年产3.5万吨酒精精馏系统换热器项目设计方案

1 年产 吨酒精精馏系统换热器项目设计方案 第一章 换热系统的流程方案的确定 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，达到废热再利用的效果，实现节能减排。 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。 热器设计方案的确定 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，操作安全可靠；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，这些选择原则往往是相互矛盾、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 50和 70之间的选择带补偿圈的固定管板式换热器，小于 50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 50到 70且壳方流体较清洁及不宜结垢的物料，流体压强不高于 600 定管板式换热器结构的 确定 2 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部分泄漏。所以必须注意固定管板式换热器的连接方法和质量。 固定管板式换热器主要分为管程和壳程两大部分。 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 19 2， 25长有有普 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 192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 25 2.5 钢管。本次设计采用 25 2.5 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，正三角形排列比较紧凑，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，它的受力关系比较复杂。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，这次用到的换热器内流体温度不高，压力不大，所以选择焊接的方式连接管子和管板。 3、封头、管箱的确定 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。 程结构 壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板及缓冲板等元件组成。 3 1、换热器壳体的确定 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 400壳体通常用钢管制成，大于 400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。 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。 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）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。 高压的流体、腐蚀性的流体宜在管内流过。 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。 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，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，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。 下表列出工业一般采用的流体流速范围。 表 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 流速 m s 管程 壳程 30 15 4 体进出口温度的确定 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，则要增加水量。设计时可采取冷却水两端温差为 8 10 。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。 管的确定 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。 程和壳程数的确定 当管内流体流量较小时，会使管内流速较低，对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，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。 定管板式换热器的设计计算 计计算步骤 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。 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。 算总传热系数 计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻，在计算总传热系数 K 计 。比较 K 计 和 K 选 ，若（ 2 5 %1 0 %/,则初选的设备合格。否则需另设 K 选 值，重复以上计算步骤。 算管、壳程压强降 5 计算出选设备的管、壳程流体的压强降，如超过工艺允许的范围，要调整流速，再确定管程 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。 管尺寸计算 热计算的主要公式 热速率方程式及相关计算公式 式中 Q 传热速率 (即热负荷 )， W； K 总传热系数， W () ； S 与 平均温度差， 。 1. 热负荷 (传热速率 )Q 无相变传热 )t(221 相变传热 (蒸汽冷凝且冷凝液在饱和温度下离开换热器 ) )()( 1221 式中 W 流体的质量流量， h； 流体的平均定压比热容， J () ； T 热流体的温度， ； t 冷流体的温度， ； r 饱和蒸气的冷凝潜热， 下标 h和 标 1和 2分别表示换热器的进口和出口。 2 侧恒温 ,逆流与并流的平均温差相等 两侧变温，平均温差 用逆流平均温差校正 T ,其中 2112 TT 1221 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 K 的经验数 6 值，选定的 选 。 确定了选用的换热器后，需要对换热器的总传热系数 传热系数 1式中 基于换热器外表面积的总传热系数， )/( 2 io 分别为管外及管内的对流传热系数， )/( 2 R 、 一分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻， )( 2 ; 、 分别为换热器列管的外径、内径及平均直径 ,m ； b 列管管壁厚度 , m ； (1)对于低粘度流体 (小于或等于 2倍常温水的粘度 ) 当流体被加热时， n 流体被冷却时， n 中： 、 分别为流体的密度和粘度， 、3/ ； 分别为流体的导热系数和比热容 , )/()/( ; u 管内流速， ； d 列管内径， m 。 应用范围： 长与管径之比 L/d 60，若 L/d60可将上式算出的乘以 ) 特征尺寸：管内径 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 若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数： 413232 )( 式中： 7 冷凝液的导热系数， w (m )； 冷凝液的密度， 冷凝液的粘度， s； 饱和蒸汽的冷凝潜热， kJ/ t 蒸汽的饱和温度与壁温之差，ws 此处取 5t 水平管束在垂直列上的管数； .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 p 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%较合适。 一般说来，流经列管式换热器允许的压强降，液体为 10 100 体为 1 10 （ 1）管程压力降 1 221 222 1P 直管中因摩擦阻力引起的压力降 2P 回弯管中因摩擦阻力引起的压力降， 垢校正系数，无因次， 25 换热管取 19 2 联的壳程数； 程数。 8 阻力系数，列管换热器管内 =3 （ 2）壳程压力降 t21 2)1(21 2)22 oB 1P 流体横过管束的压力降 2P 流体流过折流挡板缺口的压力降 垢校正系数，无因次，对液体，取 气体，取 F 管子排列方式对压力降的校正系数：三角形排列 F=方形排列 F=方形错列 F= 程流体的摩擦系数； 过管束中心线的管数 B 折流挡板间距， m； D 壳体直径， m； 流挡板数目； 壳程流通面积 m/s。 9 第二章 设计的工艺计算 塔物料衡算 根据设计要求可知：塔顶产品酒精的质量 D=吨，乙醇的质量分数馏原料粗乙醇的质量分数 底残液乙醇的质量分数 4 8 6 13 0 024 由 求得 回流比 : 2R 所以 热器的设计和计算 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。由于蒸汽比较干净不易结垢，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达到泡点，令蒸汽走壳程，原料液走管程。 因碳钢管价格低强度好，预热器中的流体没有腐蚀性，所以选用碳钢管。 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： 10 残液（热流体）： 35 原料液（冷流体）： 20 )()-( 2112 求得 t 热流体： 定性温度为 绝对压力 冷流体： 定性温度为 5 根据定性温度分别查取的物性参数如下： 表 2预热器内原料物性参数 名 称 密度 Kg/压比热Cp ) 导热系数 W/(m ) 粘度 s 汽化热r kJ/醇液（ 水（ 水 () 水蒸汽() 764 10101010 换热器的衡算 原料预热器的工艺计算 备注 换热器 (1)热负荷的计算 C / 8 0 0 (2)蒸汽的消耗量 )-( 12 11 h / 6 8 8 (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 原料液 T T 初选 照换热器 1 ，取 K 选 =820( ) 传热面积 S： 25 (5)初选换热器型号 由于两流体温差大于 50，小于 70，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： 4715要参数如下： 表 2列管参数 公称直径 25 管子尺寸 9 管子数 n 管中心距 子排列方式 68 25 正三角形 管长 L/程数 程流通面积 /000 4 际换热面积 采用此换热面积的换热器，则要求过程的总传 热系数为： )/(5 h 232.4 冷热流体温度差为 介于50和 70，可选用带有补偿圈的固定管板式换热器 。 换热器型号为： 4715o m 12 (1)管程压降 1 其中 , 14， 3 平均黏度管程流速 i / 8 5 雷诺数 44 0000(湍流 ) 对于无缝钢管 ,取管壁绝对粗糙度 =2 ，所 以相对粗糙度 0 . 1 0 . 0 0 6 715由食品工程原理 2 书的 关系图中可查得 = 21 K P (2)壳程压降 t21 , 其中体），。 )m/( o i i 13 2)1(21 2)22 因管子排列方式为正三角形，所以 。 壳程流通面积 22222 4 壳程流速 0 00 6 4 雷诺数 452 此时 K P 1( 因壳程通过的是水蒸汽，故不需加折流挡板， 即 ，因此 02 =P 。 K 计算结果表明 ,管程和壳程的压降均能满足设计要求。 (1)管程对流传热系数i ( ) i 10000 9 /ou m s o 14 3 kc 对于低粘度流体， 3.0 d 所以 )/(2)壳程对流传热系数o若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传 热系数： 4132327 式中 、 均为水在 液体的物性参数。 r 为水在 的汽化热。 )/(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内、外侧污垢热阻分别为： Wi /)(107 1 9 4 Wo /)(4 (4)总传热系数 K 1 9 1 5 1 6 . 9 2191o o i i m oK d d b dR s R sd d d )/( 15 1 7 9 719154 计 =2/() % ）（）（计选计 设计结果：选用固定管板式换热器，型号： 4715(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 2 ，则接管内径为 s 0 4 0 8 544 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 5 ,0 =核算流速 0 70 4 8 544 22 故选择的接管规格合适。 (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 27 ，则接管内径为 s 0 7544 根据食品工程原理 2 附录 7热轧无缝钢管的标准规格选择规格 为 4I=算流速 0 5 7544 22 故选择的接管规格合适。 2/(% 计选计 ）（ 管程流体进出口接管选择规格为 575M 的热轧无缝钢管 4热轧无缝钢 管 16 （ 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 1 ，则接管内径为 s 0 7544 根据食品工程原理 2 附录 7的冷轧无缝钢管的标准规格选择规格为 16 核流速 0 21 5 7 544 22 故选择的接管规格合适 壳程流体出口接管选择规格为16冷轧无缝钢管 顶冷凝器的设计和计算 定设计方案 1、选择换热器的类型。 全凝器是把 含乙醇 92%的蒸汽冷凝为 的饱和液体，冷却水的进口温度是 15，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 30。全凝器中两种流体温度变化不大（ 50 ，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较干净不易结垢，蒸汽走壳程便于散热，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。 据定性温度确定物性参数 热流体 T 冷流体 t 15 30 t 冷流体的定性温度为 1 5 3 0 2 2 . 52 17 热流体的定性温度为 T= 根据定性温度分别查取的物性参数如下： 表 2塔顶冷凝器内原料物性参数 名 称 密度 Kg/压比热 Cp ) 导热系数 ，W/(m ) 粘度 s 汽化热r kJ/醇（ 乙醇蒸气（ 水（ 水蒸气（ 冷却水() 1010101064 塔顶冷凝器换热器的衡算 塔顶冷凝器的工艺计算 备注 选换热器。 (1)热负荷的计算 Q = (2)冷却水的消耗量 12 12 = 36 ）（(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： / 18 热流体 T 冷流体 t 15 30 t 21216 3 . 3 4 8 . 3 5 5 . 4 66 3 . 3 . 3 (4)初选 算传热面积 由换热器 1 ，取选K=800 2/ ( )W m k . 传热面积 S： 26 由于两流体温差为 50 70），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： 4715要参数如下： 表 2 列管参数 公称直径 00 管子尺寸 / 25 子数 n 管中心距 子排列方式 结垢校正系数 322 32 正三角形 长 L/程数 程流通面积 /心管束 4500 6 1 实际换热面积 )/(6 K (1)管程压降 12 i t s P F N N 800选( )W m k 由于两流体温差为 （ 50 70），选择带有补偿圈的固定管板式换热器 型号为： 4715 )m/( o 19 其中 , 1=6管程流速 i / 5 8 8 5 雷诺数43 0000(湍流 ) 对于无缝钢管壁粗糙度 =以 0 520由食品工程原理 2 书的 =2d 221 K P (2)壳程压降 12 o s P F N ,其中 （气体）， 。 21 ( 1 ) 2 oo c f n N 222 ( 3 . 5 ) 2 因管子排列方式为正三角形，所以 F= 壳程流通面积 22222 4 5 6 平均黏度 0 P a238.0 20 壳程流速 雷诺数 452 410 21 ( 1 ) 2 oo c f n N ）（ 加挡板：对数 2n ，间距 ，壳径 2) 222 12 o t s P F N N 7( 计算结果表明 ,管程和壳程的压降均能满足设 计要求。 (1)管程对流传热系数ii 4 63 kc 对于低粘度流体， d所以 496.0 21 )/( (2)壳程对流传热系数o若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数： 4132327 式中 、均为蒸汽在 液体的物性参数。 r 为蒸汽在 的汽化热。 )/(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内、外侧污垢热阻分别为： 421 . 7 1 9 7 1 0 ( ) /iR s m k W 420 . 8 5 9 1 0 ( ) /oR s m k W (4)总传热系数 K 11o o i i m oK d d b dR s R sd d d )/(% 6/8 0 09 5 6/ ）（）（ 计选计 故所选择的换热器是合适的。 设计结果：选用固定管板式换热器，型号： 4715(1)管程流体进出口接管的选择 % 计选计 ）（ 2 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 2 ， 则接管内径为 s 0 . 1 13 6 0 09 9 8 . 1 5 8 . 5 4 344 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 1085mm,8算流速 0 1 5 844 22 故选择的接管规格合适。 (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 25 ，则接管内径为 s 0 01 . 1 6 4 5 8 3 . 3 344 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 4261006算流速 0 4 5 8 3 . 3 344 22 故选择的接管规格合适。 （ 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 m s ，则接管内径为 s 0 . 0 33 6 0 07 4 9 . 1 1 4 8 6 1 . 1 144 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 算流速 0 8 6 1 . 1 144 22 故选择的接管规格合适。 管程 流体进出口接管选择规格为 108壳程流体进口接管选择规格为 42610热轧无缝钢管 壳程流体出口接管选择规格为 32 23 顶冷却器的设计 定设计方案 1选择换热器的类型 塔顶冷却器是把 含乙醇 92%的饱和液冷却储存，热流体的进口温度都是 热流体的出口温度是 35。冷却水的进口温度是 15，出口温度是 25 . 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。换热器内的流体没有腐蚀性所以选用碳钢管，可降低设备费。 据定性温度确定物性参数 热流体 T 35 冷流体 t 25 15（呼和浩特地区水温 15） t 20 热流体的定性温度为 7 8 . 3 3 5 5 6 . 6 52 。 冷流体的定性温度为 1 5 2 5 202 。 根据定性温度分别查取的物性参数如下： 表 2塔顶冷却器原料物性参数 名称 密度 Kg/压比热 Cp ) 导热系数k，W/(m ) 粘度 s 汽化热r kJ/却水 (20 ) 乙醇（ 水（ 101089 1072 24 顶冷却器换热器的衡算 塔顶冷却器的工艺计算 备注 (1)热负荷的计算 0 . 9 2 2 . 7 5 0 . 0 8 4 . 1 8 4 2 . 8 6 / J h 12h p C T T 01 . 6 7) 6 1 （ 2）冷却水消耗量 1221 )( 0 4 . 1 9 K g /)1525( 3 512 )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 35 冷流体 t 25 15 t 20 (4)初选 算传热面积 由表 3，取