乙醇冷却器的设计-化工原理课设.doc

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壳程外表传热系数124. 2管程外表传热系数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、主要的尺寸设计166.1接收166.2换热管176.3封头176.4膨胀节186.5其他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，到达让学生了解该换热器的构造特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的根本原理，选择流程，确定换热器的根本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。

三、设计任务及操作条件１、处理量12×104t/a乙醇２、设备型式：列管式换热器３、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　　地区第一章 概述与设计方案的选择1.1概述换热器概述换热器〔heat e*changer〕，是将热流体的局部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根本上可分三大类即：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、或不锈钢制作在进展换热时，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-种流体由壳体的接收进入，从壳体上的另一接收处流出，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，它具有构造简单，稳固耐用，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构造特点分为以下几种：（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、接收等部件组成其构造特点是，两端的管板与壳体连在一起，管束两端固定在管板上，这类换热器构造简单，紧凑，价格低廉，每根换热管都可以进展更换，且管清洗方便，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，但构造复杂，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根本要求： 〔1〕合理地实现所规定的工艺条件：可以从：①增大传热系数②提高平均温差③妥善布置传热面等三个方面具体着手。

〔2〕平安可靠 换热器是压力容器，在进展强度、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、柱的阻碍，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〔通常1年的〕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表达，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① 不干净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便。

② 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③ 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④ 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⑤ 饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较干净，一般不需清洗⑥ 有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏量⑦ 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〔Re>100〕下即可到达湍流，以提高传热系数⑧ 假设两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流体走壳程，因壁面温度与α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、流动阻力及换热器构造等方面增大流速，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列出了常用的流速围，可供设计时参考。

选择流速时，应尽可能防止在层流下流动表1 管壳式换热器中常用的流速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，mPa·s> 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、易爆液体的平安允许速度液体名称乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮平安允许速度，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Φ25×2.5的不锈钢管，则管径d0=25-2.5×2=20mm管流速取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 ρi=995.35kg/m3比热容 =4.174 kJ/(kg.K)导热系数 λi=0.6197 W/(m.K)粘度 μi 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 ρ0=759kg/m3 比热容 =3.14kJ/(kg.K) 导热系数 λ0=0.1748W/(m.K) 粘度 μ0=0,58mPa.s第三章 、主要工艺参数计算3.1估算传热面积①乙酸流量：②热流量：③平均传热温差： 先按照纯逆流计算，得④冷却水用量：=⑤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μ＜0.5mPa·s中有机物μ=0.5～1mPa·s重有机物μ＞1mPa·s水〔流速为1m/s〕水水溶液μ＜2mPa·s水溶液μ＞2mPa·s有机物μ＜0.5mPa·s有机物μ=0.5～1mPa·s有机物μ＞1mPa·s有机溶剂μ=0.3～0.55mPa·s轻有机物μ＜0.5mPa·s中有机物μ=0.5～1mPa·s重有机物μ＞1mPa·s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198～233233～465116～34958～2332326～46521745～34891163～1071582～2908582～1193291～582114～3493.2初选换热器类型可依据传热管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，宜采用多管程构造。

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/T4714—92〕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=1.25×25=31.25≈32㎜换热器型号：BES600—1.6—31.6—64.8—4—II 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壳体径采用多管程构造，进展壳体径估算取管板利用率η=0.70 ，则壳体径为：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4—25温差校正系数知=0.93，则平均传热温差：. z.-3.5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。