60000噸/年乙醇—水精餾塔產品冷凝器的設計

楊帆 曹凱超（西北大學現代學院，陜西 西安 71030）

60000噸/年乙醇—水精餾塔產品冷凝器的設計

楊帆 曹凱超（西北大學現代學院，陜西 西安 71030）

本論文設計年產6萬噸乙醇-水精餾塔塔頂冷凝器。根據被處理物料的物性及相關計算確定換熱器的基礎參數，核算傳熱系數，再依據國標初選換熱器規格，確定換熱器設備各項尺寸。最后根據各項計算結果進行詳細結構的設計和強度核算。經核算，本設計中各項參數符合相關規定計算。

乙醇-水；列管式換熱器；設計

1 概述

本設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，乙醇和水的進出口溫度均為78℃，冷卻水的進口溫度為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，降低管道的污垢熱阻，增大總傳熱系數，減小傳熱面積，但流速過大會增加流體的阻力，本設計中的流體流速為1.2m/s。考慮到壓力要求不高、冷卻水易結垢及冷卻水流速，選用ф25mm×2.5mm (10號碳鋼)規格的管子。

2 設計主要參數計算

2.1 主要設備尺寸設計

2.1.1 折流板的確定

本方案選用水平圓缺形折流板進行設計，一般弓形缺口的高度取殼體內徑的10%～40%，本次設計為25%。則切去的圓缺高度為h=175mm，故取h=175mm。根據相關規定可取折流板與殼體的內直徑間的間壁為4mm。

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

折流板的厚度及無支撐跨距可根據標準取值為6mm。間距為210mm。

2.1.2 管子的規格和排列方法

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。根據工藝操作中常用的管心距排列確定本設計管外徑為25mm，對應的中心距為32mm。

2.1.3 計算熱負荷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，則根據經驗，有：

2.1.4 計算兩流體的平均溫度差，并確定殼程數

逆流溫差Δtm=47.83℃，R=0。由根據P和R查對數平均溫差校正系數圖得知：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和總管數

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

（3）管程數，本設計選用“單殼程，雙管程”形式設計煤油冷卻器。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NT=Npns=272（根）。

2.1.6 初選固定管板換熱器規格

2.2 核算總傳熱系數K0

經過計算得到：Ko=595.08W/(m2?℃)

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

2.3 計算壓強降

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 詳細結構設計及強度核算

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JB4732-95標準，采用標準橢圓形封頭，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的經驗值可取為：冷卻水流速u=2.0m/s，乙醇-水蒸汽進口流速為u=50.0m/s，出口u=0.5m/s

(1)水（管箱）進出口接管的內徑

接管內徑圓整取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準，則殼程接管距法蘭：取補強圈DN=200mm,DH=400mm，取L1=264mm,圓整L1= 300mm.

(2)乙醇-水（殼程）進口接管的內徑

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

取補強圈DN=175mm,DH=300mm,經計算，接管最小位置L2=250mm

(3)乙醇-水（殼程）出口接管的內徑

接管內徑圓整取DN=90mm，參考接管伸出長度表，接管伸出長度取200mm

取補強圈DN=100mm,DH=200mm,經計算，結合本設計，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%殼體內徑，圓缺高度取h為0.2m,板數NB為28，間距B為0.21m，厚度取6mm。

3.5 分程隔板計算

結合本設計殼體DN=700mm，按照相關標準分程隔板厚度取10mm。

3.6 管箱計算

本設計采取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 工藝設計計算結果

4.1 工藝設計匯總表

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—水流量冷卻水進口溫度蒸汽進口溫度冷卻水出口溫度總傳熱量總傳熱系數所需傳熱面積實際傳熱面積裕度管內流速管程壓降殼程壓降A0 H ui ΔP1ΔP2m/s Pa Pa計算結果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 設備結構設計

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

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