1、 年產(chǎn)24萬噸甲醇水精餾裝置摘 要近年來，在化工生產(chǎn)的過程中，常用的精餾設(shè)備是板式塔和精餾塔。為能達(dá)到提純及回收有用組分的目的，通常需要采用精餾借助于多次部分汽化及部分冷凝進(jìn)行液體混合物的分離的方法。而隨著我國國際市場的原油價格不斷的變化，甲醇市場的總體呈上升趨勢。因此，國內(nèi)甲醇項目的籌建必須在工藝設(shè)備及操作方法進(jìn)行不斷的更新及完善。由于甲醇是c1化工中極為重要的有機(jī)產(chǎn)品之一，甲醇在合成工業(yè)生產(chǎn)的過程中，影響其成本的關(guān)鍵因素在于粗甲醇的精度，且其精制也是決定甲醇產(chǎn)品質(zhì)量的重要工序之一。化工生產(chǎn)中最為重要的通用熱工設(shè)備是換熱器，而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的換熱器是管殼式，其主要的特點在于其結(jié)構(gòu)簡單

2、、操作彈性大及牢固等。本文主要的研究對象是四塔甲醇精餾工藝，與傳統(tǒng)工藝相比新工藝更能夠節(jié)約能量及軟水。同時也能夠加強(qiáng)塔之間的關(guān)聯(lián)性及系統(tǒng)的耦合性，對進(jìn)料波動的響應(yīng)復(fù)雜性也有一定程度的提高，為其裝置的控制帶來了一定的難度，因此，為能夠更好的在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用新工藝、新技術(shù)，則對新工藝進(jìn)行較為詳細(xì)的研究是非常有必要的。關(guān)鍵詞：甲醇，水，精餾塔，工藝設(shè)備目 錄摘 要1第一章 綜 述31.1甲醇的簡介31.2精餾的含義及原理31.3甲醇精餾流程發(fā)展4第二章 精餾塔結(jié)構(gòu)及四塔精餾工段工藝的物流衡算82.1精餾塔結(jié)構(gòu)82.1.1填料塔92.1.2 板式塔92.2四塔精餾工段工藝的物流衡算102.2.1 甲醇

3、精餾工段物料衡算任務(wù)102.2.2 甲醇精餾工段物料衡算計算原理112.2.3 甲醇精餾工段物料衡算11第三章 常壓塔冷卻器的設(shè)計113.1確定設(shè)計方案113.2確定物性數(shù)據(jù)113.2.1 計算總傳熱系數(shù)123.2.2 計算傳熱面積133.2.3工藝結(jié)構(gòu)尺寸133.2.4折流板153.2.5接管153.3換熱器核算153.4確定折流擋板形狀和尺寸203.5波形膨脹節(jié)21結(jié) 論22參考文獻(xiàn)23第一章 綜 述1.1甲醇的簡介在世界基礎(chǔ)有機(jī)化工原料當(dāng)中，僅此于乙烯、苯及丙烯當(dāng)屬甲醇。甲醇的生產(chǎn)原料來源豐富，可由天然氣、焦炭、煤炭及石腦油等材料組成。目前來說，中國甲醇的生產(chǎn)能力，已能在世界總產(chǎn)能中占據(jù)

4、1/4的分量。而且，隨著甲醇衍生物不斷的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，對甲醇的需求量將會大量增加。因此，關(guān)于甲醇產(chǎn)品質(zhì)量及降低生產(chǎn)消耗的問題也越來越明顯。以下，筆者即對甲醇作較為詳細(xì)的介紹。純甲醇是一種易揮發(fā)的液體，其主要特征是無色透明略帶乙醇?xì)馕?。甲醇和水相對的密度?.7915，沸點為65攝氏度，熔點為負(fù)97.8攝氏度。甲醇不僅能和水進(jìn)行任意比的互溶，不會形成共沸物；而且和大部分常用的有機(jī)溶液也可以混溶形成恒沸混合物。除此之外，甲醇本身含有劇毒，一旦人誤服10ml會導(dǎo)致失明，30ml易導(dǎo)致死亡。所以在空氣質(zhì)量指標(biāo)中明確規(guī)定了空氣中允許最高的甲醇蒸汽濃度為0.05mg/h。由于甲醇有以上的物理化學(xué)性質(zhì)特征

5、，因此使它能夠成為許多工業(yè)部門的寵兒，尤其是其能源結(jié)構(gòu)的變化，順應(yīng)了c化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，因此，工業(yè)生產(chǎn)過程中對甲醇依舊處于研究開發(fā)的狀態(tài)。例如甲醇為工業(yè)化生產(chǎn)中的固體燃料轉(zhuǎn)化為液體燃料提供了十分重要的前提條件：通過zms-5分子篩催化劑轉(zhuǎn)化為汽油。另外，甲醇能夠裂解制烯烴的特征，為石油化工原料的多樣化具有劃時代的意義。1.2精餾的含義及原理精餾是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的液體混合物分離操作，指運(yùn)用回流使液體混合物得到高純度分離的蒸餾方法。尤其是應(yīng)用于石油化工、食品冶金等行業(yè)。精餾不僅能夠?qū)⒁后w混合物進(jìn)行多次部分的汽化，而且還能夠?qū)⒁旬a(chǎn)生的蒸汽進(jìn)行多次的部分冷凝，從而達(dá)到混合物分離成為所要求的組分。精餾使液

6、體混合物能夠得到完全分離，其絕大部分取決于回流的應(yīng)用。其中回流中又包括了塔頂高濃度易揮發(fā)的組分液體以及塔底高濃度不易揮發(fā)的組分蒸汽。兩者在返回精餾塔的過程中，由于回流的作用促使其形成了逆流接觸的汽液兩相，進(jìn)而分別在精餾塔的兩端得到了相應(yīng)純粹的單組分產(chǎn)品。其中精餾塔頂回流入塔的液體量與其產(chǎn)品量形成的比例成為回流比，這是精餾操作中較為重要的控制參數(shù)，回流比的變化，會對精餾操作的分離效果及能耗產(chǎn)生重要的影響。以下筆者即對精餾的操作原理進(jìn)行大致的闡述。精餾操作最為簡單的方法是采用雙組分混合液的分離，其主要的操作是體現(xiàn)在塔內(nèi)所發(fā)生傳質(zhì)、傳熱的過程。首先，在汽液兩相進(jìn)行熱交換的過程中，運(yùn)用部分汽化所得到的

7、氣體混合物中的熱量來對部分冷凝所得的液體混合物進(jìn)行加熱；其次，汽液兩相在進(jìn)行熱交換的過程中，同時也在進(jìn)行著質(zhì)的交換。當(dāng)溫度較低的液體混合物遇到溫度較高的汽體混合物時，液體混合物會因為汽體混合物的加熱造成部分汽化的現(xiàn)象。其中，汽液兩相揮發(fā)能力的區(qū)別差異較為的明顯：低沸點組分比高沸點組分易揮發(fā)，直接導(dǎo)致低沸點組分從液相轉(zhuǎn)入氣相，且氣相中易揮發(fā)的組分的濃度得到增加；同理可證，當(dāng)溫度較高的汽體混合物對溫度較低的液體混合物進(jìn)行了加熱，而使自己部分得到冷凝，且因為兩者揮發(fā)能力的區(qū)別差異，促使高沸點的組分直接從汽相轉(zhuǎn)化為液相，且液相中不易揮發(fā)的組分濃度得到相應(yīng)的增強(qiáng)。精餾塔可分成若干個塔板，其中最上的部分稱

8、為塔頂，最下的部分稱之為塔釜。其中需要注意的是，一塊塔板只能進(jìn)行一次的部分汽化及部分冷凝，相對來說，塔板數(shù)量越多，部分汽化及冷凝的次數(shù)也會相應(yīng)的增多，可想而知，其分離的效果也能變得更好。1.3甲醇精餾流程發(fā)展通常來說，甲醇精致流程可分成兩個主要的部分：預(yù)精餾及主精餾部分。預(yù)精餾部分除了脫除二甲醚及其它輕組分有機(jī)雜質(zhì)之外，對甲醇進(jìn)行萃取精餾脫除某些烷烴也起到十分重要的作用。其底部的出料被加到主塔的中間入料板上，主塔頂部出粗甲醇，底部出廢液，下部側(cè)線出雜醇1。由于甲醇市場競爭日益激烈，尤其是隨著甲醇精餾技術(shù)的不斷發(fā)展及該領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的計算機(jī)新技術(shù)。舊的工藝裝置由于能耗過高，已經(jīng)不能適應(yīng)市場競爭力

9、的發(fā)展，因此，對精餾裝置的技術(shù)更新就顯得尤為重要及必要。而甲醇合成合序配置（見圖1.1）及整個工藝流程（見圖1.2）顯得更為的重要。圖1.1 合成合序配置圖1.2 工藝流程圖縱觀甲醇精餾流程發(fā)展，筆者總結(jié)出甲醇精餾三種典型的工藝流程：單塔精餾、雙塔精餾、三塔精餾及四塔精餾2。（1）單塔精餾 單塔精餾流程，見圖1.3。其特點是只要經(jīng)過一個塔就能夠采出粗甲醇產(chǎn)品。其主要的步驟是首先在塔中部的加料口送入粗甲醇，然后由塔頂排出輕組分，最后在進(jìn)料板以下若干塊塔板處將高沸點的重組分引出，水由塔底排出，而甲醇產(chǎn)品則由塔頂以下的若干塊塔板進(jìn)行相應(yīng)的引出。圖1.3 單塔精餾流程圖（2）雙塔精餾 雙塔精餾流程，見

10、圖1.4。其工藝流程特點是常壓操作下，從合成工序進(jìn)行的粗甲醇入預(yù)精餾塔3。塔頂通常采用兩級冷凝方式，以便能夠盡最大可能回收甲醇，并提升預(yù)精餾塔后甲醇的穩(wěn)定性。其主要的步驟體現(xiàn)為：首先將經(jīng)過塔頂部分冷凝后的甲醇、水及少量雜質(zhì)留在液相，并進(jìn)行回流返回精餾塔，然后將二甲醚等輕組分及少量的甲醇、水從塔頂排出，最后由泵將塔底所含的水甲醇送至主精餾塔，而主精餾塔的操作壓力相對于預(yù)精餾塔要高，因此精甲醇由塔頂排出，而留在塔底的微量甲醇及其他重組分的水則進(jìn)行相應(yīng)的處理。圖1.4 雙塔精餾流程圖（3）三塔精餾 三塔精餾流程，見圖1.5。其工藝的主要特點是為能達(dá)到節(jié)省加熱蒸汽及冷卻水等節(jié)能的目的，通常將加壓塔塔頂

11、冷凝潛熱用作常壓塔塔釜再沸器的熱源4。其具體的步驟在于：首先將合成工序而來的粗甲醇送入預(yù)精餾塔，位于塔頂?shù)妮p組分及不凝氣需去除，位于塔底的含水甲醇則需要通過泵送入加壓塔；然后待到塔頂甲醇蒸汽全部凝結(jié)后，經(jīng)過操作壓力為57bar（g）的加壓塔，使其部分凝氣作為回流的部分，通過回流泵送回塔頂，其他的精甲醇產(chǎn)品則送入產(chǎn)品儲槽，塔底含水甲醇則被送入常壓塔進(jìn)行處理；最后由常壓塔塔頂排出的一部分精甲醇作為回流，其他的部分與加壓塔排出的甲醇混合送入產(chǎn)品儲槽。圖1.5 三塔精餾流程圖（4）四塔精餾 四塔精餾流程主要包括預(yù)精餾塔、加壓精餾塔、常壓精餾塔及甲醇回收塔5。見圖1.4。其流程主要的步驟為：首先將換熱之

12、后的粗甲醇送入預(yù)精餾塔，脫出不凝氣及二甲醚等輕組分后，將塔底所含甲醇及高沸點組分進(jìn)行加壓之后送入加壓精餾塔；然后通過加壓精餾塔頂?shù)脷庀噙M(jìn)入冷凝蒸發(fā)器，利用其之間的溫差，給常壓塔塔底提供熱源，與此同時，對加壓塔塔頂氣相進(jìn)行冷凝。再次，精甲醇經(jīng)過冷凝之后送入回流罐，一部分視作加壓塔回流，另一部分作為精甲醇產(chǎn)品出裝置；最后將甲醇、水與高沸點組分從進(jìn)料板下方得側(cè)線抽取，塔底廢水送入生化系統(tǒng)進(jìn)行處理。圖1.4 四塔精餾流程圖第2章 精餾塔結(jié)構(gòu)及四塔精餾工段工藝的物流衡算2.1精餾塔結(jié)構(gòu)在精餾塔的結(jié)構(gòu)類型中，常用的有填料塔與板式塔，其中填料塔包括有鮑爾環(huán)填料塔、絲網(wǎng)填料塔、鞍型填料塔、拉西環(huán)填料塔、絲網(wǎng)波

13、紋填料塔及波紋填料塔等6。由于絲網(wǎng)波紋填料塔在保持高傳質(zhì)效率的情況下，又降低了造價，因此，這種精餾塔結(jié)構(gòu)越來越受到重視及應(yīng)用。雖然類型很多，但不論是使用那種精餾塔結(jié)構(gòu)都必須遵循以下共同的要求：（1）為能達(dá)到汽液兩相的良好接觸，精餾塔結(jié)構(gòu)必須具有合適的流體力學(xué)條件。（2）為能使其在使用過程中受損范圍縮小，精餾塔結(jié)構(gòu)必須盡量簡單化，降低制造成本。（3）為使塔板效率高而穩(wěn)定，精餾塔結(jié)構(gòu)必須充分具備高分離率和大處理量7。（4）精餾塔結(jié)構(gòu)盡量縮小蒸氣通過塔的阻力，從而使其壓降也得到相應(yīng)的縮小。（5）在操作方面，要求精餾塔結(jié)構(gòu)具有靈敏的反應(yīng)，便利的調(diào)節(jié)及可靠穩(wěn)定性。2.1.1填料塔填料塔是塔裝置其中的一種

14、，為能夠增加兩種流體之間的接觸表面，必須在塔內(nèi)適當(dāng)填充一定高度的填料。其主要的結(jié)構(gòu)原理如下。填料塔是形狀為直立的圓筒的一種塔，其作用是通過塔內(nèi)的填料作為汽液兩相之間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備8。其中填料是以亂堆或整砌的方式放置于底部的支撐板上。為防止上升的氣流吹動，填料的上方特地安裝了填料壓板，且液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下9。當(dāng)從塔底送入液體與汽體之后，通過汽體分布裝置進(jìn)行分布以后，其與液體連續(xù)逆流通過填料層的空隙，進(jìn)而在填料表面上進(jìn)行汽液兩相密切接觸。由于填料塔歸屬于連續(xù)接觸式的汽液傳質(zhì)裝置，且汽液兩相的組成隨塔高的變化而變化，因此，在通常的操作情況下，液相為分散相，氣相為

15、連續(xù)相。當(dāng)液體順著填料層向下流動時，會出現(xiàn)壁流的現(xiàn)象，其表現(xiàn)為逐漸向塔壁集中使其附近的液流量逐漸增大10。壁流現(xiàn)象的出現(xiàn)會影響汽液兩相在填料層當(dāng)中的分量不均衡，從而導(dǎo)致傳質(zhì)效率大幅度下降。因此，當(dāng)填料層呈現(xiàn)較高的位置時，必須對裝置進(jìn)行分段設(shè)置，且中間為再分布裝置；液體再分布裝置由液體收集器及液體再分布器兩個主要部分組成，上層的填料流下來的液體，通過液體收集器收集完畢后，傳送到液體再分布器，通過重新分布后噴淋至下層填料上。 填料塔本身就極具優(yōu)勢，其主要表現(xiàn)在其具有生產(chǎn)能力大、分離效率高、持液量小及操作彈性大等方面11。當(dāng)然，每件事都是會有其辨證的兩方面，填料塔也不例外，一方面它有它自身的特點優(yōu)勢

16、，另一方面它也有著一些不足的地方。如填料的造價比較高；當(dāng)液體的負(fù)荷比較小得情況下，其不能對填料表面進(jìn)行有效的潤濕，進(jìn)而導(dǎo)致傳質(zhì)效率降低；另外，不能直接適用于懸浮物及易聚合的物料，且對側(cè)線進(jìn)料或出料都有不合適之處。2.1.2 板式塔 板式塔是一種形狀為圓筒形塔體和按一定間距水平裝置在塔內(nèi)的若干塔板組成，用于氣液或液液系統(tǒng)的分級接觸傳質(zhì)設(shè)備12。在精餾和吸收的過程中被廣泛的應(yīng)用，其用途也比較寬泛，可以用于萃取，也可以用作反應(yīng)器對汽液兩相的過程進(jìn)行相對的反應(yīng)。當(dāng)板式塔在汽液系統(tǒng)中進(jìn)行操作時，液體由于在重力的作用下，會從上而下按順序流過各層塔板，最終通過塔底排出；而汽體在壓力差的推動下，會按順序由上而

17、下穿過各層塔板，并從塔頂排出。其中各塊塔板上均保持著一定深度的液層，汽體隨之通過塔板分散于各液層之中，并進(jìn)行相對應(yīng)的接觸傳質(zhì)13。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，板式塔最早的形式是篩板塔與泡罩塔。篩板塔出現(xiàn)于1830年，很長一段時間內(nèi)被認(rèn)為難以操作而未得到重視14。泡罩塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但容易操作，自1854年應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)以后，很快得到板式塔，直到20世紀(jì)50年代初，它始終處于主導(dǎo)地位。第二次世界大戰(zhàn)后，煉油和化學(xué)工業(yè)發(fā)展迅速，泡罩塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高的缺點日益突出，而結(jié)構(gòu)簡單的篩板塔重新受到重視。通過大量的實驗研究和工業(yè)實踐，逐步掌握了篩板塔的操作規(guī)律和正確設(shè)計方法，還開發(fā)了大孔徑篩板，解決了篩孔容易堵塞的問題

18、。因此，50年代起，篩板塔迅速發(fā)展成為工業(yè)上廣泛應(yīng)用的塔型15。與此同時，還出現(xiàn)了浮閥塔，它操作容易，結(jié)構(gòu)也比較簡單，同樣得到了廣泛應(yīng)用。而泡罩塔的應(yīng)用則日益減少，除特殊場合外，已不再新建。60年代以后,石油化工的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大,大型塔的直徑已超過 10m。為滿足設(shè)備大型化及有關(guān)分離操作所提出的各種要求，新型塔板不斷出現(xiàn)，已有數(shù)十種。2.2四塔精餾工段工藝的物流衡算2.2.1 甲醇精餾工段物料衡算任務(wù)已知：原料是粗甲醇，成分及含量如下，見表2.1。表2.1 粗甲醇組成成分含量（wt%）n2與ar0.02co21.69ch3oh90.29ch3och30.20c2h5oh0.15c4h9oh0

19、.15ch3occh30.005h2o7.495合計100設(shè)計要求： （1）粗甲醇中甲醇的回收率大于99%； （2）精餾工段產(chǎn)品為精甲醇，其甲醇含量不低于99.5%。2.2.2 甲醇精餾工段物料衡算計算原理全塔物料衡算（通過全塔物料衡算，可以求出精餾產(chǎn)品的流量、組成之間的關(guān)系）。連續(xù)精餾塔做全塔物料衡算，并以單位時間為基準(zhǔn)?？偽锪?f=d+w易揮發(fā)組分 fxf=dxd+wxw公式中f為原料液流量，d為塔頂產(chǎn)品（餾出液）流量，w為塔底產(chǎn)品（釜殘液）流量，單位均為kmol/h；xf為原料液中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)，xd為餾出液中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)，xw為釜殘液中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)。塔頂易揮發(fā)組分

20、回收率=dxd/fxf100%塔底難揮發(fā)組分回收率=w(1-xw)/f(1-xf)100%2.2.3 甲醇精餾工段物料衡算在甲醇精餾工段物料的衡算主要包括粗甲醇組成中甲醇、水、清餾分、初餾分及不凝氣體含量的計算；預(yù)塔物料衡算中入料出料總量及預(yù)塔回流量的計算；加壓塔物料中入料出料總量及回流量的計算；常壓塔中入料出料總量及回流量的計算；回收塔物料中入料出料總量及回流液量的計算及粗甲醇中甲醇回收率的計算。由于其衡算的項目較多，過程較長，筆者在此便不一一贅述。第3章 常壓塔冷卻器的設(shè)計3.1確定設(shè)計方案兩流體溫度變化情況：精甲醇進(jìn)口溫度71攝氏度，出口溫度49攝氏度；冷卻水進(jìn)口溫度25攝氏度，出口溫度

21、30攝氏度。該換熱器用循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻，冬季操作時進(jìn)口溫度隨之降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。3.2確定物性數(shù)據(jù)（1）流體平均溫度tm和tm（2） 平均溫度下的物性數(shù)據(jù)，詳見下表：物料項目單位數(shù)據(jù)物料項目單位數(shù)據(jù)水密度 kg/m3994甲醇密度 kg/m3760粘度pas0.000725粘度pas0.000344導(dǎo)熱系數(shù)w/(mk)0.626導(dǎo)熱系數(shù)w/(mk)0.188比熱容kj(kgk)4.08比熱容kj(kgk)2.9433.2.1 計算總傳熱系數(shù)（1） 熱負(fù)荷q（2） 平均傳熱溫差（3） 冷卻水用量總傳熱系數(shù)k

22、管程傳熱系數(shù)殼程傳熱系數(shù)假設(shè)殼程的傳熱系污垢熱阻管壁的導(dǎo)熱系數(shù)3.2.2 計算傳熱面積考慮15%的面積裕度，3.2.3工藝結(jié)構(gòu)尺寸管徑和管內(nèi)流速選用252.5傳熱管（碳鋼），去管內(nèi)流速ui=0.5m/s管程數(shù)和傳熱管數(shù) 按單程管計算，所需的傳熱管長度為 取傳熱管長1=9m，則該換熱器管程數(shù)為 傳熱管總根數(shù) 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均傳熱溫差校正系數(shù) 按單殼程，多管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)查化工原理（上冊）第232頁圖4-19，可得 平均傳熱溫差 傳熱管排列和分程方法， 采用組合排列法，取管心距t=1.25d0，則 橫過管束中心線的管數(shù) 殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.8，則殼體內(nèi)徑

23、為 圓整可取d=700mm 圓整后，換熱器殼體圓筒內(nèi)徑為d=700mm，殼體厚度選擇10mm。長度定為9000mm。 殼體的標(biāo)記：筒體dn700=103.2.4折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，折流板的板間距為h=0.25700=175mm，則折流板數(shù) 去折流板間距b=0.3d，則b=0.3700=210(mm),可取b為250mm。 nb=9000/2501=59（塊）3.2.5接管 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)甲醇流速為u=0.5m/s，q=27155.9/760/3600=0.009925m3/s，則接管內(nèi)徑為 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為50mm 管程流體進(jìn)出口接管：取接

24、管內(nèi)水流速為u=0.5m/s，q=87753/994/3600=0.0245m3/s。 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為250mm 筒體材料選擇為q235-a，單位長度的筒體重110kg/m，殼體總重為110（5.910-0.156）=632.94kg。（波形膨脹節(jié)的軸向長度為0.156m，詳見本設(shè)計設(shè)備圖）3.3換熱器核算（1） 熱量核算 a.殼程對流傳熱系數(shù) 因為是有相變的換熱過程，且甲醇蒸汽在水平管束外冷凝，采用凱恩公式估算，即 當(dāng)量直徑，由正三角形排列得 殼程流通截面積殼程流體流速及雷諾數(shù)分別為b.管程對流傳熱系數(shù)管程流通截面積管程流體流速普蘭特準(zhǔn)數(shù)c.傳熱系數(shù)kd.傳熱面積s 該換熱器的實際傳熱面積sp

25、 該換熱器的面積裕度為： 傳熱面積裕度合適，該換熱器能完成生產(chǎn)任務(wù)。 換熱器內(nèi)流體的流動阻力 管程流動阻力 其中p1，p2分別為直徑及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降，pa,ft為結(jié)垢校正因數(shù)，無因次，取1.5，np為管程數(shù)，ns為串連的殼程數(shù)。流速0.4895m/s，雷諾準(zhǔn)數(shù)13640（湍流）。設(shè)管粗糙度=0.1mm，查-re關(guān)系圖得=0.037管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。b.殼程阻力其中，p1為流體橫過管束的壓降，pa p2為流體流過折流板缺口的壓強(qiáng)降，pa fs為殼程壓強(qiáng)降的結(jié)構(gòu)正因數(shù)，無因次，取1.15 ns為串連殼程數(shù)。其中，f為管子排列方式對壓強(qiáng)降的校正因數(shù) fo為殼程流體的摩擦系數(shù)

26、，當(dāng)re500，f=5.0re-0.228 nc為橫過管束中心線的管子數(shù) nb為折流擋板數(shù)管子為三角形排列，f=0.5，nb=49，nc=12，u0=1.108m/s所以 f0=511456-0.228=0.593618由公式可得：c.合理壓降在常壓操作下，操作壓力范圍0-0.07mpa（表壓），合理壓降為p=p/2；本冷卻器的操作壓力為0.03mpa（表壓），合理壓降；p=p/2=(0.03+0.1303)/2=0.06565mpa（絕壓）。通過比較，管程壓降與殼程壓降皆在合理范圍。3.4確定折流擋板形狀和尺寸選擇折流擋板為有弓形缺口的圓形板，直徑為700mm，厚度為10mm。缺口弓形高度為

27、圓形板直徑的約1/4，本設(shè)計圓整為200mm。折流擋板上換熱管孔直徑為25.6mm，共有314-78=236個；拉桿管孔直徑為16.6mm，每個折流擋板上有4個。折流擋板重量為5.1kg。選擇折流擋板間距h=250mm。折流擋板數(shù)nb=l/h-1=9000/250-1=59塊，換熱管排列的橫截面如下圖所示：圖3.1 兩管的布局圖中圓環(huán)形的剖切面表示熱換器殼體的剖面，換熱管分為兩個管程，每個管程156根換熱管（圖中各個圓形表示換熱管）。3.5波形膨脹節(jié)冷流體循環(huán)水的定性溫度為（30攝氏度+25攝氏度）/2=27.5攝氏度熱流體廢液的定性溫度為（71+49）/2=60攝氏度。該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時進(jìn)口溫度會降低?？紤]到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差較大，因此確定選用帶波形膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。波形膨脹節(jié)的壁厚與殼體相同，為10mm。根據(jù)換熱器殼體的公稱直徑700mm，可知波形膨脹節(jié)的公稱直徑也是700mm，根據(jù)公稱直徑，查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（化學(xué)工業(yè)出版社，2010）術(shù)中表16-9的對應(yīng)條目，獲得波形膨脹節(jié)的具體尺寸（見換熱器設(shè)備圖）。結(jié) 論從設(shè)計計算