乙醇冷卻器的設計-化工原理課設

1、華東交通大學材料科學與工程學院課程設計目錄任務書2第一章 概述與設計方案的選擇31.1概述31.1.1換熱器概述31.1.2換熱器的種類及特點31.1.3換熱器設計要求41.2設計方案的選擇41.2.1換熱器型式的選擇41.2.2流體流動空間的選擇51.2.3流體流速的選擇5第二章、確定物性數(shù)據(jù)62.1確定物性數(shù)據(jù)7第三章 、主要工藝參數(shù)計算73.1估算傳熱面積73.2初選換熱器類型93.3殼體內(nèi)徑103.4校正平均傳熱溫差103.5折流擋板11第四章 、換熱器的熱流量核算124.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)124. 2管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)134. 3污垢熱阻和管壁熱阻144. 4傳熱系數(shù)144.6壁溫計算

2、14第五章、阻力損失155.1管程流體的阻力損失155.2殼程流體的壓力降16第六章、主要附件的尺寸設計166.1接管166.2換熱管176.3封頭176.4膨脹節(jié)186.5其他附件18第七章、設計結(jié)果一覽表18乙醇冷卻器工藝流程圖20心得體會：21參考文獻22任務書一、 設計題目乙醇冷卻器的設計二、 設計的目的：通過對乙醇產(chǎn)品冷卻的列管式換熱器設計，達到讓學生了解該換熱器的結(jié)構(gòu)特點，并能根據(jù)工藝要求選擇適當?shù)念愋?，同時還能根據(jù)傳熱的基本原理，選擇流程，確定換熱器的基本尺寸，計算傳熱面積以及計算流體阻力。三、設計任務及操作條件、處理量12×104t/a乙醇、設備型式：列管式換熱器、操

3、作條件(1)乙醇：入口溫度：78，出口溫度44(2)冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度24，出口溫度38 (3)允許壓降：不大于105Pa(4)每天按330天計，每天24小時連續(xù)運行。4、建廠地址江西地區(qū)第一章 概述與設計方案的選擇1.1概述1.1.1換熱器概述換熱器（heat exchanger），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄

4、熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應用最多。列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì) ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進行換熱時，一種流體由封頭的連結(jié)管處進入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。1.1.2換熱器的種類及特點管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標準換熱設備，它具有結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，造價低廉，用材廣泛，清洗方便，適應性強等優(yōu)點，應用最為廣泛。管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點分為以下幾種：（1） 固定管板式換熱器固定管板

5、式換熱器 它由殼體、管束、封頭、管板、折流擋板、接管等部件組成。其結(jié)構(gòu)特點是，兩端的管板與殼體連在一起，管束兩端固定在管板上，這類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，價格低廉，每根換熱管都可以進行更換，且管內(nèi)清洗方便，但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于50且殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，其膨脹節(jié)的彈性變形可減小溫差應力，這種補償方法適用于兩流體溫差小于70且殼方流體壓強不高于600Kpa的情況。（2） 浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的管板有一個不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關。浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清洗和檢修，適用于兩流體溫差

6、較大的各種物料的換熱，應用極為普遍，但結(jié)構(gòu)復雜，造價高。1.1.3換熱器設計要求完善的換熱器在設計和選型時應滿足以下各項基本要求：（1）合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件：可以從：增大傳熱系數(shù)提高平均溫差妥善布置傳熱面等三個方面具體著手。（2）安全可靠換熱器是壓力容器，在進行強度、剛度、溫差應力以及疲勞壽命計算時，應遵循我國鋼制石油化工壓力容器設計規(guī)定和鋼制管殼式換熱器設計規(guī)定等有關規(guī)定與標準。（3）有利于安裝操作與維修直立設備的安裝費往往低于水平或傾斜的設備。設備與部件應便于運輸與拆卸，在廠房移動時不會受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設保溫層。（4）經(jīng)濟合理評價換熱器的

7、最終指標是：在一定時間內(nèi)（通常1年內(nèi)的）固定費用（設備的購置費、安裝費等）與操作費（動力費、清洗費、維修費）等的總和為最小。1.2設計方案的選擇1.2.1換熱器型式的選擇在乙醇精餾過程中塔頂一般采用的換熱器為列管式換熱器，故初步選定在此次設計中的換熱器為列管式換熱器。列管式換熱器的型式主要依據(jù)換熱器管程與殼程流體的溫度差來確定。被冷卻為乙醇，入口溫度為78，出口溫度為44；冷卻介質(zhì)為水，入口溫度為24，出口溫度為38，根據(jù)概述中各種類型的換熱器的敘述，綜合以上可以選用浮頭式換熱器。1.2.2流體流動空間的選擇在列管式換熱器中，哪一種流體流經(jīng)管程，哪一種流體流經(jīng)殼程，取決于多種因素。 不潔凈和易

8、結(jié)垢的流體宜走管程，因為管程清洗比較方便。 腐蝕性的流體宜走管程，以免時管子和殼體同被腐蝕，且管程便于檢修與更換。 壓力高的流體宜走管程，以免殼體受壓，可節(jié)省殼體金屬消耗量。 被冷卻的流體宜走殼程，可利用殼體對外的散熱作用，增強冷卻效果。 飽和蒸汽宜走殼程，以便于及時排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，一般不需清洗 有毒易污染的流體宜走管程，以減少泄漏量。 流量小或粘度大的流體宜走殼程，因流體在有折流擋板的殼程中流動，由于流速和流向的不斷改變，在低Re（Re>100）下即可達到湍流，以提高傳熱系數(shù)。 若兩流體溫差較大，宜使對流傳熱系數(shù)大的流體走殼程，因壁面溫度與大的流體接近，以減小管壁與殼壁的溫差

9、，減小溫差應力。綜合以上的選擇原則可以確定乙醇走管程，水走殼程比較適宜。1.2.3流體流速的選擇流體流速的選擇涉及到傳熱系數(shù)、流動阻力及換熱器結(jié)構(gòu)等方面。增大流速，可加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢的形成，使總傳熱系數(shù)增大；但同時使流動阻力加大，動力消耗增多；選擇高流速，使管子的數(shù)目減小，對一定換熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數(shù)，管子太長不利于清洗，單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶄鳠釡夭钕陆怠Ｒ虼?，一般需通過多方面權(quán)衡選擇適宜的流速。表1至表3列出了常用的流速范圍，可供設計時參考。選擇流速時，應盡可能避免在層流下流動。表1 管殼式換熱器中常用的流速范圍流體的種類一般流體易結(jié)垢液體氣體流速m/s管程0.5

10、-3.0> 1.05.0 -30殼程0.2 -1.5> 0.53.0 -15表2 管殼式換熱器中不同粘度液體的常用流速 液體粘度，mPa·s> 15001500 -500500 -100100 -3535-1< 1最大流速，m/s0.60.751.11.51.82.4表3 管殼式換熱器中易燃、易爆液體的安全允許速度液體名稱乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮安全允許速度，m/s< 1< 2 -3< 10由于使用的冷卻介質(zhì)是水，比較容易結(jié)垢，乙醇則不易結(jié)垢。水和乙醇的粘度都較小，參考以上三個表格數(shù)據(jù)可以初步選用25×2.5的不銹鋼管

11、，則管內(nèi)徑d0=25-2.5×2=20mm管內(nèi)流速取ui=1.1m/s。第二章、確定物性數(shù)據(jù)2.1確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。 殼程循環(huán)水的定性溫度為：tm =(24+38)/2=31 在化工原理第三版王志魁編附錄查取水30、40下的物性參數(shù)，用插值法算得定性溫度下水的參數(shù) 確定水在該定性溫度下的物性：密度 i=995.35kg/m3比熱容 =4.174 kJ/(kg.K)導熱系數(shù) i=0.6197 W/(m.K)粘度 i=0.786mPa.s 乙醇的定性溫度為Tm=(78+44)/2=61 在化工原理第三版王志魁編附錄

12、中根據(jù)各物性的共線圖查得乙醇各參數(shù)如下。 確定乙醇在該定性溫度下的物性：密度 0=759kg/m3 比熱容 =3.14 kJ/(kg.K) 導熱系數(shù) 0=0.1748W/(m.K) 粘度 0=0,58mPa.s第3章 、主要工藝參數(shù)計算3.1估算傳熱面積乙酸流量： 熱流量：平均傳熱溫差： 先按照純逆流計算，得 冷卻水用量：=傳熱面積：查表5總傳熱系數(shù)的選擇初步確定K=245W/（m2·）則估算傳熱面積Ap=表4總傳熱系數(shù)的選擇管程殼程總傳熱系數(shù)/（W/（m2·）有機溶劑輕有機物0.5mPa·s中有機物=0.51mPa·s重有機物1mPa·s水（

13、流速為1m/s）水水溶液2mPa·s水溶液2mPa·s有機物0.5mPa·s有機物=0.51mPa·s有機物1mPa·s有機溶劑=0.30.55mPa·s輕有機物0.5mPa·s中有機物=0.51mPa·s重有機物1mPa·s水蒸氣（有壓力）冷凝水蒸氣（常壓或負壓）冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝19823323346511634958233232646521745348911631071582290858211932915821143493.2初選換熱器類型可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確

14、定單程傳熱管數(shù)： 按單程管計算，所需的傳熱管長度為 ：L=按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)化工原理第三版王志魁編附錄二十三浮頭式換熱器的主要參數(shù)由估算面積Ap=63.7m2可選用標準浮頭式換熱器（摘自JB/T471492）型號為：BES6001.631.664.84II。換熱器參數(shù)見表6。采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角形排列,隔板兩側(cè)采用正方形排列，如圖1。取管心距t=1.25d0，則 t=1.25×25=31.2532。換熱器型號：BES6001.631.664.84II 表5 換熱器的具體參數(shù)公稱直徑DN/mm管程數(shù)N管子根數(shù)n中心排管數(shù)管程流通面積/m2換熱

15、管長度L/mm管心距t/mm公稱換熱面積S/m26004188100.014845003264.8圖1管子在管板上的排列方式和組合排列示意圖3.3殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，進行殼體內(nèi)徑估算。取管板利用率=0.70 ，則殼體內(nèi)徑為：D=1.05t按卷制殼體的進級檔，可取D=600mm3.4校正平均傳熱溫差平均溫差校正系數(shù)：R=，P=查化工原理第三版王志魁編圖425溫差校正系數(shù)知=0.93，則平均傳熱溫差：233.5折流擋板設置折流板的目的是為了提高流速，增加湍動，改善傳熱，在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。弓形缺口的高度h為殼體公稱直徑Dg的15%45%，取30%,則 h=0.3×600

16、=180m，故可取h=180mm。取折流板間距B=0.35D，則 B=0.35×600=210mm，可取B為300mm。折流板數(shù)目折流板厚度取5mm，取值見表7折流板圓缺面水平裝配圖 見圖2表7折流板厚度/ mm殼體公稱內(nèi)徑/mm相鄰兩折流板間距/mm3003004504506006007507502002503561010400700561010127001000681012161000610121616 圖2 第4章 、換熱器的熱流量核算4.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 當量直徑：=殼程流通截面積： 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為： 普朗特數(shù)： 粘度校正： 4. 2管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 管程流體

17、流通截面積： 管程流體流速： 雷諾數(shù)： 普朗特數(shù)： 4. 3污垢熱阻和管壁熱阻管外側(cè)污垢熱阻 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻管壁不銹鋼在該條件下的熱導率為17.13 w/(m·K)。所以4. 4傳熱系數(shù)4.5傳熱面積裕度 計算傳熱面積Ac：該換熱器的實際傳熱面積為A：A=64.8m2該換熱器的面積裕度為傳熱面積裕度在10%20%范圍內(nèi)，故該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。4.6壁溫計算 由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時，循環(huán)水的進口溫度將會降低。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應該按最不利

18、的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是有： 式中液體的平均溫度和氣體的平均溫度分別計算為湍流時：631.2w/（·K）22217.2w/（·K）傳熱管平均壁溫： 殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=31。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 。 該溫差不大，故不需要設溫度補償裝置，因此，需選用浮頭式換熱器較為適宜。第五章、阻力損失5.1管程流體的阻力損失 , , 當Re=7280.99 查得=0.0385 , 所以： 管程流體的壓力降在允許的范圍內(nèi)5.2殼程流體的壓力降 按式計算 , , .15流體流經(jīng)管束的壓降 對于正三角形排列F=0.5對于正三角形

19、排列 ， 流體流過折流板缺口的壓降 , B=0.3m , D=0.6m總壓降殼程流體的壓力降在允許的范圍內(nèi)。第六章、主要附件的尺寸設計6.1接管殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為u1=0.9m/s，則接管內(nèi)徑為mm圓整后可取管內(nèi)徑為110mm。管程流體進出口接管：取接管內(nèi)液體流速u2=1.8m/s，則接管內(nèi)徑為：圓整后去管內(nèi)徑為65mm。6.2換熱管換熱管的規(guī)格及尺寸偏差，經(jīng)過查表，對于碳鋼、不銹鋼換熱管的規(guī)格及尺寸偏差見下表9管板厚度20mm 表8 管板的最小厚度換熱器管子外徑/mm25323857管板厚度/mm3/4222532 表9碳鋼、不銹鋼換熱管的規(guī)格及尺寸偏差材料換熱管標準管子

20、規(guī)格高精度、較高精度偏差外徑，mm厚度，mm外徑偏差，mm壁厚偏差，mm碳鋼GB/TB8163143022.5±0.2+12%不銹鋼GB9948-10% 6.3封頭封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小（一般小于400mm）的殼體，橢圓形用于大直徑的殼體。殼徑為600mm，選用橢圓形封頭，見圖3。 圖3橢圓形封頭6.4膨脹節(jié)膨脹節(jié)又稱補償圈。膨脹節(jié)的彈性變形可 減小溫差應力，這種補償方法適用于兩流體的溫差低于700且殼方的流體壓強不高于600KPa的情況。換熱器的膨脹節(jié)一般分為帶襯筒的膨脹節(jié)和不帶襯筒的膨脹節(jié)。根據(jù)換熱器殼側(cè)介質(zhì)的不同，使用的膨脹節(jié)就不同，通常為了減小膨脹節(jié)對介質(zhì)的流動

21、阻力，常用帶襯筒的膨脹節(jié)。襯筒應在順介質(zhì)流動的方向側(cè)與殼焊接。對于臥式換熱器，膨脹節(jié)底部應采用帶螺塞結(jié)構(gòu)，這樣便于排液。6.5其他附件緩沖擋板可防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動，還有使流體沿管束均勻分布的作用。 換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除第七章、設計結(jié)果一覽表型號BES6001.664.84.5/254II參數(shù)殼程管程物質(zhì)循環(huán)水乙醇流率/(kg/h)27769.715200進/出口溫度/24/3878/44物性定性溫度/3161密度/（kg/m3）995.35759定壓比熱容/kJ/（kgK）4.1743.14粘度/（Pas）7.86×5.8

22、5;熱導率（W/mK）0.61970.174普朗特數(shù)5.29410.42設備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/600臺數(shù)1管徑/25×2.5管心距/32管長/4500管子排列正三角形排列管數(shù)目/根188折流板數(shù)/個14傳熱面積/64.8折流板間距/300管程數(shù)4材質(zhì)不銹鋼主要計算結(jié)果殼程管程流速/（m/s）0.19870.377表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/（K）2217.7631.2污垢熱阻/（K/W）0.000580.000176壓力降/ kPa2.62127.071熱流量/KW450.76傳熱溫差/21.4傳熱系數(shù)/W/（K）295.4裕度/%14.23%乙醇冷卻器工藝流程圖心得體會： 經(jīng)過近一周的奮戰(zhàn)，我的課程設計終于完成了。在沒有做課程設計以前覺得課程設計只是對這一年來所學知識的簡單總結(jié)，但是通過這次做課程設計發(fā)現(xiàn)自己的看法有點太片面。課程設計任務布置下來時并不怎么擔心可是當真正動起手來才發(fā)現(xiàn)這次課設中所涉及的知識點還有太多沒有掌握。 在計算時用到的知識點有很多都沒有掌握，不過經(jīng)過這一個星期以來和同學們之間相互討論，讓我掌握到了很多課堂上學不到的知識，團結(jié)合作等。進一步加深了和同學之間的感情。