乙醇冷却器的设计-化工原理课设.doc

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目录

任务书 2

第一章概述与设计方案的选择 3

1.1概述 3

1.1.1换热器概述 3

1.1.2换热器的种类及特点 3

1.1.3换热器设计要求 4

1.2设计方案的选择 4

1.2.1换热器型式的选择 4

1.2.2流体流动空间的选择 5

1.2.3流体流速的选择 5

第二章、确定物性数据 6

2.1确定物性数据 7

第三章、主要工艺参数计算 7

3.1估算传热面积 7

3.2初选换热器类型 9

3.3壳体内径 10

3.4校正平均传热温差 10

3.5折流挡板 11

第四章、换热器的热流量核算 12

4.1壳程表面传热系数 12

4.2管程表面传热系数 13

4.3污垢热阻和管壁热阻 14

4.4传热系数 14

4.6壁温计算 14

第五章、阻力损失 15

5.1管程流体的阻力损失 15

5.2壳程流体的压力降 16

第六章、主要附件的尺寸设计 16

6.1接管 16

6.2换热管 17

6.3封头 17

6.4膨胀节 18

6.5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

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　　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（heatexchanger），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：

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）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。

①不洁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，且蒸汽较洁净，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）下即可达到湍流，以提高传热系数。

⑧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

>1.0

5.0-30

壳程

0.2-1.5

>0.5

3.0-15

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

>1500

1500-500

500-100

100-35

35-1

<1

最大流速，m/s

0.6

0.75

1.1

1.5

1.8

2.4

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Φ25×2.5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=4.174kJ/（kg.K）

导热系数λi=0.6197W/（m.K）

粘度μi=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

198～233

233～465

116～349

58～233

2326～4652

1745～3489

1163～1071

582～2908

582～1193

291～582

114～349

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：

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/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=1.25×25=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/m2

600

4

188

10

0.0148

4500

32

64.8

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