化工原理课程设计

—碳八分离工段原料预热器设计。

学生姓名：学校：

专业班级：101

学号：10412041

指导老师：时间：2012.07.08

化工原理课程设计任务书。

姓名：王亮班级：化工101

碳八分离工段原料预热器设计。

冷流体：液体（流量15koml/h）

组成摩尔分率。

乙苯对二甲苯间二甲苯邻二甲苯。

加热水蒸气压力为 12

由20℃加热到162℃

要求管程和壳程压差均小于50kpa,设计标准式列管换热器。

碳八芳烃分离即c8芳烃分离，根据工业需要将碳八芳烃分离成单一组分或馏分的过程。c8芳烃分离的主要目的是活的经济价值较高的对二甲苯和邻二甲苯。因此，c8芳烃分离有常常与碳八芳烃异构化结合在一起，以获得更多的对、邻二甲苯。

在个别情况下，也要分离出高纯度的乙苯、苯乙烯。

各种c8芳烃间沸点很接近难以用一般的精馏方法分离，各种c8芳烃沸点如表所示。乙苯和邻二甲苯沸点与对、间二甲苯的相差较大，可以通过精馏的方法分离。

c8芳烃分离顺序是：首先蒸馏出沸点较低的乙苯，在蒸馏分出沸点较高的邻二甲苯。所剩对二甲苯和间二甲苯混合物，可因熔点不同，采用低温结晶或吸附法分离。

分离出的乙苯，邻、间二甲苯颗单独进行化工利用，也可异构化。根据对产品种类要求的不同，还可采用其他分离程序。

换热器，是工业生产中要实现热量交换而采用的一种交换热量的设备。是化工、石油、动力、轻工、机械、冶金、交通及其他许多工业部门的通用设备。它不仅可以单独作为加热器，冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备。

化工生产中所用的换热器按其用途可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分四大类，即间壁式、直接接触式、蓄热式和中间载热体式。这四类换热器中，间壁式换热器中的列管式换热器应用最多。

列管式换热器又称管壳式换热器，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，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。它的突出优点是单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果也较好。由于结构坚固，而且可以选用的结构材料范围也比较宽广，故适应性强，操作弹性较大。

尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。

管壳式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束，管束两端固定在管板上，在管壳式换热器内进行换热器的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；另一种在管外流动，其行程称为壳程，管束的壁面即为传热面。

为了提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相垂直的折流挡板，折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。

流体在管内每通过管束一次称为一个管程，每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体速度，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，流体可每次只通过部分管子而往返管束多次，称为夺管程。

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，称多壳程。

根据所采用的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几种主要类型：

固定管板式换热器：

当冷热两流体温不大时，可采用固定管板的结构型式。这种换热器的特点是结构简单，制造成本低。但由于壳程不易清洗或检修，管外物料应是比较清洁、不易结垢的。

对于温差较大的而且壳体承受压力不太高时，可在壳体壁上安装膨胀节以减少热应力。

浮头式换热器：

这种换热器中两端的管板，有一端不与壳体相连，可以沿管长方向自由浮动，故称浮头。当壳体和管束因温差较大而热膨胀不同时，管束连同浮头就可在壳体内自由伸缩，从而解决热补偿问题而另外一端的管板又是以法兰与壳体相连接的，因此，整个管束可以由壳体中排卸出来，便于清洗和检修。所以，浮头式换热器是应用较多的一种，但结构比较复杂，金属耗量多，造价也较高。

u型管式换热器：

u形管式换热器，每根管子都弯成u形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。

优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。

填料函式换热器：

填料函式换热器的结构特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价低；管束可以从壳体内抽出，管内、管间均能进行清洗，维修方便。

其其缺点是填料函耐压不高，一般小于4.0mpa；壳程介质可能通过填料函外漏，对易燃、易爆、有毒和贵重的介质不适用。填料函式换热器适用于管、壳壁温差较大或介质易结垢，需经常清洗且压力不高的场合。

釜式换热器

釜式换热器的结构特点是在壳体上部设置适当的蒸发空间。同时兼有蒸气室的作用。管束可以为固定管板式、浮头式或u形管式。

釜式换热器清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。它适用于液-气式换热，可作为最简单结构的废热锅炉。

管壳式换热器除上述五种外，还有插管式换热器、滑动式换热器等其他类型。

1）设计任务及条件。

碳八分离工段原料预热器设计，对冷工艺物流（乙苯18%，对二甲苯18%，间二甲苯40%，邻二甲苯24%，以上均为摩尔分率）进行预热（由20 oc加热至162 oc），流量为15kmol/h，加热水蒸气压力为12kg/cm2. 要求管程和壳程压差均小于50kpa，试设计并选择标准式列管换热器。

2）选择换热器类型。

流体温度的变化情况：混合流体进口温度为20 oc，出口温度为162 oc，加热水蒸气进口压力为12kg/cm2，，查表得对应饱和蒸汽温度为187.8 oc。

出口温度不变，但发生相变，转化为水。由于管程和壳程压差均小于50kpa，可考虑用固定管板式，但因为这种装置只用于管壁温与壳体壁温之差低于60-70 oc，而任务中混合流体由20 oc加热至162 oc，管壁温度和壳体温度有较大的温差，因此，确定选用浮头式换热器。

3）流程安排。

因为饱和蒸汽比较清净，表面传热系数与流速无关且冷凝液容易排出。所以饱和蒸汽宜走壳程。还有黏度大的流体宜走壳程，而该工艺混合液体的黏度η<（0.

5-1）×10-3pas。综合考虑，该混合流体走管程，水蒸气走壳程。

1）定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。而查得c8芳烃混合流体的各组成粘度都很低，故管程混合液体的定性温度为

壳程饱和蒸汽在12kg/cm2压力下的定性温度为。

根据定性温度分别查到管程和壳程流体的有关物性数据。如下表。

表1 加热水蒸气在12kg/cm2(t=187.8oc)下的物性参数。

表2混合液在91℃下的物性参数。

表3流体物性参数。

表4设计条件。

1）换热器的热流量。

换热器的热流量是指在确定的物流进口条件下，使其达到规定的出口状态，冷流体和热流体之间所交换的热量，或是通过冷、热体的间壁所传递的热量。

在热损失可以忽略不计的条件下，对于无相变的物流，换热器的热流量由下式确定：

式中 —热流量。w;

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