年生产35万吨酒精精馏系统换热器项目设计方案

1、年产 3.5 万吨酒精精馏系统换热器 工程 设计方案 第一章 换热系统的流程方案确实 定1.1 换热系统的流程方案的设计 进行换热器的设计，第一步应根据酒精精馏的工艺要求确定换热系统的流程 方案。第 二步根据酒精的产量及酒精与水的质量分数， 原料液的质量分数， 年产 量的工作时间， 进 行物料衡算， 得到流量数据， 第三步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， 进行 传热系数的核算及确定，最后并确定 换热器的工艺尺寸选用适当类型的换热器。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， 到达废热 再利用 的效果，实现节能减排。

2、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，塔顶冷却器和塔顶 产品冷凝器进 行精算，塔底残液冷却器塔底再沸器，只作初算。1.2 换热器设计方案确实定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，操作平安 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， 这些选择原那么往往是相互矛盾、 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

3、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 50C 和 70C 之间的选择带补偿圈的固定管板式换热器，小于 50C 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50C 到 70C 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确实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局部泄漏。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

4、热器主要分为管程和壳程两大局部。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 C 19X 2,C 25X2.5 等；管长有 1500mm 2000mn 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， 采用巾 19mX 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 以选择巾 25X 2.5 mm 碳钢管。本次设计采用巾 25X 2.

5、5 mm 无缝钢管。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 排列比拟紧凑，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 比拟复杂。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

6、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、管箱确实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，压力较高时那么采用凸形盖，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、换热器壳体确实定根据管间压力、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400mn的壳体通常用钢管制成，大于 400mn的用钢板卷焊而成。 根据工

7、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。123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

8、流体、腐蚀性的流体宜在管流过。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。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，减少污垢在管子外表上沉积的可能性，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。下表列出工业一般米用的流体流速围。表1-1工业一般流体流速液体的种类一般液体易结垢液体气体管程0.5-3.0 1.05.0-30流速m/ s壳程0.2-1.5 0.53.0-151.2.5 流体进出口温度确实定

9、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， 那么要增加水量。设计时可采取冷却水两端温差为8? 10C。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 接管确实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。1.2.7 管程和壳程数确实定为了提高管流 速，可当管流体流量较小时， 会使管流速较低， 对流传热系数较小。采用多管程。但

10、是程数过多，将导致管程流体阻力增加，面积的利用率也降低。这次采用单壳程多管程 2、4固定管板式换热器。1.3 固定管板式换热器的设计计算1.3.1 设计计算步骤1.3.1.1 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。1.3.1.2 选用换热器1 、热负荷的计算，冷却介质用量的计算或加热介质用量的计算；2 、平均温度差的计算，当两侧流体均为变温传热时，应进行温度差的校正；3 、流动空间的选择；4 、初估总传热系数，计算换热面积，初选换热器。1.3.1.3 核算总传热系数 计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻，在计算总传热

11、系数K 计。比拟K计和K选，假设K计K选/K选10%? 25%，那么初选的设备合格。否那么需另设K选值，重复以上计算步骤。1.3.1.4 计算管、壳程压强降计算出选设备的管、壳程流体的压强降，如超过工艺允许的围，要调整流速,再确定管1.321程数，或选择另一规格的换热器，重新计算压强降直至满足要求为止。131.5接管尺寸计传热计算的主要公式传热速率方程式及相关计算公式Q KS t m式中Q 传热速率(即热负荷)，WK 总传热系数，wm2. C)；S 与K值对应的换热器传热面积，m2 tm 平均温度差，Co1.热负荷(传热速率)Q无相变传热Q WC (T T ) WC (t t )Q hCph(

12、 12 ) cC pc 2 1 )相变传热(蒸汽冷凝且冷凝液在饱和温度下离开换热器)Q W hCph(T 1 T2) WcCpc (t2 t1 )式中W 流体的质量流量，kg/ h;Cp流体的平均定压比热容，J/(kgC);T热流体的温度,C;t冷流体的温度,C;r 饱和蒸气的冷凝潜热，kJ / kg下标h和c分别表示热流体和冷流体，下标1和2分别表示换热器的进口和出口2.平均温度差 tm一侧恒温,逆流与并流的平均温差相等T-温T f P,R ,其中差校正系两侧变温，平均温差用逆流平均温差校正T1 T2t t2 1K的经验数3.总传热系数K初选换热器时，应根据所要设计的换热器的具体操作物流选取

13、 值，选定的 K 的经验值为 K 选。确定了选用的换热器后，需要对换热器的总传热系数K进行核算，总传热系数K的计算按以下公式:Kod。d。 bd。1Rsh didikdmho式中Ko基于换热器外外表积的总传热系数，w/(m2C)；ho、hi -分别为管外及管的对流传热系数，w/(m2 )；Rs。、Rsi 一分别为管外侧及管侧外表上的污垢热阻，(m2C)/w;d。、di、dm分别为换热器列管的外径、径及平均直径,m ；b列管管壁厚度，m ；4.对流传热系数(1) 对于低粘度流体(卩小于或等于2倍常温水的粘度)Nu 0.023 Re 0.8 Prn入 0.8 ni 0.023 Re Prd当流体被

14、加热时，n = 0.4当流体被冷却时，n = 0.3式中：、 分别为流体的密度和粘度，kg/m3、Pa s ;、Cp分别为流体的导热系数和比热容,w/(m C)、J/(kg C);u管流速，m/s ;d列管径，m。应用围：Re 10000 , Pr = 0.7-160，管长与管径之比 L/d 60,假设L/d V60可将上式算出的a乘以(1 0.7d L)特征尺寸：管径d,m定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。(2) 蒸汽在水平管束上冷凝时的冷凝传热系数2 3 ho 0.725nc 3 do t假设蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数 式中:冷凝液的导热系数，w/(m ?C)；P

15、冷凝液的密度，kg / m3;卩一一冷凝液的粘度，Pa - s;丫饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg ; t 蒸汽的饱和温度与壁温之差，t ts tw此处取t 5n n2.n174nc0.750.75075nn? 门仃5?换热器实际传热面积根据选定换热器的管径、管长和管数可计算所选换热器的实际传热面积Sp do L 0.06 nnc水平管束在垂直列上的管数;SpO实际传热面积应该比所需传热面积大一些，称为面积裕度，一般面积裕度控制在10%-30%匕较适宜。计算流体压降的主要公式一般说来，流经列管式换热器允许的压强降，液体为10 100 kPa，气体为1 10 kPa左右。(1)管程压力降PiP1

16、P2 FtN sN pP1R直管中因摩擦阻力引起的压力降Pa ;PP2回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa ；Ft结垢校正系数，无因次，?25x 2.5mm的换热管取1.419X 2mm的换热管取1.5 ;Ns串联的壳程数；N p管程数。E阻力系数，列管换热器管 E =3(2) 壳程压力降EAPoAP iAP2 FtNsFfnc(N2Po1)-0.228Re 5005.0 R eNB(3.5ncIP1 流体横过管束的压力降 Pa ;P2 流体流过折流挡板缺口的压力降 Pa ;Fs结垢校正系数，无因次，对液体，取1.15 ; 对气体，取 1.0 ;F 管子排列方式对压力降的校正系数：三角形排列

17、F=0.5 ; 正方形排 列 F=0.3 ; 正方形错列 F=0.4 ；fo 壳程流体的摩擦系数；nc横过管束中心线的管数B 折流挡板间距， mD 壳体直径， mN B 折流挡板数目；第二章设计的工艺计算2.1全塔物料衡算根据设计要求可知：塔顶产品酒精的质量D=3.5万吨，乙醇的质量分数Xd=0.92,精馏原料粗乙醇的质量分数 Xf=0.5,塔底残液乙醇的质量分数 Xw=0.0053.5 10724 3004861Kg /hF D W由F Xf D Xd W Xw求得W 4124.5kg/hF 8985.5kg /h回流比：R 2所以 V L D 3D 3 4861 1.46kg/h2.2预热

18、器的设计和计算2.2.1确定设计方案1 ?选择换热器的类型换热器中两流体温度差不大，壳程压力较小，故可选择固定管板式换热器。2 ?流动空间和管材的选用设计任务的热流体为水蒸汽，冷流体为原料液乙醇。由于蒸汽比拟干净不易结垢，所以蒸汽走壳程以便于及时排除冷凝液，原料液中可能含有杂质、易结垢,而粘度大、流量较小的原料液中的水为易结垢液体，所以原料液走管程便于清洗管子，此外还可以提高流速以增大其对流传热系数。蒸汽的温度大于原料液的温度，蒸汽走壳程，原料液走管程，有利于减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。因此，为使原料液出口温度到达泡点，令蒸汽走壳程，原料液走管程。因碳钢管价格低强度好，预热器中的流

19、体没有腐蚀性，所以选用碳钢管。根据定性温度确定物性参数塔底釜残液的热量来先预热热原料液:残液热流体：99.3 C - 35 C原料液冷流体：J 20 CQ FCpc(t2-ti) WC ph (Ti T2)求得 t2 55.7 r热流体：133.3 oC f 133.3 oC定性温度为T 133.3 C (绝对压力0.3MPa)宀口、55 7 81 9 冷流体：55.7 C -81.9C定性温度为 T68.8 C。2根据定性温度分别查取的物性参数如下:表2-1预热器原料物性参数名称定压比热粘度卩Pa ? s汽化热rkJ/kg密度P导热系数入W/(m ?r)Kg/m3Cp kJ/(Kg ?r)乙

20、醇液(68.8 C)7642.730.157.0 x 10-42168.1水(68.8 C)977.84.170.674.2 x 10-4水(133.3 C)932.014.26810.68372.0722 x 10-4水蒸汽1.650.02921.342 x 10-5(133.3 C)换热器的衡算原料预热器的工艺计算备注1.估算传热面积，初换热器(1)热负荷的计算W 4124.5kg/hCpc 0.5 (2.73 4.17)3.45KJ /hF 8985.5kg/hQ WcCpc t1 t24124.5 3450 81.9 55.7Q 3.73 10 8J/h81.04 10 5W3.73

21、10 J/h小 3.73 10 8 ,小“ 5 Q 1.04 10 5 W3600(2)蒸汽的消耗量Q W hrW cC pcA -tJWh Q 3.73 101.72 10 5Kg/hr2168.1(3)计算平均温度差一侧恒温，求逆流时的平均温度差：蒸汽 T 133.3 C133.3 C原料液 T 55.7 C81.9 C T 77.6 C51.4Ct2 b77.6 54 63.6 Cm| t. 77*6mIn 2in *t151.4初选K估算传热面积，参照?换热器?,取K选=820( C )传热面积S:SQ41。 5 4.32m 2K tm 820 63.6(5)初选换热器型号由于两流体温

22、差大于50C,小于70C,可选用带有补偿 圈的固定 管板式换热器。根据固定管板式换热器的系列标准，初选的固定管板式换热器型号为：JB/T 4715-92主要参数如下：表2-2列管参数5Wh 1.72 10Kg/htm 63.6 C2S 4.32m冷热流体温度差为63.52 C,介于 50 C和70 C，可选 用带有补偿圈的固 定管板式换热器。换热器型号为：JB/T 4715-92So 7.87m 22Ko 451.07W /(m ?k)公称直径 mm325管子尺寸 mm19管子数n68管长L/mm2000管中心距mm25管程数Np4管子排列方式正三角形管程流通面积/m20.0030实际换热面积

23、So2So n d L 0.06)68 3.14 0.019(2 0.06)7.87m采用此换热面积的换热器，那么要求过程的总传热系数为：5KoQ226 10451.07W/(m 2 ?k)Sotm 7.87 63.62.核算压降(1)管程压降刀 APi AP AP Ft N sN p其中 Ft 1.5, Ns 1, Np 4 ,31/ m Wa/a Wb/b3m 857.78kg/m1xlg mi g i平均黏度 m 5.42 10 4 Pa sUi 0.96m/ s时丁 口注击Wc8985.69管程流速ui 0.96m/ SmA 451.07 0.003雷诺数ReidUi0.015 0.9

24、6 8 457.78 2.3 10410000(湍流)5.42 10对于无缝钢管,取管壁绝对粗糙度=0.1MM2，所以相对粗糙度一01 0.0067di 15由?食品工程原理?2书的Re关系图中可查得=0.0353 0PL Ui 0.03532 2 2 8 57.78 a961899.17 Padi 20.01522 2Ui857.78 0.96F2 3-3 2 21210.52PaP (1899.171210.52) 1.5 1 418658.12Pa 50KPaRei 2.3 104Pi 1.87 10i(2)壳程压降/ EAP,AP1 AP2 Ft Ns,其中 Ft=1.15 (气体),

25、Ns=1o2 R FfonJNs 1) PUo225/c L 2B、pUo 2 N b (3.5 )D2因管子排列方式为正三角形，所以F 0.5。-0.228fo 5.0 ReRe 500nc 1.1 jN 1.1 八68 9.07壳程流通面积223.14222Ao(D nd。 )(0.32468 0.019 ) 0.064m44壳程流速Vs374.99ccc /uo0.99m/sAo1.65 0.064 3600雷诺数ReodoUo0.019 0.99 51.654.09 104 此时1.34 10-cr0.228 L ccc ,c4、0.228,fo 5.0Reo5.0 (4.09 10

26、)0.442R1 0.5 0.44 9.07 (1 1) 1.65 ,993.27KPa因壳程通过的是水蒸汽，故不需加折流挡板，即NB=0因此 ； = 0。Po (3.27 0) 1.15 13.76KPa计算结果说明，管程和壳程的压降均能满足设计要求。3.核算总传热系数(1)管程对流传热系数iai i 0.5 (0.15 0.67)0.41W/(m C)Rei 2.30 10 4 10000nc 9.07uo 1.82m /sReo 4.09 10 4fo =0.44Po 3.76KPaCp 3.45 10 3 5.4 10 4Pri 4.68k0.4对于低粘度流体，i 0.023Re P8

27、 Pn04di所以0? 414 0 8040.023(2.30 10 ) -4.68 .0.01523597.74W/(m k)(2)壳程对流传热系数。假设蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数:3597.74W /(m 2o 0.725n/3do t式中、均为水在133.3 C时液体的物性参数。r为水在133.3 C下的汽化热。0.725323,2168.1 10932.019.81 0.68(259.07 3 1.3 10 5 0.019 40.723574.60W/(m k)(3)污垢热阻根据?化工原理课程设计?3书中的附录二十查得管、外侧污垢热阻分别为:RS 1.7197 10

28、4(m2 C )/WRS 0.859 10 4(m2 C )/W(4)总传热系数K19 15dm“16.92MMm , 19 In 15K 1 1乩RS虫RSo 1193597.74 151 7 10 419150.002 1945.3 16.9258.6 101015.723574.59即 K 计=1015.72 W/(m2 C)/ 1015.72 19.27%(K 计 K 选)/K 计(1015.72 820)故所选择的换热器是适宜的。设计结果：选用固定管板式换热器，型号：JB/T 4715-924.接管的选择(1) 管程流体进出口接管的选择根据液体一般在管中的流速大小，选择原料液进出接管

29、的流速为u 2m/s，那么接管径为,两 I 4 8985.69门d0.043m u 3.14 2 857.78 3600根据?食品工程原理?2附录7的热轧无缝钢管的标准规格选择规格为 57 mmX 5 mm ,DI=50 mm =0.047 m1.68m/s4Vs4 8985.69核算流速 U 22di 3.14 0.047857.78 3600应选择的接管规格适宜(2) 壳程流体进口接管的选择根据饱和蒸汽一般在管中的流速大小，选择水蒸汽进入接管时的蒸汽的流速为u 27m/s，那么接管径为4 3750.055m亍 3.14 27 1.65 3600根据?食品工程原理?2附录7热轧无缝钢管的标准

30、规格选择规格为 63.5MM X4MM,DI=55.5MM=0.0555M核算流速4Vs4 375di23.14 0.0555 2 1.65 3600应选择的接管规格适宜K 计 1015.72W/ ( m2K 计K 选/K计管程流体进出口接管选择规格为57MIW 5M的热轧无缝钢管壳程 流体 进口 接26.11m/s管选择规(3) 壳程流体出口接管的选择流速为u 1m/s，那么接管径为根据液体一般在管中的流速大小，选择冷凝液流出接管时的0.012m4Vs4 375:u V3.14 1 932.01 36004Vs选择规格为 16MIW 0.3MM , DI=15.4MM=0.0154M核流速4

31、 375di23.14 0.154 2 932.01 36000.60m/s壳程流体出口接管选择规格为16MK 0.3M 的冷轧无缝钢管根据?食品工程原理?2附录7的冷轧无缝钢管的标准规格 应选择的接管规格适宜2.3塔顶冷凝器的设计和计算确定设计方案1、选择换热器的类型。全凝器是把78.3 C的含乙醇92%勺蒸汽冷凝为78.3 C的的饱和液体，冷却 水的进口 温度是15C，由于呼和浩特地区是缺水地区，所以选择冷却水的出口温度为30C。全凝器中两种流体温度变化不大(50C -70 C)，选择带补偿圈的 固定管板式换热器。2、流动空间和管材的选用。由于蒸汽是热流体且比拟干净不易结垢，蒸汽走壳程便于

32、散热，可提高冷却效果，不必清洗管子而且便于及时排除冷凝液。粘度大，流量较小的冷却水易结垢走管程便于清洗管子，此外还可以提高流速以增大其对流传热系数。所以，蒸汽走壳程，冷却水走管程。根据定性温度确定物性参数热流体 T 78.3 C?78.3 C冷流体t15 C 30 C t 63.3 C 48.3 C22.5 C冷流体的定性温度为t心热流体的定性温度为 T=78.3 C。根据定性温度分别查取的物性参数如下表2-3塔顶冷凝器原料物性参数名称密度P定压比热Cp导热系数粘度卩汽化热Kg/m3kJ/(KgC)Pa ? srW/(m ?C )kJ/kg乙醇736.7753.840.15324.4 x 10

33、-4864(78.3 C)乙醇蒸气1.62481.80460.02251.0381 X 10-(78.3 C)水(78.3 C)927.8174.19560.66893.6202 X 10-42313.8水蒸气0.27520.6228(78.3 C)冷却水998.24.1830.59891.005 x 10-3(22.5 C)塔顶冷凝器换热器的衡算备注1 .4510 4 Kg / h塔顶冷凝器的工艺计算1.估算传热面积，初选换热器(1)热负荷的计算V 1.45 10 4Kg/hr 0.92 979.984 0.08 2313.8 1086.69KJ / Kg0.92 979.984 0.08

34、2313.8Q=Wh r1086.69KJ / Kg冷却水的消耗量Q 0 r 叫 Cpc t2 t16Wc =Q= 4.43 107.02 10 4Kg/hCpc t2 t14.183 10 3 ( 30 15 )Wc 7 02 10 4 Kg/h(3)计算平均温度差按单壳程、双管程考虑，一侧恒温，求逆流时的平均温度差:热流体 T 78.3 C ? 78.3 C冷流体t 15 C f 30 C t 63.3C 48.3 Ctt2 匕63.3 48.35546octm 55.46 Cm , t2, 63.3InInt,48.3(4) 初选K值，估算传热面积由?换热器?，取K选=800W/(m2

35、k).传热面积S:6S Q 4.4 1099.21m2K tm 800 63.6由于两流体温差为55.46 (50C? 70C),选择带有补偿圈 的固定管 板式换热器。根据固定管板式换热器的系列标准，初选的固定管板式换热器型号为：JB/T 4715-92主要参数如下：公称直径 mm700管子尺寸/mm0 25X 2.5管子数n322管长L/mm4500管中心距mm32管程数Np6管子排列方式正三角形管程流通面积/m20.0253结垢校正系数1.4中心管束21表2-4列管参数实际换热面积So2So n dL 0.06) 322 3.14 0.025 (4.5 0.06) 112.23m6KoQ4

36、.4 1062707.21W/(m k) Sotm 99.21 55.46由于两流体温差为 55.46 C(50 C ? 70C), 选择带有补偿圈 的固定管板式换 热器 型号为：JB/T 4715-92So 112.23m 22.核算压降(1)管程压降tm 55.46 CK 选 800W/(m 2 k)Ko707.21W/(mAR AP 圮 FtNsNp其中 Ft 1.4, Ns =1 , Np 6ui 0.77 m/ s管程流速 UiWc_8985.69_ 0.77m/smA 998.2 0.0253护、卄夹冷diUi i 0.02 0.77 998.24 Acccc/、/ 山雷诺数 Re

37、i 丄丄丄 3 1.53 10 10000(湍1.005 10 3流)对于无缝钢管壁粗糙度& =0.1mm所以0.10.005di 20由?食品工程原理?2书的入-Re关系图中可查得入=0.0352 2c L Ui cccu 4.5 998.2 0.77 2门R 0.035 2340.55Padi 20.022厂 c Ui2 门 998.2 0.77 2一厂P2 3- 3 891.64Pa2 2P (2340.55 891.64) 1.4 1 6 18658.12Pa 50KPa(2)壳程压降APoAP1 虫 2 FsNs,其中 Fs=1 (气体)，Ns=1。2 p R Ff c(Nb 1)

38、pu22 b p2 P2Nb(3.5 一)如D 2因管子排列方式为正三角形，所以F=0.5。壳程流通面积AO (D2 nd。2) 314 (0.72 322 0.025 2) 0.38m 2441/ mWa/aWb/ bm 1.166kg/m 31x1g mi g i平均黏度m 1.052 10 5Pa s4Rei 1.53 10 P 40.4KPa2Ao 0.38m壳程流速 UoVs1.46 10 4Ao1.166 0.38 36009.01m/s雷诺数Re。doUo20.025 9.011.1661.052 10 52.52 10 4 104-0.228O 5.0 Re5 (2.52 10

39、 4) 0.2280.496 Re 500fo 0.496nc 19.740.5 0.496 19.74加挡板：对数n 2 ,P2 Nb(3.50-2.32219.742PUo2nc 1.1 -N 1.1 R Ff n c(Nb 1)(1 D21.166 9.01427.73Pa间距 0.6m，壳径 D 0.8m2 0.6、1.166 9.01 2 (3.5)0.896.59Pa P P? Ft NsN pPo(427.73 96.59) 1.4797.05Pa计算结果说明,管程和壳程的压降均能满足设计要求。3. 核算总传热系数(1)管程对流传热系数iRei 1.53 104卩斤Cpk2446

40、 103 5.4104 1.50.4Pri 7.02入 r 0.80.4对于低粘度流体, i 0.023 Rei Pridi所以0.59894 080 420.023(1.53 10 ) -1.5 1809.06W/(m k)0.02(2) 壳程对流传热系数假设蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数：123“r 2 g 3o 0.7252丫n3d t式中、卩、p均为蒸汽在78.3 C时液体的物性参数。r为蒸汽在78.3C下的汽化热。323z 1086.69 10998.29.81 0.5989、0.725 ( )19.74 3 1.005 10 3 0.025 63.3521.94 10

41、 W/(m k)(3) 污垢热阻根据?化工流体流动与传热?4书中的附录二十查得管、外侧污垢热阻分别为：42RS 1.7197 10 (m k)/WRs 0.859 10 4(m2 k)/W(4) 总传热系数KK 1*Rs 。bd。R1i dididmo1(K计K选)/K计16.35%IK254250 002 25511.7 108.6 10359180906 2520 45.3 22.401.94 10 52956.35W /(m ?k)(K 计 K 选)/K 计(956 800)/956 16.35%故所选择的换热器是适宜的。设计结果：选用固定管板式换热器，型号：JB/T 4715-924.

42、接管的选择(1)管程流体进出口接管的选择根据液体一般在管中的流速大小，选择原料液进出接管的流速为u 2m/s ,斗 4Vs i 4 70158.543 那么接管径为d J s J0.11m u 314 2 998.2 3600管程流体进出 口 接管选择规格为?108mrtA 5mm 的热轧无缝钢管根据?食品工程原理?3附录7的热轧无缝钢管的标准规格选择规格为？ 108m M 5mm,di=98mm=0.098m匕苗空、击 4VS4 70158.543“ ,核算流速 us22.59m/sdi23.14 0.098 2 998.2 3600应选择的接管规格适宜。(2)壳程流体进口接管的选择根据饱和

43、蒸汽一般在管中的流速大小，选择水蒸汽进入接管时的蒸汽的流速为u 25m/s，那么接管径为壳程流体进口接 管选择规格为？426mm X10m m的热轧无缝钢管d 仟- V 1458333 一 0.43m u 3.14 25 1.166 3600根据?食品工程原理?3附录7的热轧无缝钢管的标准规格选择规格为？ 426mrK 10mm,di=406mm=0.406m&倚、伫诒4Vs4 14583.33核算流速 u St 2 26.11m/sdi 3.14 0.4061.166 3600应选择的接管规格适宜。(3)壳程流体出口接管的选择根据液体一般在管中的流速大小，选择冷凝液流出接管时的流速为u 2.

44、5m/ s，那么接管径为.亦 14 4861.11d JJ0.03m u 113.14 25 749.1147 3600根据?食品工程原理?3附录7的冷轧无缝钢管的标准规格选择规格为？ 32mm0.3mpndi=31.4mm=0.0314m核算流速u4 4861.11 23.14 0.03749.11 36002.31m/s壳程流体出口接 管选择规格为？32mm X0.3m m的冷轧无缝钢管2.4塔顶冷却器的设计241确定设计方案1 ?选择换热器的类型塔顶冷却器是把78.3 C的含乙醇92%勺饱和液冷却储存，热流体的进口温度都是78.3 C,热流体的出口温度是 35C。冷却水的进口温度是 15

45、C，出口温度 是25 E .冷却器中流体温度差不大，壳里压力是常压，可选择固定管板式换热器。2.确定流体的流经和管材。由于冷却水可能含有渣滓，走管程利于清洗，由于壁面的原因热流体走壳程 有利于 提高冷却效果，所以塔顶馏出液走壳程，冷却水走管程。换热器的流体没有腐蚀性所以选用碳钢管，可降低设备费。2.4.2 根据定性温度确定物性参数热流体 T 78.3 C - 35 C冷流体t 25 C 15 C 呼和浩特地区水温15 C t 53.3 C 20 C热流体的定性温度为T 783 35 56.65 C。2冷流体的定性温度为 F 15 2520 C。2根据定性温度分别查取的物性参数如下:表2-5塔顶

46、冷却器原料物性参数名称密度P定压比热Cp导热系数粘度卩汽化热Kg/m3kJ/ KgCk，Pa ? srW/ m? CkJ/kg冷却水20 C998.24.1830.598931.005 X 10-乙醇56.65 C776.402.750.15930.61 X 10-572水56.65 C984.254.1840.65-6489 X 10243塔顶冷却器换热器的衡算塔顶冷却器的工艺计算备注1.估算传热面积(1)热负荷的计算Cph 0.92 2.75 0.08 4.184D Wh 4861.11kg/h2.86KJ / hWh 4861.11c WT Tkg/hQh C ph12355Q 1.67

47、 10 W4861.11 2.86 1 0 3 (78.3 35)1.67 1 0 5W(2)冷却水消耗量Q W C (TT ) W hPh 12f；C t tpc 2 1Q1.67 105Wc34004.19Kg/hCpc(T2 T1) 4.183 103 (25 15)(3)计算平均温度差按单壳程、双管程考虑，一侧恒温，求逆流时的平均温度差：Wc 4004.19热流体 T 78.3 C - 35 CKg/h冷流体t 25 C15 C t 53.3C20C20t2t153.333.97 Cm, t2, 53.3InInt120tm33.97 c(4)初选K值，估算传热面积由表 3,取 K 选

48、 670W/(m 2 k)K 选 670传热面积S:cQ1.67 1 05SC 27.39m2W/(m k)K tm 670 33.972S 9.86m由于两流体温差为33.3 C,选择带有补偿圈的固定管板式换热器。根据固定管板式换热器的系列标准，初选的固定管板式换热器型号为：JB/T 4715-92主要参数如下：表2-6列管参数名称参数名称参数由于两流体公称直径325mm管子尺寸/mm? 19X 2.0温差为管子数n68管长L/mm300033.3 C,选择管中心距mm25管程数Np2固定管板式换热器型号管子排列方式正一角形管程流通面积/ m20.0030%?实际换热面积So为：JB/TSo

49、 n d L0.06)68 3.14 0.019 (3 0.06)9.86m 24715-92实际K值少Q1.67 105“2 . xKO413.37W/(m 2 k)Sotm9.86 33.972.核算压降(1)管程压降少牢生 FtNsNp其中 Ft 1.5, Ns=1, Np2Wc4004.19,管程流速50.37m/smA998.2 0.0030雷诺数Re,业. 5 O37 8.25533.711.005 10 3对于无缝钢管壁粗糙度& =0.1mm所以一 010.0067d15U0.37m/s由?化工流体流动与转热?书的入-Re关系图中可查得入=0.0258门L u23998.2 0.37 2 一Re5533.71Pi0258355.29Rad, 20.01522L c Uc998.2 0.37 2LcrP23八 3206.56Ra22R (355.29 206