域，一个人的知识面还是较为狭窄的，能