西北大学本科毕业论文（设计）{EMBED
Equation.KSEE3}成绩
本科毕业论
文（设计）
题目：乙醇—水精馏塔产品冷凝器的设计
学生姓名
学号薛文华2012115216
吴峰指导教师
院
专
年系业级化工学院化学工程与工艺2012级
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诚信声明
本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或在网上发表的论文。
特此声明。
论文作者签名：
日期：年月日
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摘要
在石油化工中，常将95%左右的乙醇称为工业乙醇，其在印刷、电子、香料、化工合成、医药合成等方面均发挥着举足轻重的作用，同时又可用作清洗剂和溶剂，可谓应用广泛。与此同时，由工业乙醇经恒沸精馏后得到的无水乙醇更是对医药、化妆品等诸多领域均作出了不小贡献，使得近些年来乙醇—水精馏制无水乙醇的问题一直得到广发关注。又因为由精馏塔精馏产生的塔顶乙醇—水产品多为蒸汽，故产品的冷却问题同样至关重要。
本次设计是在既定操作条件下完成8×104t/a乙醇—水塔顶冷凝器的设计。首先通过阅读大量国内外文献资料，了解塔顶冷凝器一般规格材质并初选设计方案。本设计中先根据既定数据进行相关计算如热量衡算和压降计算等确定换热器多项参数，并核算传热系数，后再依据各项国标如GB151-99P2和GB151—1999《管壳式换热器》等初选换热器规格，确定换热器设备各项尺寸。最后根据各项计算结果进行壳体封头、接管、管板及膨胀节设置等详细结构的设计和强度核算。经核算，本设计中各项参数均符合安全规定。
关键词：工业乙醇；换热器；冷凝器设计；
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Abstract
In the petrochemical industry, aqueous ethanol with approx 95%strength is normally called industrial grade ethanol, which plays a vital role in printing, electronic industry, perfume production, chemical synthesis and medical synthesis, and which can also be used as cleaner and solvent. In the mean time, the anhydrous ethanol, obtained by azeotropic distillation of industrial grade ethanol, has made remarkable contributions in a number of domains such as medicine and cosmetics, bringing manufacture of anhydrous ethanol from aqueous ethanol to the increasing public attention in recent years. In addition, as the ethanol-water product atop the distillation column is vapor, cooling of the product is equally important.
This article focuses on design of a condenser at the top of ethanol-water column for a 8×104t/acapacity under given conditions. Conceptual design was completed following extensive reference of lectures to understand normal material of construction of the condenser. In the study, heat balance and pressure drop were calculated based on the given conditions to determine parameters of the heat exchanger, to check heat transfer coefficient, to check for specification of the heat exchanger in accordance with GB151-99P2and GB151-1999for Tube and Shell Heat Exchangers and finally to size it. In the end of the study, details of the heads, nozzles and bellows were designed, and strength checked through calculations, which unveils that all data involved in the design are in line with relevant safety codes.
Keywords:industrial alcohol; tube type heat exchanger; Condenser design;
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5.7.1接管的一般要求.................................................................................. 22{\l"_Toc388960243"}22{\l"_Toc388960243"}24{\l"_Toc388960255"}24{\l"_Toc388960243"}24{\l"_Toc388960243"}24{\l"_Toc388960260"}25{\l"_Toc388960265"}26{\l"_Toc388960266"}26{\l"_Toc388960267"}26{\l"_Toc388960268"}26{HYPERLINK \l"_Toc388960269"27
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1文献综述
1.1设计题目
8万t/年乙醇-水精馏塔产品冷凝器设计
1.2设计背景
在石油化工中，无论工业乙醇还是无水乙醇均有广泛的使用价值和重大的生产意义，工业乙醇在印刷、电子、香料、化工合成及医药合成等方面有着广泛应用，而由其精馏提纯制得的无水乙醇更是对医药、化妆品等诸多领域均发挥着举足轻重的作用。大学里的各大理工院系的实验室中，均能随处可见各种浓度调制的乙醇溶液。所以，乙醇水的精馏及提纯问题一直得到广泛关注，同时精馏塔精馏产生的塔顶乙醇—水产品多为蒸汽，故产品的冷却也同样至关重要。所以，在进行乙醇水工艺流程设计时，塔顶产品冷凝器规格的选择和设计显得尤为重要。
所谓换热器，既是指为不同温度之间的两种或多种流体进行热交换的装置，换热器目前在化工、轻工、医药、等方面应用颇为广泛。我们平日所熟知的冷凝器、再沸器、冷却器等均属于换热器，只不过是按照用途的不同进行划分罢了。随着化学工业的不断发展，换热器也发展衍生出了越来越丰富的种类与型式，比较经典的混合式换热器和蓄热式换热器就是按照传热方式的不同进行的划分，其中当以间壁式的使用最为广泛。至于管壳式、板面式和扩展表面式换热器，听起来很陌生，不像冷凝器那么熟悉，其实它们都属于换热器，只不过是从传热面形状进行分类罢了。其中，化工行业普遍使用的最为经典的换热器型式是管壳式换热器。
冷凝器则属于换热器中的一种较特殊类型，是运用冷却剂将热流体不断冷却至指定温度的换热装备。从冷凝器安装的角度可以将冷凝器分为卧式和立式两种类型。如果细分则又可以分成卧式壳程冷凝器和卧式管程冷凝器、立式管程冷凝器和立式壳程冷凝器四种。立式壳程冷凝器按照壳程内被冷却物质是向
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下流动还是向上流动，又可分为管内向下流动立式管程冷凝器和管内向上流动立式管程冷凝器。其中卧式壳程冷凝和立式管程冷凝是当今使用较为广泛的两种冷凝器形式，结构如下图1.1和1.2所示。结合实际因素，本设计选用卧式壳程冷凝器。
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图1.1卧式壳程冷凝器
图1.2立式管程冷凝器（向下流动）
1.3设计任务及操作条件
1.乙醇—水处理量为8×104t/a，冷凝温度为78.2℃，冷凝液于饱和液体下离开冷凝器。
2.产品浓度为95%。
3.允许压降不大于105Pa。
4.冷却介质：冷却水，入口温度{EMBED Equation.3}=25℃，出口温度{EMBED
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Equation.3}=35℃，压力P=0.3MPa。
5.每年按300天计，每天24小时连续运行。
6.设备型式：卧式列管冷凝器。
1.4设计要求
1. 简要叙述工艺流程和换热器内的运作型式；
2. 进行换热器的相关工艺计算；
3. 根据计算选择合适的冷凝器型式及部件;
4. 根据选择的冷凝器型式进行设备选型计算和强度核算；
5. 绘制换热管总装配图；
1.5管壳式换热器类型
管壳式（又称列管式）换热器是最典型的间壁式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今在所有换热器中占据主导地位。
管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体呈圆形，内部装有平行管束，管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在关内流动，其形成称为管程；一种在管外流动，称为壳程。管束的壁面既是传热面。
为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流挡板。折流挡板不仅可以防治流体短路、增加流体速度，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加，常用的挡板有圆缺型和圆盘形两种（图
1.3所示），前者应用更为广泛。
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"http://www.cngspw.com/Doc/BBS/10/20085/[***********]/[***********]/image001.jpg"\*MERGEFORMATINET }
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（a）圆缺形
图1.3（b）圆盘形
流体在管内每通过过一次管束称作一个管程，每通过壳体一次称作一个壳程。通常为提高管内流体流速，可在两端封头内设置适当隔板，将全部管子平均分隔成若干组。这样，流体每次只通过部分管子而往返于管束多次，称为多管程。同样，为提高管外流速，可在壳体内安装纵向挡板，使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。
在管壳换热器内，由于管内外流体温度不同，壳体和管束的温度也不同。如果两者温差很大，换热器内部将出现很大的热应力可能使管子弯曲，断裂，或者从管板上松脱。因此，当管束和壳体温差超过50摄氏度时，应采取适当的温差补偿措施，消除或者减小热应力。根据所采取的措施，换热器可分为以下几种主要类型。
（1）固定管板式当冷热流体温差不大时，可采用固定管板即两端管板与壳体制成一体的结构形式。这种换热器形式简单，成本低，但壳程清洗困难，要求关外流体必须是清洁不易结垢的。
图1.4固定管板换热器
（2）浮头式换热器这种换热器中两端的管板有一端可以沿轴向自由浮动这种结构不但完全消除了热应力，而且整个管束可从壳体中抽出，便于清洗和检修。因此，浮头式换热器是应用较多的一种结构形式，尽管其结构比较复杂、造价也比较高。
图1.5浮头式换热器
（2）U型管换热器U 型管换热器每根换热管都弯曲成U 型，进出口安装在同一管板的两侧，封头以隔板分为两室，这样，每根管子皆可自由伸缩，而与外
{
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壳无关。在结构上U 型管换热器比浮头式简单，但管程不易清洗，只适用于洁净而不易结垢的流体，如高压气体的换热。
图1.6U 型管换热器
1.6各类换热器对比
表1.1典型管壳式换热器结构特征比较项目
设备膨胀措
施
拆卸管束
置换管束
置换个别管
子U 型管固定管板壳体设置膨胀节否否可
可机械或
化学清洗
仅化学清
洗
仅化学清
洗浮头式外填料P 浮头可可可可机械或化学清洗一般仅采用化学清洗可机械或化学清洗浮头式对开钩环S 浮头可可可可机械或化学清洗一般仅采用化学清洗可机械或化学清洗浮头式并可拉出管束T 浮头可可可可机械或化学清洗一般仅采用化学清洗可机械或化学清洗管子自由膨胀可可仅限外层管子难于继续管子内部可清洗，化学清洗性清洗三角形排一般采用列，管外可化学清洗清洗性正方形排可机械或列，管外可化学清洗清洗性
表1.2典型管壳式换热器特征及适用工况比较
形式主要特征最佳适用场合使用方面限制其他
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固定管板式两边管板均固
定于壳体由于存在膨胀气-气；气-液；差，温差的极限冷却或加热；卧约为100℃式或立式，再沸
一端管板在壳
体中浮动或于温差可大于内部垫片有泄
浮头或浮动管壳体一起浮动，100℃极限，需漏危险，流体侵
板式（可拆卸和管束可以从中清洁壳程内外蚀壳体浮动部
不可拆卸管束）取出，或不取的不洁流体。立件。通常限用于
出，但其后盖可式，卧式均可。卧式
取出。
弯管处容易发
高温差；易于清生机械损伤，管管子弯曲为U 洗管壳和管子。侧流速过高引U 型管式型，管束可以从立式，卧式均起弯头处磨蚀。壳体抽出可。且流体中应无
悬浮颗粒
U 型管束或浮头
形管束，可拆沸腾流体在壳卸。外壳尺寸扩用于水平装置，釜式侧，如制冷剂，大以满足沸腾外形庞大。需汽化流体。和气液分离需
要
适用于较小传每根管子各自热面积，成排可适用翘片管的壳体，形成环隙套管供大型使用，尤场合，管子用量用于壳体流体，其适用于高压大通常使用外翘换热器
紧凑、同心板、错流、冷凝、加工艺有腐蚀、悬螺旋式无短路、高度湍热浮物慎用流
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2流程示意图
2.1乙醇-水精馏流程
乙醇水原料混合物如图2.1所示，首先进入原料罐，停留一段时间后通过泵加压进入预热器，并在其中达到泡点温度，之后进入精馏塔中进行精馏操作。由于是泡点进料，混合物中的物料是气液混合状态，进入精馏塔后原料就会分开，气相向塔顶走，而液相流下至塔底。气相混合物上升至塔顶冷凝器后温度会下降返回至泡点，其中冷凝下来的液态部分将离开冷凝器进入下一工段，而其中的未冷凝的气态部分则重新回流至精馏塔中。最开始在精馏塔中向下流动的液相原料不断流入塔底再沸器并被加热至泡点，之后重新打回精馏塔。在精馏塔中不断重复循环，最终实现乙醇水分离步骤。
图2.1
2.1.1乙醇-水蒸汽的冷却
图2.2乙醇—水精馏产品冷凝过程
{
PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）如上图，即为乙醇水精馏产品在冷凝器中由饱和蒸汽冷凝至饱和液体的过程。
乙醇—水饱和蒸汽由卧式冷凝器右上端壳程接管入口进入壳程，而冷却水则采用下进上出的方式由管箱下方接管进入。两相流体在换热器中进行对流传热，传热过程主要分为三种，分别为：热流体与管壁的对流传热、管壁与冷流体的对流传热及管壁内的热传导。最终实现乙醇—水饱和蒸汽冷凝至饱和液体的相变过程。之后冷却水由管箱下方接管流出，而乙醇—水饱和液相产品则由相应的壳程左下方出口接管排出换热器并进行进一步处理。
2.2计算设计流程
确定流体通入空间
确定定性温度,物性数据
对数平均温差计算
查P、R 图得到温度矫正系数Ψ
两壳程以否Ψ>0.8是单壳程
计算热负荷Q, 估计换热器效率
估计K 0值，查换热器基本参数表选适当的管
长和壳径
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计算管内给热系数{假定壁温计算壳乘压降和给热系数{
查得垢层热阻R 1，R2,计算总传热系
数K
校核壁温t w
否K/K0=1.1-2.2A 1/A2=1.15-1.25
是
压降小于允许压降
是
校核强度否
初步完成设计
图2.1列管式冷凝器设计计算流程图
如上，即为列管式换热器（本设计为列管式冷凝器）的一般计算步骤。
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3流程和方案的说明和论证
3.1选择设计方案
换热器的设计型问题包含一系列的选择,并以热流体冷却为例，说明了流体的流向，流速和冷流体出口温度的选择依据。这些选择依据对管壳式换热器仍然适用。此外，在选用和设计管壳式换热器时还应考虑以下问题。
3.1.1冷、热流体流动通道的选择
在管壳式换热器内，冷、热流体流动通道可以依据以下原则进行选择：
{=1\*GB3\*MERGEFORMAT }不洁净和容易结垢的流体宜走管程，因为管内清洗方便；
{=2\*GB3\*MERGEFORMAT }压强高的流体宜在管内，以免壳体承受压力；{=3\*GB3\*MERGEFORMAT }腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体间同时受到腐蚀；
{=4\*GB3\*MERGEFORMAT }饱和蒸汽宜走壳程，因为饱和蒸汽比较洁净，给热系数与流速无关且冷凝液容易排出；
{=5\*GB3\*MERGEFORMAT }被冷却流体宜走壳程，便于散热；{=6\*GB3\*MERGEFORMAT }若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将给热系数大的流体通入壳程，以减小热应力；
{=7\*GB3\*MERGEFORMAT }流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因为在壳程Re>100即可达到湍流。但这不是绝对的，如果流动阻力损失允许，将这种流体通入管内并采用多管程结构，反而能得到更大的给热系数。
本设计中，冷却容易结垢，且乙醇-水属于被冷却流体，故乙醇水走壳程, 冷却水走管程。
3.1.2流动方式的选择
除逆流和并流外,在管壳式换热器中，冷热流体还可作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一定时，管程数和壳程数越多，给热系数越大，对传热过程越有利。但是采用多管程或多壳程必定使流体阻力损失增大，因此，在确定换
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热器程数时，需要权衡传热和流体阻力损失两方面得失。3.1.3换热管规格和排列的选择
换热管直径越小，单位容积换热面积越大，因此对于洁净流体管径可取得小一些。但对于不洁净或者易结垢流体，管径管径应取得稍微大一些，以免堵塞。考虑到制造和维修的方便，加热管的规格不宜过多。目前我国实行的系列标准规定采用ф25mm×2.5mm（10号碳钢）的管子，管中心距为32mm ，和ф19mm×2mm的管子，管中心距为25mm 两种规格，对于一般流体是适应的。
管长的选择是以清洗方便和合理使用管材为准。我国的钢管长多为6m 、9m ，故系列标准管长中有1.5m 、2m 、3m 、4.5m 、6m 和9m 六种。其中以三米和六米更为普遍。
管子的排列方式有等边三角形和正方形两种（如下图所示），与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，给热系数大。正方形排列虽比较松散，给热效果也差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为适用。故本设计采用正三角形排管方式。
（a ）三角形直列
3.1.4流速的选择
介质
流速
（2）三角形错列
表3.1换热器常用流速的范围
冷却水新鲜水一般液易结垢低粘度
体液体油
0.5~3
>1.0>0.5
高粘度
油
气体
管程流速，m/s1.0~2.00.8~1.50.8~1.80.5~1.50.4~1.00.3~0.8
5~302~15
壳程流速，m/s0.5~1.50.5~1.50.2~1.5
依据给热系数计算公式，流速的增大可以增大给热系数，从而在热负荷一定的情况下减小换热面积，使设备尺寸减小，但是，流速的增大会使流动阻力增大，使换热器运作过程中的动力消耗增加。
综上，本设计采用乙醇-水走壳程, 冷却水走管程，冷却水流速取1.2m/s,换
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热管规格选择ф25mm×2.5mm（10号碳钢）。
4设计结果概要
4.1主要设备尺寸计算
4.1.1确定物性数据
被冷却流体为乙醇水饱和蒸汽，入口温度T 1=78.2℃, 出口温度为T 2=78.2℃（饱和蒸汽冷凝）
冷却介质选取冷却水，入口温度为t 1=25℃，出口温度为t 2=35℃乙醇水的定性温度：T m =（78.2+78.2）/2=78.2℃冷却水的定性温度：t m =(35+25)/2=30℃两流体的温差：78.2-30=48.2℃
本方案由于两流体温差不大于50℃，故不需要考虑温度补偿。根据两流体的定性温度查资料整理得两流体相关物性数据如下表：
4.1.2计算热负荷Q 按乙醇-水计算, 即
W=8×107/(300×24)=1.1×104kg/h=3.086kg/s
经查课本得，冷却水在30℃时的汽化潜热为2321.9kJ/kg，纯乙醇蒸汽在73℃时的汽化潜热为885.1kJ/kg，则根据经验，有：
r=r纯乙醇×95%+r水×5%=885.1×95%+2321.9×5%=956.94kJ/kg
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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Q=Wn ×r=3.086kg/s×956.94kJ/kg=2953.12kW
本设计中由于不能忽略换热器的热损失，查相关资料知“换热器设备热损失一般可近似取换热器热流量的3%~5%，本设计{EMBED Equation.KSEE3MERGEFORMAT }取热流量的4%”，则水的流量可由热量衡算求得, 即:
2953. 12⨯0. 96⨯Q ⨯0. 96
===65. 67kg /s W C
4174⨯10P . C 1-23
\*
4.1.3确定两流体平均温度差，确定壳程数逆流的对数平均温差：
∆-∆(T -) -(T -) (78. 2-25) -(78. 2-35)
∆t m ====48. 03o C
∆-ln ln ln
-∆1-2
R =
T -T 78. 2-78. 2
==0t 2-t 135-25t -35-25t }==0.189T 1-t 178-25
P =
查得温度修正系数ψ≈1>0.8，故换热器采用单壳程。4.1.4初步选择换热器规格1.
由于管内流体为冷却水，管外流体为乙醇水饱和蒸汽，K 值范围为
200-700W/（m ·{EMBED Equation.KSEE3}），假设K=380W/（m ·{EMBED Equation.KSEE3}）
0. 96⨯Q 0. 96⨯2953. 12⨯103A ===150. 19m 2
K ∆t m 380⨯48. 03
2. 管内水的质量流量65.67kg/s，则水的体积流量：
V C =W C /ρ=65. 67/995. 7=0. 066m 3/s
换热器的单程管子数n s ：
n s =
2
d i u v c
=
0. 66
⨯0. 0221. 2=174. 9≈175
n s ——单程管子数目；
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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v——管程流体的体积流量，m 3/s；d i ——传热管内径，m u——管内流体流速，m/s3.
管子长度L
按单程换热器计算可求得管子长度：
A 150. 19
==10. 93m π0s ⨯π⨯L——按单程管子计算的管子的长度，m
L =
d 0——管子外径，m
显然，管子长度过长，故采用多管程。4. 管程数
{EMBED Equation.KSEE3}
L——按单程换热器计算的管子长度m ；l——选取的每程管子长度，m ；Np ——管程数（必须取整数）
故本设计选用“单壳程，双管程”形式换热器，选取国际推荐的传热管长度6.0m 。5. 换热管总数N T 6. 管程流通面积7. 公称直径
{EMBED Equation.KSEE3}（根）{EMBED Equation.KSEE3}
D =1. 05t
T
=1. 05⨯32⨯=751. 32mm
所以取DN=800mm
8. 换热器的实际换热面积A 0：
A 0=N T πd 0(l -0. 1) =350⨯π⨯0. 025⨯5. 9=162. 18m 2
面积裕度A 0/A=162.18/150.19=1.08，不属于1.15-1.25的允许范围。故计算不可行，另假定换热器给热系数K=410W/（m 2·℃），则换热器所需换热面积：
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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0. 96Q 0. 96⨯2953. 12⨯103A ===139. 2m 2
∆m ⨯此时，A 0/A=162.18/139.2=1.17,满足面积裕度的要求，故计算可行。
4.1.5换热器规格初选
表4.2换热器初选规格
规格管子排列方式管子中心距t 公称直径DN 公称压力PN 管程操作压力公称换热面积
参数正三角形排列
32mm 800mm 1MPa 0.3MPa 162.18
规格管程数Np 管数N T 管长L 管程流通面积A i 壳程操作压力给热系数
参数23506m 0.055m 20.1MPa 410
4.2核算给热系数K
4.2.1计算管程对流给热系数αi
u i =V c /A i =0. 066/0. 055=1. 2m /s Re =
du ρ
=
0. 02⨯1. 2⨯995. 74
=2. 98⨯10≥10000(属于湍流)-0. 801⨯10
μ
C μ
4174⨯0. 801⨯10-3
Pr ===5. 419
λ0. 617
所以：α=0. 023λRe 0. 8Pr 0. 4=0. 023⨯0. 617⨯29833. 70. 8⨯5. 4190. 4=5300. 5W /(m 2⋅k )i
4.2.2计算壳程给热系数
此时的给热系数按照蒸汽在水平管外冷凝的计算公式计算即可，即：
⎛ρ2g λ3r ⎫
α0=0. 725 ∆μ⎪⎪
⎝0⎭
0. 25
其中，{EMBED Equation.KSEE3}
假定壁温为46℃，则{EMBED Equation.KSEE3}℃。
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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代入数值，可得：
738. 592⨯9. 81⨯956. 94⨯103⨯0. 164732
α0=0. 725⨯=1224. 2W /m ∙K -22⨯0. 5566⨯10⨯32. 2⨯0. 02
()
4.2.3壁温校核
1. 污垢热阻
表4.5常见流体污垢热阻
流体
污垢热阻R/K·kW -1
水（1m/s，t>50℃）蒸馏水海水清净的河水未处理的凉水塔用水已处理的凉水塔用水已处理的锅炉用水硬水净水气体空气
0.26-0.530.090.090.210.580.260.260.58
溶剂蒸汽水蒸气优质（不含油）劣质（不含油）往复机排出液体处理过的盐水有机物燃料油焦油
0.2640.1761.0561.760.0520.090.176
流体
污垢热阻R/K·kW -10.14
由上表可知，乙醇-水一般污垢热阻{EMBED Equation.KSEE3},自来水污垢热阻{EMBED Equation.KSEE3}。所以，壁温：
⎛1⎫⎛1⎫
⎪⎪T m +Rs +t +Rs i ⎪m 0⎪ α
⎭⎝α0⎭t w =⎝I
+Rs i ++Rs 0
αi α0
⎛1⎫⎛1⎫78. 2⨯ +3. 44⨯10-4⎪+30⨯ +1. 76⨯10-4⎪
⎝⎭⎝⎭=46. 83℃=
+3. 44⨯10-4++1. 76⨯10-4
与原假设相近，所以计算有效。
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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4.2.4校核总传热系数
K 0=
d 1d 01
⋅+Rs i ⋅0++Rs o αi i αo
1
=602. 88W /m 2⋅K
⨯+3. 44⨯10-4⨯++1. 76⨯10-4
=
由于{EMBED Equation.KSEE3}，属于1.1-2.2的范围内，所以设计合理。
4.3计算压降
4.3.1计算管程压降
{EMBED
h f 3，回弯阻力损失及换热器进出口阻力
Equation.KSEE3}{EMBED Equation.KSEE3}损失构成的，而相比之下可以忽略不计。因此管程
{EMBED Equation.KSEE3h }=(h +h )f Np
ft f 1f 2t
总阻力损失：
u i 2l u 2
h f 2=3h f 1=λ⋅式中，其中{EMBED 为换热管长度；
}i （回弯阻力等于管束进出口局部阻力及封头内流体转向的局部阻力之和，故阻
换热器管程内的总阻力损失是由各程直管阻力损失
力系数取3）, ；{EMBED Equation.KSEE3}为管程结垢校正系数，对三角形排列取1.5，正方形排列取1.4；Np 为管程数；
故，管程压降
⎛l ⎫ρu 2
∆P= λ+3⎪⎪f t Np 2
⎝i ⎭
6995. 7⨯1. 22⎛⎫= 0. 034⨯+3⎪⨯1. 5⨯2⨯=28389. 3Pa ＜0. 3MP a
0. 022⎝⎭
故设计可行。4.3.2壳程压降计算
由于壳程流体为乙醇-水蒸汽恒温恒压冷凝，可以忽略压降。
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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5详细结构及强度校核
5.1壳体计算
{EMBED Equation.KSEE3}圆整取D=800mm
查得，按照最小厚度确定对于碳素钢不小于8mm （包括厚度附加量），故取圆筒壁厚度为8mm 。
5.2封头计算
封头的主要作用是使壳体密封，并对管程流体进行分配，他和管箱位于壳体的两端。在壳体直径不大时，可采用法兰连接封头与壳体，也可以用螺纹连接，这样可以使封头的安装清洗变得容易。
图5.1椭圆封头示意图表5.1查JB4732-95
公称直径DN （mm ）
曲面高度{EMBED Equation. DSMT4}（mm ）
800
200
直边高度{EMBED Equation. DSMT4}（mm ）25
8
0．7566
0．0796
47.1
碳钢厚度
内表面积
A
容积V （m 3）
质量m （kg ）
δ（mm ）（m 2）
依据JB4732-95，采用圆形封头，为便于安装，选取公称直径与壳体壳体相
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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同，即800mm 。
5.3容器法兰计算
如下图所示，为平密封面的乙型平焊法兰，乙型平焊法兰整体性好，其刚度和强度优于甲型平焊法兰，所以，本设计采用乙型平焊法兰。
按照JB4702-2000标准，法兰取用DN=800mm，PN=1.6MPa,其规格如下表所示：
图5.2
表5.2JB4702-2000截取
公称直径DN ，D mm 800
960
915
[***********]1827M24D 1
D 2
D 3
D 4
δH
δ
a
a1
d
规格
数量24
法兰mm
螺柱
5.4折流板与支持板管孔
5.4.1折流板
安装折流挡板的目的是为提高管外给热系数，为取得良好的效果挡板的形式和间距必须适当。
折流板有横向折流板和纵向折流板两类，首选横向折流板，因为其可以对换热管起到一定的支撑和防震作用。弓形折流板与圆盘型折流板则是折流板中最常用的两种形式，在实际中最常用。
对圆缺型挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有着重要影响。
{
PAGE \*MERGEFORMAT }
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弓形缺口太大或者太小都会产生死区，既不利于传热，又往往增加流动阻力。一般来说，弓形缺口的高度可取为壳体内径的10％－40%，最常见的是20%或者25%两种。挡板间距对流体流动状况亦有重要影响，间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外给热系数下降；间距太小不利于制造和检修，阻力损失亦大。一般挡板间距为壳体的0.2-1.0倍。我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有100mm 、150mm 、200mm 、300mm 、450mm 、600mm 、700mm 、七种。
本设计中以圆缺型水平折流挡板为首选进行设计，按规定，选择圆缺率为25%，则切去圆缺高度h=0.25×800=200mm。
一般推荐折流板间距为壳体内径的1/5或者不小于50mm ，取其中大的进行设计。故本设计中取折流板间距B=0.25×800=200mm。则折流板数：
N B =
6000
-2=27(块)200
折流板的厚度可由下表得出：
表5.3
换热管无支撑跨距
公称直径DN （mm ）
300~600
600~900
900~1200
1200~1500
1500
折流板的最小厚度(mm)
3456
4568
56810
8101012
10101216
10121616
依据GB151-1999P75，该换热器折流板应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口，如下图所示：
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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图5.2
5.4.2支持板孔
支持板孔的大小应依据GB151-1999P74的规定进行设置。
5.5分程隔板
分程隔板最小最小厚度应不小于下表所给出的数值，因管程为冷却水，所以不必考虑设置排净孔的问题。
表5.4分程隔板的最小厚度/mm
公称直径DN
≤600＞600≤1200＞1200
隔板最小厚度
碳素钢及低合金钢
81014
高合金钢
6810
如上表所示，结合本设计壳体DN=800mm，故分程隔板厚度应取10mm 。
5.6管板规格
管板的制造材料选取比10号碳钢硬度更好的16Mn 锻来生产，固定管板兼做法兰的尺寸确定如下图所示，可通过垫片与壳体法兰和管箱法兰进行连接，其尺寸的确定可按相关设备设计书目直径查表得到。
b
c
d
螺
表5.5固定管板式换热器管板尺寸/mm
公称
D
D1
D2
D3
D4
D5
{PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）
直径DN
栓孔数n
930
规格
b f
5.7接管
5.7.1接管的一般要求1. 2. 3.
接管与外部的管道的连接可采用焊接方式，如果操作允许的话；采用整体法兰安装在设计温度大于三千摄氏度的施工设备上；
一般来说，接管是应该高于壳体的内部表面的，这一点在装配图中应该体
现出来；4. 5. 6.
如果必要，可以在接管上专门设置温度计和压力表的接口；为了方便接管的维修和安装应沿着轴向和径向来布置；
接管只负责换热物料进出时，要在换热器壳程专门设置不凝气排出口和排
液口。
5.7.2接管直径和伸出长度的确定在选取时常综合考虑如下几种因素：
1. 不论是壳程接管还是管程接管，流速应取相应壳、管程的120%到140%。2. 接管内的流速在允许的压降范围之内操作时应不大于下面列出的数值：管程接管ρu 2〈3300kg/m.s2壳程接管ρu2〈2200kg/m.s2
换热器流体进入和流出管程与壳程接管的直径可以按照如下公式计算，即
d
π式中
V —换热器内通入的流体的体积流量，m 3/s
m/s{EMBED Equation.DSMT4}—流体在接管中进行流动时的线速度，
流速{EMBED Equation.DSMT4}的经验值可取为：对流体u=1.5~2m/s
对蒸汽u=20~50m/s
对气体u=0.1~0.2m/s
{PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）
取冷却水流速u=1.6m/s，乙醇—水蒸汽进口流速为u=50.0m/s，出口u=0.5m/s
(1)
水（管箱）进出口接管的内径
d =
4V
=πu
4⨯0. 066
=229mm
π⨯1. 6
圆整，取DN=230mm
接管内径取DN=230㎜，参考接管伸出长度表，接管伸出长度取250㎜
按照接管最小位置标准，则壳程接管距法兰：
L 1=B/2+（b-4）+C
式子中：B ——补强圈的外圈直径，mm
b ——管板厚度，mm
C ——补强圈外缘至管板与壳体焊缝之间的距离，mm 。未考虑焊缝影
响，一般取C ≥3倍壳体壁厚且不小于50—100mm。
则：结合本设计，取L 1=250mm(2)
乙醇—水（壳程）进口接管的内径
V i =W i /ρ=3. 086÷1. 86=1. 656m 3/s d =
4V i
=πu
4⨯1. 656
=205mm
π⨯50
圆整，取DN=210mm
接管内径取DN=210㎜，参考接管伸出长度表，接管伸出长度取200㎜。经计算，接管最小位置L 2=250mm
（3）乙醇—水（壳程）出口接管的内径
V i =W i /ρ=3. 086÷738. 59=4. 18⨯10-3m 3/s d =
4V i
=πu
4⨯4. 18⨯10-3
=103. 2mm
π⨯0. 5
圆整，取DN=150mm
接管内径取DN=150㎜，参考接管伸出长度表，接管伸出长度取200㎜。经计算，结合本设计，取L3=200mm。
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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5.7.3接管法兰
按照HG20593-2006标准，根据不同的施工情况和工艺要求来选定来选择最合适的法兰。
5.8防冲板
5.8.1管程设置防冲板的条件
当管程采用轴向入口接管或者换热器内流体流速超过3m/s时，应设置防冲板以减少流体的不均匀分布和对换热管端的冲蚀。所以，本设计中管程不必设置防冲板。
5.8.3壳程设置防冲板的条件
当壳程流体进口管流体的ρu2值为下列数值时，应在壳程进口管处设置防冲板或者导流筒。
（a ）非腐蚀，非腐蚀性的单相流体，ρu2{EMBED Equation.KSEE3（b ）其他液体，包括沸点下的液体，ρu2{EMBED Equation.KSEE3故本设计中壳程接管需设置防冲板。位置：H 1=（1/4—1/3）接管外径
进口：H1=210/3=70mm
出口：H1=150/3=50mm
者;
\*MERGEFORMAT }者；
\*MERGEFORMAT }
尺寸：直径或边长W 、L 应大于接管外径50mm 。
{PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）
进口：W=L=210+50=260mm出口：W=L=150+50=200mm
最小厚度：当壳程的进口接管直径小于300mm 时，对碳钢制成的接管厚度取4.5mm 。
5.9拉杆
一般采用拉杆来完成折流板与管板的固定，而采用定矩管来完成折流板间距的固定，这三者相互依存，形成一个牢靠的系统框架，其固定方式包括：（1）采用全焊接方法
（2）拉杆与定距管相互结合固定折流板与管板（3）螺纹与焊接的方法相融合（4）定距螺栓栓住拉杆来使其固定
拉杆直径、数量可按下表5-4至5-6选取
表5.6拉杆直径/mm换热管外径拉杆直径
1010
1412
1912
2516
3216
3816
4516
5716
如上表，由于换热管预先选择φ25×2.5mm 尺寸，故拉杆直径选择16mm
表5.7拉杆数量
公称直DN 拉杆直径1216
＜400
≥400＜70044
≥700＜90086
≥900＜1300106
≥1300＜1500128
≥1500＜18001410
≥1800＜20001812
44
由拉杆直径=16mm和换热公称直径DN=800mm确定拉杆数量为6。
表5.8拉杆直径d 确定拉杆两端的螺纹直径及长度/mm
拉杆直径d
10
拉杆螺纹公称直径dn
10
La 13
Lb ≥40
管板上拉杆孔深Ld
12
{PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）
1216
1216
1520
≥50≥60
1620
5.10强度核算
5.10.1壳体强度校核
壳体厚度可按GB 150-1998《钢制压力容器》中的强度计算公式进行计算。设计温度为200℃，设计压力{EMBED Equation.3\*MERGEFORMAT }，选择10号碳钢卷制。查得，78℃时，材料的许用应力{EMBED Equation.3\*焊缝系数{EMBED MERGEFORMAT }。焊接为单面焊接接头，局部无损检测，
Equation.3\*MERGEFORMAT }，腐蚀余量{EMBED Equation.3\*MERGEFORMAT }，钢板负偏差{EMBED Equation.3\*MERGEFORMAT }。
设计温度下圆筒的最大允许工作压力：
[p w ]=2δe [σ]φ=2⨯112⨯6⨯0. 8=1. 334MPa ＞0. 3MPa
i +δe +t
所以，壳体强度是符合要求的。5.10.2封头强度校核
封头的尺寸和质量根据JB/T4732-95选取。选标准椭圆封头，材料与焊接
方式和筒体相同。腐蚀余量{EMBED Equation.3\*MERGEFORMAT }，钢板负偏差{EMBED Equation.3\*MERGEFORMAT }。当公称直径{EMBED Equation.3\*MERGEFORMAT }时，最大允许工作压力为：
[p w ]=2[δ]φσi +δe
其中{EMBED Equation.KSEE3\*MERGEFORMAT }，所以最大允许工作压力：
t
+⨯故，封头强度是符合要求的。
[p w ]=2⨯112⨯0. 8⨯6=1. 34MPa ＞0. 3MP a
5.10.3换热管强度校核
钢管负偏差为10％，有效壁厚为2.5-2.5×10％=2.25mm，管程设计压力0.3MPa ，所以，换热管的最大允许工作压力为：
{PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）
[p w ]=2[σ]δ=2⨯112⨯2. 25=22. 65MP a ＞0. 3MPa
D i +δe 20+2. 25
t
故，换热管强度是符合要求的。
6列管式换热器工艺防震措施及设备布置方案
由换热管振动所带来的危害主要有：
1. 管子与管板连接处泄漏而产生泄露危险
2. 管子的疲劳破坏
换热管在振动非常剧烈时，会与折流板产生较大的摩
换热管振动的十分剧烈时会和管板发生松懈从
擦，进而会导致管壁发生摩损。
3. 传热管碰撞与磨损
换热器工作，其振动会比较剧烈, 个工作单元之间的
激烈碰撞会导致管壁的损坏破裂。
4. 会增加壳程的压降，当壳程压降增加到比允许压降大时，属于违规操作，存在一定的危险性。
5. 壳程空间发生强烈的噪声
壳侧气体漩涡分离会产生壳侧气体流发出巨
大噪声, 这种噪声很有可能会因为频率的接近而产生共振，就会发出强烈且难以忍受的噪音。
由此可以看出，管壳式换热器的防震现如今是一个非常重要的问题。
6.1列管式换热器防震措施
1. 提高换热管的自振频率
因为管子振动的固有频率与管子跨距的平方
成反比，跨距每缩短一倍自振频率可以增大三倍左右。所以减小管子的跨距是提高换热管自振频率的最有效的方法.
改变折流板的厚度与管间的间隙能明显减小管子受到的摩擦力。在管子间插入板条可以限制其运动。这都可以提高换热管的自振频率。而折流板之间的支持板则可以增大管子的刚性而不会影响其性能。同时，采用较软的材料制折流板同样也可以减轻换热管的损坏。
{PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）
2. 设置消声隔板设置平行于管子轴线的纵向隔板于换热管的壳程可以有效地降低管子振动产生的噪声。壳体内的消声隔板设置方式如图6.1所示。
{INCLUDEPICTURE "C:\\Documentsand Settings\\Administrator\\Application
Data\\Tencent\\Users\\359736083\\QQ\\WinTemp\\RichOle\\N2U6NQ%GOT7(S
NY$4~3N~RW.jpg"\*MERGEFORMATINET }
图6.1消声隔板设置示意图
3. 抑制周期性旋涡的影响
抑制或消弱周期性漩涡的影响可以通过改变
换热器内流场来实现，在管子外表面缠绕金属丝，轴向设置金属条都可以达到上述目的。同时，改变换热管的支撑情况不仅可以防震，还可以减少污垢及降压。这一改变可以通过使用折流杆代替折流板实现。
{INCLUDEPICTURE "C:\\Documentsand Settings\\Administrator\\Application
Data\\Tencent\\Users\\359736083\\QQ\\WinTemp\\RichOle\\20%ER23XS%KN{
7$OXLCJH$V.jpg"\*MERGEFORMATINET }图6.2管外金属丝及金属条布置示意图
4. 降低壳程流体流速为了避免共振的产生，可以选择降低壳程流体流速，但是这一操作并不被允许。因而要通过其他方式来降低壳程流体流速，如在换热器进出口设置防冲板，导流筒和液体出口分配器等来降低壳程流速。其中，设置导流筒主要是为了防止流体对管束的冲刷，是降低壳程流体流速的有效措施。设计上也可以用改变管束排列角或增大壳体直径和管间距，来降低流速。
当采用过防震措施但效果不明显时可以考虑改变介质流速来达到目的。
6.2列管式换热器设备布置方案
各类列管式换热器的布置，应遵循以下原则：
1. 可以将两台换热器重叠布置以节约占地面积并可以给工艺操作带来极大的方便。但当流体介质是两相物质或壳体半径大于或等于0.6m 时，换热器不应重叠布置；
2. 应成组布置那些用一种流体物料加热或冷却其他几种不同流体物料的
{PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）
换热器；
3.
除非换热器数量较多可布置在构架上以外，其他时候换热器应尽可能
都布置在地面上；
4.
重质油品，对这些物料进行加热或冷却的换热器不适合布置在构架上；
5. 与分馏塔有关的管壳式换热设备如塔顶冷凝器和塔底再沸器等，如无特殊说明，应按照工艺流程顺序布置在分馏塔的附近；
6.
当操作温度高于换热物料自燃点时，如果换热器上方没有楼板或其他平
台，则不应该布置其他设备；
7. 热交换不同的两种物料的换热器应该布置在连接两物料进出口管道的最近位置处；
8.
应成组布置那些用冷却水冷却不止一种热物料的换热器；
9. 换热器与其他设备或换热器与换热器之间的净距离至少应大于或等于0.7m ；
10. 应对齐成组布置的换热器的支座基础中心线，当支座与支座之间的间距不相同时，应取其中一端的支座基础中心线对齐。同时，为了方便管道间的连接，地面上的换热器大都也采用管程进出口中心线对齐。
7换热器泄漏原因分析及应对措施
在换热器运行工作时，其泄漏问题是经常遇到的现象。就产生的形态而言，主要有腐蚀与磨损泄漏和静密封失效泄漏。其原因也是不一而同的。工艺是主要问题，但设备准备不足，施工习惯及质量控制等方面同样会造成泄露。所以，要解决换热器泄漏问题，应从多方面考虑着手，纵观全局，冷静应对。
换热器泄漏问题主要分为换热器芯子的泄漏和换热器静密封泄漏。而其中前者又可以分为管束与管板连接焊缝的泄漏问题以及管束的腐蚀泄漏。以下针对每一种泄漏问题进行分析及提供解决方案。
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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7.1换热器芯子的泄漏
7.1.1管束与管板连接焊缝的泄漏及解决方法
连接管束与管板间的连接方式主要有强度胀，强度焊和胀焊结合这三种方式。强度胀方式通常选用在振动不激烈和没有温度变化及应力腐蚀的情况，但工艺复杂且对换热管硬度要求高，对加工精度和胀管经验都有较为严格的限制。因此现在生产的大部分芯子都是焊接方式。但该方式下管子与管板间的焊缝都是一次性焊接，容易出现缺陷，在水压试验时，从焊缝处泄漏是非常常见的事情。若只进行强度焊接，管束与管孔之间还会存在着间隙使得焊缝内残余着很大的焊接应力，并且缝隙中有大量的Cl -积聚并处于贫氧状态，极容易发生腐蚀而产生泄露。
解决这种腐蚀泄漏的问题，最好的方法是采用焊胀结合的方式进行管束与管板的连接，这样既可以降低对管孔加工精度和换热管表面质量及硬度的要求，同时对胀管经验的限制也会降低。从而使缝隙腐蚀和应力腐蚀消失。7.1.2管束的腐蚀泄漏及防治措施管束腐蚀泄漏的主要原因有：
1. 钢丝绳对换热管防腐层在吊装时的破坏作用
化工生产中，为确保安全
可靠，一般采用硬度比较高的钢丝绳对换热器进行运输安装，但管束的反腐层已被破坏，易造成腐蚀。
2. 检修时的破坏作用
化工设备在进行检修时，管子采用蒸汽吹扫，芯子
用清水清洗和试压。由于试压时，上水到放水要经历很长的一段时间，很多设备检修人员在检修过程中会偷工减料结束后不按要求耐心吹干，而在潮湿的环境中，腐蚀性物质容易电离，同时Cl -和H 2S 在管束中发生反应，加剧了腐蚀反应的进行；而氧含量的积聚更是为这一腐蚀反应起到了催化作用H 2O 、O 2和腐蚀介质相遇时腐蚀速度会大大提升。如上所述，即为所谓的“检修负效应”。
3. 折流板或支撑板对换热管的破坏
如果由于种种外引使折流板与支撑板
相对换热管管束进行了错动而使未涂抹防腐层的部分暴漏出来，会使腐蚀加剧。
{PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）
或者管孔形状大小不合适，与管板衔接契合不够严密，不仅容易对管束造成振动破坏，同时很容易挤压到换热管，而使防腐层很难涂上。同时管孔部分由于易于纳垢而形成小滞留区，会产生缝隙腐蚀。同样，管孔外的锐角区很容易对穿过其自身的管束造成刮伤
4. 管束质量缺陷像砂眼重皮还有小坑这些细微问题，还包括局部磨损，类似这样存在于换热管外表面的缺陷可能导致腐蚀情况的恶化，从而产生泄漏。因而诸如偷工减料这类问题坚决不能发生。换热管外表面一旦出现微小的问题，其后果就会是管束腐蚀泄漏，酿成重大事故。防治腐蚀泄漏应采取措施[12]：
1. 为防止安装和运输时用来捆绑调运换热管管束的钢丝绳对管束外表面产生磨损刮伤，应在钢丝绳外缠绕一圈软质的材料，或者在换热管外表面包裹一圈防振防刮伤的软垫层，如塑料泡沫等。
2. 完善检修时的吹扫、清洗和试压工序
在检修系统时，进行二次吹扫非
常重要，每当实施完毕蒸汽吹扫工序后应立即使用压缩风进行二次吹扫。在清洗、试压工序完成后更要及时通风进行吹干，以减少换热器发生腐蚀的风险。
3. 应以标准上限加工折流板和支撑板的管孔，同时，为了确保管子可以畅通无阻的穿过折流板的每一个管孔，安装时的同心度要达到要求，不能留死角以产生腐蚀。除此以外，为换热管芯子涂抹防腐层时，应使其在防腐曹内多翻转几下以保证每个面都有充分涂抹上防腐层涂料。
4. 严把质量关，对每根管子的材料、质量都要进行严格的检查和模拟操作，有任何质量瑕疵的换热管都要毫不犹豫的剔除。
7.2换热器静密封泄漏
所谓静密封，是指两个静止面之间所进行的密封。在机械工程中，也常指两个固定面之间的密封，因密封面之间由于密封不够严密而造成其泄漏的主要原因有：
1. 密封面的不平行
当换热管管束与管板两者并不相互垂直时，换热管长
期使用产生的变形以及壳体内未被清除的残留物都会造成密封面的不平行，使
{PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）
垫片两面松紧不一，造成严重的泄漏事故。
2. 必要的热紧要及时进行
对温度和压力都比较高的法兰密封面，要及时
热紧，否则一旦泄露后果会很严重。在很多化工厂进行最终泄漏修理时都发会发现很多泄漏的螺栓像从来没进行过热紧一样，这就是在高温高压情况下热紧进行的不够及时造成的。
3. 垫片种类和垫片质量有问题
当温度和压力较低，或所设计的换热器直
径不是很大时，一般采用始末缠绕垫作为垫片的首选。但这种垫片并不适用于大直径的换热器。此时由于金属垫硬度还有加工精度的不够精确很容易造成垫片的静密封泄漏。
4. 如果换热器存在划痕、麻点等小瑕疵，绝对不可忽视，因为这很有可能就是造成净密封泄漏的始作俑者。防震措施主要有：
1. 垫片质量关要严格保证
绝不使用质量不合格不过关的垫片，对有损
伤，划痕的垫片要及时修理替换。要根据实际情况，对垫片的质量进行评估。
2. 确保换热管芯子的质量
换热管管束应与管板垂直，偏差不能大于一毫
米。安装垫片时要将其仔细摆正，螺栓则要栓紧。
3. 对于密封面发生破环的法兰，要及时修补更换。以此减少危险的发生。4. 热紧的进行是刻不容缓的，尤其会压力和温度比较高的换热器操作系统，必须及时有效的进行每一次热紧。
8工艺设计计算结果
8.1工艺设计汇总表
项目冷却水流量乙醇—水流量
符号W c W n
单位kg/skg/s
计算结果65.673.086
{PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）
冷却水进口温度蒸汽进口温度冷却水出口温度总传热量总传热系数
t 1T t 2Q K 0
℃℃℃kW {EMBED Equation.DSMT4}
2578.2352953.12602.88
所需传热面积实际传热面积裕度管内流速管程压降壳程压降
A A 0H u i ΔP1ΔP2
m 2m 2
139.2162.181.17
m /s
1.22.9×104可忽略
Pa Pa
8.2设备结构设计
程数材料壳体mm
10号碳钢Φ800×8
2
台数传热面积m 2
1162.18
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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管径mm 管数管长mm 管子排列方式管间距mm 容器法兰拉杆×6根封头内径mm 封头曲面高度mm
*
φ25×2.53506000正三角形32D=800φ16800200
折流板形式折流板数折流板间距mm 切口高度mm 折流板厚度mm
隔板mm 支座封头厚度mm 封头直径高度mm
左右[1**********]JB/T4712
825
注：通常用的换热管，当采用{EMBED Equation.3\*MERGEFORMAT }时，管
心距Pt=0.032m。
参考文献：
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{PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）
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通讯，2010，36(1)：18-19
{PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）{EMBED
Equation.KSEE3}成绩
本科毕业论
文（设计）
题目：乙醇—水精馏塔产品冷凝器的设计
学生姓名
学号薛文华2012115216
吴峰指导教师
院
专
年系业级化工学院化学工程与工艺2012级
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诚信声明
本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或在网上发表的论文。
特此声明。
论文作者签名：
日期：年月日
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摘要
在石油化工中，常将95%左右的乙醇称为工业乙醇，其在印刷、电子、香料、化工合成、医药合成等方面均发挥着举足轻重的作用，同时又可用作清洗剂和溶剂，可谓应用广泛。与此同时，由工业乙醇经恒沸精馏后得到的无水乙醇更是对医药、化妆品等诸多领域均作出了不小贡献，使得近些年来乙醇—水精馏制无水乙醇的问题一直得到广发关注。又因为由精馏塔精馏产生的塔顶乙醇—水产品多为蒸汽，故产品的冷却问题同样至关重要。
本次设计是在既定操作条件下完成8×104t/a乙醇—水塔顶冷凝器的设计。首先通过阅读大量国内外文献资料，了解塔顶冷凝器一般规格材质并初选设计方案。本设计中先根据既定数据进行相关计算如热量衡算和压降计算等确定换热器多项参数，并核算传热系数，后再依据各项国标如GB151-99P2和GB151—1999《管壳式换热器》等初选换热器规格，确定换热器设备各项尺寸。最后根据各项计算结果进行壳体封头、接管、管板及膨胀节设置等详细结构的设计和强度核算。经核算，本设计中各项参数均符合安全规定。
关键词：工业乙醇；换热器；冷凝器设计；
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Abstract
In the petrochemical industry, aqueous ethanol with approx 95%strength is normally called industrial grade ethanol, which plays a vital role in printing, electronic industry, perfume production, chemical synthesis and medical synthesis, and which can also be used as cleaner and solvent. In the mean time, the anhydrous ethanol, obtained by azeotropic distillation of industrial grade ethanol, has made remarkable contributions in a number of domains such as medicine and cosmetics, bringing manufacture of anhydrous ethanol from aqueous ethanol to the increasing public attention in recent years. In addition, as the ethanol-water product atop the distillation column is vapor, cooling of the product is equally important.
This article focuses on design of a condenser at the top of ethanol-water column for a 8×104t/acapacity under given conditions. Conceptual design was completed following extensive reference of lectures to understand normal material of construction of the condenser. In the study, heat balance and pressure drop were calculated based on the given conditions to determine parameters of the heat exchanger, to check heat transfer coefficient, to check for specification of the heat exchanger in accordance with GB151-99P2and GB151-1999for Tube and Shell Heat Exchangers and finally to size it. In the end of the study, details of the heads, nozzles and bellows were designed, and strength checked through calculations, which unveils that all data involved in the design are in line with relevant safety codes.
Keywords:industrial alcohol; tube type heat exchanger; Condenser design;
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目录{\l{HYPERLINK \l"_Toc388960203"}1{HYPERLINK \l"_Toc388960204"}1{HYPERLINK \l"_Toc388960205"}3{HYPERLINK \l"_Toc388960206"}3{HYPERLINK \l"_Toc388960207"}3{HYPERLINK \l"_Toc388960212"}5
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西北大学本科毕业论文（设计）{\l"_Toc388960237"}15{\l"_Toc388960239"}16{\l"_Toc388960240"}17{\l"_Toc388960241"}17{\l"_Toc388960242"}17{\l"_Toc388960243"}17{HYPERLINK \l"_Toc388960244"18{\l"_Toc388960245"}18{\l"_Toc388960246"}18{\l"_Toc388960247"}18{\l"_Toc388960248"}19{\l"_Toc388960249"}19{\l"_Toc388960250"}20{\l"_Toc388960252"}21{\l"_Toc388960253"}21{\l"_Toc388960254"}22
5.7.1接管的一般要求.................................................................................. 22{\l"_Toc388960243"}22{\l"_Toc388960243"}24{\l"_Toc388960255"}24{\l"_Toc388960243"}24{\l"_Toc388960243"}24{\l"_Toc388960260"}25{\l"_Toc388960265"}26{\l"_Toc388960266"}26{\l"_Toc388960267"}26{\l"_Toc388960268"}26{HYPERLINK \l"_Toc388960269"27
西北大学本科毕业论文（设计）{HYPERLINK \l"_Toc388960270"}27{HYPERLINK \l"_Toc388960271"}29{HYPERLINK \l"_Toc388960272"29{HYPERLINK \l"_Toc388960273"}30{HYPERLINK \l"_Toc388960274"}30{HYPERLINK \l"_Toc388960275"}30{HYPERLINK \l"_Toc388960276"}32{HYPERLINK \l"_Toc388960277"33{HYPERLINK \l"_Toc388960278"}33{HYPERLINK \l"_Toc388960279"}34{HYPERLINK \l"_Toc388960280"35{HYPERLINK \l"_Toc388960281"}
西北大学本科毕业论文（设计）
1文献综述
1.1设计题目
8万t/年乙醇-水精馏塔产品冷凝器设计
1.2设计背景
在石油化工中，无论工业乙醇还是无水乙醇均有广泛的使用价值和重大的生产意义，工业乙醇在印刷、电子、香料、化工合成及医药合成等方面有着广泛应用，而由其精馏提纯制得的无水乙醇更是对医药、化妆品等诸多领域均发挥着举足轻重的作用。大学里的各大理工院系的实验室中，均能随处可见各种浓度调制的乙醇溶液。所以，乙醇水的精馏及提纯问题一直得到广泛关注，同时精馏塔精馏产生的塔顶乙醇—水产品多为蒸汽，故产品的冷却也同样至关重要。所以，在进行乙醇水工艺流程设计时，塔顶产品冷凝器规格的选择和设计显得尤为重要。
所谓换热器，既是指为不同温度之间的两种或多种流体进行热交换的装置，换热器目前在化工、轻工、医药、等方面应用颇为广泛。我们平日所熟知的冷凝器、再沸器、冷却器等均属于换热器，只不过是按照用途的不同进行划分罢了。随着化学工业的不断发展，换热器也发展衍生出了越来越丰富的种类与型式，比较经典的混合式换热器和蓄热式换热器就是按照传热方式的不同进行的划分，其中当以间壁式的使用最为广泛。至于管壳式、板面式和扩展表面式换热器，听起来很陌生，不像冷凝器那么熟悉，其实它们都属于换热器，只不过是从传热面形状进行分类罢了。其中，化工行业普遍使用的最为经典的换热器型式是管壳式换热器。
冷凝器则属于换热器中的一种较特殊类型，是运用冷却剂将热流体不断冷却至指定温度的换热装备。从冷凝器安装的角度可以将冷凝器分为卧式和立式两种类型。如果细分则又可以分成卧式壳程冷凝器和卧式管程冷凝器、立式管程冷凝器和立式壳程冷凝器四种。立式壳程冷凝器按照壳程内被冷却物质是向
{PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）
下流动还是向上流动，又可分为管内向下流动立式管程冷凝器和管内向上流动立式管程冷凝器。其中卧式壳程冷凝和立式管程冷凝是当今使用较为广泛的两种冷凝器形式，结构如下图1.1和1.2所示。结合实际因素，本设计选用卧式壳程冷凝器。
{INCLUDEPICTURE "C:\\Documentsand Settings\\Administrator\\ApplicationData\\Tencent\\Users\\359736083\\QQ\\WinTemp\\RichOle\\48`X$7VDPYJJ4RVWEM[2JJN.jpg"\*MERGEFORMATINET }
图1.1卧式壳程冷凝器
图1.2立式管程冷凝器（向下流动）
1.3设计任务及操作条件
1.乙醇—水处理量为8×104t/a，冷凝温度为78.2℃，冷凝液于饱和液体下离开冷凝器。
2.产品浓度为95%。
3.允许压降不大于105Pa。
4.冷却介质：冷却水，入口温度{EMBED Equation.3}=25℃，出口温度{EMBED
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Equation.3}=35℃，压力P=0.3MPa。
5.每年按300天计，每天24小时连续运行。
6.设备型式：卧式列管冷凝器。
1.4设计要求
1. 简要叙述工艺流程和换热器内的运作型式；
2. 进行换热器的相关工艺计算；
3. 根据计算选择合适的冷凝器型式及部件;
4. 根据选择的冷凝器型式进行设备选型计算和强度核算；
5. 绘制换热管总装配图；
1.5管壳式换热器类型
管壳式（又称列管式）换热器是最典型的间壁式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今在所有换热器中占据主导地位。
管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体呈圆形，内部装有平行管束，管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在关内流动，其形成称为管程；一种在管外流动，称为壳程。管束的壁面既是传热面。
为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流挡板。折流挡板不仅可以防治流体短路、增加流体速度，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加，常用的挡板有圆缺型和圆盘形两种（图
1.3所示），前者应用更为广泛。
{INCLUDEPICTURE \d
"http://www.cngspw.com/Doc/BBS/10/20085/[***********]/[***********]/image001.jpg"\*MERGEFORMATINET }
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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（a）圆缺形
图1.3（b）圆盘形
流体在管内每通过过一次管束称作一个管程，每通过壳体一次称作一个壳程。通常为提高管内流体流速，可在两端封头内设置适当隔板，将全部管子平均分隔成若干组。这样，流体每次只通过部分管子而往返于管束多次，称为多管程。同样，为提高管外流速，可在壳体内安装纵向挡板，使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。
在管壳换热器内，由于管内外流体温度不同，壳体和管束的温度也不同。如果两者温差很大，换热器内部将出现很大的热应力可能使管子弯曲，断裂，或者从管板上松脱。因此，当管束和壳体温差超过50摄氏度时，应采取适当的温差补偿措施，消除或者减小热应力。根据所采取的措施，换热器可分为以下几种主要类型。
（1）固定管板式当冷热流体温差不大时，可采用固定管板即两端管板与壳体制成一体的结构形式。这种换热器形式简单，成本低，但壳程清洗困难，要求关外流体必须是清洁不易结垢的。
图1.4固定管板换热器
（2）浮头式换热器这种换热器中两端的管板有一端可以沿轴向自由浮动这种结构不但完全消除了热应力，而且整个管束可从壳体中抽出，便于清洗和检修。因此，浮头式换热器是应用较多的一种结构形式，尽管其结构比较复杂、造价也比较高。
图1.5浮头式换热器
（2）U型管换热器U 型管换热器每根换热管都弯曲成U 型，进出口安装在同一管板的两侧，封头以隔板分为两室，这样，每根管子皆可自由伸缩，而与外
{
PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）
壳无关。在结构上U 型管换热器比浮头式简单，但管程不易清洗，只适用于洁净而不易结垢的流体，如高压气体的换热。
图1.6U 型管换热器
1.6各类换热器对比
表1.1典型管壳式换热器结构特征比较项目
设备膨胀措
施
拆卸管束
置换管束
置换个别管
子U 型管固定管板壳体设置膨胀节否否可
可机械或
化学清洗
仅化学清
洗
仅化学清
洗浮头式外填料P 浮头可可可可机械或化学清洗一般仅采用化学清洗可机械或化学清洗浮头式对开钩环S 浮头可可可可机械或化学清洗一般仅采用化学清洗可机械或化学清洗浮头式并可拉出管束T 浮头可可可可机械或化学清洗一般仅采用化学清洗可机械或化学清洗管子自由膨胀可可仅限外层管子难于继续管子内部可清洗，化学清洗性清洗三角形排一般采用列，管外可化学清洗清洗性正方形排可机械或列，管外可化学清洗清洗性
表1.2典型管壳式换热器特征及适用工况比较
形式主要特征最佳适用场合使用方面限制其他
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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固定管板式两边管板均固
定于壳体由于存在膨胀气-气；气-液；差，温差的极限冷却或加热；卧约为100℃式或立式，再沸
一端管板在壳
体中浮动或于温差可大于内部垫片有泄
浮头或浮动管壳体一起浮动，100℃极限，需漏危险，流体侵
板式（可拆卸和管束可以从中清洁壳程内外蚀壳体浮动部
不可拆卸管束）取出，或不取的不洁流体。立件。通常限用于
出，但其后盖可式，卧式均可。卧式
取出。
弯管处容易发
高温差；易于清生机械损伤，管管子弯曲为U 洗管壳和管子。侧流速过高引U 型管式型，管束可以从立式，卧式均起弯头处磨蚀。壳体抽出可。且流体中应无
悬浮颗粒
U 型管束或浮头
形管束，可拆沸腾流体在壳卸。外壳尺寸扩用于水平装置，釜式侧，如制冷剂，大以满足沸腾外形庞大。需汽化流体。和气液分离需
要
适用于较小传每根管子各自热面积，成排可适用翘片管的壳体，形成环隙套管供大型使用，尤场合，管子用量用于壳体流体，其适用于高压大通常使用外翘换热器
紧凑、同心板、错流、冷凝、加工艺有腐蚀、悬螺旋式无短路、高度湍热浮物慎用流
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西北大学本科毕业论文（设计）
2流程示意图
2.1乙醇-水精馏流程
乙醇水原料混合物如图2.1所示，首先进入原料罐，停留一段时间后通过泵加压进入预热器，并在其中达到泡点温度，之后进入精馏塔中进行精馏操作。由于是泡点进料，混合物中的物料是气液混合状态，进入精馏塔后原料就会分开，气相向塔顶走，而液相流下至塔底。气相混合物上升至塔顶冷凝器后温度会下降返回至泡点，其中冷凝下来的液态部分将离开冷凝器进入下一工段，而其中的未冷凝的气态部分则重新回流至精馏塔中。最开始在精馏塔中向下流动的液相原料不断流入塔底再沸器并被加热至泡点，之后重新打回精馏塔。在精馏塔中不断重复循环，最终实现乙醇水分离步骤。
图2.1
2.1.1乙醇-水蒸汽的冷却
图2.2乙醇—水精馏产品冷凝过程
{
PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）如上图，即为乙醇水精馏产品在冷凝器中由饱和蒸汽冷凝至饱和液体的过程。
乙醇—水饱和蒸汽由卧式冷凝器右上端壳程接管入口进入壳程，而冷却水则采用下进上出的方式由管箱下方接管进入。两相流体在换热器中进行对流传热，传热过程主要分为三种，分别为：热流体与管壁的对流传热、管壁与冷流体的对流传热及管壁内的热传导。最终实现乙醇—水饱和蒸汽冷凝至饱和液体的相变过程。之后冷却水由管箱下方接管流出，而乙醇—水饱和液相产品则由相应的壳程左下方出口接管排出换热器并进行进一步处理。
2.2计算设计流程
确定流体通入空间
确定定性温度,物性数据
对数平均温差计算
查P、R 图得到温度矫正系数Ψ
两壳程以否Ψ>0.8是单壳程
计算热负荷Q, 估计换热器效率
估计K 0值，查换热器基本参数表选适当的管
长和壳径
{PAGE \*MERGEFORMAT }
西北大学本科毕业论文（设计）
计算管内给热系数{假定壁温计算壳乘压降和给热系数{
查得垢层热阻R 1，R2,计算总传热系
数K
校核壁温t w
否K/K0=1.1-2.2A 1/A2=1.15-1.25
是
压降小于允许压降
是
校核强度否
初步完成设计
图2.1列管式冷凝器设计计算流程图
如上，即为列管式换热器（本设计为列管式冷凝器）的一般计算步骤。
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3流程和方案的说明和论证
3.1选择设计方案
换热器的设计型问题包含一系列的选择,并以热流体冷却为例，说明了流体的流向，流速和冷流体出口温度的选择依据。这些选择依据对管壳式换热器仍然适用。此外，在选用和设计管壳式换热器时还应考虑以下问题。
3.1.1冷、热流体流动通道的选择
在管壳式换热器内，冷、热流体流动通道可以依据以下原则进行选择：
{=1\*GB3\*MERGEFORMAT }不洁净和容易结垢的流体宜走管程，因为管内清洗方便；
{=2\*GB3\*MERGEFORMAT }压强高的流体宜在管内，以免壳体承受压力；{=3\*GB3\*MERGEFORMAT }腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体间同时受到腐蚀；
{=4\*GB3\*MERGEFORMAT }饱和蒸汽宜走壳程，因为饱和蒸汽比较洁净，给热系数与流速无关且冷凝液容易排出；
{=5\*GB3\*MERGEFORMAT }被冷却流体宜走壳程，便于散热；{=6\*GB3\*MERGEFORMAT }若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将给热系数大的流体通入壳程，以减小热应力；
{=7\*GB3\*MERGEFORMAT }流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因为在壳程Re>100即可达到湍流。但这不是绝对的，如果流动阻力损失允许，将这种流体通入管内并采用多管程结构，反而能得到更大的给热系数。
本设计中，冷却容易结垢，且乙醇-水属于被冷却流体，故乙醇水走壳程, 冷却水走管程。
3.1.2流动方式的选择
除逆流和并流外,在管壳式换热器中，冷热流体还可作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一定时，管程数和壳程数越多，给热系数越大，对传热过程越有利。但是采用多管程或多壳程必定使流体阻力损失增大，因此，在确定换
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热器程数时，需要权衡传热和流体阻力损失两方面得失。3.1.3换热管规格和排列的选择
换热管直径越小，单位容积换热面积越大，因此对于洁净流体管径可取得小一些。但对于不洁净或者易结垢流体，管径管径应取得稍微大一些，以免堵塞。考虑到制造和维修的方便，加热管的规格不宜过多。目前我国实行的系列标准规定采用ф25mm×2.5mm（10号碳钢）的管子，管中心距为32mm ，和ф19mm×2mm的管子，管中心距为25mm 两种规格，对于一般流体是适应的。
管长的选择是以清洗方便和合理使用管材为准。我国的钢管长多为6m 、9m ，故系列标准管长中有1.5m 、2m 、3m 、4.5m 、6m 和9m 六种。其中以三米和六米更为普遍。
管子的排列方式有等边三角形和正方形两种（如下图所示），与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，给热系数大。正方形排列虽比较松散，给热效果也差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为适用。故本设计采用正三角形排管方式。
（a ）三角形直列
3.1.4流速的选择
介质
流速
（2）三角形错列
表3.1换热器常用流速的范围
冷却水新鲜水一般液易结垢低粘度
体液体油
0.5~3
>1.0>0.5
高粘度
油
气体
管程流速，m/s1.0~2.00.8~1.50.8~1.80.5~1.50.4~1.00.3~0.8
5~302~15
壳程流速，m/s0.5~1.50.5~1.50.2~1.5
依据给热系数计算公式，流速的增大可以增大给热系数，从而在热负荷一定的情况下减小换热面积，使设备尺寸减小，但是，流速的增大会使流动阻力增大，使换热器运作过程中的动力消耗增加。
综上，本设计采用乙醇-水走壳程, 冷却水走管程，冷却水流速取1.2m/s,换
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热管规格选择ф25mm×2.5mm（10号碳钢）。
4设计结果概要
4.1主要设备尺寸计算
4.1.1确定物性数据
被冷却流体为乙醇水饱和蒸汽，入口温度T 1=78.2℃, 出口温度为T 2=78.2℃（饱和蒸汽冷凝）
冷却介质选取冷却水，入口温度为t 1=25℃，出口温度为t 2=35℃乙醇水的定性温度：T m =（78.2+78.2）/2=78.2℃冷却水的定性温度：t m =(35+25)/2=30℃两流体的温差：78.2-30=48.2℃
本方案由于两流体温差不大于50℃，故不需要考虑温度补偿。根据两流体的定性温度查资料整理得两流体相关物性数据如下表：
4.1.2计算热负荷Q 按乙醇-水计算, 即
W=8×107/(300×24)=1.1×104kg/h=3.086kg/s
经查课本得，冷却水在30℃时的汽化潜热为2321.9kJ/kg，纯乙醇蒸汽在73℃时的汽化潜热为885.1kJ/kg，则根据经验，有：
r=r纯乙醇×95%+r水×5%=885.1×95%+2321.9×5%=956.94kJ/kg
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Q=Wn ×r=3.086kg/s×956.94kJ/kg=2953.12kW
本设计中由于不能忽略换热器的热损失，查相关资料知“换热器设备热损失一般可近似取换热器热流量的3%~5%，本设计{EMBED Equation.KSEE3MERGEFORMAT }取热流量的4%”，则水的流量可由热量衡算求得, 即:
2953. 12⨯0. 96⨯Q ⨯0. 96
===65. 67kg /s W C
4174⨯10P . C 1-23
\*
4.1.3确定两流体平均温度差，确定壳程数逆流的对数平均温差：
∆-∆(T -) -(T -) (78. 2-25) -(78. 2-35)
∆t m ====48. 03o C
∆-ln ln ln
-∆1-2
R =
T -T 78. 2-78. 2
==0t 2-t 135-25t -35-25t }==0.189T 1-t 178-25
P =
查得温度修正系数ψ≈1>0.8，故换热器采用单壳程。4.1.4初步选择换热器规格1.
由于管内流体为冷却水，管外流体为乙醇水饱和蒸汽，K 值范围为
200-700W/（m ·{EMBED Equation.KSEE3}），假设K=380W/（m ·{EMBED Equation.KSEE3}）
0. 96⨯Q 0. 96⨯2953. 12⨯103A ===150. 19m 2
K ∆t m 380⨯48. 03
2. 管内水的质量流量65.67kg/s，则水的体积流量：
V C =W C /ρ=65. 67/995. 7=0. 066m 3/s
换热器的单程管子数n s ：
n s =
2
d i u v c
=
0. 66
⨯0. 0221. 2=174. 9≈175
n s ——单程管子数目；
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v——管程流体的体积流量，m 3/s；d i ——传热管内径，m u——管内流体流速，m/s3.
管子长度L
按单程换热器计算可求得管子长度：
A 150. 19
==10. 93m π0s ⨯π⨯L——按单程管子计算的管子的长度，m
L =
d 0——管子外径，m
显然，管子长度过长，故采用多管程。4. 管程数
{EMBED Equation.KSEE3}
L——按单程换热器计算的管子长度m ；l——选取的每程管子长度，m ；Np ——管程数（必须取整数）
故本设计选用“单壳程，双管程”形式换热器，选取国际推荐的传热管长度6.0m 。5. 换热管总数N T 6. 管程流通面积7. 公称直径
{EMBED Equation.KSEE3}（根）{EMBED Equation.KSEE3}
D =1. 05t
T
=1. 05⨯32⨯=751. 32mm
所以取DN=800mm
8. 换热器的实际换热面积A 0：
A 0=N T πd 0(l -0. 1) =350⨯π⨯0. 025⨯5. 9=162. 18m 2
面积裕度A 0/A=162.18/150.19=1.08，不属于1.15-1.25的允许范围。故计算不可行，另假定换热器给热系数K=410W/（m 2·℃），则换热器所需换热面积：
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0. 96Q 0. 96⨯2953. 12⨯103A ===139. 2m 2
∆m ⨯此时，A 0/A=162.18/139.2=1.17,满足面积裕度的要求，故计算可行。
4.1.5换热器规格初选
表4.2换热器初选规格
规格管子排列方式管子中心距t 公称直径DN 公称压力PN 管程操作压力公称换热面积
参数正三角形排列
32mm 800mm 1MPa 0.3MPa 162.18
规格管程数Np 管数N T 管长L 管程流通面积A i 壳程操作压力给热系数
参数23506m 0.055m 20.1MPa 410
4.2核算给热系数K
4.2.1计算管程对流给热系数αi
u i =V c /A i =0. 066/0. 055=1. 2m /s Re =
du ρ
=
0. 02⨯1. 2⨯995. 74
=2. 98⨯10≥10000(属于湍流)-0. 801⨯10
μ
C μ
4174⨯0. 801⨯10-3
Pr ===5. 419
λ0. 617
所以：α=0. 023λRe 0. 8Pr 0. 4=0. 023⨯0. 617⨯29833. 70. 8⨯5. 4190. 4=5300. 5W /(m 2⋅k )i
4.2.2计算壳程给热系数
此时的给热系数按照蒸汽在水平管外冷凝的计算公式计算即可，即：
⎛ρ2g λ3r ⎫
α0=0. 725 ∆μ⎪⎪
⎝0⎭
0. 25
其中，{EMBED Equation.KSEE3}
假定壁温为46℃，则{EMBED Equation.KSEE3}℃。
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代入数值，可得：
738. 592⨯9. 81⨯956. 94⨯103⨯0. 164732
α0=0. 725⨯=1224. 2W /m ∙K -22⨯0. 5566⨯10⨯32. 2⨯0. 02
()
4.2.3壁温校核
1. 污垢热阻
表4.5常见流体污垢热阻
流体
污垢热阻R/K·kW -1
水（1m/s，t>50℃）蒸馏水海水清净的河水未处理的凉水塔用水已处理的凉水塔用水已处理的锅炉用水硬水净水气体空气
0.26-0.530.090.090.210.580.260.260.58
溶剂蒸汽水蒸气优质（不含油）劣质（不含油）往复机排出液体处理过的盐水有机物燃料油焦油
0.2640.1761.0561.760.0520.090.176
流体
污垢热阻R/K·kW -10.14
由上表可知，乙醇-水一般污垢热阻{EMBED Equation.KSEE3},自来水污垢热阻{EMBED Equation.KSEE3}。所以，壁温：
⎛1⎫⎛1⎫
⎪⎪T m +Rs +t +Rs i ⎪m 0⎪ α
⎭⎝α0⎭t w =⎝I
+Rs i ++Rs 0
αi α0
⎛1⎫⎛1⎫78. 2⨯ +3. 44⨯10-4⎪+30⨯ +1. 76⨯10-4⎪
⎝⎭⎝⎭=46. 83℃=
+3. 44⨯10-4++1. 76⨯10-4
与原假设相近，所以计算有效。
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4.2.4校核总传热系数
K 0=
d 1d 01
⋅+Rs i ⋅0++Rs o αi i αo
1
=602. 88W /m 2⋅K
⨯+3. 44⨯10-4⨯++1. 76⨯10-4
=
由于{EMBED Equation.KSEE3}，属于1.1-2.2的范围内，所以设计合理。
4.3计算压降
4.3.1计算管程压降
{EMBED
h f 3，回弯阻力损失及换热器进出口阻力
Equation.KSEE3}{EMBED Equation.KSEE3}损失构成的，而相比之下可以忽略不计。因此管程
{EMBED Equation.KSEE3h }=(h +h )f Np
ft f 1f 2t
总阻力损失：
u i 2l u 2
h f 2=3h f 1=λ⋅式中，其中{EMBED 为换热管长度；
}i （回弯阻力等于管束进出口局部阻力及封头内流体转向的局部阻力之和，故阻
换热器管程内的总阻力损失是由各程直管阻力损失
力系数取3）, ；{EMBED Equation.KSEE3}为管程结垢校正系数，对三角形排列取1.5，正方形排列取1.4；Np 为管程数；
故，管程压降
⎛l ⎫ρu 2
∆P= λ+3⎪⎪f t Np 2
⎝i ⎭
6995. 7⨯1. 22⎛⎫= 0. 034⨯+3⎪⨯1. 5⨯2⨯=28389. 3Pa ＜0. 3MP a
0. 022⎝⎭
故设计可行。4.3.2壳程压降计算
由于壳程流体为乙醇-水蒸汽恒温恒压冷凝，可以忽略压降。
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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5详细结构及强度校核
5.1壳体计算
{EMBED Equation.KSEE3}圆整取D=800mm
查得，按照最小厚度确定对于碳素钢不小于8mm （包括厚度附加量），故取圆筒壁厚度为8mm 。
5.2封头计算
封头的主要作用是使壳体密封，并对管程流体进行分配，他和管箱位于壳体的两端。在壳体直径不大时，可采用法兰连接封头与壳体，也可以用螺纹连接，这样可以使封头的安装清洗变得容易。
图5.1椭圆封头示意图表5.1查JB4732-95
公称直径DN （mm ）
曲面高度{EMBED Equation. DSMT4}（mm ）
800
200
直边高度{EMBED Equation. DSMT4}（mm ）25
8
0．7566
0．0796
47.1
碳钢厚度
内表面积
A
容积V （m 3）
质量m （kg ）
δ（mm ）（m 2）
依据JB4732-95，采用圆形封头，为便于安装，选取公称直径与壳体壳体相
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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同，即800mm 。
5.3容器法兰计算
如下图所示，为平密封面的乙型平焊法兰，乙型平焊法兰整体性好，其刚度和强度优于甲型平焊法兰，所以，本设计采用乙型平焊法兰。
按照JB4702-2000标准，法兰取用DN=800mm，PN=1.6MPa,其规格如下表所示：
图5.2
表5.2JB4702-2000截取
公称直径DN ，D mm 800
960
915
[***********]1827M24D 1
D 2
D 3
D 4
δH
δ
a
a1
d
规格
数量24
法兰mm
螺柱
5.4折流板与支持板管孔
5.4.1折流板
安装折流挡板的目的是为提高管外给热系数，为取得良好的效果挡板的形式和间距必须适当。
折流板有横向折流板和纵向折流板两类，首选横向折流板，因为其可以对换热管起到一定的支撑和防震作用。弓形折流板与圆盘型折流板则是折流板中最常用的两种形式，在实际中最常用。
对圆缺型挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有着重要影响。
{
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弓形缺口太大或者太小都会产生死区，既不利于传热，又往往增加流动阻力。一般来说，弓形缺口的高度可取为壳体内径的10％－40%，最常见的是20%或者25%两种。挡板间距对流体流动状况亦有重要影响，间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外给热系数下降；间距太小不利于制造和检修，阻力损失亦大。一般挡板间距为壳体的0.2-1.0倍。我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有100mm 、150mm 、200mm 、300mm 、450mm 、600mm 、700mm 、七种。
本设计中以圆缺型水平折流挡板为首选进行设计，按规定，选择圆缺率为25%，则切去圆缺高度h=0.25×800=200mm。
一般推荐折流板间距为壳体内径的1/5或者不小于50mm ，取其中大的进行设计。故本设计中取折流板间距B=0.25×800=200mm。则折流板数：
N B =
6000
-2=27(块)200
折流板的厚度可由下表得出：
表5.3
换热管无支撑跨距
公称直径DN （mm ）
300~600
600~900
900~1200
1200~1500
1500
折流板的最小厚度(mm)
3456
4568
56810
8101012
10101216
10121616
依据GB151-1999P75，该换热器折流板应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口，如下图所示：
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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图5.2
5.4.2支持板孔
支持板孔的大小应依据GB151-1999P74的规定进行设置。
5.5分程隔板
分程隔板最小最小厚度应不小于下表所给出的数值，因管程为冷却水，所以不必考虑设置排净孔的问题。
表5.4分程隔板的最小厚度/mm
公称直径DN
≤600＞600≤1200＞1200
隔板最小厚度
碳素钢及低合金钢
81014
高合金钢
6810
如上表所示，结合本设计壳体DN=800mm，故分程隔板厚度应取10mm 。
5.6管板规格
管板的制造材料选取比10号碳钢硬度更好的16Mn 锻来生产，固定管板兼做法兰的尺寸确定如下图所示，可通过垫片与壳体法兰和管箱法兰进行连接，其尺寸的确定可按相关设备设计书目直径查表得到。
b
c
d
螺
表5.5固定管板式换热器管板尺寸/mm
公称
D
D1
D2
D3
D4
D5
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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直径DN
栓孔数n
930
规格
b f
5.7接管
5.7.1接管的一般要求1. 2. 3.
接管与外部的管道的连接可采用焊接方式，如果操作允许的话；采用整体法兰安装在设计温度大于三千摄氏度的施工设备上；
一般来说，接管是应该高于壳体的内部表面的，这一点在装配图中应该体
现出来；4. 5. 6.
如果必要，可以在接管上专门设置温度计和压力表的接口；为了方便接管的维修和安装应沿着轴向和径向来布置；
接管只负责换热物料进出时，要在换热器壳程专门设置不凝气排出口和排
液口。
5.7.2接管直径和伸出长度的确定在选取时常综合考虑如下几种因素：
1. 不论是壳程接管还是管程接管，流速应取相应壳、管程的120%到140%。2. 接管内的流速在允许的压降范围之内操作时应不大于下面列出的数值：管程接管ρu 2〈3300kg/m.s2壳程接管ρu2〈2200kg/m.s2
换热器流体进入和流出管程与壳程接管的直径可以按照如下公式计算，即
d
π式中
V —换热器内通入的流体的体积流量，m 3/s
m/s{EMBED Equation.DSMT4}—流体在接管中进行流动时的线速度，
流速{EMBED Equation.DSMT4}的经验值可取为：对流体u=1.5~2m/s
对蒸汽u=20~50m/s
对气体u=0.1~0.2m/s
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取冷却水流速u=1.6m/s，乙醇—水蒸汽进口流速为u=50.0m/s，出口u=0.5m/s
(1)
水（管箱）进出口接管的内径
d =
4V
=πu
4⨯0. 066
=229mm
π⨯1. 6
圆整，取DN=230mm
接管内径取DN=230㎜，参考接管伸出长度表，接管伸出长度取250㎜
按照接管最小位置标准，则壳程接管距法兰：
L 1=B/2+（b-4）+C
式子中：B ——补强圈的外圈直径，mm
b ——管板厚度，mm
C ——补强圈外缘至管板与壳体焊缝之间的距离，mm 。未考虑焊缝影
响，一般取C ≥3倍壳体壁厚且不小于50—100mm。
则：结合本设计，取L 1=250mm(2)
乙醇—水（壳程）进口接管的内径
V i =W i /ρ=3. 086÷1. 86=1. 656m 3/s d =
4V i
=πu
4⨯1. 656
=205mm
π⨯50
圆整，取DN=210mm
接管内径取DN=210㎜，参考接管伸出长度表，接管伸出长度取200㎜。经计算，接管最小位置L 2=250mm
（3）乙醇—水（壳程）出口接管的内径
V i =W i /ρ=3. 086÷738. 59=4. 18⨯10-3m 3/s d =
4V i
=πu
4⨯4. 18⨯10-3
=103. 2mm
π⨯0. 5
圆整，取DN=150mm
接管内径取DN=150㎜，参考接管伸出长度表，接管伸出长度取200㎜。经计算，结合本设计，取L3=200mm。
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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5.7.3接管法兰
按照HG20593-2006标准，根据不同的施工情况和工艺要求来选定来选择最合适的法兰。
5.8防冲板
5.8.1管程设置防冲板的条件
当管程采用轴向入口接管或者换热器内流体流速超过3m/s时，应设置防冲板以减少流体的不均匀分布和对换热管端的冲蚀。所以，本设计中管程不必设置防冲板。
5.8.3壳程设置防冲板的条件
当壳程流体进口管流体的ρu2值为下列数值时，应在壳程进口管处设置防冲板或者导流筒。
（a ）非腐蚀，非腐蚀性的单相流体，ρu2{EMBED Equation.KSEE3（b ）其他液体，包括沸点下的液体，ρu2{EMBED Equation.KSEE3故本设计中壳程接管需设置防冲板。位置：H 1=（1/4—1/3）接管外径
进口：H1=210/3=70mm
出口：H1=150/3=50mm
者;
\*MERGEFORMAT }者；
\*MERGEFORMAT }
尺寸：直径或边长W 、L 应大于接管外径50mm 。
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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进口：W=L=210+50=260mm出口：W=L=150+50=200mm
最小厚度：当壳程的进口接管直径小于300mm 时，对碳钢制成的接管厚度取4.5mm 。
5.9拉杆
一般采用拉杆来完成折流板与管板的固定，而采用定矩管来完成折流板间距的固定，这三者相互依存，形成一个牢靠的系统框架，其固定方式包括：（1）采用全焊接方法
（2）拉杆与定距管相互结合固定折流板与管板（3）螺纹与焊接的方法相融合（4）定距螺栓栓住拉杆来使其固定
拉杆直径、数量可按下表5-4至5-6选取
表5.6拉杆直径/mm换热管外径拉杆直径
1010
1412
1912
2516
3216
3816
4516
5716
如上表，由于换热管预先选择φ25×2.5mm 尺寸，故拉杆直径选择16mm
表5.7拉杆数量
公称直DN 拉杆直径1216
＜400
≥400＜70044
≥700＜90086
≥900＜1300106
≥1300＜1500128
≥1500＜18001410
≥1800＜20001812
44
由拉杆直径=16mm和换热公称直径DN=800mm确定拉杆数量为6。
表5.8拉杆直径d 确定拉杆两端的螺纹直径及长度/mm
拉杆直径d
10
拉杆螺纹公称直径dn
10
La 13
Lb ≥40
管板上拉杆孔深Ld
12
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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1216
1216
1520
≥50≥60
1620
5.10强度核算
5.10.1壳体强度校核
壳体厚度可按GB 150-1998《钢制压力容器》中的强度计算公式进行计算。设计温度为200℃，设计压力{EMBED Equation.3\*MERGEFORMAT }，选择10号碳钢卷制。查得，78℃时，材料的许用应力{EMBED Equation.3\*焊缝系数{EMBED MERGEFORMAT }。焊接为单面焊接接头，局部无损检测，
Equation.3\*MERGEFORMAT }，腐蚀余量{EMBED Equation.3\*MERGEFORMAT }，钢板负偏差{EMBED Equation.3\*MERGEFORMAT }。
设计温度下圆筒的最大允许工作压力：
[p w ]=2δe [σ]φ=2⨯112⨯6⨯0. 8=1. 334MPa ＞0. 3MPa
i +δe +t
所以，壳体强度是符合要求的。5.10.2封头强度校核
封头的尺寸和质量根据JB/T4732-95选取。选标准椭圆封头，材料与焊接
方式和筒体相同。腐蚀余量{EMBED Equation.3\*MERGEFORMAT }，钢板负偏差{EMBED Equation.3\*MERGEFORMAT }。当公称直径{EMBED Equation.3\*MERGEFORMAT }时，最大允许工作压力为：
[p w ]=2[δ]φσi +δe
其中{EMBED Equation.KSEE3\*MERGEFORMAT }，所以最大允许工作压力：
t
+⨯故，封头强度是符合要求的。
[p w ]=2⨯112⨯0. 8⨯6=1. 34MPa ＞0. 3MP a
5.10.3换热管强度校核
钢管负偏差为10％，有效壁厚为2.5-2.5×10％=2.25mm，管程设计压力0.3MPa ，所以，换热管的最大允许工作压力为：
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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[p w ]=2[σ]δ=2⨯112⨯2. 25=22. 65MP a ＞0. 3MPa
D i +δe 20+2. 25
t
故，换热管强度是符合要求的。
6列管式换热器工艺防震措施及设备布置方案
由换热管振动所带来的危害主要有：
1. 管子与管板连接处泄漏而产生泄露危险
2. 管子的疲劳破坏
换热管在振动非常剧烈时，会与折流板产生较大的摩
换热管振动的十分剧烈时会和管板发生松懈从
擦，进而会导致管壁发生摩损。
3. 传热管碰撞与磨损
换热器工作，其振动会比较剧烈, 个工作单元之间的
激烈碰撞会导致管壁的损坏破裂。
4. 会增加壳程的压降，当壳程压降增加到比允许压降大时，属于违规操作，存在一定的危险性。
5. 壳程空间发生强烈的噪声
壳侧气体漩涡分离会产生壳侧气体流发出巨
大噪声, 这种噪声很有可能会因为频率的接近而产生共振，就会发出强烈且难以忍受的噪音。
由此可以看出，管壳式换热器的防震现如今是一个非常重要的问题。
6.1列管式换热器防震措施
1. 提高换热管的自振频率
因为管子振动的固有频率与管子跨距的平方
成反比，跨距每缩短一倍自振频率可以增大三倍左右。所以减小管子的跨距是提高换热管自振频率的最有效的方法.
改变折流板的厚度与管间的间隙能明显减小管子受到的摩擦力。在管子间插入板条可以限制其运动。这都可以提高换热管的自振频率。而折流板之间的支持板则可以增大管子的刚性而不会影响其性能。同时，采用较软的材料制折流板同样也可以减轻换热管的损坏。
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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2. 设置消声隔板设置平行于管子轴线的纵向隔板于换热管的壳程可以有效地降低管子振动产生的噪声。壳体内的消声隔板设置方式如图6.1所示。
{INCLUDEPICTURE "C:\\Documentsand Settings\\Administrator\\Application
Data\\Tencent\\Users\\359736083\\QQ\\WinTemp\\RichOle\\N2U6NQ%GOT7(S
NY$4~3N~RW.jpg"\*MERGEFORMATINET }
图6.1消声隔板设置示意图
3. 抑制周期性旋涡的影响
抑制或消弱周期性漩涡的影响可以通过改变
换热器内流场来实现，在管子外表面缠绕金属丝，轴向设置金属条都可以达到上述目的。同时，改变换热管的支撑情况不仅可以防震，还可以减少污垢及降压。这一改变可以通过使用折流杆代替折流板实现。
{INCLUDEPICTURE "C:\\Documentsand Settings\\Administrator\\Application
Data\\Tencent\\Users\\359736083\\QQ\\WinTemp\\RichOle\\20%ER23XS%KN{
7$OXLCJH$V.jpg"\*MERGEFORMATINET }图6.2管外金属丝及金属条布置示意图
4. 降低壳程流体流速为了避免共振的产生，可以选择降低壳程流体流速，但是这一操作并不被允许。因而要通过其他方式来降低壳程流体流速，如在换热器进出口设置防冲板，导流筒和液体出口分配器等来降低壳程流速。其中，设置导流筒主要是为了防止流体对管束的冲刷，是降低壳程流体流速的有效措施。设计上也可以用改变管束排列角或增大壳体直径和管间距，来降低流速。
当采用过防震措施但效果不明显时可以考虑改变介质流速来达到目的。
6.2列管式换热器设备布置方案
各类列管式换热器的布置，应遵循以下原则：
1. 可以将两台换热器重叠布置以节约占地面积并可以给工艺操作带来极大的方便。但当流体介质是两相物质或壳体半径大于或等于0.6m 时，换热器不应重叠布置；
2. 应成组布置那些用一种流体物料加热或冷却其他几种不同流体物料的
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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换热器；
3.
除非换热器数量较多可布置在构架上以外，其他时候换热器应尽可能
都布置在地面上；
4.
重质油品，对这些物料进行加热或冷却的换热器不适合布置在构架上；
5. 与分馏塔有关的管壳式换热设备如塔顶冷凝器和塔底再沸器等，如无特殊说明，应按照工艺流程顺序布置在分馏塔的附近；
6.
当操作温度高于换热物料自燃点时，如果换热器上方没有楼板或其他平
台，则不应该布置其他设备；
7. 热交换不同的两种物料的换热器应该布置在连接两物料进出口管道的最近位置处；
8.
应成组布置那些用冷却水冷却不止一种热物料的换热器；
9. 换热器与其他设备或换热器与换热器之间的净距离至少应大于或等于0.7m ；
10. 应对齐成组布置的换热器的支座基础中心线，当支座与支座之间的间距不相同时，应取其中一端的支座基础中心线对齐。同时，为了方便管道间的连接，地面上的换热器大都也采用管程进出口中心线对齐。
7换热器泄漏原因分析及应对措施
在换热器运行工作时，其泄漏问题是经常遇到的现象。就产生的形态而言，主要有腐蚀与磨损泄漏和静密封失效泄漏。其原因也是不一而同的。工艺是主要问题，但设备准备不足，施工习惯及质量控制等方面同样会造成泄露。所以，要解决换热器泄漏问题，应从多方面考虑着手，纵观全局，冷静应对。
换热器泄漏问题主要分为换热器芯子的泄漏和换热器静密封泄漏。而其中前者又可以分为管束与管板连接焊缝的泄漏问题以及管束的腐蚀泄漏。以下针对每一种泄漏问题进行分析及提供解决方案。
{PAGE \*MERGEFORMAT }
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7.1换热器芯子的泄漏
7.1.1管束与管板连接焊缝的泄漏及解决方法
连接管束与管板间的连接方式主要有强度胀，强度焊和胀焊结合这三种方式。强度胀方式通常选用在振动不激烈和没有温度变化及应力腐蚀的情况，但工艺复杂且对换热管硬度要求高，对加工精度和胀管经验都有较为严格的限制。因此现在生产的大部分芯子都是焊接方式。但该方式下管子与管板间的焊缝都是一次性焊接，容易出现缺陷，在水压试验时，从焊缝处泄漏是非常常见的事情。若只进行强度焊接，管束与管孔之间还会存在着间隙使得焊缝内残余着很大的焊接应力，并且缝隙中有大量的Cl -积聚并处于贫氧状态，极容易发生腐蚀而产生泄露。
解决这种腐蚀泄漏的问题，最好的方法是采用焊胀结合的方式进行管束与管板的连接，这样既可以降低对管孔加工精度和换热管表面质量及硬度的要求，同时对胀管经验的限制也会降低。从而使缝隙腐蚀和应力腐蚀消失。7.1.2管束的腐蚀泄漏及防治措施管束腐蚀泄漏的主要原因有：
1. 钢丝绳对换热管防腐层在吊装时的破坏作用
化工生产中，为确保安全
可靠，一般采用硬度比较高的钢丝绳对换热器进行运输安装，但管束的反腐层已被破坏，易造成腐蚀。
2. 检修时的破坏作用
化工设备在进行检修时，管子采用蒸汽吹扫，芯子
用清水清洗和试压。由于试压时，上水到放水要经历很长的一段时间，很多设备检修人员在检修过程中会偷工减料结束后不按要求耐心吹干，而在潮湿的环境中，腐蚀性物质容易电离，同时Cl -和H 2S 在管束中发生反应，加剧了腐蚀反应的进行；而氧含量的积聚更是为这一腐蚀反应起到了催化作用H 2O 、O 2和腐蚀介质相遇时腐蚀速度会大大提升。如上所述，即为所谓的“检修负效应”。
3. 折流板或支撑板对换热管的破坏
如果由于种种外引使折流板与支撑板
相对换热管管束进行了错动而使未涂抹防腐层的部分暴漏出来，会使腐蚀加剧。
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或者管孔形状大小不合适，与管板衔接契合不够严密，不仅容易对管束造成振动破坏，同时很容易挤压到换热管，而使防腐层很难涂上。同时管孔部分由于易于纳垢而形成小滞留区，会产生缝隙腐蚀。同样，管孔外的锐角区很容易对穿过其自身的管束造成刮伤
4. 管束质量缺陷像砂眼重皮还有小坑这些细微问题，还包括局部磨损，类似这样存在于换热管外表面的缺陷可能导致腐蚀情况的恶化，从而产生泄漏。因而诸如偷工减料这类问题坚决不能发生。换热管外表面一旦出现微小的问题，其后果就会是管束腐蚀泄漏，酿成重大事故。防治腐蚀泄漏应采取措施[12]：
1. 为防止安装和运输时用来捆绑调运换热管管束的钢丝绳对管束外表面产生磨损刮伤，应在钢丝绳外缠绕一圈软质的材料，或者在换热管外表面包裹一圈防振防刮伤的软垫层，如塑料泡沫等。
2. 完善检修时的吹扫、清洗和试压工序
在检修系统时，进行二次吹扫非
常重要，每当实施完毕蒸汽吹扫工序后应立即使用压缩风进行二次吹扫。在清洗、试压工序完成后更要及时通风进行吹干，以减少换热器发生腐蚀的风险。
3. 应以标准上限加工折流板和支撑板的管孔，同时，为了确保管子可以畅通无阻的穿过折流板的每一个管孔，安装时的同心度要达到要求，不能留死角以产生腐蚀。除此以外，为换热管芯子涂抹防腐层时，应使其在防腐曹内多翻转几下以保证每个面都有充分涂抹上防腐层涂料。
4. 严把质量关，对每根管子的材料、质量都要进行严格的检查和模拟操作，有任何质量瑕疵的换热管都要毫不犹豫的剔除。
7.2换热器静密封泄漏
所谓静密封，是指两个静止面之间所进行的密封。在机械工程中，也常指两个固定面之间的密封，因密封面之间由于密封不够严密而造成其泄漏的主要原因有：
1. 密封面的不平行
当换热管管束与管板两者并不相互垂直时，换热管长
期使用产生的变形以及壳体内未被清除的残留物都会造成密封面的不平行，使
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垫片两面松紧不一，造成严重的泄漏事故。
2. 必要的热紧要及时进行
对温度和压力都比较高的法兰密封面，要及时
热紧，否则一旦泄露后果会很严重。在很多化工厂进行最终泄漏修理时都发会发现很多泄漏的螺栓像从来没进行过热紧一样，这就是在高温高压情况下热紧进行的不够及时造成的。
3. 垫片种类和垫片质量有问题
当温度和压力较低，或所设计的换热器直
径不是很大时，一般采用始末缠绕垫作为垫片的首选。但这种垫片并不适用于大直径的换热器。此时由于金属垫硬度还有加工精度的不够精确很容易造成垫片的静密封泄漏。
4. 如果换热器存在划痕、麻点等小瑕疵，绝对不可忽视，因为这很有可能就是造成净密封泄漏的始作俑者。防震措施主要有：
1. 垫片质量关要严格保证
绝不使用质量不合格不过关的垫片，对有损
伤，划痕的垫片要及时修理替换。要根据实际情况，对垫片的质量进行评估。
2. 确保换热管芯子的质量
换热管管束应与管板垂直，偏差不能大于一毫
米。安装垫片时要将其仔细摆正，螺栓则要栓紧。
3. 对于密封面发生破环的法兰，要及时修补更换。以此减少危险的发生。4. 热紧的进行是刻不容缓的，尤其会压力和温度比较高的换热器操作系统，必须及时有效的进行每一次热紧。
8工艺设计计算结果
8.1工艺设计汇总表
项目冷却水流量乙醇—水流量
符号W c W n
单位kg/skg/s
计算结果65.673.086
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冷却水进口温度蒸汽进口温度冷却水出口温度总传热量总传热系数
t 1T t 2Q K 0
℃℃℃kW {EMBED Equation.DSMT4}
2578.2352953.12602.88
所需传热面积实际传热面积裕度管内流速管程压降壳程压降
A A 0H u i ΔP1ΔP2
m 2m 2
139.2162.181.17
m /s
1.22.9×104可忽略
Pa Pa
8.2设备结构设计
程数材料壳体mm
10号碳钢Φ800×8
2
台数传热面积m 2
1162.18
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管径mm 管数管长mm 管子排列方式管间距mm 容器法兰拉杆×6根封头内径mm 封头曲面高度mm
*
φ25×2.53506000正三角形32D=800φ16800200
折流板形式折流板数折流板间距mm 切口高度mm 折流板厚度mm
隔板mm 支座封头厚度mm 封头直径高度mm
左右[1**********]JB/T4712
825
注：通常用的换热管，当采用{EMBED Equation.3\*MERGEFORMAT }时，管
心距Pt=0.032m。
参考文献：
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西北大学本科毕业论文（设计）
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