【正文】 。管子與管板及其連接方式的選擇管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正三角形排列、同心圓排列，正三角形排列比較緊湊，管板利用率高，管外流體湍動(dòng)程度高，對(duì)流傳熱系數(shù)大，但管外清洗較困難；正方形排列便于機(jī)械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。這次用到的換熱器的壓力不大，換熱器中流體沒有腐蝕性，所以選擇 ф25 mm 碳鋼管。常用管徑和壁厚有￠192，￠25 等；管長有 1500mm、2022mm 和 3000mm；材料有普碳鋼或不銹鋼等。 換熱器管程由換熱管、管板、封頭或管箱組成。所以必須注意固定管板式換熱器的連接方法和質(zhì)量。2固定管板式換熱器由管板、殼體、封頭等組成。本文中兩流體溫差介于 50℃和 70℃之間的選擇帶補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器，小于 50℃的選擇固定管板式換熱器。 在實(shí)際選型中，這些選擇原則往往是相互矛盾、相互制約的。對(duì)原料預(yù)熱器，塔頂冷卻器和塔頂產(chǎn)品冷凝器進(jìn)行精算，塔底殘液冷卻器塔底再沸器，只作初算。流程方案的初步設(shè)計(jì)中，考慮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(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。1年產(chǎn) 設(shè)計(jì)方案第一章 換熱系統(tǒng)的流程方案的確定 進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)，第一步應(yīng)根據(jù)酒精精餾的工藝要求確定換熱系統(tǒng)的流程方案。第二步根據(jù)酒精的產(chǎn)量及酒精與水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，原料液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，年產(chǎn)量的工作時(shí)間，進(jìn)行物料衡算，得到流量數(shù)據(jù)，第三步確定所選換熱器中流體的流動(dòng)空間及流速等參數(shù)，同時(shí)計(jì)算完成給定生產(chǎn)任務(wù)所在地需的傳熱面積，進(jìn)行傳熱系數(shù)的核算及確定，最后并確定換熱器的工藝尺寸選用適當(dāng)類型的換熱器。本次換熱系統(tǒng)為精餾系統(tǒng)的換熱設(shè)備，包括原料預(yù)熱器，塔頂全凝器，塔頂產(chǎn)品冷卻器，塔底再沸器，塔底殘液冷卻器。 換熱器設(shè)計(jì)方案的確定對(duì)于所選擇的換熱器，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(jì)計(jì)算方便，制造簡單，安裝容易，易于維護(hù)與維修。在具體選型時(shí)，我們需要抓住實(shí)際工況下最重要的影響因素或者說是所需換熱器要滿足的最主要目的，解決主要矛盾。根據(jù)制定的流程方案，可選擇帶補(bǔ)償圈的和不帶補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器，此類換熱器的結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，宜處理兩流體溫差 50℃到 70℃且殼方流體較清潔及不宜結(jié)垢的物料，流體壓強(qiáng)不高于 600Kpa 的情況。固定管板式換熱器最容易出現(xiàn)的故障就是管子和管板連接部分泄漏。固定管板式換熱器主要分為管程和殼程兩大部分。換熱管布置和排列間距管束的多少和長短由傳熱面積的大小和換熱器結(jié)構(gòu)來決定，它的材質(zhì)選擇主要考慮傳熱效果、耐腐蝕性能、可焊性等。在管程結(jié)垢不很嚴(yán)重以及允許壓力降較高的情況下，采用 ф19mm2mm 直徑的管子更為合理。本次設(shè)計(jì)采用 ф25 mm 無縫鋼管。本次設(shè)計(jì)選擇正三角形的排列方式。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(gè)圓形厚板，它的受力關(guān)系比較復(fù)雜。管板與管子的連接可脹接，焊接和脹焊并用。封頭、管箱的確定列管式換熱器管箱即換熱器的端蓋，也叫分配室。壓力較低時(shí)可采用平蓋，壓力較高時(shí)則采用凸形蓋，用法蘭與管板連接。3 殼程結(jié)構(gòu) 殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要由折流板、支承板、縱向隔板及緩沖板等元件組成。直徑小于 400mm 的殼體通常用鋼管制成，大于 400mm 的用鋼板卷焊而成。列管式換熱器折流板的作用是；增強(qiáng)流體在管間流動(dòng)的湍流程度；增大傳熱系數(shù)；提高傳熱效率。這次設(shè)計(jì)中的原料預(yù)熱器和塔頂全凝器的殼程走的是蒸汽所以不安裝折流板。影響選擇結(jié)果的因素很多，主要從以下三方面考慮：（1）粘度大的流體或流量小的流體宜走管程。（2）待冷卻的流體宜走殼程，便于傳熱。不潔凈的或易結(jié)垢的流體宜走管程，便于清洗管子。 流體流速的選擇增加流體在換熱器中的流速，將加大對(duì)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。因此，應(yīng)選擇適當(dāng)流速。表 11 工業(yè)一般流體流速4液體的種類 一般液體 易結(jié)垢液體 氣體流速 m／s管程殼程－－＞＞－30－15為了節(jié)省水，可提高水的出口溫度，但傳熱面積就需要加大；為了減小傳熱面積，則要增加水量。缺水地區(qū)選用較大的溫度差，水源豐富地區(qū)選用較小的溫度差。接管的選擇與流體的流速和流量有關(guān)。這次設(shè)計(jì)的為酒精精餾換熱器，壓力、流量都不大，所選接管的壁厚也不大。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。這次采用單殼程多管程（4）固定管板式換熱器。 選用換熱器 熱負(fù)荷的計(jì)算，冷卻介質(zhì)用量的計(jì)算或加熱介質(zhì)用量的計(jì)算； 平均溫度差的計(jì)算，當(dāng)兩側(cè)流體均為變溫傳熱時(shí)，應(yīng)進(jìn)行溫度差的校正； 流動(dòng)空間的選擇； 初估總傳熱系數(shù)，計(jì)算換熱面積，初選換熱器。比較 K 計(jì) 和 K 選 ，若（ ,則初選的設(shè)備合格。、殼程壓強(qiáng)降計(jì)算出選設(shè)備的管、殼程流體的壓強(qiáng)降，如超過工藝允許的范圍，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計(jì)算壓強(qiáng)降直至滿足要求為止。mt?1. 熱負(fù)荷(傳熱速率)Q無相變傳熱 )t(C)T(Qpcph1221????相變傳熱(蒸汽冷凝且冷凝液在飽和溫度下離開換熱器) )()(1221tWpcph式中 W ——流體的質(zhì)量流量，kg／h；Cp——流體的平均定壓比熱容，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。確定了選用的換熱器后，需要對(duì)換熱器的總傳熱系數(shù) K 進(jìn)行核算，總傳熱系數(shù) K 的計(jì)算按下列公式： osmoisio hRkdbdh11????式中 ——基于換熱器外表面積的總傳熱系數(shù)， ；o )℃/(2?w——分別為管外及管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)， ；ih、—一分別為管外側(cè)及管內(nèi)側(cè)表面上的污垢熱阻， 。PC、? ℃)/()(?kgJw、——管內(nèi)流速， ；usm/——列管內(nèi)徑， 。(2)蒸汽在水平管束上冷凝時(shí)的冷凝傳熱系數(shù) 若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式計(jì)算冷凝傳熱系數(shù)： 4132)(??????式中：— 冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，w／(m ； μ——冷凝液的粘度，Pa ??nLdSp06.??? 實(shí)際傳熱面積應(yīng)該比所需傳熱面積大一些，稱為面積裕度，一般面積裕度控制在 10%30%比較合適。（1）管程壓力降 ??psti NFP21????1udL????????????2P?直管中因摩擦阻力引起的壓力降 Pa ；?18??2P回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa；tF結(jié)垢校正系數(shù)，無因次， φ25 的換熱管取；φ192mm 的換熱管取 ；?SN串聯(lián)的殼程數(shù)；p管程數(shù)。P流體橫過管束的壓力降 Pa ；39。9第二章 設(shè)計(jì)的工藝計(jì)算 全塔物料衡算根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知：塔頂產(chǎn)品酒精的質(zhì)量 D= 萬噸，乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)XD=,精餾原料粗乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù) XF=,塔底殘液乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù) XW= hKg/4861302??由 WDFXX??求得 hkgW/?回流比: R所以 hkgDLV/??? 確定設(shè)計(jì)方案1．選擇換熱器的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。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(shí)排除冷凝液，原料液中可能含有雜質(zhì)、易10結(jié)垢，而粘度大、流量較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(duì)流傳熱系數(shù)。因此，為使原料液出口溫度達(dá)到泡點(diǎn)，令蒸汽走殼程，原料液走管程。 根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù)塔底釜?dú)堃旱臒崃縼硐阮A(yù)熱熱原料液：殘液（熱流體）：℃ → 35℃原料液（冷流體）： ← 20℃ )()(2112TWCtFQphpc??求得 ℃熱流體： → 定性溫度為 （絕對(duì)壓力oo ?oC）冷流體： ← 定性溫度為 。℃)導(dǎo)熱系數(shù) λW/(ms汽化熱rkJ/kg乙醇液（℃）水（℃）水(℃)水蒸汽(℃)76410410410410511原料預(yù)熱器的工藝計(jì)算 備注，初換熱器(1)熱負(fù)荷的計(jì)算 hKJCP /)(????????hJQtW/73. ?????(2)蒸汽的消耗量 )(12tCrQPch hKgWh /???(3)計(jì)算平均溫度差一側(cè)恒溫，求逆流時(shí)的平均溫度差：蒸汽 T ℃ ← ℃原料液 T ℃ → ℃△T ℃ ℃℃????m 初選 K 估算傳熱面積，參照《換熱器》 「1」 ，取 K 選=820(M2根據(jù)固定管板式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)，初選的固定管板式換熱器型號(hào)為：JB/T 471592主要參數(shù)如下：表 22 列管參數(shù)hkgFW/??hKgW/??℃???冷熱流體溫度差為 ℃，介于 50℃和 70℃，可選用帶有補(bǔ)償圈的固定管板式12公稱直徑 mm 325 管子尺寸 mm 19管子數(shù) n管中心距 mm管子排列方式6825正三角形管長 L/mm管程數(shù) Np管程流通面積/m220224實(shí)際換熱面積 SO 287.)()0.( mLdnoO ??????? 采用此換熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為： )/( ????? (1)管程壓降 ??psti NFP21Δ∑??其中 , , ，.5tFS4?3? sPalxlmkgwimgBAm?????????平 均 黏 度?管程流速 smAWuCi /??雷諾數(shù)1