工业生产过程中，两种物流之间热的交换通过换热器实现。在石油、化工、食品加工、轻工、制药等行业的生产过程中，换热器是通用工艺设备，可用作加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，换热器类型，性能各异，但设计所依据的传热基本原理相同，不同之处是在结构设计上需要根据各自设备特点采用不同的计算方法。为此，本次仅对设计成熟，应用广泛的列管式换热器的工艺设计作介绍。
列管式换热器的应用已有悠久的历史。在很多工业部门中，列管式换热器仍处于主导地位，随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强，换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型的高效换热器相继问世。
本次设计任务是年产3.4万吨酒精精馏系统换热器设计，其中包含了生产工艺流程中五个换热器：原料预热器，塔顶全凝器，塔底冷却器，塔顶冷却器和再沸器。
选取了三个换热器对其进行了精算，经反复选择与核算之后，选取了合适的换热器类型及其结构尺寸等其他工艺指标要求。对其余两个换热器做了冷热流体的物料衡算，以及对换热器的初步选型。
此次设计参考了较多的文献资料，结合实际生产需求采用了科学严谨的计算方法和精确严密的计算步骤，设计出了较符合生产需求，经济实惠，安全可靠，操作简便，易于清洗、维修的列管式换热器。编者。
在工业生产中，要实现热量的交换，须采用一定的设备，此种交换热量的设备称为换热器。
换热器作为工艺过程必不可少的单元设备，广泛地应用于石油、化工、动力、轻工、机械、冶金、交通、制药等工程领域中，据统计，在现代石油化工企业中，换热器投资约占装置建设总投资的30%-40%；在合成氨厂中，换热器占全部设备总台数的40%，由此可见，换热器对整个企业的建设投资及经济效益有着重要的影响。
**：原料液通过原料液预热器预热后进入精馏塔，被成功加热后成为原料蒸汽进入塔顶冷凝器被冷却水冷却成为液体，再进入分配器，经过二次冷却成为产品进入贮罐。而从塔底出来的一部分釜残液进入第一次预热器对原料液进行第一次加热，另一部分通过再沸器达到预期需要的温度后回到精馏塔，此过程循环进行。
在进行换热器的设计之前，首先应根据工艺要求确定换热系统的流程方案并选用适当类型的换热器，确定所选定换热器中流体的流动空间及流速等参数，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。
随着环境意识的增强，节约能源，减少热污染等问题在换热器设计中已成为必须考虑的问题，如何在满足工艺要求的前提下，实现节能和环保，是流程方案确定的主要任务，经过慎重考虑确定出的流程方案最终表现在流程方案说明和流程图上。
具体流程方案说明如下：
由于任务要求以下所用换热器均为列管式换热器中的一种固定管板式换热器。
1）原料预热器。
流经此预热器的是酒精和水蒸气两种流体，由于饱和蒸汽通入壳程便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，壳程可不必清洗，除此之外，水蒸气在有折流板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，使流体在很低的re下即可达到湍流，将它安排在壳程提高了对流传热系数，降低了热阻，使总传热系数增加，所需传热面积减少，设备费用降低，所以，安排水蒸气走壳程，原料液走管程。
2）塔顶全凝器。
流经此换热器的是酒精蒸汽和冷却水两种流体，由于蒸汽走壳程可及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，壳程可不必清洗。为了便于清洗，应使酒精蒸汽走壳程，冷却水走管程。
3）塔底冷却器。
流经此换热器的是0.5%残液和水蒸气，考虑到冷却水较酒精易结垢和冷却，安排酒精走壳程，冷却水走管程。
本次设计所有换热器均为固定管板式换热器，它是列管式换热器中的一种，其结构简单，坚固耐用，造价低廉，操作弹性大，应用材料广，适应性强，历史悠久，设计资料完善。优点是结构紧凑，在相同的壳体直径内排管数最多，旁路最少，每根换热管都可更换，且管内清洗方便，但缺点是壳程不易机械清洗，当换热管束与壳体内通过流体的温差大于50℃时，由于热应力而引起管子弯曲或使管子从管板上拉脱，因此，需在壳体上设置膨胀节。固定管板式换热器适用于流体清洁且不易结垢，两流体温差不大或较大但壳程压力不高的场所。
分别介绍各个换热器的设备方案。
1）原料预热器。
两流体温度变化情况：水蒸气进口温度为120℃，出口温度为120℃（液体），酒精进口温度20℃，出口温度81.9℃.
两流体温差为69.05℃>50℃，需要考虑补偿，选用带有膨胀节的固定管板式换热器。
2）塔顶全凝器。
两流体温度变化情况：酒精进口温度78.3℃（蒸汽），出口温度78.
3℃（液体）。冷却水进口温度15℃，出口温度25℃，两流体温差58.3℃>50℃,则选带有膨胀节的固定管板式换热器。
3）塔底冷却器。
两流体温度变化情况：0.5%乙醇进口温度99.
3℃，出口温度35℃，冷流体进口温度15℃，出口温度25℃，两流体温差57.15℃>50℃，需要考虑温度补偿，所以选择带膨胀节的固定管板式换热器。
1.管壳式换热器。
管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳式换热器根据结构特点分为以下几种：
1） 固定管板式换热器。
固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，**低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50℃且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。
带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70℃且壳方流体压强不高于600kpa的情况。
2） 浮头式换热器。
浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。
3） 填料涵式换热器。
填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。
2.蛇管式换热器。
蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单，操作最方便的一种换热设备，通常按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。
3.套管式换热器。
套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管，其内管用u型时管顺次连接，外管与外管互相连接而成，其优点是结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当地选择管内、外径，可使流体的流速增大，且两种流体呈逆流流动，有利于传热。此类换热器适用于高温，高压及小流量流体间的换热。
在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。
一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。
一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。
1）碳钢 **低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。
2）不锈钢
奥氏体系不锈钢以1crl8ni9ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。
介质流经传热管内的通道部分称为管程。
1）换热管布置和排列间距
常用换热管规格有ф19×2 mm、ф25×2 mm(1crl8ni9ti)、ф25×2.5 mm(碳钢10)。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。
换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如图1-4所示。
a）（b）（c）
（d）（e）
图 1-4 换热管在管板上的排列方式。
a) 正方形直列 （b）正方形错列 (c) 三角形直列
d）三角形错列 （e）同心圆排列
正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。
2）管板 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。
管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 mpa，设计温度不超过350℃的场合。
3）封头和管箱
封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。
封头当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。
②管箱换热器管内流体进出口的空间称为管箱，壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。
分程隔板当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。
管程多者可达16程，常用的有程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。
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