化工原理冷凝器课程设计说明书

第一章列管换热器设计概述1.1.换热器系统方案的确定进行换热器的设计，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。

1.1.1全塔流程的确定从塔底出来的釜液一部分进入再沸器再沸后回到精馏塔内，一部分进入到冷却器中。

为了节约能源，提高热量的利用率，采用原料液冷却塔底釜液，这样不仅冷却了釜液又加热了原料液，既可以减少预热原料所需要的热量，又可减少冷却水的消耗。

从冷却器出来的釜液直接储存，从冷却器出来的原料液再通往原料预热器预热到所需的温度。

塔顶蒸出的乙醇蒸汽通入塔顶全凝器进行冷凝，冷凝完的液体进入液体再分派器，其中的2/3回流到精馏塔内，另1/3进入冷却器中进行冷却，流出冷却器的液体直接储存作为产品卖掉。

1.1.2加热介质冷却介质的选择在换热过程中加热介质和冷却介质的选用应根据实际情况而定。

除应满足加热和冷却温度外，还应考虑来源方面，价格低廉，使用安全。

在化工生产中常用的加热剂有饱和水蒸气、导热油，冷却剂一般有水和盐水。

综合考虑，在本次设计中的换热器加热介质选择饱和水蒸气，冷却介质选择水。

1.1.3换热器类型的选择列管式换热器的结构简单、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。

所以本次设计过程中的换热器都选用列管式换热器。

由于本次设计过程中所涉及的换热器的中冷热流体温差不大（小于70℃）,各个换热器的工作压力在1.6MP以下，都属于低压容器，因固定管板式换热器两端管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单、价格低廉、管子里面易清洗，所以可选择列管式换热器中的固定管板式换热器。

1.1.4流体流动空间的选择哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例)。

(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。

(2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。

(3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。

(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。

(5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。

(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。

(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。

在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便作出较恰当的选择。

1.1.5流体流速的确定流体的流速对传热来说非常的重要，因为在滞留层的传热是一热传导为主，热传导的传热速率小于对流传热。

所以如果流速太小它形成的滞留层会很厚，会大大减小传热速率，又因如果流速太小杂质会在壁面沉积也会导致传热速率的下降，提高流体在换热器中的流速，可以增大对流体传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增加，所需要传热面积减少，设备费用降低。

但是流速增加，流体阻力将相应加大，使操作费用增加。

所选择流速时应该综合考虑。

下表列出工业一般采用的流体流速范围。

1.1.6换热器材质选择在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。

流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。

当然，最后还要考虑材料的经济合理性。

一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。

在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。

至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。

一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。

碳钢价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。

如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。

在本次设计中所涉及的换热器中的流体都是乙醇或水，不存在腐蚀性。

所以本次设计中的换热器的管材和壳材都选用碳钢。

1.1.7换热器壁厚的确定一般内压容器厚度由应满足刚度和压力的要求，本次设计中所用到的换热器内部压降都不太大，都属于常压容器，所以换热器的壁厚只要满足刚度要求即可。

1.2固定管板式换热器的结构1.2.1管程结构1.2.1.1换热器布置和排列间距常用换热管规格有ф19×2 mm,ф25×2.5 mm(碳钢10)。

小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。

所以，在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用ф19mm×2mm直径的管子更为合理。

如果管程走的是易结垢的流体，则应常用较大直径的管子，有时采用ф38mm ×2.5mm或更大直径的管子。

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ф25×2.5 mm和ф19mm×2mm碳钢管。

换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，正三角形排列结构紧凑，传热效果好；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。

综合各种因素选择正三角形的排列方式。

1.2.1.2管子与管板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。

管板与管子的连接可胀接，焊接和胀焊并用。

胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。

胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过350℃的场合。

焊接法在高温高压条件下更能保证接头的严密性。

这次用到的换热器内流体温度不高，压力不大，所以选择胀接的方式连接管子和管板。

1.2.1.3壳程结构壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。

由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程内对各种元件的设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。

如当壳程走的是蒸汽时不安装折流板。

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。

介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。

如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。

1.3列管换热器的设计计算1.3.1换热器设计步骤1.了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能。

2.由热平衡计算传热量的大小，并确定第二种换热流体的用量。

3.决定流体通入的空间。

4.计算流体的定性温度，以确定流体的物性数据。

5.初算有效平均温差,一般先按逆流计算，然后再校核,并根据温度差校正系数不应小于0.8的原则，决定壳程数。

6.选取经验的传热系数K值, 计算传热面积。

7.由系列标准选取换热器的基本参数。

所选换热器面积应为计算出的面积的1.1-1.25倍。

8. 核算压强降，校核传热系数，包括管程、壳程对流传热系数的计算。

假如核算的K值与原选的经验值比值在1.10～1.30之间，就不再进行校核；如果相不在这个范围，则需重新假设K值并重复上述6以下步骤。

1.3.2计算设计主要公式Q=KSΔtm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；Δtm——平均温度差，℃。

1.3.2.1 热负荷(传热速率)Q无相变传热Q ＝WhCph(T 1-T 2)＝WcCpc(t 2-t 1)相变传热(蒸汽冷凝且冷凝液在饱和温度下离开换热器) Q ＝Whr ＝WcCpc(t 2一t 1) 式中W ——流体的质量流量，kg ／h ；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，kJ ／kg 。

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。

1.3.2.2平均温度差Δtm一侧恒温,逆流与并流的平均温差相等：两侧变温,错流和折流的平均温差用逆流平均温差校正： Φ△t ——温差校正系数，Φ△t＝f (P ，R)，其中：1.3.2.3 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：oso m o i o si i i o o h R kd bd d d R d h d K 11++++⨯=式中 K 。

——基于换热器外表面积的总传热系数，w ／((m 2．℃)；h o 、h i ——分别为管外及管内的对流传热系数，w ／(m 2·℃)； R so 、R si —一分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，(m 2．℃)／w; d o 、d i 、d m ——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 ；1212ln t t t t t m ∆∆∆-∆=∆冷流体出进口温度差热流体进出口温度差度的差热流体与冷流体进口温冷流体进出口温度差=--==--=12211112t t T T R t T t t P 逆,m t m t t ∆=∆∆ϕk 一列管管壁的导热系数，w ／(m ·℃)。

1.3.2.4对流传热系数(1)对于低粘度流体(μ小于或等于2倍常温水的粘度)ni i ii n d k h Nu Pr Re 023.0Pr Re 023.08.08.0⨯⨯⨯==当流体被加热时，n ＝0.4 当流体被冷却时，n ＝0.3 式中：ρ、μ——分别为流体的密度和粘度，kg ／m 3、Pa ·s ；k 、Cp ——分别为流体的导热系数和比热容,w/(m ·℃)、J/kg •℃; u ——管内流速．m ／s ； d i ——列管内径，m 。

应用范围：Re ＞l0000，Pr ＝0.7-160，管长与管径之比L/d ＞60，若L/d ＜60可将1-10式算出的α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。