乙醇冷却器的设计化工原理课设

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1、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换热器设计规定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、拟定物性数据62.1拟定物性数据7第三章 、重要工艺参数计算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

2、的阻力损失155.2壳程流体的压力降16第六章、重要附件的尺寸设计166.1接管166.2换热管176.3封头176.4膨胀节186.5其她附件18第七章、设计成果一览表18乙醇冷却器工艺流程图20心得体会：21参照文献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，达到让学生理解该换热器的构造特点，并能根据工艺规定选择合适的类型，同步还能根据传热的基本原理，选择流程，拟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、解决量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

3、)冷却介质：循环水，入口温度24，出口温度38 (3)容许压降：不不小于105Pa(4)每天按330天计，每天24小时持续运营。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，又称热互换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其他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。换热器种类诸多，但根据冷、热流体热量互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

4、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。它重要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等构成。所需材质 ，可分别采用一般碳钢、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，是一种通用的原则换热设备，它具有构造简朴，结实耐用，造价低廉，用材广泛，清洗以便，适应性强等长处，应用最为广泛。管壳式换热器根据构造特点分为如下几种：（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、

5、接管等部件构成。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，此类换热器构造简朴，紧凑，价格低廉，每根换热管都可以进行更换，且管内清洗以便，但管外清洗困难，宜解决两流体温差不不小于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，这种补偿措施合用于两流体温差不不小于70且壳方流体压强不高于600Kpa的状况。（2） 浮头式换热器 浮头式换热器的管板有一种不与外壳连接，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，合用于两流体温差较大的多种物料的换热，应用极为普遍，但构

6、造复杂，造价高。1.1.3换热器设计规定完善的换热器在设计和选型时应满足如下各项基本规定：（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，应遵循国内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原则。（3）有助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送与拆卸，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后指标是：在一定期间内（一般1年内的）

7、固定费用（设备的购买费、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，故初步选定在本次设计中的换热器为列管式换热器。列管式换热器的型式重要根据换热器管程与壳程流体的温度差来拟定。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，根据概述中多种类型的换热器的论述，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。 不干净和易结垢的流体宜走管程，由于管程清洗比较以便

8、。 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，可运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，且蒸汽较干净，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变化，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拟定乙醇走

9、管程，水走壳程比较合适。1.2.3流体流速的选择流体流速的选择波及到传热系数、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；但同步使流动阻力加大，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长程数，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合适的流速。表1至表3列出了常用的流速范畴，可供设计时参照。选择流速时，应尽量避免在层流下流动。表1 管壳式换热器中常用的流速范畴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

10、 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、易爆液体的安全容许速度液体名称乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮安全容许速度，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，参照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、拟定物性数据2.1拟定物性数据 定性温度：对于一般气

11、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 拟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。 拟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

12、热系数 0=0.1748W/(m.K) 粘度 0=0,58mPa.s第三章 、重要工艺参数计算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拟定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1m

13、Pas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初选换热器类型可根据传热管内径和流速拟定单程传热管数： 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重要参数由估算面积Ap=63.7m2可选用原则浮头式换热器（摘自JB/T471492）型号为：BES6001.631.664.84II。换热器参数见表6。采用

14、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构造，进行壳体内径估算。取管板运用率=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

15、=，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：3.5折流挡板设立折流板的目的是为了提高流速，增长湍动，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/mm30030045045060060075075020025035610104007005

16、61010127001000681012161000610121616 图2 第四章 、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)。因此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%范畴内，故该换热器可以完毕生产任务。4

17、.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减少。此外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，减少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也许较大。计算中，应当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合适。第五章、阻力损失5.1管程流

18、体的阻力损失 , , 当Re=7280.99 查得=0.0385 , 因此： 管程流体的压力降在容许的范畴内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容许的范畴内。第六章、重要附件的尺寸设计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，通过查

19、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原则管子规格高精度、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（一般不不小于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

20、措施合用于两流体的温差低于700且壳方的流体压强不高于600KPa的状况。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，一般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构造，这样便于排液。6.5其她附件缓冲挡板可避免进口流体直接冲击管束而导致管子的侵蚀和管束振动，尚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、设计成果一览表型号BES6001.664.84.5/254II参数壳程管程物质循环水乙醇流率/(kg/h)2776

21、9.715200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设备构造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材质不锈钢重要计算成果壳程管程流速/（m/s）0.19870.377表面传热系数/W/（K）2217.7631.2污垢热阻/（K/W）0.000580.00

22、0176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： 通过近一周的奋战，我的课程设计终于完毕了。在没有做课程设计此前觉得课程设计只是对这一年来所学知识的简朴总结，但是通过这次做课程设计发现自己的见解有点太片面。课程设计任务布置下来时并不怎么紧张可是当真正动起手来才发现这次课设中所波及的知识点尚有太多没有掌握。 在计算时用到的知识点有诸多都没有掌握，但是通过这一种星期以来和同窗们之间互相讨论，让我掌握到了诸多课堂上学不到的知识，团结合伙等。进一步加深了和同窗之间的感情。 这次课设由

23、于我用的是CAD画图，这是前所未有的困难，之前学到的有关CAD的知识点基本上已经忘光了，因此不得不一步一步重新拾起来，最后两天基本上是早上八点起来始终持续到晚上2点都在对着电脑，从每个作图工具开始一步一步尝试。小到每条线，每个标注都是重新翻阅资料找到相应的画法然后构成整个换热器。看着别人仅仅有了一种上午就徒手把图画好了，变得更加焦急。但最后还是尝试把整个图画下来了。这让我更好的把所学的知识用到了实处，真正做到学以致用。 在这次课程设计中也使我们的同窗关系更进一步了，同窗之间互相协助，有什么不懂的人们在一起商量，听听不同的见解对我们更好的理解知识，因此在这里非常感谢协助我的同窗和教师。没有同窗们

24、的协助也许早就放弃了用CAD画图的想法。也不也许完毕的如此顺利。参照文献 1 王卫东. 化工原理课程设计. 化学工业出版社. .9.2 王国胜.化工原理课程设计.大连理工大学出版社,.23 王志魁、刘丽英、刘伟.化工原理.北京化学工业出版社.54 方利国 计算机辅助化工制图与设计 化学工业出版社 .45贾绍义，柴诚敬化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计）（M）天津：天津大学出版社，6申迎华，郝晓刚化工原理课程设计（M）北京：化工工业出版社，7时钧，汪家鼎，余国琮等化学工程手册（M）北京：化学工业出版社，19968钱颂文. 热互换设计手册（M），北京：化学工业出版社，.9卢焕章等. 石油化工基本数据手册（M），北京：化学工业出版社，.10化工设备手册编辑委员会. 化工设备图册（M），北京：化学工业部设备设计技术中心站，1998.11中华人民共和国国标.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布,1989