楊帆 曹凱超（西北大學(xué)現(xiàn)代學(xué)院，陜西 西安 71030）

60000噸/年乙醇—水精餾塔產(chǎn)品冷凝器的設(shè)計

楊帆 曹凱超（西北大學(xué)現(xiàn)代學(xué)院，陜西 西安 71030）

本論文設(shè)計年產(chǎn)6萬噸乙醇-水精餾塔塔頂冷凝器。根據(jù)被處理物料的物性及相關(guān)計算確定換熱器的基礎(chǔ)參數(shù)，核算傳熱系數(shù)，再依據(jù)國標(biāo)初選換熱器規(guī)格，確定換熱器設(shè)備各項尺寸。最后根據(jù)各項計算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和強(qiáng)度核算。經(jīng)核算，本設(shè)計中各項參數(shù)符合相關(guān)規(guī)定計算。

乙醇-水；列管式換熱器；設(shè)計

1 概述

本設(shè)計選用列管式換熱器，用純水做冷卻劑。換熱器中乙醇-水走殼程，而冷卻水走管程，乙醇和水的進(jìn)出口溫度均為78℃，冷卻水的進(jìn)口溫度為25℃，出口溫度為35℃。流速對整個管熱過程影響較大，增大流速可以增大對流給熱系數(shù)，降低管道的污垢熱阻，增大總傳熱系數(shù)，減小傳熱面積，但流速過大會增加流體的阻力，本設(shè)計中的流體流速為1.2m/s?？紤]到壓力要求不高、冷卻水易結(jié)垢及冷卻水流速，選用ф25mm×2.5mm (10號碳鋼)規(guī)格的管子。

2 設(shè)計主要參數(shù)計算

2.1 主要設(shè)備尺寸設(shè)計

2.1.1 折流板的確定

本方案選用水平圓缺形折流板進(jìn)行設(shè)計，一般弓形缺口的高度取殼體內(nèi)徑的10%～40%，本次設(shè)計為25%。則切去的圓缺高度為h=175mm，故取h=175mm。根據(jù)相關(guān)規(guī)定可取折流板與殼體的內(nèi)直徑間的間壁為4mm。

折流板的間距應(yīng)盡可能小，但要在阻力允許范圍內(nèi)。一般取折流板間隔為殼內(nèi)徑的0.2～1.0倍。取折流板間距為B=0.8D,則B=560mm。則折流板數(shù)

折流板的厚度及無支撐跨距可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取值為6mm。間距為210mm。

2.1.2 管子的規(guī)格和排列方法

本方案中換熱器管板上的排列方式選用最普遍的正三角形排列。管間距一般取管子外徑的四分之一，即t=1.25do。根據(jù)工藝操作中常用的管心距排列確定本設(shè)計管外徑為25mm，對應(yīng)的中心距為32mm。

2.1.3 計算熱負(fù)荷Q

按乙醇-水計算，即Wn=2.104kg/s查得，冷卻水在78℃時的汽化潛熱為2460.3 kJ/kg，純乙醇蒸汽在78℃時的汽化潛熱為973.2 kJ/kg，則根據(jù)經(jīng)驗，有：

2.1.4 計算兩流體的平均溫度差，并確定殼程數(shù)

逆流溫差Δtm=47.83℃，R=0。由根據(jù)P和R查對數(shù)平均溫差校正系數(shù)圖得知：此時?Δt＞0.8，故，Δtm=47.83℃℃選用單殼程的列管式換熱器。

2.1.5 選取管長確定管程數(shù)和總管數(shù)

管中水的質(zhì)量流量為Wc=50.7kg/s，則水的體積流量為Vc=Wc/r=0.051m3/s

（3）管程數(shù)，本設(shè)計選用“單殼程，雙管程”形式設(shè)計煤油冷卻器。選取國際推薦的傳熱管長度6.0,使換熱器具有合適的長徑比。

（4）換熱管總數(shù)NT=Npns=272（根）。

2.1.6 初選固定管板換熱器規(guī)格

2.2 核算總傳熱系數(shù)K0

經(jīng)過計算得到：Ko=595.08W/(m2?℃)

由于K0/K0’=595.08/420=1.42屬于1.1-2.2的范圍內(nèi)，故設(shè)計合理。

2.3 計算壓強(qiáng)降

2.3.1 計算管程壓降

由上已計算

取碳鋼換熱管管壁的粗糙度ε=0.1mm，則

對于φ25×2.5mm的管子，有Ft=1.4,且Np=4,Ns=1。

故：∑Δpi=9.74×104pa

2.3.2 計算殼程壓強(qiáng)降

由于殼程流體為乙醇-水恒溫恒壓蒸汽冷凝，故可忽略壓降。

3 詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度核算

3.1 殼體計算

圓整，取D=700m

查GB151-99P21按照最小厚度確定對于碳素鋼不小于6mm，取圓筒厚度為：8mm

查JB/T4737-95，橢圓形封頭與圓筒厚度相等，即8mm

3.2 封頭計算

按照J(rèn)B4732-95標(biāo)準(zhǔn)，采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，公稱直徑DN= 700mm，為方便安裝，選取壁厚與殼體厚度相同。

3.3 接管直徑和伸出長度的確定

換熱器流體進(jìn)入和流出管程與殼程接管的直徑可按照如下公式計算，即

流速u的經(jīng)驗值可取為：冷卻水流速u=2.0m/s，乙醇-水蒸汽進(jìn)口流速為u=50.0m/s，出口u=0.5m/s

(1)水（管箱）進(jìn)出口接管的內(nèi)徑

接管內(nèi)徑圓整取DN=190mm，參考接管伸出長度表，接管伸出長度取200mm。按照接管最小位置標(biāo)準(zhǔn)，則殼程接管距法蘭：取補(bǔ)強(qiáng)圈DN=200mm,DH=400mm，取L1=264mm,圓整L1= 300mm.

(2)乙醇-水（殼程）進(jìn)口接管的內(nèi)徑

接管內(nèi)徑圓整取DN=170mm，參考接管伸出長度表，接管伸出長度取200mm。

取補(bǔ)強(qiáng)圈DN=175mm,DH=300mm,經(jīng)計算，接管最小位置L2=250mm

(3)乙醇-水（殼程）出口接管的內(nèi)徑

接管內(nèi)徑圓整取DN=90mm，參考接管伸出長度表，接管伸出長度取200mm

取補(bǔ)強(qiáng)圈DN=100mm,DH=200mm,經(jīng)計算，結(jié)合本設(shè)計，取L3=200mm

3.4 折流板計算

選用水平圓缺型折流板，切去高度選擇25%殼體內(nèi)徑，圓缺高度取h為0.2m,板數(shù)NB為28，間距B為0.21m，厚度取6mm。

3.5 分程隔板計算

結(jié)合本設(shè)計殼體DN=700mm，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分程隔板厚度取10mm。

3.6 管箱計算

本設(shè)計采取B型封頭管箱型。B型管箱最小長度按下式計算：

得到最小長度L‘gmin=230.4mm

4 工藝設(shè)計計算結(jié)果

4.1 工藝設(shè)計匯總表

符號WcWn單位kg/s kg/s W( ) t1 T t2 Q K0℃℃℃k WA m2·°C m2 m2項目冷卻水流量乙醇—水流量冷卻水進(jìn)口溫度蒸汽進(jìn)口溫度冷卻水出口溫度總傳熱量總傳熱系數(shù)所需傳熱面積實際傳熱面積裕度管內(nèi)流速管程壓降殼程壓降A(chǔ)0 H ui ΔP1ΔP2m/s Pa Pa計算結(jié)果50．7 2．10 25 78．2 35 2204．42 420 105．35 125．98 1．20 1．2 8．680×104可忽略

4.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

*注：通常用的換熱管，當(dāng)采用φ25mm×2.5mm時，管心距Pt= 0.032m。

[1]王衛(wèi)東.化工原理課程設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2011.9.

[2]秦叔經(jīng)葉文邦等．換熱器[M]，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：62-223.

[3]錢頌文．換熱器設(shè)計手冊[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：13-24，27-34，55-77.

[4]華南工學(xué)院化工原理教研組．化工過程及設(shè)備設(shè)計[M].華南工學(xué)院出版社，1986：36-66.

[5]王永平.列管式換熱器的設(shè)計計算[J].內(nèi)蒙古石油化工，2009，7：95-96.

[6]張森保.列管式冷卻器的設(shè)計與應(yīng)用[J].化工設(shè)計通訊，1991，17（3）：32-33.

[7]譚蔚.化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)[M].天津大學(xué)出版社，2000，10.