年产3.0万吨酒精精馏系统列管式换热器设计,换热化工课程设计（包含图纸及说明书）

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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。热器伴随工业生产的发展，其效果的好坏直接影响化工生产的质量和生产效益，为了完成年产3.0万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-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。
固定管板式换热器两端的管板与壳体连在-起。这类换热器结构简单、价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差在50度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，且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。
关键词：固定管板式换热器；冷却器；冷凝器；预热器

第-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，确定所鸦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，塔顶冷却器和塔顶产品冷凝器进行精算，塔底残液冷却器只作初算，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型换热器结构来决定，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，￠25×2.5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ф19mm×2mm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ф25×2.5 mm碳钢管。本次设计采用ф25×2.5 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；同心圆排列用于星径换热器，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-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-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，-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、直径大型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-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～两流体中热阻较大的-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-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，从而可减谢热器的传热面积。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-般采用的流体流速范围。