乙醇冷却器的设计-化工原理课设..docx

1、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 TC （ 1）壳程表面传热系

2、数 f C l 3 .124. 2管程表面传热系数 TC （ 2）管内表面传热系数 f C l 3 .134. 3污垢热阻和管壁热阻 TC （ 3）污垢热阻和管壁热阻 f C l 3 .144. 4传热系数 TC （ 4） 传热系数 f C l 3 .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 TC （ 1）管程流体阻力 f C l 3.155.2壳程流体的压力降 .16第六章、主要附件的尺寸设计.176.1接管 .176.2换热管.176.3封头 .186.4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：

3、.21参考文献.221华东交通大学材料科学与工程学院课程设计任务书一、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

4、地区2华东交通大学材料科学与工程学院课程设计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

5、。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

6、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。3华东交通大学材料科学与工程学院课程设计（ 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

7、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、

8、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。4华东交通大学材料科学与工程学院课程设计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。

9、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

10、，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。5华东交通大学材料科学与工程学院课程设计表 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管程0.5 -3.0

11、 1.05.0 -30m/s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，1500 -500 -100 - 15005001003535-1 1mPas最大流速，0.60.751.11.51.82.4m/s表 3管壳式换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度乙醚、二硫化甲醇、乙液体名称丙酮碳、苯醇、汽油安全允许速2-3 10 1度， m/s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 25 2.5 的不锈钢管，则管内径d0=25-2.5 2=20mm管内流速取 ui =1.1m/s 。第

12、二章、确定物性数据6华东交通大学材料科学与工程学院课程设计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：t m =(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C p 0 =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

13、如下。确定乙醇在该定性温度下的物性：密度 0=759kg/m3比热容Cpi =3.14 kJ/(kg.K)导热系数 0=0.1748W/(m.K)粘度 0=0,58mPa.s第三章、主要工艺参数计算3.1 估算传热面积乙酸流量： qm1m总12 1041034kgt330241.52 10h热流量： Qi qm1cp1 T 1.52 1043.14 341.62275 106 kJh平均传热温差 TC 平均传热温差 f C l 2 ：先按照纯逆流计算，得7华东交通大学材料科学与工程学院课程设计tm0t 2t178 3844 24ln 7828.9 Clnt 238t1( 4424)冷却水用量：

14、qm 2 =Qi1.62271067.7138kg / scpo to4.174(3824)传热面积：查表 5 总传热系数的选择初步确定2K=245W/（ m）则估算传热面积Qi1.62275106103Ap=245360063.7m2Ktm028.9管程有机溶剂轻有机物 0.5mPas中有机物 =0.5 1mPas重有机物 1mPa s 水（流速为 1m/s）水水溶液 2mPas水溶液 2mPas有机物 0.5mPa s 有机物 =0.5 1mPas有机物 1mPas表 4 总传热系数的选择壳程总传热系数 / （W/2（ m）有机溶剂 =0.3 0.55mPas198233轻有机物 0.5m

15、Pa s233465中有机物 =0.5 1mPas116349重有机物 1mPas58233水蒸气（有压力）冷凝23264652水蒸气（常压或负压）冷17453489凝11631071水蒸气冷凝5822908水蒸气冷凝5821193水蒸气冷凝291582水蒸气冷凝114349水蒸气冷凝8华东交通大学材料科学与工程学院课程设计3.2 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：NsV15200/(3600759)17根20.7850.0221.1di ui4按单程管计算，所需的传热管长度为：Ap63.7L=md0 ns3.14 0.025 1747.73按单程管设计，传热管过长，宜采用

16、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2算面积 Ap=63.7m可选用标准浮头式换热器（摘自 JB/T471492）型号为： BES600 1.6 31.6 64.8 4 II 。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=1.25d 0，则 t=1.25 25=31.2532 。换热器型号： BES6001.6 31.6 64.8 4II表 5 换热器的具体参数公称管程数管子根中心排管程流换热管管心距公称直径N数管数通面积长度t/mm换热DN/mmnNT/m2L/mm面积252.5mm

17、2S/m6004188100.014845003264.89华东交通大学材料科学与工程学院课程设计图 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=1.05tNT /1.0532 188/ 0.7551mm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=T1 - T2342.43 ，P= t 2t1140.26t2 t114T1t154查化工原理第三版王志魁编图425 温差校正系数10华东交通大学材料科学与工程学院课程设计知 t =0.93 ，则平均传热温差：tmtt

18、 m00.9328.926.93.5 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=0.3 600=180m，故可取 h=180mm。取折流板间距 B=0.35D，则 B=0.35 600=210mm，可取 B 为 300mm。折流板数目N B传热管长4500 1 141折流板间距300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壳体公称内相邻两折流板间距 /mm径300300 450450600600750750/mm200

19、250356101040070056101012700100068101216100061012161611华东交通大学材料科学与工程学院课程设计图 2第四章、换热器的热流量核算4.1壳程表面传热系数 TC （ 1）壳程表面传热系数 f C l 3 10.5510.1400.36Re0Pr 3 ( )dew当量直径：43t 2d o2 d e =240.02mdo壳程流通截面积：So BD (1 do )0.3 0.6 (1 0.025) 0.039m2t0.03212华东交通大学材料科学与工程学院课程设计壳程流体流速及其雷诺数分别为：uo7.7138995.350.1987 m / s0.0

20、39Reodeu00.02 0.1987 995.355032 .87.8610 40普朗特数：c p004.1741037.86104Pr00.61975.2940粘度校正：( )0.141.05wo0.360.61975032.80 .555.29431.05 2217.7w /( m2 K )10.024. 2 管程表面传热系数 TC （2）管内表面传热系数 f C l 3 i0.023i Re0 .8Pr 0.4di管程流体流通截面积：Si0.7850.0221880.014758 m24管程流体流速：ui15200 /(3600759)0.377 m / s0.014758雷诺数：R

21、ei0.020.3777597280 .990.786103普朗特数：PriCp3.141030.581030.174810.42i 0.0230.17487280 .990 .810.420.4631.2w /( m2 K)0.0213华东交通大学材料科学与工程学院课程设计4. 3 污垢热阻和管壁热阻 TC （3）污垢热阻和管壁热阻 f C l 3 管外侧污垢热阻Rm2kwo0.00058/管内侧污垢热阻 Rm2kwi0.000176/管壁不锈钢在该条件下的热导率为17.13 w/(m K) 。所以 Rw0.00250.000146m2 k / w17.134. 4传热系数 TC （ 4）

22、传热系数 f C l 3 K e1( doRi doRw doRo1 )i did idmo1250.000176250.000146250.000581631.2202022.52217.7295.4w / m2K4.5 TC （ 5）传热面积裕度 f C l 3 传热面积裕度计算传热面积 Ac：AcQi1.62275 106 10356.73m2K e tm295.4 3600 26.9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A Ac64.8 56.7314.23%H56.73Ac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

23、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14华东交通大学材料科学与工程学院课程设计大。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：Tmt mtwch11ch式中液体的平均温度t m 和气体的平均温度分别计算为湍流时：t m0.4t20.6t10.4 38 0.62429.6Tm0.4T1 0.6T20.4 78 0.64457.6ci631.2w/ （ K）ho22217.2w/ （ K）传热管平均壁温：

24、t w51.4 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t51.43121.450 。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 TC （ 1）管程流体阻力 f C l 3 pt( pipr ) N sN p FsN s1 ,Np4 ,li ui2pii2d i当 Re=7280.99 查得=0.0385,所以：15华东交通大学材料科学与工程学院课程设计Piliui20.03854.5759 0.3772i di20.022Pr 3i ui2759 0.3772232pt 48341.44

25、 1 27071 105 Pa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ps( popi )Fs Ns ,N s1 ,Fs1.15流体流经管束的压降20 uopoFf o N TC (N B1)对于正三角形排列F=0.5fo5Re0 0 .22855032.8 0. 2280.72对于正三角形排列NTC1.1NT0.51.1 1880. 515N B14 ， u 00.1987m/ s， 09995.35kg / m3po0.50.72 15 150.1987 2995.351591.62流体流过折流板缺口的压降2piNB (3.52B)uo, B=0.3m , D=0.6

26、mD2pi14(3.52 0.3)995.35 0.1987 2687.7.0Pa0.62总压降p s(1591.6687.7)1 1.152621.2Pa105 pa壳程流体的压力降在允许的范围内。16华东交通大学材料科学与工程学院课程设计第六章、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4V4 7.7183 / 993.9D 13.140.105m mm10.9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：4V415200 /(3600759)D 23.141.80.063mm2

27、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25323857d0 /mm管板厚度 /mm3d0 /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，壁厚偏差，mmmm碳钢GB/TB8163143022.50.2+12%不锈钢GB9948-10%17华东交通大学材料科学与工程学院课程设计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

28、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

29、有放气孔和排液孔，以排除第七章、设计结果一览表型号BES6001.6 64.8 4.5/25 4II参数壳程管程物质循环水乙醇流率 /(kg/h)27769.71520018华东交通大学材料科学与工程学院课程设计进/ 出口温度 / 24/3878/44定性温度 / 3161密度 / （ kg/m3 ）995.35759定压比热容 /kJ/ （kg?4.1743.14物K）性粘度 / （Pa?s）7.86 10 45.8 10 -4热导率（ W/m?K）0.61970.174普朗特数5.29410.42形式浮头式壳程数1壳体内径 / 600台数1设管径/ 252.5管心距/32备管长/ 4500正三角形结管子排列构排列参数管数目/根188折流板数 / 个14传热面积 / 64.8折流板间距 / 300管程数4