(待分)化工原理课程设计换热器的设计

1、摘要换热器的应用贯彻化工生产过程的始终， 换热器换热效果的好坏直接影响 化工生产的质量和生产效益。所以换热器是非常重要的化工生产设备 , 在化工领域中，它扮演着主力军 的身份，它是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备，在化工设 备中占大约以上的比重。既然换热器在化工生产中扮演如此重要的角色，那么如何设计出换热效果 好，设备健全合理，三废排放量更低，能源利用率更高，经济效益高的换热器 是我们从事化工行业工作人员刻不容缓的职责。为了完成年产万吨酒精的生产任务，设计换热器的总体思路：在正常的生 产过程中，利用塔底的釜残液作为加热介质在塔底冷却器中进行第一次预热， 然后用少量的水蒸汽便可在预

2、热器中使原料液达到预期的温度进入精馏塔中。 塔顶酒精蒸汽经过全凝器， 利用循环冷却水作为冷却介质使酒精蒸汽转为液体。 最后，在塔顶冷却器中再次用冷却水使其降到。输送到储装罐中。关键词：冷却器。再沸器。全凝器。对流传热系数。压降。列管式换热器。 离心泵。目录 第一章换热器的设计 概述流程技术指导文件的确定加热介质、冷却介质的选择换热器类型的选择流体流动空间的选择流体流速的确定换热器材质的选择换热器壁厚的确定. 固定管板式换热器的结构管程结构壳程结构列管换热器的设计计算换热器的设计步骤计算所涉及的主要公式第二章 设计的工艺计算全塔物料恒算原料预热器的设计和计算 确定设计技术指导文件 根据定性温度确

3、定物性参数换热器的选择塔顶全凝器的设计和计算 确定设计技术指导文件 根据定性温度确定物性参数 换热器的选择塔顶冷却器的设计 确定设计技术指导文件 根据定性温度确定物性参数 换热器的选择塔底冷却器的设计 确定设计技术指导文件 根据定性温度确定物性参数 换热器的选择再沸器的设计 确定设计技术指导文件 根据定性温度确定物性参数 再沸器的工艺计算 第三章 附录 符号说明 第四章 设计感想 参考文献第一章 换热器的设计概述工业生产过程，两种物料之间的热交换一般是通过热交换器完成的 ，所以换热器的设计 就显的尤为重要 。进行换热器的设计， 首先应根据工艺要求确定换热系统的流程技术 指导文件并选用适当类型的

4、换热器，确定所选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在地需的传热面积， 并确定换热器的工艺尺寸且根 据实际流体的腐蚀性确定换热器的材料，根据换热器内的压力来确定其壁厚。 流程技术指导文件的确定换热器设计的第一步是确定 换热系统的流程。 为了节约能源，提高热量的利用率， 采用原料液冷却塔底釜液， 这样不仅冷却了釜液又加热了原料液， 既可以减少预热原 料所需要的热量， 又可减少冷却水的消耗。 从冷却器出来的釜液直接储存， 从冷却器 出来的原料液再通往原料预热器预热到所需的温度。 塔顶蒸出的乙醇蒸汽通入塔顶全 凝器进行冷凝， 冷凝完的液体进入液体再分派器， 其中的回流到精

5、馏塔内， 另进入冷 却器中进行冷却，流出冷却器的液体直接储存作为产品。选择加热介质、冷却介质在换热过程中加热介质和冷却介质的选用应根据实际情况而定。除应满足加 热和冷却温度外，还应考虑来源方面，价格低廉，使用安全。我们本次课程设计所用 的加热介质是C的水蒸气，冷却介质是选择水。换热器类型的选择列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广，历史悠久，设 计资料完善， 并已有系列化标准， 特别是在高温、 高压和大型换热设备中占绝对优势。 所以本次设计过程中的换热器都选用列管式换热器。由于本次设计过程中所涉及的换热器的中冷热流体温差不大（小于°C）,各个换热器的工作压力在以下， 都

6、属于低压容器， 因固定管板式换热器两端管板与壳体连在 一起，这类换热器结构简单、价格低廉、管子里面易清洗，所以可选择列管式换热器 中的固定管板式换热器。流体流动空间的选择哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考（ 以固定管板式换热器为例 ） 。()不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。()腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗 和检修。()压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。()饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数 与流速关系不大。()被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。

7、()需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小 于壳程，且可采用多管程以增大流速。()粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流 动时，由于流速和流向的不断改变，在低(>)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例 如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降， 以便作出较恰当的选择。流体流速的确定流体的流速对传热来说非常的重要， 因为在滞留层的传热是一热传导为主， 热传 导的传热速率小于对流传热。所以如果流速太小它形成的滞留层会很厚，会大大减小 传

8、热速率，又因如果流速太小杂质会在壁面沉积也会导致传热速率的下降，提高流体在换热器中的流速，可以增大对流体传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性， 即降低了污垢热阻，使总传热系数增加，所需要传热面积减少，设备费用降低。但是 流速增加，流体阻力将相应加大，使操作费用增加。所选择流速时应该综合考虑。F表列出工业一般米用的流体流速范围液体的种类一般液体易结垢液体气体流速/管程>壳程>换热器材质的选择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。碳钢价格低，强度较高

9、，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 的材料为号和号碳钢。在本次设计中所涉及的换热器中的流体都是乙醇或水， 不存在腐蚀性。 所以本次 设计中的换热器的管材和壳材都选用碳钢。换热器壁厚的确定一般内压容器厚度由应满足刚度和压力的要求， 本次设计中所用到的换热器内部 压降都不太大，都属于常压容器，所以换热器的壁厚只要满足刚度要求即可。 .固定管板式换热器的结构固定管板式换热器的两端和壳体连为一体， 管子则固定于管板上， 它的结构 简单。在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑。由于这种结构使壳侧清洗困难， 所以

10、壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。 当管子和壳体的壁温差大于C时，应在壳体 上设置温差补偿膨胀节， 依靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应力。 膨胀节的形 式较多，常见的有形、平板形和 Q形等几种。由于形膨胀节的挠性与强度都比较好， 所以使用得最为普遍。当管子和壳体的壁温差大于C和壳程压强超过时， 由于补偿圈 过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。由此可见，这种换热器 比较适合用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。管程结构换热管布置和排列间距常用换热管规格有 巾x ,巾x（碳钢）。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

11、积的传热面积 更大，单位传热面积的金属耗量更少。 所以，在管程结垢不很严重以及允许压力降较 高的情况下，采用巾x直径的管子更为合理。如果管程走的是易结垢的流体，则应常 用较大直径的管子，有时采用巾x或更大直径的管子。这次用到的换热器的压力不大， 换热器中流体没有腐蚀性，所以选择 巾X和巾x碳钢管。管子与管板的连接方式的选择 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， 焊接和胀焊并用。 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

12、超过，设计温度不超过c的场合。 焊接法在高温高压条件下更能保证接头的严密性。这次用到的换热器内流体温度不高， 压力不大，所以选择胀接的方式连接管子和管板。壳程结构壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组 成。由于各种换热器的工艺性能、 使用的场合不同， 壳程内对各种元件的设置形式亦 不同，以此来满足设计的要求。 如当壳程走的是蒸汽时不安装折流板。 这次设计中的 原料预热器和塔顶全凝器的壳程走的是蒸汽所以不安装折流板。介质在壳程的流动方式有多种型式， 单壳程型式应用最为普遍。 如壳侧传热膜系 数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。列管换热器的设计计算换热器的

13、设计步骤. 了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能。. 由热平衡计算传热量的大小，并确定第二种换热流体的用量。. 决定流体通入的空间。. 计算流体的定性温度，以确定流体的物性数据。. 初算有效平均温差 , 一般先按逆流计算， 然后再校核 , 并根据温度差校正系数不 应小于的原则，决定壳程数。. 选取经验的传热系数值 , 计算传热面积。. 由系列标准选取换热器的基本参数。所选换热器面积应为计算出的面积的倍。. 核算压强降，校核传热系数，包括管程、壳程对流传热系数的计算。假如核算 的值与原选的经验值比值在之间，就不再进行校核。如果相不在这个范围，则需 重新假设值并重复上述以下步骤。计算所涉及的主要公

14、式A式中 传热速率 (即热负荷 )，。总传热系数，/ (.°C )。与值对应的换热器传热面积，。A平均温度差，C。. 热负荷 ( 传热速率 )无相变传热=()=()相变传热 (蒸汽冷凝且冷凝液在饱和温度下离开换热器 )一(一)式中一一流体的质量流量，/。流体的平均定压比热容，/ (C)。热流体的温度，C。冷流体的温度，C。饱和蒸气的冷凝潜热，/。下标和分别表示热流体和冷流体，下标和分别表示换热器的进口和出口 .平均温度差一侧恒温，逆流与并流的平均温差相等总传热系数初选换热器时，应根据所要设计的换热器的具体操作物流选取的经验数值，选定的的经验值为选。确定了选用的换热器后，需要对换热器的

15、总传热系数进行核算， 总传热系数的计 算按下列公式：式中。一一基于换热器外表面积的总传热系数，/( . C ) 0、一一分别为管外及管内的对流传热系数，/( C ) 0、一一分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，(.C ) /;、一一分别为换热器列管的外径、内径及平均直径。列管管壁厚度，。一列管管壁的导热系数，/ ( C ) 0.对流传热系数()对于低粘度流体(卩小于或等于倍常温水的粘度)1 X I当流体被加热时，= 当流体被冷却时，= 式中：分别为流体的密度和粘度，/、一一分别为流体的导热系数和比热容(C )、？C ;管内流速./。列管内径，。应用范围： >,=，管长与管径之比，若V可

16、将式算出的a乘以()特征尺寸：管内径定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。()蒸汽在水平管束上冷凝时的冷凝传热系数若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数：式中：冷凝液的导热系数，/ ( C)。P 冷凝液的密度，/。卩一一冷凝液的粘度，。丫一一饱和蒸汽的冷凝潜热，。蒸汽的饱和温度与壁温之差，= 流体压力降的计算式()管程压力降二I直管中因摩擦阻力引起的压力降。三 回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，。一I结垢校正系数，无因次，© x的换热管取。© x的换热管取。 匚二串联的壳程数。円管程数。E 阻力系数，列管换热器管内E()壳程压力降0a二 流体横过管束的压力降 。二

17、J流体流过折流挡板缺口的压力降k 结垢校正系数，无因次，对液体，取。对气体，取。管子排列方式对压力降的校正系数：三角形排列。正方形排列。正方形错 列。=壳程流体的摩擦系数。.R 横过管束中心线的管数折流挡板间距，。壳体直径，。折流挡板数目。_I按壳程流通面积计算的流速，。一般说来，流经列管式换热器允许的压强降，液体为一，气体为左右。第二章设计的工艺计算全塔物料恒算根据设计要求可知：塔顶产品乙醇的质量万吨，乙醇的质量分数 ,精 馏原料粗乙醇的质量分数 二一,塔底残液乙醇的质量分数 一 ,乙醇的摩尔质 量,水的摩尔质量。求得原料预热器的设计和计算确定设计技术指导文件选择换热器的类型预热器是把经塔底

18、冷却器加热到C的原料液预热到泡点C,采用压力下C的饱和蒸汽进行加热。热流体的进出口温度都是C,原料液的进口温度是C,出口温度为Cc换热器中两流体温度差不大，壳程压力较小，故可选择固定管板式换热器。流动空间和管材的选用设计任务的热流体为水蒸汽，冷流体为原料液乙醇，为使原料液出口温度达到泡 点，令蒸汽走壳程，原料液走管程。根据定性温度确定物性参数冷流体的定性温度为I C热流体的定性温度为C。根据定性温度分别查取的物性参数如下：名称密度P定压比热( C )导热系数，(C )粘度卩汽化热乙醇液X水(C)X水(C)X水蒸汽(C)X混合液体的物性参数计算式:含乙醇的乙醇液体在C下的物性参数如下:名称密度0

19、定压比热(C )导热系数(C )粘度卩乙醇液体X换热器的选择名称密度因定压比热凶(C )导热系数J(C )粘度凶乙醇液体X预热器的工艺计算备注估算传热面积，初换热器()热负荷的计算 ()蒸汽的消耗量公称直径公称压力换热面积凶管子尺寸© X管子数管长管中心距管程数管子排列方正三角形管程流通面积因()计算平均温度差暂按单壳程、双管程考虑，一侧恒温，求逆流时的平均温度差:蒸汽 C-C原料液C-C°c°c()选值，估算传热面积参考化工原理课程设计指导书的页表中，取 (c) 传热面积：()初选换热器型号由于两流体温度差为c( cc)，可选用带有热膨胀节的固定管板式 换热器，

20、根据固定管板式换热器的系列标准，初选的固定管板式换热器型 号为：一。主要参数如下：因壳程通过的是水蒸汽，故不需加折流挡板，即 壳程流通面积因为壳程走蒸汽无折流挡板，所以 I 计算结果表明，管程和壳程的压降均能满足设计要求 .核算总传热系数()管程对流传热系数对于低粘度流体,式中，I 一，原料液为被加热流体，取()壳程对流传热系数若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数:式中、卩、P均为水在°C时液体的物性参数。为水在°C下的汽化热。()污垢热阻根据化工流体流动与传热书中的附录二十查得管内、外侧污垢热阻分 别为：()总传热系数式中为壁面材料碳钢的导热系数，由化工流体流动

21、与传热书中的附录十二查得(C )即计( C)计选，故所选择的换热器是合适的 该换热器的安全系数为设计结果：选用固定管板式换热器，型号：一。.接管的选择()管程流体进出口接管的选择根据液体一般在管中的流速大小，选择原料液进出接管的流速 为 则接管内径为根据化工流体流动与转热附录二十二的冷轧无缝钢管的标准规格选择 规格为© X。故选择的接管规格合适。()壳程流体进口接管的选择根据饱和蒸汽一般在管中的流速大小，选择水蒸汽进入接管时的蒸汽的流 速为r，则接管内径为根据冷轧无缝钢管的标准规格选择规格为 © X故选择的接管规格合适。塔顶冷却器的设计确定设计技术指导文件选择换热器的类型塔

22、顶冷却器是把C的含乙醇的饱和液冷却储存，热流体的进出口温度 都是C,热流体的出口温度是C。采用冷却水进行冷却，冷却水的进口温 度是C,出口温度是C .冷却器中流体温度差不大，壳里压力是常压，可选择固定管板式换热根据定性温度确定物性参数热流体的定性温度为根据定性温度分别查取的物性参数如下:名称密度P定压比热（ G导热系数，（c）粘度卩乙醇液X水（C）X冷却水（C）X含乙醇的乙醇液体在C下的物性参数如下:换热器的选择备注1估算传热面积，初选换热器()热负荷的计算-_()冷却水消耗量 = ()计算平均温差两侧变温，平均温差用逆流平均温差校正。溜出液T冷却水Jri逆流平均温差()选择，估算传热面积参照

23、化工原理课程设计指导书的页表，取二1 。传热面积：,故面积余度考虑的面积裕量在，由固定管板式换热器的系列标准，可选换热器型号：一。主要参数如下：公称直径公称压力换热面积到管子尺寸© X管子数管长管中心距管程数管子排列方式正三角形管程流通面积勺实际换热面积:合适。采用此换热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为:即选（C ）核算压降管程压降 -"- 其中曰 回二JP管程流速Hl对于碳钢管取，取管壁粗糙度&，所以由化工流体流动与转热书中页的入一关系图中可查得 入。（）壳程压降由于壳程走乙醇蒸汽，所以，其中式中管子排列方式为正三角形，。取折流挡板间距 壳程流通面积为L_z

24、_ 。壳程流速为计算结果表明，管程和壳程的压降均能满足设计要求()总传热系数)管程对流传热系数匚流体在管内的流动速度：下 式 中,原料液为被加热流体，取)壳程对流传热系数若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数:式中、卩、P均为乙醇蒸汽在°C时液体的物性参数。为乙醇在°C下的汽化热。()污垢热阻根据化工流体流动与传热书中的附录二十查得管内、外侧污 垢热阻分别为：总的传热系数：K 1(.C)所选择的换热器的传热系数:因为：故选择合适设计结果：选用固定管板式换热器，型号：一。.接管的选择()管程流体进出口接管的选择根据液体一般在管中的流速大小，选择原料液进出接管的流速 为

25、，则接管内径为根据化工流体流动与转热附录二十二的冷轧无缝钢管的标准 规格选择规格为© Xo核算流速n1故选择的接管规格合适。()壳程流体进口接管的选择根据饱和蒸汽一般在管中的流速大小，选择水蒸汽进入接管时的 蒸汽的流速为，则接管内径为根据冷轧无缝钢管的标准规格选择规格为 © X。核算流速= 1故选择的接管规格合适。再沸器的设计确定设计技术指导文件选择换热器的类型再沸器是把C的含乙醇的部分塔底液加热产生蒸汽回到塔 底，蒸汽沿塔上升，在塔内汽液两相进行热质交换。设计米用卜c 的水蒸汽对塔底液加热。热流体的进出口温度为C,冷流体的进 出口温度是C,两相均发生相变。再沸器中流体温度

26、变化不太大， 可选择固定管板式换热器。.确定流体的流经由于部分塔底液可能含有渣滓，走管程利于清洗，且部分塔底 液可通过热流体的传热提咼温度，使其汽化。水蒸汽走壳程可通 过壳壁面向空气中散热，有利于冷却。所以部分塔底液走管程， 水蒸汽走壳程。换热器内的流体没有腐蚀性，所以选用碳钢管， 可降低设备费。根据疋性温度确疋物性参数热流体的疋性温度为1。冷流体的疋性温度为xj|再沸器的工艺计算.估算传热面积，初选换热器()再沸器的物料衡算3()热负荷的计算三 ()水蒸汽的消耗量离心泵的选型与计算输送的液体是的乙醇溶液 物性参数：X 00由于是碳钢管所以 4 ，则 X | 所以由I"图查的 又直管

27、长25直管压降为又 在管路中又个截止阀，个标准阀，个标准弯头截止阀：.一标准阀： （全开）标准弯头：一出口阻力系数：丨所以局部阻力压降为：换热器的压降为又因为输送的液体为有机溶剂，属于易燃易爆物品，所以要求必 须有较高的密封性能，故选用油泵（型）。根据，从油泵系列中选取型离心泵。在-n ()由于输送液体的密度小于水的密度，所以不需核算轴功率从上述的数据来看，泵所提供的流量和扬程均大于管路系统的 要求值，留有一定的裕量。附录换热器外壳直径折流板间距摩擦系数导热系数©校正系数P密度汽化潜热 管径粗糙度壁厚1粘度E阻力系数管长下标：冷流体 热流体管内 总传热系数压力流体速度 对流传热系数圆

28、缺高度叵折流板数雷诺数普兰特准数怒赛尔特准数程数污垢平均管传热面积设计感想生命的每一次绽放， 都会开出美丽的花朵。 生活的每一次努力， 都会有意想不到 的收获，恰似这次化工原理课程设计，设计了大概两个周。时间是那么的短，收获却 是那么的多。课程设计这个名词是我们第一次接触与听说， 所以，开始的时候， 它的一切对于 我们而言都是那么的陌生和神秘。 在老师的循循善诱和细心指导下， 我们第一次掀起 了它的面纱，并且和它开始了相依为命的两个周的旅程。在本次旅程中，我们有我设计的题目是乙醇生产过程中， 精馏系统换热器的设计， 虽然题目相同， 但是每组同学都因乙醇年产量的不同而不同。 我们组是由五我组成的 一个集体，我们五我的起点相同，终点却会各不相同的。在最初的几天，我们设计的 进程很慢，而且问题不断出现， 屡屡碰壁。我们在一种山重水复疑无路的状态理摸索。 为了找到一个正确而高效的设计途径， 我们一起查阅资