附录三 反应器的设计

1、年产10万吨的异丙醇 附录附录三 反应器的设计3.1 设计依据化工工艺设计手册第四版 化学工业出版社化学反应工程第二版（陈甘棠） 浙江大学出版社化学反应工程（李绍芬） 天津大学出版社化学反应工程第二版 华东理工出版社化工设备机械基础第四版 化工工业出版社反应器 中石化主编3.2设计示例3.2.1水合反应器的设计设计选材考虑到使用温度、耐酸、许用压力、价格、供货情况及材料的焊接性能等，在设计中选取：壳体、列管、管板和封头材料为钼三钛超低碳不锈钢，法兰、支座、折流板为16MnR。基本物性参数设计的主要数据参数如表3-1至表3-6所示。28表3-1设计数据和工作参数异丙醇年产量0.5万吨水烯比13年

2、工作时间8000h丙烯空速反应温度130反应压力8.0MPa表3-2 水合反应器进口物料组成反应器进口Kmol/hKg/h%(mol)丙烯18.9579615.2 水246.354434.384.7 丙烷0.156.720.1 IPA000 DIPE000 C6000 总量265.455237.02100表3-3 反应器物料出口组成反应器出口Kmol/hKg/h%(mol)丙烯5.758241.844.6水233.824208.7680.4IPA11.94716.513.7DIPE0.5960.181.10.0363.020.07丙烷0.156.720.13总量252.2945237.0210

3、0表3-4 相对分子质量M丙烯水异丙醇异丙醚C6烯421860.06102.1884进料混合物的平均相对分子质量出口混合物的平均相对分子质量表3-5 相关物性参数名称密度（kg/）临界温度（K）临界压力(MPa)丙烯233.9365.574.665水959.8774554647.1322.055异丙醇653.2937024508.34.762异丙醚718.2501.152.832烯623.920346475.554.09混合物的密度：表3-6 黏度/ 丙烯水异丙醇异丙醚烯5.2919.3217.7022.5027.34进口物料混合物的黏度：出口物料混合物的黏度：Ø 异丙醇的产量每年的

4、生产时间为8000h，则异丙醇的产量为0.71875t/hr。每年需要催化剂的量已知每升每小时催化剂产生125g的异丙醇，一年换一次催化剂，则每年需要催化剂的量为5.75m3，催化剂的堆密度为0.85t/m3，即每年催化剂用量为4.8875t。Ø 物料的总流量（1）丙烯的体积流量流量由丙烯的进口流量796kg/h，在反应条件下，丙烯的体积流量为3.4m3/h。（2）水的体积流量由水的进口流量4434.3kg/h，在反应条件下，水的体积流量为4.62m3/h。（3）物料的总的体积流量物料总的体积流量为8.02m3/h。水合器的个数及结构设计1个水合器。水合器内分为3个床层，用来填加催化

5、剂。水合器所需要的催化剂为5.75m3，每层所需的催化剂用量为1.917m3。Ø 水合器的直径设水合器每层的高度为1.5m，底面积就为1.278m2，则水合器的直径为1400mm。Ø 水合器其它设计水合器有效高度为11.9m，床层为1.5m，共有3个床层，每个床层间距为2m，水合器封头选用圆筒封头为0.7m，封头到最近的一个床层的距离均为1.7米。Ø 水合器的壁厚及其校正（1）计算厚度：Pc:设计压力，MPaDi:公称直径，mmst:许用应力，MPaj: 焊接系数(2)设计厚度：C2:设备主体的腐蚀裕量，mm介质对材料的腐蚀速率按0.1mm/a考虑，设计寿命15a

6、，设备主体的腐蚀裕量取1.5mm （3）名义厚度 C1:钢板厚度负偏差，mm D: 除去负偏差以后的圆整值，mm圆整到50mm（4）有效厚度：（5）耐压试验：Pc:压力容器的设计压力，MPah: 耐压试验压力系数，按表7-7选用s:试验温度下材料的许用应力，MPast:设计温度下材料的许用应力，MPa表3-7 耐压试验的压力系数压力容器的材料耐压实验压力系数液（水）压气压钢和有色金属1.251.1铸铁2.00-（6）耐压时的容器的强度校核：Pt:耐压试验的压力，MPaDi:公称直径，mmd6 :设计厚度，mm液压试验： 所以强度符合支座设计本反应器支座设计结果如表3-8：表3-8部件材质反应器

7、16MnR反应器壳体16MnR封头16MnR法兰16MnR层板16MnR选用圆筒形裙式支座，材质为16MnR。裙座与塔体的连接采用对接式焊接，裙座筒体外径为2500mm，筒体厚度85mm，裙座筒体上端面至塔釜封头切线距离h=200mm，地脚螺栓座的结构选择外螺栓座结构形式，螺栓规格为M80,个数28个，基础环板厚度为20mm。因为筒体大、高，需在裙座内部设置梯子。裙座上开设圆形人孔方便检查。为减少腐蚀以及反应器运行中有可能有气体逸出，需在裙座上部设置排气管，根据塔径，设定排气管规格100×4，数量2个，排气管中心距裙座顶端距离H1=335mm、H2=500mm。设置保温圈一面引起不均

8、匀热膨胀。一般塔体的保温延伸到裙座与塔釜封头的连接焊缝以下4 倍保温层厚度的距离为止。考虑裙座的防火问题，在裙座的内外侧均敷设防火层，防火层材料为石棉水泥层（容积密度约为1900kg/m3），厚度为50mm。Ø 反应器机械强度校核本设计小组在校核过程中，下面是对反应器筒体和封头的校核结果如下表3-9和3-10所示。表3-9 反应器内压筒校核计算条件筒体简图计算压力8.00MPa设计温度145.00内径1400.00mm材料16MnR(正火) ( 板材)试验温度许用应力143MPa设计温度许用应力143MPa试验温度下屈服点345MPa钢板负偏差0.30mm腐蚀裕量1.50mm焊接接头

9、系数1.0厚度及重量计算计算厚度46.532mm有效厚度48.20mm名义厚度50.00mm重量21401.37Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验压力试验允许通过的应力水平MPa试验压力下圆筒的应力150.22MPa校核条件MPa校核结果合格 表3-10 反应器内压封头校核计算条件筒体简图计算压力8.00MPa设计温度145.00内径1400.00mm曲面高度700.00mm材料16MnR(正火) ( 板材)试验温度许用应力143MPa设计温度许用应力143MPa试验温度下屈服点345MPa钢板负偏差0.30mm腐蚀裕量1.50mm焊接接头系数1.0厚度及重量计算形状系数 K=0.5计

10、算厚度 19.86mm有效厚度28.20mm名义厚度30.00 mm重量3141.8×2Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验压力试验允许通过的应力水平MPa试验压力下封头的应力203MPa校核条件MPa校核结果合格年产10万吨的异丙醇 附录附录四 塔设备设计4.1 设计标准钢制压力容器 GB151-2011压力容器用钢板 GB6654-96钢制化工容器设计基础规定 HG20580-98钢制化工容器材料选用规定 HG20581-98钢制化工容器强度计算规定 HG20582-98钢制化工容器结构设计规定 HG20583-98钢制化工容器制造技术规定 HG20584-98化工设备设计

11、基础规定 HG/T20643-98压力容器无损检测 JB4730-2005压力容器用钢锻件 JB4276-20004.2 塔设备设计原则塔设备设计应满足以下原则：(1) 生产能力大。在较大的气(汽)液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏正常操作的现象。(2) 操作稳定、弹性大。当塔设备的气(汽)液负荷量有较大的波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作，并且塔设备应保证能长期连续操作。(3) 流体流动阻力小，即流体透过塔设备的压力降小。这将大大节省生产中的动力消耗，以降低操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还将使系统无法维持必要的真空度。(4) 结构简单、材料耗用量小、制造

12、和安装容易。这可以减少基建过程中的投资费用。(5) 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。4.3 塔型的选择塔设备在发展过程中为了满足各行业生产的需要，形成了形式繁多的各种结构，可以从不同的角度对塔设备进行分类。例如：按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按单元操作分为精馏塔、吸收塔、减压塔、萃取塔、反应塔和干燥塔；按形成相际接触界面的方式分为具有固定相界面的塔和流动中形成相界面的塔，也有按塔釜形式分类的；但是长期以来，最常用的分类方法是按塔内件结构分为板式塔和填料塔两大类。塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节。选择是应考虑的因素有：物质性质、操作条件、塔设备性能、制造、安装、运转及维修

13、等。塔主要有板式塔和填料塔两种，它们都可以用作吸收和精馏等气液传质过程，但两者各有优缺点，要根据具体情况选择。板式塔和填料塔的对比详如表4-1 所示。表4-1 板式塔和填料塔的对比项目板式塔填料塔压力降压力降一般比填料塔大压力将小，适用于要求压力降小的场合空塔气速空塔气速大压力将小，适用要求压力降小的场合重量较轻较重安装维修较容易较困难材质要求一般用金属材料可用非金属耐腐蚀材料持液量较大较小液气比适应范围大对液体喷淋量有一定要求塔效率效率较稳定，大塔板塔径以下，效率高造价直径大时一般比填料塔造价低塔直径增，造价通常著会增加Ø 与物性有关的因素易起泡的物系，如处理量不大时，宜选用填料塔

14、为宜。因为填料塔能使泡沫破裂，在板式塔中则易引起液泛。具有腐蚀性的介质，可以选用填料塔。具有热敏性的物料必须减压操作，以防止过热引起分解或者聚合，故选用压力降较小的塔型。粘性较大的物系，可选用大尺寸填料。板式塔的传质效率较差。含有悬浮物的物料，应选择液流通道较大的塔型，以板式塔为宜。 操作过程中有热效应的系统，选用板式塔为宜。因塔盘上积有液层可在其中安放换热管，进行有效的加热或冷却。Ø 与操作条件有关的因素若气相传质阻力大，宜采用填料塔，因填料层中气相呈湍流，液相为膜状流。反之受液相控制的系统，宜采用板式塔，因为板式塔中液相呈湍流，用气体在液层中鼓泡。大的液体负荷可选用填料塔，若要用

15、板式塔则采用板上液层阻力小的塔型（如筛板塔和浮阀塔）。低的液体负荷一般不宜选用填料塔。液气比波动的适应性，板式塔优于填料塔，故当气液比波动较大时宜选用板式塔。本工艺采用丙烯及工艺水为原料，原料洁净，腐蚀性小，粘度小且无悬浮物，整套装置产量及气液相负荷大。因此综合考虑上述因素，本项目设计小组拟采用板式塔。Ø 塔盘的类型与选择板式塔的塔盘有泡罩、筛板、浮阀及穿流式，其性能比较如表4-2所示。表4-2 板式塔踏板盘比较塔板形式蒸汽量液量效率操作弹性压力降造价可靠性泡罩良优良优差高优筛板优优优优优低优浮阀优优优优良高优穿流式优低差差优低良各种板式塔优点缺点及用途比较如表4-3所示。表4-3

16、板式塔优缺点塔盘形式结构优点缺点用途泡罩圆形泡罩复杂弹性好；不泄露费用高；板间距大；压降比较大用于具有特定要求的场合S型泡罩稍简单简化了泡罩的形式，性能相似费用高；板间距大；压降比较大用于具有特定要求的场合筛板型筛孔塔板简单弹性好，费用低；板效率高；处理量大易漏液用途广泛浮阀型条形浮阀复杂操作弹性好；板效率高；处理量大费用较高；安装困难适用于加压及常压下的气液传质过程重盘式浮阀T型浮阀穿流型式筛板简单正常符合下板效率高；费用最低；压降小稳定操作范围窄；要么扩大孔径，否则易堵物料；容易发生液体泄漏适用于处理量变动小且不析出固定物的系统波纹筛板比筛板压降稍高；气液分布好栅板处理量大；压降小，费用低

17、操作弹性较小；处理量少时，效率剧烈下降适用于粗蒸馏从以上个图表可以看出，筛板塔在蒸汽负荷、操作弹性、效率和价格等方面都具有较明显的优势，结合本工艺中的塔设备实际情况，初步选择筛板塔。设备的设计和选型是建立在对本工艺分工段的模拟、优化的基础上。在满足工艺要求的条件下，考虑设备的固定投资费用和操作费用，进行进一步模拟计算、设计和选型。设计主要包括工艺参数设计、基本参数设计和机械设计。工艺参数设计对该塔的生产能力、分离效果、物料和能量等操作参数作了设计；基本参数设计部分完成了塔设备的选型、塔板的选型和参数设计、塔板负荷性能校核等内容的设计；提取Aspen Plus 各塔板上的物性参数，选取气液相负荷

18、较大的塔板进行手工计算和校核，机械工程设计部分设计由SW6-1998 过程设备机械强度校核软件进行设计和校核，内容为塔设备的材质壁厚、封头对塔的机械性能做了校核。本项目设计小组完成了对全厂3座塔设备的工艺参数设计、基本参数设计和机械强度设计和校核。选取其中具有代表性的共沸精馏塔给出详细的设计说明。4.3.1共沸精馏塔（板式塔）原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率各个物质的摩尔质量如下表4-4表4-4 各物质的摩尔质量异丙醇异丙醚水C6H1260.06102.1771884原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量物料衡算 根据,解得：共沸塔的气、液相负荷回流比： 理论板数 查表所以进料板离塔顶的第8块。

19、精馏段 提馏段 由，查，得按标准塔径每个塔径圆整后板间距取共沸塔有效高度的计算精馏段有效高度为提馏段有效高度为在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m故共沸塔的有效高度为4.3.2共沸塔其它设计共沸塔有效高度为10.7m，每个塔板的间距为0.4m，共沸塔的封头选用圆筒封头为0.5m，封头到最近的一个塔板的距离均为0.9m。Ø 共沸塔的壁厚及其校正（1）计算厚度：Pc : 设计压力，MPaDi：公称直径，mmst ：许用应力，MPaj： 焊接系数没有大于3mm，故取设计厚度为3mm。(2)设计厚度：设备主体的腐蚀裕量，mm介质对材料的腐蚀速率按0.1mm/a考虑，设计寿命15a，设备主体

20、的腐蚀裕量取1.5mm （3）名义厚度 C1：钢板厚度负偏差，mm D: 除去负偏差以后的圆整值，mm圆整到5.00mm（4）有效厚度：（5）耐压试验：Pc :压力容器的设计压力，MPah : 耐压试验压力系数，按表4-5选用s:试验温度下材料的许用应力，MPast:设计温度下材料的许用应力，MPa表4-5 耐压试验的压力系数压力容器的材料耐压实验压力系数液（水）压气压钢和有色金属1.251.1铸铁2.00-（6）耐压时的容器的强度校核：Pt:耐压试验的压力，MPa Di:公称直径，mmd6:设计厚度，mm液压试验： 所以强度符合Ø 支座设计本反应器支座设计结果如表4-6.表4-6部

21、件材质反应器16MnR反应器壳体16MnR封头16MnR法兰16MnR层板16MnR选用圆筒形裙式支座，材质为16MnR。裙座与塔体的连接采用对接式焊接，裙座筒体外径为2000mm，筒体厚度5.00mm，裙座筒体上端面至塔釜封头切线距离h=200mm，地脚螺栓座的结构选择外螺栓座结构形式，螺栓规格为M80×6,个数28个，基础环板厚度为20mm。因为筒体大、高，需在裙座内部设置梯子。裙座上开设圆形人孔方便检查。为减少腐蚀以及反应器运行中有可能有气体逸出，需在裙座上部设置排气管，根据塔径，设定排气管规格100×4，数量2个，排气管中心距裙座顶端距离H1=335mm、H2=50

22、0mm。设置保温圈一面引起不均匀热膨胀。一般塔体的保温延伸到裙座与塔釜封头的连接焊缝以下4倍保温层厚度的距离为止。考虑裙座的防火问题，在裙座的内外侧均敷设防火层，防火层材料为石棉水泥层（容积密度约为1900kg/m3），厚度为50mm。附录五 换热器设计选型5.1 选型规范管壳式换热器 GB151-1999钢制压力容器 GB151-2011浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数 JBT 4714-1992固定管板式换热器型式与基本参数 JBT 4715-1992立式热虹吸式重沸器型式与基本参数 JBT 4716-1992压力容器安全技术监察规程 1990-5-95.2 选型原则换热器的类型很多，每

23、种型式都有特定的应用范围。在某一种场合下性能很好的换热器，如果换到另一种场合可能传热效果和性能会有很大的改变。因此，针对具体情况正确地选择换热器的类型，是很重要的。换热器选型时需要考虑的因素是多方面的，主要有:（1）热负荷及流量大小（2）流体的性质（3）温度、压力及允许压降的范围（4）对清洗、维修的要求（5）设备结构、材料、尺寸、重量（6）价格、使用安全性和寿命在换热器选型中，除考虑上述因素外，还应对结构强度、材料来源、制造条件、密封性、安全性等方面加以考虑。所有这些又常常是相互制约、相互影响的，通过设计的优化加以解决。针对不同的工艺条件及操作工况，我们有时使用特殊型式的换热器或特殊的换热管，

24、以实现降低成本的目的。因此，应综合考虑工艺条件和机械设计的要求，正确选择合适的换热器型式来有效地减少工艺过程的能量消耗。对工程技术人员而言，在设计换热器时，对于型式的合理选择、经济运行和降低成本等方面应有足够的重视，必要时，还得通过计算来进行技术经济指标分析、投资和操作费用对比，从而使设计达到该具体条件下的最佳设计。5.3 换热器分类表5-1 换热器分类管式管壳式固定管板式刚性结构：用于管壳温差较小的情况（一般50）， 管间不能清洗带膨胀节：有一定的温度补偿能力，壳程只能承受较低压力浮头式管内外均能承受高压，可以用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函：管

25、间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆易燃及压力较高的介质内填料函：密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上都有个蒸发空间，用于蒸汽与液相分离套管式双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合，或固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋盘管式浸没式用于管内流体的冷却、冷凝，或者管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋式可进行严格的逆流操作，有自洁作用，可以回收低温热能伞板式伞形传热板结构紧凑，拆洗方便，通道较小，易堵， 要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高扩展表面式板翅

26、式结构十分紧凑，传热效率高，流体阻力大管翅式适用于气体和液体之间传热，传热效率高，于化工、动力、空调、制冷工业蓄热式回旋式盘石传热效率高，用于高温烟气冷却等鼓式用于空气预冷器等固定格室式紧凑式适用于低温到高温的各种条件非紧凑式可用于高温及腐蚀性气体场合5.4 换热器类型及应用类型Types换热面积Size()温度Temperature ()压力（最大）Pressure()材料Material特点和应用Features and Application1. 管壳式换热器管壳式（标准型）S&T5000-270t1650600无限制这种类型的换热器被广泛地用在工艺装置中，安全、可靠。可以通过采

27、用特殊类型的换热管来提高其传热性能。折流杆式Rod baffle5000-100t600300无限制通过折流杆支撑换热管来消除振动。由于壳侧流动是纵向的、和有规律的，因此压力损失较小，适用于允许压降小的气液或气体系统。多管式Multi tube50-100t600300无限制因流动为纯逆流，故具有较好的传热推动力，当换热面积相对比较小并且两流体温度交叉时，可考虑采用此型式。另外，若壳侧传热不好，可使用翅片管来强化传热。蛇管式Coiled tube2000-260t600200铜、铝、不锈钢碳钢在低温系统中，因不宜采用铝材板翅式换热器，而经常使用蛇管式换热器。纯逆流流动，传热可在两股以上流体间进

28、行高弹性的结构可以巨额浮热应力在高温的气气换热时，可采用不锈钢材料。2. 单管式换热器套管式Double tube10-100t600300铜、铝、不锈钢碳钢当传热面积比较小（10m2 20m2）时，一般选用套管式换热器。流动为纯逆流，制造成本低，维修容易，但是紧凑性较差。长号式Trombone10-50t300300铜、铝、不锈钢碳钢也称作冲洗式，水被从管侧上处喷下，加热或冷却管内流体经常在利用海水作介质的液化石油气加热器中。结构简单并易于维修，但是设备占地面积较大。蛇管式coil100t300300铜、铝、不锈钢碳钢蛇管式换热器经常被插在罐中用以加热或冷却罐内的液体。3. 板式换热器板式P

29、late(gasket)2000-40t20025钛、不锈钢等结构紧凑，易维修。在液液换热设备中传热系数较高，实际应用围广泛。也可于气体冷却、冷凝或者沸腾传热。螺旋板式spiral200-90t40020碳钢、不锈钢、钛等主要有逆流和错流两种形式。当温度存在交叉时，最好选用逆流形式，而当气体冷却或冷凝时，由于错流流动压力损失小，故常采用此形式。另外，要慎重选择流体的流路尽量避免由于两股流体流率不平衡而造成的设备传热性能的降低。4. 翅片式换热器空冷器Air-cooled2000500(air temp :-60+50)500碳钢不锈钢翅片：铝、碳钢空冷器和管壳式换热器相比，安装面积大，对空冷器

30、需作包括结构价格、耗电等因素在内的综合费用分析。通常当物流出口温度高于环境温度1520或更高时，使用空冷器较为经济。板翅式Plate fin10000-260t100（铝）70铝、不锈钢、铜板翅式换热器通常用于低温过程。其传热性能好、重量轻、结构紧凑，适应性广，可用于单相流动、冷凝器和蒸发器中对高温体系中的气气换热，目前正逐渐使用材质为不锈钢的板翅式换热器。对铝合金制造的板翅式换热器，可利用其低温延展性和抗拉性好的特点，特别使用低温或超低温场合。热管Heat pipe2000-40t35010碳钢不锈钢铜流动阻力小、体积小、结构紧凑。由于热管可在热流体和冷流体两侧通过增加翅片来扩展受热面，因而

31、大大提高了气气换热器的传热量，用在气气换热器中最为有效。5. 特殊材料的换热器石墨Carbon7001607不渗透性石墨结构有：管壳式换热器、块状换热器等。聚四氟乙烯Teflon801505聚四氟乙烯管壳式和浸泡式换热器，重量轻、结构紧凑。机械性能较差，只适用于抵押工况。玻璃Glass252809耐热玻璃管壳式和浸泡式换热器，重量轻、结构紧凑。机械性能较差，只适用于抵押工况。6. 特殊换热管低翅管3tube碳钢不锈钢铜合金管子表面的翅片可增大换热面积23倍。与普通管子有着相同管外径的低翅管经常用作管壳式换热器的传热管。当壳侧传热系数低于管侧时，使用低翅管较为理想。低翅管也同样可用在冷凝和沸腾传

32、热中。沸腾用传热强化管碳钢不锈钢铜合金典型的强化传热管即：高热通量管（UCC）、Thermoexcell-E（日立）等。在沸腾传热系数低、温差小（10）的蒸发器中，经常使用强化传热管。上述管子均可提高传热系数1020倍冷凝用传热强化管碳钢不锈钢铜合金典型的强化传热管即：槽管、Thermoexcell-C（日立）、低翅管等。使用上述管子均可提高传热系数25倍。5.5 换热器选型标准5.5.1 换热器类型通过对上述换热器的类型及应用进行分析，由于本工艺中所处理的物料及所使用的公用工程多属常用物质，因而选取国家标准系列换热器。结合工段中物料的温度、压力和黏度等特性，本工艺中多选择浮头式管壳式换热器和

33、固定管板式管壳式换热器。5.5.2 压力降管壳式换热器工作时，增加工艺流体的流速，可相应增加传热膜系数，从而提高总的传热系数，使换热器结构更加紧凑，因此会导致较小的设备和较少的投资。但流速增加后将相应的增大换热器的压力降，从而加剧换热器的磨蚀和振动破坏等；同时，压力降的增大也使得换热器运行过程中的动力消耗增大，从而导致运行费增高。因此，应该在投资和运行费用之间进行一个经济技术比较，换热器的压力降可以参考相关的经验数据。表5-3 换热器压力降允许范围工艺流体的压力允许的压力降/MPa真空5.5.3 管道流速一般来说流体流速在允许压降范围内应尽量选高一些，以便获得较大的换热系数和较小污垢沉积，但流

34、速过大会造成腐蚀并发生管子振动，而流速过小则管内易结垢。可以参考相关的经验数据。5.5.4 流体温度（1）冷却水的出口温度不宜高于60，以免结垢严重。高温端的温差不应小于20，低温端的温差不应小于0。当在两工艺物流之间进行换热时，低温端的温差不应小于20（2）当在采用多管程、单壳程的管壳式换热器，并用水作为冷却剂时，冷却水的出口温度不应高于工艺物流的出口温度。（3）在冷却或者冷凝工艺物流时，冷却剂的入口温度应高于工艺物流中易结冻组分的冰点，一般高5。（4）当冷凝带有惰性气体的工艺物料时，冷却剂的出口温度应低于工艺物料的露点，一般低5。（5）为防止异丙醇产生水合物，堵塞换热管，被加热工艺物料出口

35、温度必须高于其水合物露点(或冰点)，一般高510。（6）在冷却反应物时，为了控制反应，应维持反应流体和冷却剂之间的温差不小于10。（7） 换热器的设计温度应高于最大操作温度，一般高1030。5.5.5 管壳程流体介质安排原则（1）当两流体温差大，高温流体一般走管程。可以节省保温层和减少壳体厚度；有时为了便于高温流体的散热，也可以使高温流体走壳程，为了保证操作人员的安全，需设置保温层。（2）较高压力的流体走管程，以减少壳体厚度。（3）腐蚀性较强的流体宜走管程，以节省耐腐蚀材料。（4）较脏和易结垢的流体尽可能走管程，以便于清洗和控制结垢。如必须走壳程，则应该采取正方形排列，并采取可拆式（浮头式、填

36、料函式、U型管式）的换热器。（5）粘度较大的流体应该走管程，以得到较高的传热系数。（6）流量较小的流体应该走壳程。易使流体形成湍流状态，从而增加传热系数。5.5.6 换热器主要零部件Ø 管径管子的尺寸和形状对传热系数有很大影响。采用小管径时，换热器单位体积的换热面积较大，设备较紧凑，单位换热面积的金属消耗量少，传热系数也高。据估算，将同样直径换热器中的换热器由25mm 改为19mm，其传热面积可增加40%左右，节约20%金属以上；但增加了制造难度，且小管子容易结垢，不易清洗。表5-4 换热管常用直径规格碳素钢、低合金钢不锈钢Ø 排列形式换热管在管板上的排列方式主要有正三角形

37、、正方形和转角正三角形、转角正方形。正三角形排列形式最为普遍，由于管距都相等，可以在同样的管板面积上排列最多的管数。但因管外不易清洗，其适用场合受到限制，主要适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。而采用正方形和转角正方形排列的管束，能够使管间小桥形成一条直线通道，便于管外机械清洗。Ø 管间中心距换热管中心要保证管子与管板连接时，管桥有足够的强度和刚度。管间需要清洗时还要留有进行清洗的通道。换热管中心距一般不小于1.25 倍的换热管外径，常用的换热管中心距如表5-5 所示。表5-5 常用换热管中心距换热管外径/mm1214192532384557换热管中心距/mm16192

38、53240485772Ø 封头和管箱及壳体形式封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。（1）封头：当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。（2）管箱和壳体：壳径较大的换热器大多采用管箱结构。管箱具有一个可拆盖板，因此在检修或清洗管子时无须卸下管箱。常见的前端管箱形式有：A 型（平盖管箱）、B 型（封头管箱）、C 型（用于可拆管束与管板制成一体的管箱）、N 型（与管板制成一体的固定管板管箱）、D型（特殊高压管箱）；后端管箱形式有：L 型（与A 相似的固定管板结构）、M型（与B 相似的固定管板结构）、N

39、 型（与C 相似的固定管板结构）、P 型（填料函式浮头）、S 型（钩圈式浮头）、T 型（可抽式浮头）、U 型（U 型管束）、W 型（带套环填料函式浮头）；壳体形式:E 型（单程壳体）、Q 型（单进单出冷凝器壳体）、F 型（具有纵向隔板的双程壳体）、G 型（分流）、H 型（双分流）、I 型(U型管式换热器)、J 型（无隔板分流或冷凝器壳体）、K 型（釜式再沸器）、O 型（外导流）。（3）分程隔板：当需要的换热面积很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管数分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16 程，常用的有2、4、

40、6 程，其布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。Ø 换热面积及余量有些物料所需的换热面积大，采用多个换热器并联，而不采用串联，避免压力降过高，影响传热系数。对于工艺物流间的换热，留有4070%的余量；对于工艺物流与公用工程间的换热，留有1035%的余量；对于操作相对稳定的换热留有余量可相对较少。Ø 密封条数按照换热器设计建议，每五排管设置一对密封条。Ø 折流板折流板数目和间距按照化工工艺设计手册的推荐值设定。如表5-6和表5-7所示表5-6 折流板间距常用数值公称直径DN管长折流板间距<500&l

41、t;3000100200300450600-45006000-60080015006000150200300450600-9001300<6000-200300450600-75009000750140016006000-20030045060075075009000-1700180060009000-450600750表5-7 折流板数目DN/mm数量/对500150010002>1000>35.6 换热器的命名5.6.1 管壳式换热器换热器选型是按照GB151-1999管壳式换热器标准上的标准管壳式冷却器系列进行换热器的选型。该系列中，各符号表示的意义示例说明如下：其中：

42、（1）第一个代表前端管箱形式（2）第二个 代表壳体形式（3）第二个 代表后端管箱形式（4）代表公称直径（5）代表管/壳程压力（6）代表换热面积（7） 代表换热管公称长度/外径（8） 代表管程数/壳程数（9）代表采用较高级冷拔钢管；代表采用普通级冷拔钢管5.6.2 空冷器命名国家标准表示空冷器型号的表示方法如图5-2所示。图5-2空冷器型号的表示方法5.7 换热器设计 5.7.1 软水预热器换热器的作用是使用冷却水来对号物流进行升温，经Aspen Plus 模拟以及查阅相关资料后得到两物流的操作参数，如下表5-8所示。表5-8 操作参数项目冷物流（壳程）热物流（管程）质量流量（Kg/h-1）44

43、34.319032.97进口温度（）20200出口温度（）130175.9密度（Kg.m-3）971.8876.0比热Cp（KJ.Kg-1.-1）4.1954.460导热系数l( W.m-1.-1)0.67450.6699粘度m(Pa.s)3.565×10-41.442×10-4估算传热面积（1）计算热流量(2)计算对数平均温度差冷却水用量（3）计算传热面积查阅化工工艺手册后取总传热系数则传热面积设裕度为，则传热面积为工艺结构尺寸(1)管径和管内流速选用穿热管（碳钢），取管内流速(2)管程数和传热管数依据穿热管内径和流速确定单程传热管数查换热器书，取换热管数为35根按单程管

44、计算，所需的传热管长度为按单程管设计，采用单管程结构。现取穿热管长,则该换热器管程数为传热总根数（3）平均传热温差平均传热温差校正系数按单壳程结构，温差校正系数查有关图表，取(4)传热管排列和分程方程方法采用组合排列法，即每个程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距圆整到（5）横过管束中心线的管数（6）壳体内径采用单程管，取管板利用率，则壳体内径为圆整到320mm(7)折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的，则切去高度为取折流板间距，则，可取为150mm折流板圆缺面水平装配（8）接管壳程流体进出口接管：取接管内物料流速为取标准管径为。管程流体进出口接管：取接管内物

45、料流速为，则接管内径为取标准管径为。初步选型根据壳程及管程流体温度的变化和换热面积，选择型号 的固定管板式换热器。管壁厚为。面积裕度该换热器的实际传热面积该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。（9）计算结果汇总计算结果汇总如表5-9所示表5-9计算结果汇总设备名称设备位号台数冷物流热物流总流量(Kg/h-1)4405.4519036.97进出进出液体量(Kg/h-1)4405.454405.4519036.9719036.97操作温度()20130200175.9操作压力（atm）1.58物性冷物流（壳程）热物流（管程）密度(Kg.m-3)971.8876.0粘度(P

46、a.s)导热系数(W.m-1.k-1)0.67450.6699比热(KJ.Kg-1.K-1)4.1954.460设备结构参数型式固定管板式壳体内径(mm)320壳程数2管径(mm)管心距32管长(m)6管子排列方式正三角形管数目（根）35折流板数39传热面积(m2)35.05折流间距150管程数2材质16MnR主要计算结果壳程管程污垢热阻(m2.K.W-1)平均对数温度差()总传热系数(W.m-2.k-1)换热所需面积(m2)裕量(%)5.8换热器设计选型一览表表5-11换热器设计选型一览表位号设备名称规格数量材质备注E1107a-b丙烯预热器116MnR定制E1111a-b软水预热器YB40

47、0-30-100/16-2216MnR定制E1203a-b分离冷凝器2组合件定制E1218废水预热器116MnR定制E12210废水精馏冷凝器AESX（Y）400-1.1-20-3/19-2REa（b）116MnR定制E1221有机物冷却器AESX(Y)500-1.0-55-4.5/19-2REa(b)116MnR定制E1224废水精馏再沸器BEM-350-0.35/0.15-29.2-6.2/19-1116MnR定制E1306a-b粗醇预热器BEM-800-0.35/0.15-770.9-5.0/19-1216MnR定制E1302a-b共沸精馏冷凝器BEM-500-0.15/0.15-32.

48、3-3.2/19-12组合件定制E1303a-b粗产品冷凝器BEM-600-0.35/0.35-40-2/19-12组合件定制E1307a-b共沸精馏再沸器AKS-600-0.55/0.35-264.2-6.2/19-12组合件定制E1308a-b共沸废水冷凝器AKS-700-0.35/0.35-106.8-3.2/19-22组合件定制E1401a-b粗产品预热器BEM-300-0.83/0.15-14-3.8/19-12组合件定制E1403a-b脱水精馏再沸器BEM-350-0.83/0.15-14-1.5/19-12组合件定制E1404a-bTPA产品冷却器BEM-650-0.52/0.15-50-2/19-12组合件定制E1407a-b脱水精馏冷凝器BEM-600-0.15/0.1-85-3.8/19-12组合件定制E1409a-