1、课程设计说明书题 目 ： 年 产 3.4 万 吨 酒 精 精 馏 换 热 器 设计 内蒙古工业大学本科课程设计摘 要换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要，同时也提高能源利用率的主要设备之一。换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备等近 30 多种产业，相互形成产业链条。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
2、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；也可是某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 年 产 3.3 万 吨 酒 精 的 生 产 任 务 ， 我 在 设 计 换 热 器 时 的 思 路 是 ： 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 ，达 到 泡 点 81.9后 利 用 离 心 泵 输
3、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 液 体 进 行 快 速 加 热 达 到 泡 点
4、 ， 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。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。
5、 内蒙工业大学本科课程设计1内蒙古工业大学本科课程设计目 录第一章 换热器的设计 .11.1 概述 .11.2 设 计 方 案 的 确 定 及 选 型 .11.3 列管式换热器的设计 计算 .3第 二 章 列管式换热器的工艺计算 .102.1 原 料 预 热 器 的 工 艺 计 算 .102.2 塔顶冷凝器的工艺计算. 152.3 塔顶冷却器的工艺计算. 20第三章 汇 总 表 .253.1 原 料 预 热 器 的 主 要 结 构 尺 寸 和 计 算 结 果 .26第四章 设 计 评 论 .27参 考 文 献 .29致 谢30内蒙工业大学本科课程设计1第一章 换热器的设计1.1 换热器的简介换
6、热器（英语翻译：heat exchanger） ，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。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。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三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。 因此适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下： 一、换热器按传热原理分类 1、表面式换热器 表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动
7、，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。 2、蓄热式换热器 蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。 3、流体连接间接式换热器流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。 4、直接接触式换热器 直接接触式换热器是两种流体直接接触进行换热的设
8、备，例如，冷水塔、气体冷凝器等。 二、换热器按用途分类 内蒙工业大学本科课程设计21、加热器：加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。2、预热器：预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。 3、过热器：过热器用于把流体（工艺气或蒸汽）加热到过热状态。 4、蒸发器：蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发。三、按换热器的结构分类 可分为：浮头式换热器、固定管板式换热器、U 形管板换热器、板式换热器等。1.2 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 3.3 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
9、的换热器，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，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。1.2.1 流程方案的确定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 ， 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
10、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 。1.2.2 换热器类型的选择列 管 式 换 热 器 的 结 构 简 单
11、、 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 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 设内蒙工业大学本科课程设计3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
12、 时 ， 需 加 入 膨 胀 节 。 根 据 热 补 偿 方 法不 同 ， 列 管 式 换 热 器 有 以 下 几 种 形 式 。（ 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 ， 宜 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，
13、 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 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 。（ 3） 填 料 式 换 热 器管 束 一 端 可 以 自 由 膨 胀 ， 与 浮
14、头 式 换 热 器 相 比 ， 结 构 简 单 、 造 价 低 ， 但 壳 程流 体 有 外 漏 的 可 能 性 ， 因 此 壳 程 不 能 处 理 易 燃 、 易 爆 的 流 体 。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
15、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 。1.2.3 列管式换热器的基本参数基 本 参 数 管 壳 是 换 热 器 的 基 本 参 数 包 括 ： 公 称 换 热 面 积 SN； 公 称 直 径 DN； 公 称 压 力 PN； 换 热 器 管 长 度 L； 换 热 管 规 格 ； 管 程 数 Np。内蒙工业大学本科课程设计41.2.4 设计的基本原则（ 1） 流 体 流 径 的 选 择流 体 流 径 的 选 择 是 指 在 管 程 和 壳 程 各 走
16、 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
17、 乙 醇 蒸 汽 走 壳 程 。 压 力 高 的 流 体 宜 走 管 程 ， 以 免 壳 体 受 压 ， 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
18、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 。（ 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 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
19、 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） 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 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 某 热 流 体
20、 ， 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 ，内蒙工业大学本科课程设计5水 源 丰 富 地 区 可 选 用 较 小 温 差 。 内 蒙 古 属 于 偏 干 旱
21、 地 区 水 资 源 较 为 缺 乏 ， 所 以 设计 时 进 出 口 温 度 可 以 较 大 。(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 。1.2.5 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 角 形 错 列 和 同 心 圆 排 列
22、 。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 ，
23、大 于400mm 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，大型换热内蒙工业大学本科课程设计6器还设有拉杆、旁路挡板；冷凝器设有拦液板等等。1.2.6 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
24、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。1.3 列管式换热器的设计计算1.3.1 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
