乙醇冷却器的设计-化工原理课设.doc

华东交通大学材料科学与工程学院课程设计目录任务书2第一章 概述与设计方案的选择31.1概述31.1.1换热器概述31.1.2换热器的种类及特点31.1.3换热器设计要求41.2设计方案的选择41.2.1换热器型式的选择41.2.2流体流动空间的选择51.2.3流体流速的选择5第二章、确定物性数据62.1确定物性数据7第三章 、主要工艺参数计算73.1估算传热面积73.2初选换热器类型93.3壳体内径103.4校正平均传热温差103.5折流挡板11第四章 、换热器的热流量核算124.1壳程表面传热系数124. 2管程表面传热系数134. 3污垢热阻和管壁热阻144. 4传热系数144.6壁温计算14第五章、阻力损失155.1管程流体的阻力损失155.2壳程流体的压力降16第六章、主要附件的尺寸设计166.1接管166.2换热管176.3封头176.4膨胀节186.5其他附件18第七章、设计结果一览表18乙醇冷却器工艺流程图20心得体会：21参考文献22任务书一、 设计题目乙醇冷却器的设计二、 设计的目的：通过对乙醇产品冷却的列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。三、设计任务及操作条件、处理量12104t/a乙醇、设备型式：列管式换热器、操作条件(1)乙醇：入口温度：78，出口温度44(2)冷却介质：循环水，入口温度24，出口温度38 (3)允许压降：不大于105Pa(4)每天按330天计，每天24小时连续运行。4、建厂地址江西地区第一章 概述与设计方案的选择1.1概述1.1.1换热器概述换热器（heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、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三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。列管式换热器是目前化工及酒精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，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-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。1.1.2换热器的种类及特点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 它由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管等部件组成。其结构特点是，两端的管板与壳体连在一起，管束两端固定在管板上，这类换热器结构简单，紧凑，价格低廉，每根换热管都可以进行更换，且管内清洗方便，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。1.1.3换热器设计要求完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求：（1）合理地实现所规定的工艺条件：可以从：增大传热系数提高平均温差妥善布置传热面等三个方面具体着手。（2）安全可靠换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵循我国钢制石油化工压力容器设计规定和钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准。（3）有利于安装操作与维修直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与拆卸，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。（4）经济合理评价换热器的最终指标是：在一定时间内（通常1年内的）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费）等的总和为最小。1.2设计方案的选择1.2.1换热器型式的选择在乙醇精馏过程中塔顶一般采用的换热器为列管式换热器，故初步选定在此次设计中的换热器为列管式换热器。列管式换热器的型式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。被冷却为乙醇，入口温度为78，出口温度为44；冷却介质为水，入口温度为24，出口温度为38，根据概述中各种类型的换热器的叙述，综合以上可以选用浮头式换热器。1.2.2流体流动空间的选择在列管式换热器中，哪一种流体流经管程，哪一种流体流经壳程，取决于多种因素。 不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便。 腐蚀性的流体宜走管程，以免时管子和壳体同被腐蚀，且管程便于检修与更换。 压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果。 饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，一般不需清洗 有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏量。 流量小或粘度大的流体宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改变，在低Re（Re100）下即可达到湍流，以提高传热系数。 若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流体走壳程，因壁面温度与大的流体接近，以减小管壁与壳壁的温差，减小温差应力。综合以上的选择原则可以确定乙醇走管程，水走壳程比较适宜。1.2.3流体流速的选择流体流速的选择涉及到传热系数、流动阻力及换热器结构等方面。增大流速，可加大对流传热系数，减少污垢的形成，使总传热系数增大；但同时使流动阻力加大，动力消耗增多；选择高流速，使管子的数目减小，对一定换热面积，不得不采用较长的管子或增加程数，管子太长不利于清洗，单程变为多程使平均传热温差下降。因此，一般需通过多方面权衡选择适宜的流速。表1至表3列出了常用的流速范围，可供设计时参考。选择流速时，应尽可能避免在层流下流动。表1 管壳式换热器中常用的流速范围流体的种类一般流体易结垢液体气体流速m/s管程0.5 -3.0 1.05.0 -30壳程0.2 -1.5 0.53.0 -15表2 管壳式换热器中不同粘度液体的常用流速 液体粘度，mPas 15001500 -500500 -100100 -3535-1 1最大流速，m/s0.60.751.11.51.82.4表3 管壳式换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度液体名称乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮安全允许速度，m/s 1 2 -3 10由于使用的冷却介质是水，比较容易结垢，乙醇则不易结垢。水和乙醇的粘度都较小，参考以上三个表格数据可以初步选用252.5的不锈钢管，则管内径d0=25-2.52=20mm管内流速取ui=1.1m/s。第二章、确定物性数据2.1确定物性数据 定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。 壳程循环水的定性温度为：tm =(24+38)/2=31 在化工原理第三版王志魁编附录查取水30、40下的物性参数，用插值法算得定性温度下水的参数 确定水在该定性温度下的物性：密度 i=995.35kg/m3比热容 =4.174 kJ/(kg.K)导热系数 i=0.6197 W/(m.K)粘度 i=0.786mPa.s 乙醇的定性温度为Tm=(78+44)/2=61 在化工原理第三版王志魁编附录中根据各物性的共线图查得乙醇各参数如下。 确定乙醇在该定性温度下的物性：密度 0=759kg/m3 比热容 =3.14 kJ/(kg.K) 导热系数 0=0.1748W/(m.K) 粘度 0=0,58mPa.s第3章 、主要工艺参数计算3.1估算传热面积乙酸流量： 热流量：平均传热温差： 先按照纯逆流计算，得 冷却水用量：=传热面积：查表5总传热系数的选择初步确定K=245W/（m2）则估算传热面积Ap=表4总传热系数的选择管程壳程总传热系数/（W/（m2）有机溶剂轻有机物0.5mPas中有机物=0.51mPas重有机物1mPas水（流速为1m/s）水水溶液2mPas水溶液2mPas有机物0.5mPas有机物=0.51mPas有机物1mPas有机溶剂=0.30.55mPas轻有机物0.5mPas中有机物=0.51mPas重有机物1mPas水蒸气（有压力）冷凝水蒸气（常压或负压）冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝19823323346511634958233232646521745348911631071582290858211932915821143493.2初选换热器类型可依据传热管内径和流速确定单程传热管数： 按单程管计算，所需的传热管长度为 ：L=按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据化工原理第三版王志魁编附录二十三浮头式换热器的主要参数由估算面积Ap=63.7m2可选用标准浮头式换热器（摘自JB/T471492）型号为：BES6001.631.664.84II。换热器参数见表6。采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列，如图1。取管心距t=1.25d0，则 t=1.2525=31.2532。换热器型号：BES6001.631.664.84II 表5 换热器的具体参数公称直径DN/mm管程数N管子根数n中心排管数管程流通面积/m2换热管长度L/mm管心距t/mm公称换热面积S/m26004188100.014845003264.8图1管子在管板上的排列方式和组合排列示意图3.3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=0.70 ，则壳体内径为：D=1.05t按卷制壳体的进级档，可取D=600mm3.4校正平均传热温差平均温差校正系数：R=，P=查化工原理第三版王志魁编图425温差校正系数知=0.93，则平均传热温差：233.5折流挡板设置折流板的目的是为了提高流速，增加湍动，改善传热，在卧式换热器中还起支撑管束的作用。弓形缺口的高度h为壳体公称直径Dg的15%45%，取30%,则 h=0.3600=180m，故可取h=180mm。取折流板间距B=0.35D，则 B=0.35600=210mm，可取B为300mm。折流板数目折流板厚度取5mm，取值见表7折流板圆缺面水平装配图 见图2表7折流板厚度/ mm壳体公称内径/mm相邻两折流板间距/mm3003004504506006007507502002503561010400700561010127001000681012161000610121616 图2 第4章 、换热器的热流量核算4.1壳程表面传热系数 当量直径：=壳程流通截面积： 壳程流体流速及其雷诺数分别为： 普朗特数： 粘度校正： 4. 2管程表面传热系数 管程流体流通截面积： 管程流体流速： 雷诺数： 普朗特数： 4. 3污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻管壁不锈钢在该条件下的热导率为17.13 w/(mK)。所以4. 4传热系数4.5传热面积裕度 计算传热面积Ac：该换热器的实际传热面积为A：A=64.8m2该换热器的面积裕度为传热面积裕度在10%20%范围内，故该换热器能够完成生产任务。4.6壁温计算 由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是有： 式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为湍流时：631.2w/（K）22217.2w/（K）传热管平均壁温： 壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=31。壳体壁温和传热管壁温之差为 。 该温差不大，故不需要设温度补偿装置，因此，需选用浮头式换热器较为适宜。第五章、阻力损失5.1管程流体的阻力损失 , , 当Re=7280.99 查得=0.0385 , 所以： 管程流体的压力降在允许的范围内5.2壳程流体的压力降 按式计算 , , .15流体流经管束的压降 对于正三角形排列F=0.5对于正三角形排列 ， 流体流过折流板缺口的压降 , B=0.3m , D=0.6m总压降壳程流体的压力降在允许的范围内。第六章、主要附件的尺寸设计6.1接管壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为u1=0.9m/s，则接管内径为mm圆整后可取管内径为110mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=1.8m/s，则接管内径为：圆整后去管内径为65mm。6.2换热管换热管的规格及尺寸偏差，经过查表，对于碳钢、不锈钢换热管的规格及尺寸偏差见下表9管板厚度20mm 表8 管板的最小厚度换热器管子外径/mm25323857管板厚度/mm3/4222532 表9碳钢、不锈钢换热管的规格及尺寸偏差材料换热管标准管子规格高精度、较高精度偏差外径，mm厚度，mm外径偏差，mm壁厚偏差，mm碳钢GB/TB8163143022.50.2+12%不锈钢GB9948-10% 6.3封头封头有方形和圆形两种，方形用于直径小（一般小于400mm）的壳体，椭圆形用于大直径的壳体。壳径为600mm，选用椭圆形封头，见图3。 图3椭圆形封头6.4膨胀节膨胀节又称补偿圈。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的温差低于700且壳方的流体压强不高于600KPa的情况。换热器的膨胀节一般分为带衬筒的膨胀节和不带衬筒的膨胀节。根据换热器壳侧介质的不同，使用的膨胀节就不同，通常为了减小膨胀节对介质的流动阻力，常用带衬筒的膨胀节。衬筒应在顺介质流动的方向侧与壳焊接。对于卧式换热器，膨胀节底部应采用带螺塞结构，这样便于排液。6.5其他附件缓冲挡板可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动，还有使流体沿管束均匀分布的作用。 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除第七章、设计结果一览表型号BES6001.664.84.5/254II参数壳程管程物质循环水乙醇流率/(kg/h)27769.715200进/出口温度/24/3878/44物性定性温度/3161密度/（kg/m3）995.35759定压比热容/kJ/（kgK）4.1743.14粘度/（Pas）7.865.8热导率（W/mK）0.61970.174普朗特数5.29410.42设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/600台数1管径/252.5管心距/32管长/4500管子排列正三角形排列管数目/根188折流板数/个14传热面积/64.8折流板间距/300管程数4材质不锈钢主要计算结果壳程管程流速/（m/s）0.19870.377表面传热系数/W/（K）2217.7631.2污垢热阻/（K/W）0.000580.000176压力降/ kPa2.62127.071热流量/KW450.76传热温差/21.4传热系数/W/（K）295.4裕度/%14.23%乙醇冷却器工艺流程图心得体会： 经过近一周的奋战，我的课程设计终于完成了。在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对这一年来所学知识的简单总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。课程设计任务布置下来时并不怎么担心可是当真正动起手来才发现这次课设中所涉及的知识点还有太多没有掌握。 在计算时用到的知识点有很多都没有掌握，不过经过这一个星期以来和同学们之间相互讨论，让我掌握到了很多课堂上学不到的知识，团结合作等。进一步加深了和同学之间的感情。 这次课设由于我用的是CAD画图，这是前