列管换热器设计—年产3.8万吨酒精精馏系统换热器 应用化工系毕业论文1.doc

内蒙古工业大学课程设计说明书 化工原理课程设计说明书（题 目：列管换热器设计 年产3.8万吨酒精精馏系统换热器学生姓名：学 院：系 别：应用化工系专 业：应用化工技术班 级：应用化工班指导教师： 设计日期：二 一 一 年 十 月 内蒙古工业大学课程设计任务书学院（系）： 课程名称： 化工原理 指导教师（签名）： 专业班级： 学生姓名： 学号： 1 一、课程设计题目：列管换热器设计年产3.8万吨酒精精馏系统换热器二、课程设计的目的课程设计是“化工原理”课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，在整个教学计划中它也起着培养学生独立工作能力的重要作用，通过课程设计就以下几个方面要求学生加强锻炼：1. 查阅资料选用公式和搜集数据的能力；2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想指导下去分析和解决实际问题的能力；3. 迅速准确地进行工程计算（包括电算）的能力；4. 用简洁的文字清晰的图表来表达自己设计思想的能力。 三、课程设计的主要内容和要求设计任务及内容：1 确定换热系统的流程方案，绘制流程图；2 为所制定的流程方案配置换热器并选型；3 确定塔顶冷却器和原料预热器的结构尺寸：设计计算换热器的热负荷、传热面积、换热器接管、壳体、管板、封头、隔板及接管等；4 核算总传热系数和流动阻力；5 绘制塔顶产品冷却器的装配图；6 编写课程设计说明书。设计原始数据1 工艺物流(1) 精馏原料: 粗酒精含乙醇50%,水50%(质量分率),由20预热至泡点81.9；(2) 塔顶产品: 含乙醇不低于92 %, 78.3蒸汽冷凝为饱和液体回流，产品冷却为35液体储存；(3) 塔底残液: 含乙醇不高于0.5%, 99.3冷却为35液体。2 其他参数精馏过程回流比r=2呼和浩特地区水温15四、工作进度安排 7月11日：设计动员，下达设计任务，讲解设计方案的确定，设计过程的步骤及注意事项，查阅收集相关图书资料，1 天7月12日-7月19日：确定方案并进行设计计算：9天7月20日-7月22日：绘图：2天7月23日-7月25日：整理设计数据，编写设计说明书：2天五、主要参考文献1. 天津大学化工原理教研室.化工原理课程设计.天津科学技术出版社.19942.化学工程手册编委会.化学工程手册(第1，12，13篇).化学工业出版社,19793.上海化学工业设计院石油化工设备设计建设组.化工设备图册.19744.上海化学学院等.化学工程(下册).化学工业出版社,19815.百度百科6.化工原理审核批准意见系（教研室）主任（签字） 前 言化工原理课程设计是针对学习化工原理课程的学生开设的具有强化性的实训课程。课程设计主要是提高学生的动手能力，设计能力以及对化工原理课程内容的掌握。在此次化工原理课程设计中，设计任务多种多样，列管换热器的设计便是其中之一。换热器是工业常用设备之一，在工业生产中扮演着重要的角色。换热器主要作用是对工业原料及产物的热性质进行改变。根据用途主要又分为加热器与冷凝器。常用换热器主要有固定板式换热器、浮头式换热器、u型换热器等。我在课设中主要选用固定板式换热器，对其进行了物料衡算、换热管的选择、换热器的选型等一系列工业设计。熟悉掌握换热器的化工工艺用途、设计方法、设计注意事项。在设计过程程中查阅相关资料获得所需物料的物化特性，向老师提问有关问题，对我们的设计是至关重要的 目 录摘 要6字符说明.7第一章 换热系统的流程方案的确定8 1.1换热系统的流程方案的设计.8 1.2换热设计方案的确定.8 1.3固定管板式换热器的设计计算.12第二章 设计工艺计算.17 2.1全塔物料衡算.17 2.2原料预热器的设计和计算.24 2.3塔顶冷凝器的设计和计算.30 2.4塔顶冷却器的设计和计算.30主参看文献.37附 录.38致 辞.40 摘 要在石油、化工、食品加工、轻工、制药等行业的生产过程中，换热器是通用工艺设备，可用作加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，换热器类型，性能各异，但设计所依据的传热基本原理相同，不同之处是在结构设计上需要根据各自设备特点采用不同的计算方法。换热器伴随工业生产的始终，其效果的好坏直接影响化工生产的质量和生产效益，所以换热器是非常重要的化工生产设备,在化工领域中，它扮演着主力军的身份，它是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备，在化工设备中占大约50%以上的比重。为了完成年产3.8万吨酒精的生产任务并节约能源，减少对环境的污染，本次换热器设计的思路为用塔底釜残液的热量来先加热原料液，是原料液加热到一定温度，然后再用高温蒸汽来加热原料液。塔顶酒精蒸汽经过全凝器，用冷却水是酒精蒸汽冷却至液体，再经过冷却器是产品冷却至35度。关键词：换热器、冷却器、全凝器、预热器。符号说明q传热速率(即热负荷)，w；k总传热系数，w(m2)；s与k值对应的换热器传热面积，m2； tm平均温度差，。w 流体的质量流量，kgh；cp流体的平均定压比热容，j(kg)；t 热流体的温度，；t 冷流体的温度，；r 饱和蒸气的冷凝潜热，kjkg。k。基于换热器外表面积的总传热系数，w(m2)； 基于管内及管外的对流传热系数，w(m2)；rso、rsi一分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，(m2)w;do、di 、dm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；k一列管管壁的导热系数，w(m)t蒸汽的饱和温度与壁温之差，nc水平管束在垂直列上的管数；直管中因摩擦阻力引起的压力降pa；回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，pa；结垢校正系数，无因次，252.5mm的换热管取1.4；192mm的换热管取1.5；串联的壳程数；管程数。 阻力系数，列管换热器管内=3折流挡板数目；按壳程流通面积so计算的流速，m/s。第一章 换热系统的流程方案的确定1.1换热系统的流程方案的设计 进行换热器的设计，首先应根据工艺要求确定换热系统的流程方案并选用适当类型的换热器，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。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。对原料预热器和塔顶产品冷凝器进行精算，塔顶冷却器和塔底残叶冷却器只作初算，而塔底再沸器不作要求。1.2 换热器设计方案的确定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600kpa的情况。1.2.2固定管板式换热器结构的确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。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192，252.5等；管长有1500mm、2000mm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19mm2mm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252.5 mm碳钢管。本次设计采用252.5 mm碳钢管。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。1.2.2.2 壳程结构 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。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400mm的壳体通常用钢管制成，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。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。1.2.3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.设备结构高压的流体、腐蚀性的流体宜在管内流过。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。1.2.4 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1-2-1 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ms管程1.22.51530壳程0.81.50.53151.2.5流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810。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。1.2.7管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。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，在计算总传热系数k计。比较k计和k选，若k计/k选=1.1-1.25,则初选的设备合格。否则需另设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。1.3.1.5接管尺寸计算1.3.2传热计算的主要公式1.3.2.1 传热速率方程式及相关计算公式 q=kstm 式中 q传热速率(即热负荷)，w； k总传热系数，w(m2)； s与k值对应的换热器传热面积，m2； tm平均温度差，。1. 热负荷(传热速率)q无相变传热 qwhcph(t1-t2)wccpc(t2-t1) 相变传热(蒸汽冷凝且冷凝液在饱和温度下离开换热器)qwhrwccpc(t2一t1) 式中w 流体的质量流量，kgh；cp流体的平均定压比热容，j(kg)；t 热流体的温度，；t冷流体的温度，；r饱和蒸气的冷凝潜热，kjkg。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两侧变温，平均温差用逆流平均温差校正-温差校正系数，,其中 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的计算按下列公式：式中 k0基于换热器外表面积的总传热系数，w(m2)；ho、hi分别为管外及管内的对流传热系数，w(m2)；rso、rsi一分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，(m2)w;do、di 、dm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； k一列管管壁的导热系数，w(m)。4.对流传热系数(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，n0.4当流体被冷却时，n0.3式中：、分别为流体的密度和粘度，kgm3、pas；、cp分别为流体的导热系数和比热容,w/(m)、j/kg;u管内流速ms；d列管内径，m。应用范围：rel0000，pr0.7-160，管长与管径之比l/d60，若l/d60可将上式算出的乘以（1+ （d/l）0.7）特征尺寸：管内径d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：式中： 冷凝液的导热系数，w(m)；冷凝液的密度，kgm3。； 冷凝液的粘度，pas；饱和蒸汽的冷凝潜热，kj/kg；t蒸汽的饱和温度与壁温之差，tts-tw 此处取t=5nc水平管束在垂直列上的管数；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。 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%比较合适。1.3.2.2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10100 kpa，气体为110 kpa左右。（1）管程压力降直管中因摩擦阻力引起的压力降pa；回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，pa；结垢校正系数，无因次，252.5mm的换热管取1.4；192mm的换热管取1.5；串联的壳程数；管程数。 阻力系数，列管换热器管内=3（2）壳程压力降流体横过管束的压力降pa；流体流过折流挡板缺口的压力降pa；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f=0.5；正方形排列f=0.3；正方形错列f=0.4；壳程流体的摩擦系数；横过管束中心线的管数b折流挡板间距，m；d壳体直径，m；折流挡板数目；按壳程流通面积so计算的流速，m/s。第二章 设计的工艺计算2.1 全塔物料恒算根据设计要求可知：塔顶产品乙醇的质量d=3.8万吨，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=0.005由 求得f=8000kg/h w=44800kg/h回流比：r=2所以 v=l+d=3d=15840t/h2.2 原料预热器的设计和计算 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。 2.2.2 根据定性温度确定物性参数热流体：133.3133.3 定性温度为（绝对压力0.3mpa）冷流体：2081.9 定性温度为。根据定性温度分别查取的物性参数如下：表2-2-1 预热器内原料物性参数名 称密度kg/m3定压比热cpkj/(kg)导热系数w/(m)粘度pas汽化热rkj/kg乙醇液（50.95）7642.730.157.010-4水（50.95）988.14.170.6554.9410-5水(133.3)932.014.26810.68372.072210-4水蒸汽(133.3)1.65 0.02921.34210-52168.12.2.3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=0.5(2.73+4.17)=3.45kj/h(2)蒸汽的消耗量(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 133.3 133.3原料液t 20 81.9t 113.3 51.4计算r： 无需校正 初选k估算传热面积，参照换热器，取k选=1000 w/(m2)传热面积s： (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：jb/t 4715-92主要参数如下：表2-2-2 列管参数公称直径325mm管子尺寸252.5管子数n40管长l/mm1500管中心距mm32管程数np4管子排列方式正三角形管程流通面积/0.003实际换热面积so 采用此换热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为：2.核算压降 (1)管程压降 其中,，平均粘度 管程流速 雷诺数 10000(湍流)对于碳钢管,取管壁粗糙度=0.1mm，所以由食品工程原理书的-re关系图中可查得 =0.03。 (2)壳程压降,其中fs=1.15（气体），ns=1。 因管子排列方式为正三角形，所以 f=0.5。壳程流通面积壳程流速雷诺数此时因壳程通过的是水蒸汽，故不需加折流挡板，即nb=0，因此。计算结果表明,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)管程对流传热系数对于低粘度流体，所以 (2)壳程对流传热系数 若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数： reo=2722.5式中、均为水在133.3时液体的物性参数。为水在133.3下的汽化热。(3)污垢热阻根据化工原理课程设计书中的附录二十查得管内、外侧污垢热阻分别为：(4)总传热系数k即k计=1395.2w/(m2)k计/k选=1395.2/1377.47=1.11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：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的流速为，则接管内径为根据化工流体流动与转热附录二十二的热轧无缝钢管的标准规格选择规格为42mm3mm,di=36mm=0.036m核算流速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，则接管内径为根据热轧无缝钢管的标准规格选择规格为70mm4mm,di=62mm核算流速 故选择的接管规格合适。wc=f=8000kg/hq=474566.7wwh=218.89kg/hs=6.06m2冷热流体温度差为63.52，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：jb/t 4715-92reo=2722.5=0.824hi=2031.13w/(m2)ho=15302w/(m2)k计=1395.2 w/(m2)k计/k选=1.11，管程流体进出口接管选择规格为42mm3mm的热轧无缝钢管壳程流体进口接管选择规格为70mm4mm的热轧无缝钢管2.3塔顶冷凝器的设计和计算 2.3.1确定设计方案 1、选择换热器的类型。 塔顶冷却器是把78.3的含乙醇92%的饱和液冷却储存，热流体的进出口温度都是78.3，热流体的出口温度是35。采用冷却水进行冷却，冷却水的进口温度是15，出口温度是35.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、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。因碳钢管价格低强度好，全凝器中的流体没有腐蚀性，所以选用碳钢管。2.3.2 根据定性温度确定物性参数热流体t 78.3 78.3冷流体t 15 35t 63.3 48.3冷流体的定性温度为热流体的定性温度为t=78.3。根据定性温度分别查取的物性参数如下：表2-3-1 塔顶冷凝器内原料物性参数名 称密度kg/m3定压比热cpkj/(kg)导热系数，w/(m)粘度pas汽化热rkj/kg乙醇（78.3）736.7753.840.15324.410-4864乙醇蒸气（78.3）1.62481.80460.0221.038110-5水（78.3）927.8174.19560.66893.620210-4水蒸气（78.3）0.27520.62282313.8冷却水(22.5)998.24.1830.59891.00510-32.3.3 换热器的衡算塔顶冷凝器的工艺计算备注1.估算传热面积，初选换热器。(1)热负荷的计算(2)冷却水的消耗量(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 78.3冷流体t 15 35t 63.3 43.3(4)初选k值，估算传热面积由表3，取k选=800.传热面积s：由于两流体温差为55.46（5070），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2-3-2 列管参数公称直径900mm管子尺寸252.5管子数n550管长l/mm3000管中心距mm32管程数np4管子排列方式正三角形管程流通面积/0.0435实际换热面积so 2.核算压降 (1)管程压降 其中,管程流速 雷诺数10000(湍流)对于碳钢管,取管壁粗糙度=0.1mm，所以由化工流体流动与转热书的-re关系图中可查得 =0.029。 (2)壳程压降,其中fs=1（气体），ns=1。 因管子排列方式为正三角形，所以 f=0.5。壳程流通面积 壳程流速雷诺数计算结果表明,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)管程对流传热系数原料液为被加热流体，取n=0.4 (2)壳程对流传热系数 若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数：式中、均为蒸汽在78.3时液体的物性参数。为蒸汽在78.3下的汽化热。(3)污垢热阻根据化工流体流动与传热书中的附录二十查得管内、外侧污垢热阻分别为：(4)总传热系数k=927.5 w/(m2)k计/k选=927.5/779.2=1.24k计/k0=927.5/666.36=1.43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：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的流速为，则接管内径为根据化工流体流动与传热附录二十二的热轧无缝钢管的标准规格选择规格为245mm6.5mm,di=232mm=0.232m核算流速 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，则接管内径为根据热轧无缝钢管的标准规格选择规格为377mm26mm, di=356mm=0.356m核算流速 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，则接管内径为根据化工流体流动与传热附录二十二的冷轧无缝钢管的标准规格选择规格为127mm5mm，di=117mm=0.117m核算流速 故选择的接管规格合适。=5138261.333ws=116.2m2由于两流体温差为55.46（5070），选择带有补偿圈的固定管板式换热器型号为：jb/t 4715-922.4 塔顶冷却器的设计2.4.1 确定设计方案 1选择换热器的类型塔顶冷却器是把78.3的含乙醇92%的饱和液冷却储存，热流体的进口温度都是78.3，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。 2.4.2 根据定性温度确定物性参数热流体 t 78.3 35冷流体t 35 15（呼和浩特地区水温15）t 43.3 20热流体的定性温度为。冷流体的定性温度为根据定性温度分别查取的物性参数如下：表2-4-1 塔顶冷却器原料物性参数名称密度kg/m3定压比热cpkj/(kg)导热系数k，w/(m)粘度pas汽化热rkj/kg冷却水(20)998.24.1830.59891.00510-3乙醇（56.65）776.402.750.1590.6110-3572水（56.65）984.254.1840.6548910-62.4.3 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(2)冷却水消耗量(3)计算平均温差两侧变温，平均温差用逆流平均温差校正。溜出液 78.3 78.3冷却水 35 15t 43.3 63.3逆流平均温差 (4)选择k，估算传热面积 参照化工原理课程设计指导书的85页表4-2，取k=840。传热面积s：考虑10%25%的面积裕量在15.1617.91,由固定管板式换热器的系列标准，可选换热器型号：jb/t471592。主要参数如下：公称直径dn/mm900公称压力pn/mpa4换热面积/126.1管子尺寸mm252.5管子数n554管长mm3000管中心距mm32管程数np4管子排列方式正三角形管程流通面积/0.0435实际换热面积：,故面积余度合适。采用此换热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为：即k选=769.5 w/(m2)2核算压降管程压降其中，。 vs=ws/=66.1/997.1=0.06管程流速 对于碳钢管取，取管壁粗糙度=0.1mm，所以由化工流体流动与转热书中的re关系图中可查得=0.029。(2）壳程压降由于壳程走乙醇蒸汽，所以fs=1（气体），其中ns=1。式中。管子排列方式为正三角形，f=0.5。取折流挡板间距 ,。壳程流通面积为壳程流速为所以 计算结果表明，管程和壳程的压降均能满足设计要求。（3）总传热系数k 1)管程对流传热系数流体在管内的流动速度：下式中，,原料液为被加热流体，取n=0.4.雷诺数：2）壳程对流传热系数 若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数：式中、均为乙醇蒸汽在78.3时液体的物性参数。为乙醇在78.3下的汽化热。(3)污垢热阻根据化工流体流动与传热书中的附录二十查得管内、外侧污垢热阻分别为：总的传热系数： = 902.5w/(m. )所选择的换热器的传热系数：即k选=881w/(m2)因为：10%25% 故选择合适设计结果：选用固定管板式换热器，型号：jb/t471592。4.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，则接管内径为根据化工流体流动与转热附录二十二的冷轧无缝钢管的标准规格选择规格为180mm5mm,di=170mm。核算流速 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，则接管内径为根据冷轧无缝钢管的标准规格选择规格为402mm5mm,di=392mm。