化工原理课程设计-乙醇液预热器的设计.doc

乙醇液预热器的设计辽宁科技学院课程设计课程名称：化工原理课程设计题目：乙醇液预热器的设计系 部：生物医药与化学工程学院专 业： 应用化学 学 生 姓 名：班 级：应化BG101学号：6414110123指导教师姓名：职称：设计完成时间 ：2012年1月10日化工原理课程设计任务书1. 设计题目：乙醇液预热器的设计2. 设计条件：某有机合成厂的乙醇车间在节能改造中，为回收系统内第一萃取塔釜液的热量，用其釜液将原料液从95预热至128，原料液及釜液均为乙醇，水溶液，其操作条件列表如下：设计条件数据物料流量 kg/h组成（含乙醇量）mol%温度 操作压力MPa进口出口釜液1097793.31450.9原料液102680795 1280.53（1） 处理能力：6000m3/h(标准状况)；（2） 设备型式：列管换热器；（3） 允许压强降：管程压强降小于10kPa；壳程总压强降小于60kPa。3. 设计计算内容：（1） 传热面积、换热管根数；（2） 确定管束的排列方式、程数、挡板、隔板的规格和数量；（3） 壳体的内径；（4） 冷、热流体进、出口管径；（5） 核算总传热系数（6） 管壳程流体阻力校核。4. 设计成果：（1） 设计说明书一份；（2） 换热器工艺条件图。5. 设计时间：兩周。6. 参考文献姚玉英等 化工原理 天津大学出版社 1999.5柴城敬等 化工原理课程设计指导天津大学出版社 1999.57. 设计人：学号： 8. 设计进程指导教师布置设计题目 0.5天设计方案确定 0.5天工艺计算 1.5天设备计算 3.5天绘图 2.0天编写实践说明书 1.0天答辩 1.0天 应用化学教研室 2011年12月20日22目录任务书说明41、 概述 5二、确定设计方案61、 参数的计算 62、 换热器型号的选取93、传热排列方法及壳体内径 114、 折流挡板125、 接管12三、总传热系数的核算 131、 管程核算132、 壳程核算133、管壳程压力降核算144、总传热系数核算对16四、设计结果一览表185、 设计者心得体会19六、主要参考文献20七、主要符号说明20设计装置图（详情参见图纸） 任务书说明本课程设计任务是乙醇液预热器的设计。是利用塔釜液对原料液进行加温。设计条件：某有机合成厂的乙醇车间在节能改造中，为回收系统内第一萃取塔釜液的热量，用其釜液将原料液从95预热至128，原料液及釜液均为乙醇，水溶液，其操作条件列表如下：设计条件数据物料流量 kg/h组成（含乙醇量）mol%温度 操作压力MPa进口出口釜液1097793.31450.9原料液102680795 1280.53（1） 处理能力：6000m3/h(标准状况)；（2） 设备型式：列管换热器；（3） 允许压强降：管程压强降小于10kPa；壳程总压强降小于60kPa。 设计计算内容（1） 传热面积、换热管根数；（2） 确定管束的排列方式、程数、挡板、隔板的规格和数量；（3） 壳体的数量；（4） 冷、热流体进、出口管径；（5） 核算总传热系数；（6） 管壳程流体阻力校核。 一概述：列管式换热器是目前化工生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时一种流体由封头的连结管处进入，在管内流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程。另一种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出这称为壳程列管式换热器。 浮头式换热器，换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”。所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是管束可以拉出，以便清洗，管束的膨胀不变壳体约束因而当两种换热器介质的温差大时不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点是结构复杂，造价高，比固定管板高20%。在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。 利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。下图（图1）是工业生产中用到的列管式换热器。 二.确定设计方案2.1参数的计算(a) 热流量Q 以原料液为基准亦计入5%的热损失，按以下步骤求得传热量Q。平均温度tm=(98+128)/2=111.5分别查的乙醇、水的物性为：物性常数 组分物性粘度/Pas热导系数/ W/(m)密度/kg/m3定压比热容Cp/kJ/(kg)乙醇2.910-40.1497003.480水2.610-40.685949.44.223混合物2.6210-40.539879.94.103以上表上混合的各物性数据分别由下式求得。混合物粘度m 混合物热导率m 混合物密度m 混合物平均定压比热容Cp,m 式中xi为组分i的摩尔分数，i为组分i的质量分数.其他符号意义同前。所需要的热流量 = = =4054.97kW(b)确定釜液出口温度th2假设th2 =115 则定性温度为 由tm 可查得乙醇、水物性，亦由以上公式分别求得釜液的物性为： 组分物性粘度/Pas热导系数/ W/(m)密度/kg/m3定压比热容Cp/kJ/(kg)乙醇2.1810-40.141675.83.400水2.2410-40.686934.84.266混合物2.23610-40.538880.54.127由热流量衡算得 =113Vs1=109779/880.5=124.68m3/hVs2=102680/879.9=116.70m3/h （C） 换热器壳程数及流程a. 换热器的课程数Ns对于无相变的多管程的换热器壳程数的确定，是由工艺条件，即冷、热物流进出口温度，按逆流流动给出传热温差分布图如图4-71所示，采用图解方法确定壳程数。 如图可见，所用水平线数为2，故选取该换热器的壳程为2。其处理办法，或在一壳体内加隔板或选用两个单壳程的换热器，显然后者比较方便。故选用两台相同的换热器。b. 流程规定冷、热流体的物性及流量均相近。为减少热损失，先选择热流体（釜液）走管程，冷流体（原料液）走壳程如下图所示。 逆流时平均传热温差：=17.5 由于壳程中装有折流挡板，其换热器的实际平均传热温差应当在逆流传热温差的基础上，进行如下校正： 根据上述两式结果，查化工原理第三版第153页，图5-19（b）得到：，于是得传热温差的校正值为 由于计算总传热面积A需要知道总传热系数K，而传热面积不确定的情况下，换热器的结构也无法确定。因此，实际总传热系数K也无法知道。所以根据生产实践中不同种类的流体间换热的总传热系数的经验值，初选一个总传热系数。根据冷、热流体在换热器中有无相变化及其物性等，选取传热系数K=800w/(m3），于是可求所需传热面积A为： 2.2换热器型号的选取根据传热温差的大小，传热介质的性质以及结垢、清洗要求等条件选择适宜的换热器，为保证传热时流体适宜流动状态，还需估算管程数。 由于温差较小，所以采用采用固定管板式换热器为宜。选用的换热管为25mm2.5mm。若选用6m长的管子，则所需要总管数为： 设乙醇液在管内流速为0.5m/s,则单管程所需要的管子根数n 设单台换热器的传热面积为A，则单台传热面积为选取的管长为6m,则管程数Np为 故应选取管程数为2.根据以上确定条件按换热器标准系列，初步选取型号为G800-II-16-225固定管板式换热器两台，其主要性能参数如下： 壳体内径800mm 公称直径800mm 公称压力1.6MPa 公称面积225m2 计算面积227m2 管程数2 管长6000mm 管子规格 排列方式 管间距32mm 管数 488根 折流板数18 壳程数 12.3 传热排列方法及壳体内径 采用组合排列法，即每管程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距 则有： 隔板中心到离其最近一排管的中心距离：各程管相邻管的管心距为44mm则壳体内径，采用多管程结构，进行壳体内径估算，取管板利用率=0.87，则壳体内径： 取内径Di = 800mm2.4 折流挡板 采用弓形折流板，折流挡板的间距h取壳体内径的0.21.0倍，在这里取0.4倍。 管子呈正三角形排列。 则折流挡板的个数为： 折流板圆缺面水平装配。 2.5接管壳程流体进出口接管，内径为： 取标准管径为 270mm。 管程流体进出口接管，内径为： 取标准管径为 300mm。 三、总传热系数的核算根据以上数据可分别求出管程和壳程流体的流速及雷诺数按以上数据可分别求出管程和壳程流体流速及雷诺数1管程： （1） 流通截面积式中n为总管数。（2） 管内流速 式中 管程流速m/s；釜液流速kg/h；釜液平均密度(3)管内雷诺数 式中 管内直径，m；釜液平均粘度， ；2.壳程：选折流板间距B=300mm(1)壳程流通截面积 式中 壳体内径，m； 管外径，m； t管间距，m。 (2)流速: 式中 壳程流速m/s； 原料液平均密度 原料液流率kg/h。 (3)当量直径: (4)雷诺数: 式中 原料液平均粘度从以上计算结果可知，两流体在换热器中流动均能达到湍流，有利于传热。a. 管、壳程压力降管程压力降取管壁绝对粗糙度：E0.2mm相对粗糙度：由前面计算已得，故可查得直管壁摩擦系数，于是得单管程压力降为：回弯压降：式中 阻力系数管程总压力降：校正系数 管程数 串联的壳程数 （即串联的换热器数）壳程压力降管束压降 三角形排列：F=0.5壳程流体摩擦因数 折流板数 折流板缺口压降： 壳程总压力降： 壳程压力降结垢校正系数壳程数 b. 总传热系数K 管程传热膜系数管内雷诺数 普兰特数 管长与管内径比： 式中 釜液平均热容 釜液平均导热系数 ； 管外传热膜系数管外雷诺数 普兰特数 式中 原料液平均热容 ）；原料液平均粘度 ；原料液平均导热系数 ）污垢及管壁热阻管壁内外侧污垢热阻均为 W钢管壁热导率 ）管壁热阻 )W总传热系数得 )式中 管外污垢 W；管内污垢 W；b管壁厚m；管壁平均直径m；传热面积 所选换热器实际传热面积：换热器传热面裕度：由校核可知，各项性能符合要求，换热能力可满足生产需求，所选换热器可以采用。 四、设计结果一览表换热器形式：固定管板式换热器换热面积： 227m2工艺参数：名称管程壳程物料名称釜液原料操作压力 Mpa0.90.53操作温度 130111.5流量 kg/h124.68116.7流体密度 kg/m3879.9880.5流速 m/s0.4520.617传热量 kW4054.97总传热系数 W/m2K794.9传热系数 W/（m2）3938.894220.5阻力降 KPa7.6859.1程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格252.5管束 488管长 6m管间距 mm32排列方式正三角形折流板型式上下间距 mm300切口高度88壳体内径 mm800保温层厚度 mm未知表格 1五、设计者心得体会初次接触化工原理课程设计，自己也不知道怎么去设计，怎么去进行这个任务，原以为老师会告诉我们怎么去做，给我们一个模板去进行这个任务，结果老师却只说了什么时间上交这个实验说明书，什么时间进行答辩，并没有给出确切的指导，而且每一组的任务不同，我们也不能集思广益。于是抱着怀疑，尝试的态度，我们小组的四个人来到了图书馆找书，但是等到达的时候却被眼前的情形惊呆了，大家都在这里，书架上的书怎么少了这么多啊，原来才知道，他们早把好多课程设计的书借走了。我们只能看看有什么有用的了。接到了设计任务后。我们比较了一下每一组的任务，本以为我们组的挺简单的，就马上着手去做了，但是谁知道刚开始就傻眼了。怎么什么物性参数都没有啊，别的组的都给了，这难道让我们一个一个的去查吗？抱着这种疑问，我咨询了指导老师，老师说让我们自己去图书馆的课本里查查看看，他那里也不全。我们顿时蒙了，怎么这样呢？这可就不好弄了。我们查了一天也没查到，于是晚上会寝室就上网查，但是网上的又不全，最后在一个小论坛上，找到了一个帖子，它分享了一个软件，专门查物性的，然后看到这个我们就下了下来。果不其然，真的很好用啊。高兴之下我们的课程设计这才正式开始了。就是这个时候，有好多组都弄完了，我们十分惊讶，他们这么快啊。原来他们在网上找到了相关的模板，改了改数据就成为一个非常不错的作品，我们的这个实验也有，但都是图片，所以得自己打上去。而且我们的物性都是自己用软件查出来的，和那个网上给的也不一样，所以只能自己按它的思路一点一点的进行下去。虽然设计过程中计算量巨大，只要理清思路，就不会有问题。我们先在纸上计算，理清思路后再用电脑里敲上去。当遇到乱的时候，整个半天都在那里停滞不前，但是现在想来，那时犯下低级错误还挺傻的。对于课程设计，每一步都要那准，每一步都要想清楚有理有据，这样才能得到最后的正确结果。就这样我们成功了，我们完成了我们自己的课程设计，这次设计中，我们齐心协力，一起奋战，我们连续4天2点睡6点起，又一次让我感受了期末冲刺的感觉。这使得这次的课程设计十分有意义。虽然我们是最后一组交上去的，但是我一定敢说我们是最用功了，这几天我们从没玩过一次游戏，寝室就只是我们睡觉的地方。白天图书馆，晚上寝室。这些回忆必将成为我们最宝贵的精神财富。世上无难事，只怕有心人。如果我们尽力了，我觉得这件事一定做得会让人满意。六、参考文献化工原理三册，王志魁 编，化学工业出版社，2006.化工设备设计，潘国吕，郭庆丰 编著，清华