【正文】 位移的自然對(duì)流；二是因泵或攪拌等外力所致的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)制對(duì)流。 此外，流體流過(guò)固體表面時(shí)發(fā)生的對(duì)流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過(guò)程，即是熱由流體傳到固體表面（或反之）的過(guò)程，通常稱為對(duì)流傳熱。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 29 （3）.熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射的特點(diǎn)是：不僅有能量的傳遞，而且還有能量的轉(zhuǎn)移。 4．換熱器概念及意義 在化工生產(chǎn)中為了實(shí)現(xiàn)物料之間能量傳遞過(guò)程需要一種傳熱設(shè)備。這種設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器。在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要，往往進(jìn)行著各種不同的換熱過(guò)程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝。換熱器就是用來(lái)進(jìn)行這些熱傳遞過(guò)程的設(shè)備，通過(guò)這種設(shè)備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞到溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。它是化工煉油，動(dòng)力，原子能和其他許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備，對(duì)于迅速發(fā)展的化工煉油等工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，換熱器尤為重要。換熱器在化工生產(chǎn)中，有時(shí)作為一個(gè)單獨(dú)的化工設(shè)備，有時(shí)作為某一工藝設(shè)備的組成部分，因此換熱器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用是十分廣泛的。任何化工生產(chǎn)中，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，它在生產(chǎn)中都占有主導(dǎo)地位。 5．換熱器的種類 換熱器的種類繁多，以管殼式換熱器為例，按其管板和殼體的組合結(jié)構(gòu)，分成固定管板式、U 型管式、浮頭式、插管式等，此次設(shè)計(jì)用的換熱器式固定管板式換熱器。 管殼式換熱器的簡(jiǎn)介 管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。它包括:固定管板式換熱器、 U 型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。管殼式換熱器由管箱、殼體、管束等主要元件構(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導(dǎo)熱元件，決定換熱器的熱力性能。另一個(gè)對(duì)換熱器熱力性能有較大影響的基本元件是折流板（或折流桿）。管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能力及操作運(yùn)行的安全可靠性。 1．工作原理 管殼式換熱器和螺旋板式換熱器、板式換熱器一樣屬于間壁式換熱器，其換熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通道稱為管程，換熱管外構(gòu)成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過(guò)兩不同溫度的流體時(shí)，溫度較高的流體通過(guò)換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，溫度較高的流體被冷卻，溫度較低的流體被加熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 30 1—折流擋板；2—管束；3—?dú)んw；4—封頭；5—接管；6—管板 圖46 固定管板式換熱器 2．主要技術(shù)特性 一般管殼式換熱器與其它類型的換熱器比較有以下主要技術(shù)特性： （1）耐高溫高壓，堅(jiān)固可靠耐用； （2）制造應(yīng)用歷史悠久，制造工藝及操作維檢技術(shù)成熟； （3）選材廣泛，適用范圍大。 換熱器E302 1．換熱器E302 的物性數(shù)據(jù) 換熱器的熱物料的物性數(shù)據(jù) 序 號(hào) 組分 分子式 分子量 常壓沸點(diǎn)℃ 摩爾流量 kmol/hr 摩爾分率 1 一氧化碳 CO 2 二氧化碳 CO 2 3 氫氣 H 2 4 甲烷 CH 4 5 氮?dú)?N 2 6 氬氣 Ar 7 甲醇 CH 4 O 8 水 H 2 O 100 9 乙醇 C 2 H 6 O 10 甲酸甲酯 C 2 H 4 O 2 所選用的冷物料為H2O，摩爾流量為35000kmol/hr。 2．換熱器E302 的ASPEN 模擬流程示意圖 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 31 E302 7 8 5 6 圖47 換熱器模擬流程示意圖 3．ASPEN 模擬結(jié)果 ①簡(jiǎn)潔法模擬結(jié)果 圖48 ASPEN 簡(jiǎn)潔法模擬數(shù)據(jù)結(jié)果表一 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 32 圖49 ASPEN 簡(jiǎn)潔法模擬數(shù)據(jù)結(jié)果表二 由以上數(shù)據(jù)可以得到：Q= W；S= m 2 ；Δ t m = ℃ 其中的總傳熱系數(shù)是假設(shè)K=510 W/（m 2 ?0?5K） 查找《化學(xué)工程手冊(cè)》可以確定其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)。 模擬結(jié)果初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸 項(xiàng)目 數(shù)值 項(xiàng)目 數(shù)值 殼 徑 D/mm 1200 管 子 尺 寸/mm Φ25 管 程 數(shù) p N 1 管 長(zhǎng)L/m 6 管子總數(shù) n 1115 管子排列方法 正三角形排列 得出實(shí)際換熱面積 S=  dL n 2 165 . 525 6 025 . 0 14 . 3 1115 m     由以上數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格法模擬，并校核。 ②嚴(yán)格法模擬結(jié)果 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 33 圖410 ASPEN 嚴(yán)格法模擬數(shù)據(jù)結(jié)果表 由表可以得到過(guò)程的總傳熱系數(shù)為：K′= W/（m 2 ?0?5K），故可以得到： 159079 . 1 510 130077 . 591 39。   K K 。符合計(jì)算值和初設(shè)值的比值在 ~ 之內(nèi)，故此換熱器合適。 4．換熱器其他參數(shù)的確定 （1）管子的間距p t 倍左右。 p t =25?0?= 圓整后為32mm （2）折流板 查《化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)》得，冷凝器折柳板間距為450,600mm。這里取H T =600mm 折流板數(shù) 個(gè) 10 600 6000    T H l n （3）殼體的直徑   b n t D c 2 1 39。    其中：t—管中心距 m ； n c —橫過(guò)管束中心線的管數(shù)； b=（1~）d 0 m，這里取b= d 0 m。管子選用正三角排列 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 34 73078 . 36 1115 1 . 1 1 . 1      n n c b=?0?6d 0 =?0?= m     m b n t D c 20588 . 1 03125 . 0 2 1 73078 . 36 032 . 0 2 1          故圓整：D= m 5．設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 換熱器E302 的設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 換熱器形式：管殼式換熱器 換熱面積/m 2 ：530 工藝參數(shù) 名稱 管程 殼程 物料名稱 碳?xì)浠旌衔?水 操作壓力/Pa 操作溫度/℃ 120 27 流量/kmol/h 6841 35000 流體密度/kg/m 3 傳熱量/Watt 總傳熱系數(shù)/W/m 2 ?0?5K 程數(shù) 1 1 推薦使用材料 碳素鋼、16MnR 16MnR 管子規(guī)格 Φ25 管間距/mm 32 折流板間距/m 殼體內(nèi)徑/mm 1200 精餾塔塔T401 精餾塔的設(shè)計(jì)依據(jù) 1．精餾塔設(shè)計(jì)依據(jù) 利用 Aspen plus 在原有的設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)上對(duì)甲醇合成的精餾塔的設(shè)計(jì)和靈敏度的分析 2．精餾塔設(shè)計(jì)的物性數(shù)據(jù) 進(jìn)入反應(yīng)器R301 的物料數(shù)據(jù)表 序 號(hào) 組分 分子式 分子量 常壓 沸點(diǎn)℃ 組分 摩 爾 分率 溫度 ℃ 壓力 MPa 1 氮?dú)?N 2 2 氬氣 Ar 3 一氧化碳 CO 4 甲烷 CH 4 5 甲醇 CH 4 O 6 乙醇 C 2 H 6 O 7 二氧化碳 CO 2 8 甲酸甲酯 C 2 H 4 O 2 9 氫氣 H 2 10 水 H 2 O 100 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 35 精餾塔的設(shè)計(jì)的Aspen 的模擬流程圖 E401 13 14 T401 15 16 圖411 精餾塔T401 的ASPEN 模擬流程圖 精餾塔T401 的設(shè)計(jì)和靈敏度的分析 1．回流比的靈敏度分析 （1）回流比的靈敏度分析的Aspen 模擬結(jié)果數(shù)據(jù)表 回流比靈敏度分析一覽表 回流比 塔底C 2 H 4 O 2 的含量 塔頂CH 4 O 的含量 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 （2）回流比的靈敏度分析Aspen 模擬結(jié)果圖 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 36 圖412 回流比靈敏度分析示意圖 由以上的數(shù)據(jù)和示意圖可以得到回流比的取值范圍為15~30，綜合塔的設(shè)備和回流負(fù)載量等各個(gè)方面，最后得到年產(chǎn)8 萬(wàn)噸甲醇的合成塔所用的模擬回流比為16. 2．塔板數(shù)的靈敏度分析。 （1）塔板數(shù)的靈敏度分析的Aspen 模擬結(jié)果數(shù)據(jù)表 塔板數(shù)靈敏度分析的數(shù)據(jù)一覽表 塔板數(shù) 塔底C 2 H 4 O 2 的含量 塔頂CH 4 O 的含量 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 37 （2） 塔板數(shù)的靈敏度分析Aspen 模擬結(jié)果圖 圖413 塔板數(shù)靈敏度分析示意圖一 圖414 塔板數(shù)靈敏度分析示意圖二 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 38 由以上數(shù)據(jù)和示意圖可以得到，年產(chǎn)8 萬(wàn)噸甲醇的合成塔的理論板數(shù)為48 塊。 3．進(jìn)料板位置的靈敏度分析 （1）進(jìn)料板位置的靈敏度分析的Aspen 模擬結(jié)果數(shù)據(jù)表 進(jìn)料位置的模擬數(shù)據(jù)一覽表 進(jìn)料位置 塔底C 2 H 4 O 2 的含量 塔頂CH 4 O 的含量 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 39 （2） 進(jìn)料位置的Aspen 模擬結(jié)果數(shù)據(jù)示意圖 圖415 進(jìn)料板位置靈敏度分析示意圖 由以上的數(shù)據(jù)和示意圖可以得到，進(jìn)料板位置范圍為 3~10，綜合考慮去年產(chǎn) 8 萬(wàn)噸甲醇的合成所用的進(jìn)料位置為第10 塊板。 精餾塔設(shè)計(jì) 1．塔板工藝尺寸計(jì)算 塔選用參數(shù)總結(jié)表 項(xiàng)目 精餾段 提餾段 液相 汽相 液相 汽相 組成質(zhì)量分?jǐn)?shù) CH3OH H2O C2H5OH 質(zhì)量流量kg/h 體積流量m 3 /h 密度kg/m 3 粘度cP 表面張力N/m 溫度C 壓力Mpa 備注 第5 板 第45 板 理論板數(shù)(不含頂釜) 48 精餾段 10 提餾段 38 回流比 16 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 40 根據(jù)塔板的分布規(guī)律,選用部分塔板作為設(shè)計(jì)計(jì)算的數(shù)據(jù)依據(jù),以提餾段為例，展示計(jì)算過(guò)程,如下： （1）塔徑（下同） 參數(shù)設(shè)計(jì)符號(hào)說(shuō)明 V h ——塔內(nèi)氣相流量，m 3 /h ；  V ——?dú)庀嗝芏?，kg/m 3 ； V s ——塔內(nèi)氣相流量，m 3 /h；  L ——液相密度，kg/m 3 ； L h ——塔內(nèi)液相流量，m 3 /h； p——平均操作壓強(qiáng)，Pa； L s ——塔內(nèi)液相流量，m 3 /h； ——混合液表面張力，mN/m。 欲求出塔徑應(yīng)先計(jì)算出適宜空塔速度。適宜空塔速度 u 一般為最大允許氣速 u f ～ 倍，即：u=(～) u max 依式 V V L C u    max 可知： 式中C 可由史密斯關(guān)聯(lián)圖查得，橫標(biāo)的數(shù)值為： 2205 . 0    V L h h V L  取板間距H T =，取板上液層高度h L =，則圖中的參數(shù)值為 H T h L == 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，由史密斯關(guān)聯(lián)圖查得C 20 。根據(jù)公式 2 . 0 20 ) 20 (  C C  計(jì)算得出C ，則最大允許氣速： m/s max    V V L C u   ，則適宜空塔速度為：      u u 塔徑 m 3600 785 . 0 785 . 0 4     u V u V D S s  按標(biāo)準(zhǔn)塔徑尺寸圓整，取D=1m，則 塔截面積 1 4 4 2 2      D A T m 2 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 41 實(shí)際空塔速度 3600   T s A V u m/s 安全系數(shù)： max   u u 。～ 范圍間，故合適。 （2）塔高 取總板效率為70%,則總實(shí)際板數(shù)為：48247。70%≈69 塊 同理：精餾段實(shí)際板數(shù)為：15；提餾段實(shí)際板數(shù)為：54； ,； 則塔的有效高度為： 6 . 39 6 . 0 ) 1 54 ( 6 . 0 ) 1 15 (       m； 經(jīng)過(guò) Aspen Plus 計(jì)算后得出釜液液體體積流量為： 3 /hr,停留時(shí)間設(shè)為 10min,結(jié)合塔徑(1m),算出釜液高度： 5207 . 4 . 1 3032 . 21 60 10 4 2   m； 進(jìn)料板間距設(shè)計(jì)為：,人孔板間距為：,塔頂上部空間高度：,釜液上部高度：,裙座設(shè)定為：3m； 則全塔總高度為：+++++++3= （3）塔板溢流裝置 本設(shè)計(jì)選用的是單溢流弓形降液管,齒形堰(不設(shè)進(jìn)口堰) ①堰長(zhǎng)l w ： 取堰長(zhǎng)l w =, 則： 1 l w    ②堰上液層高度h ow ： 齒形堰的齒深h n 一般宜在15mm一下，這里取12mm。 02975 . 0 7 . 0 0012 . 0 68 . 21 0442 . 0 0442 . 0 5 2 5 2    w n h ow l h L h m 則出口堰高h(yuǎn) w 為： 003525 . 0 02975 . 0 065 . 0      OW L w h h h m ③弓形降液管寬度W d ： 因?yàn)?l w /D=,所以可以從弓形降液管的寬度與面積圖中讀出 A f /A T ≈,W d /D ≈； 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 設(shè)備計(jì)算 42 則： m W d 15 . 0 1 15 . 0    07069 . 0 4 . 1 09 . 0 4 09 . 0 2 2     D A f m 2 ④降液管底隙高度 02925 . 0 006 . 0 03525 . 0 006 . 0 0      W h h m ⑤降液管底隙流速： 2942 . 0 02925 . 0 7 . 0 3600 68 . 21 3600 39。 0 0    h l L u w h m/s ⑥降液管中液體的停留時(shí)間為： 2813 . 5