1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 化工原理課程設(shè)計(jì)說明書（題 目：列管換熱器設(shè)計(jì) 年產(chǎn)3.0萬(wàn)噸酒精精餾系統(tǒng)換熱器學(xué)生姓名：學(xué) 院：系 別：應(yīng)用化工系專 業(yè)：應(yīng)用化工技術(shù)班 級(jí)：應(yīng)用化工班指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)日期：二 一 一 年 十 月 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)院（系）： 課程名稱： 化工原理 指導(dǎo)教師（簽名）： 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 1 一、課程設(shè)計(jì)題目：列管換熱器設(shè)計(jì)年產(chǎn)3.8萬(wàn)噸酒精精餾系統(tǒng)換熱器二、課程設(shè)計(jì)的目的課程設(shè)計(jì)是“化工原理”課程的一個(gè)總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)先修課程的基本知識(shí)去解決某一設(shè)計(jì)任務(wù)的一次訓(xùn)練，在整個(gè)教學(xué)計(jì)劃中它也起著培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作

2、能力的重要作用，通過課程設(shè)計(jì)就以下幾個(gè)方面要求學(xué)生加強(qiáng)鍛煉：1. 查閱資料選用公式和搜集數(shù)據(jù)的能力；2. 樹立既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意到操作時(shí)的勞動(dòng)條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計(jì)思想，在這種設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下去分析和解決實(shí)際問題的能力；3. 迅速準(zhǔn)確地進(jìn)行工程計(jì)算（包括電算）的能力；4. 用簡(jiǎn)潔的文字清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。 三、課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和要求設(shè)計(jì)任務(wù)及內(nèi)容：1 確定換熱系統(tǒng)的流程方案，繪制流程圖；2 為所制定的流程方案配置換熱器并選型；3 確定塔頂冷卻器和原料預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)尺寸：設(shè)計(jì)計(jì)算換熱器的熱負(fù)荷、傳熱面積、換熱器接管、殼體、管板、封頭、隔板及

3、接管等；4 核算總傳熱系數(shù)和流動(dòng)阻力；5 繪制塔頂產(chǎn)品冷卻器的裝配圖；6 編寫課程設(shè)計(jì)說明書。設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)1 工藝物流(1) 精餾原料: 粗酒精含乙醇50%,水50%(質(zhì)量分率),由20預(yù)熱至泡點(diǎn)81.9；(2) 塔頂產(chǎn)品: 含乙醇不低于92 %, 78.3蒸汽冷凝為飽和液體回流，產(chǎn)品冷卻為35液體儲(chǔ)存；(3) 塔底殘液: 含乙醇不高于0.5%, 99.3冷卻為35液體。2 其他參數(shù)精餾過程回流比R=2呼和浩特地區(qū)水溫15四、工作進(jìn)度安排 7月11日：設(shè)計(jì)動(dòng)員，下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)，講解設(shè)計(jì)方案的確定，設(shè)計(jì)過程的步驟及注意事項(xiàng)，查閱收集相關(guān)圖書資料，1 天7月12日-7月19日：確定方案并進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算

4、：9天7月20日-7月22日：繪圖：2天7月23日-7月25日：整理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，編寫設(shè)計(jì)說明書：2天五、主要參考文獻(xiàn)1. 天津大學(xué)化工原理教研室.化工原理課程設(shè)計(jì).天津科學(xué)技術(shù)出版社.19942.化學(xué)工程手冊(cè)編委會(huì).化學(xué)工程手冊(cè)(第1，12，13篇).化學(xué)工業(yè)出版社,19793.上?；瘜W(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)院石油化工設(shè)備設(shè)計(jì)建設(shè)組.化工設(shè)備圖冊(cè).19744.上?；瘜W(xué)學(xué)院等.化學(xué)工程(下冊(cè)).化學(xué)工業(yè)出版社,19815.百度百科6.化工原理審核批準(zhǔn)意見系（教研室）主任（簽字） 前 言化工原理課程設(shè)計(jì)是針對(duì)學(xué)習(xí)化工原理課程的學(xué)生開設(shè)的具有強(qiáng)化性的實(shí)訓(xùn)課程。課程設(shè)計(jì)主要是提高學(xué)生的動(dòng)手能力，設(shè)計(jì)能力以及對(duì)化工原理

5、課程內(nèi)容的掌握。在此次化工原理課程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)任務(wù)多種多樣，列管換熱器的設(shè)計(jì)便是其中之一。換熱器是工業(yè)常用設(shè)備之一，在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要的角色。換熱器主要作用是對(duì)工業(yè)原料及產(chǎn)物的熱性質(zhì)進(jìn)行改變。根據(jù)用途主要又分為加熱器與冷凝器。常用換熱器主要有固定板式換熱器、浮頭式換熱器、U型換熱器等。我在課設(shè)中主要選用固定板式換熱器，對(duì)其進(jìn)行了物料衡算、換熱管的選擇、換熱器的選型等一系列工業(yè)設(shè)計(jì)。熟悉掌握換熱器的化工工藝用途、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。在設(shè)計(jì)過程程中查閱相關(guān)資料獲得所需物料的物化特性，向老師提問有關(guān)問題，對(duì)我們的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的 目 錄摘 要6字符說明.7第一章 換熱系統(tǒng)的流程方案的確定8

6、1.1換熱系統(tǒng)的流程方案的設(shè)計(jì).8 1.2換熱設(shè)計(jì)方案的確定.8 1.3固定管板式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算.12第二章 設(shè)計(jì)工藝計(jì)算.17 2.1全塔物料衡算.17 2.2原料預(yù)熱器的設(shè)計(jì)和計(jì)算.24 2.3塔頂冷凝器的設(shè)計(jì)和計(jì)算.30 2.4塔頂冷卻器的設(shè)計(jì)和計(jì)算.30主參看文獻(xiàn).37附 錄.38致 辭.40 摘 要在石油、化工、食品加工、輕工、制藥等行業(yè)的生產(chǎn)過程中，換熱器是通用工藝設(shè)備，可用作加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，換熱器類型，性能各異，但設(shè)計(jì)所依據(jù)的傳熱基本原理相同，不同之處是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要根據(jù)各自設(shè)備特點(diǎn)采用不同的計(jì)算方法。換熱器伴隨工業(yè)生產(chǎn)的始終，其效果的好壞直接影響化

7、工生產(chǎn)的質(zhì)量和生產(chǎn)效益，所以換熱器是非常重要的化工生產(chǎn)設(shè)備,在化工領(lǐng)域中，它扮演著主力軍的身份，它是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備，在化工設(shè)備中占大約50%以上的比重。為了完成年產(chǎn)3.8萬(wàn)噸酒精的生產(chǎn)任務(wù)并節(jié)約能源，減少對(duì)環(huán)境的污染，本次換熱器設(shè)計(jì)的思路為用塔底釜?dú)堃旱臒崃縼硐燃訜嵩弦?，是原料液加熱到一定溫度，然后再用高溫蒸汽來加熱原料液。塔頂酒精蒸汽?jīng)過全凝器，用冷卻水是酒精蒸汽冷卻至液體，再經(jīng)過冷卻器是產(chǎn)品冷卻至35度。關(guān)鍵詞：換熱器、冷卻器、全凝器、預(yù)熱器。符號(hào)說明Q傳熱速率(即熱負(fù)荷)，W；K總傳熱系數(shù)，W(m2)；S與K值對(duì)應(yīng)的換熱器傳熱面積，m2； tm平均溫度差

8、，。W 流體的質(zhì)量流量，kgh；Cp流體的平均定壓比熱容，J(kg·)；T 熱流體的溫度，；t 冷流體的溫度，；r 飽和蒸氣的冷凝潛熱，kJkg。K?；趽Q熱器外表面積的總傳熱系數(shù)，w(m2)； 基于管內(nèi)及管外的對(duì)流傳熱系數(shù)，w(m2·)；Rso、Rsi一分別為管外側(cè)及管內(nèi)側(cè)表面上的污垢熱阻，(m2)w;do、di 、dm分別為換熱器列管的外徑、內(nèi)徑及平均直徑,m；b列管管壁厚度, m；k一列管管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，w(m·)t蒸汽的飽和溫度與壁溫之差，nc水平管束在垂直列上的管數(shù)；直管中因摩擦阻力引起的壓力降Pa；回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa；結(jié)垢校正系數(shù)，無

9、因次，25×2.5mm的換熱管取1.4；19×2mm的換熱管取1.5；串聯(lián)的殼程數(shù)；管程數(shù)。 阻力系數(shù)，列管換熱器管內(nèi)=3折流擋板數(shù)目；按殼程流通面積So計(jì)算的流速，m/s。第一章 換熱系統(tǒng)的流程方案的確定1.1換熱系統(tǒng)的流程方案的設(shè)計(jì) 進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求確定換熱系統(tǒng)的流程方案并選用適當(dāng)類型的換熱器，確定所選換熱器中流體的流動(dòng)空間及流速等參數(shù)，同時(shí)計(jì)算完成給定生產(chǎn)任務(wù)所在地需的傳熱面積，并確定換熱器的工藝尺寸。流程方案的初步設(shè)計(jì)中，考慮使用塔底殘液的廢熱來預(yù)熱原料液，達(dá)到廢熱再利用的效果，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。本次換熱系統(tǒng)為精餾系統(tǒng)的換熱設(shè)備，包括原料預(yù)熱器，塔頂

10、全凝器，塔頂產(chǎn)品冷卻器，塔底再沸器，塔底殘液冷卻器。對(duì)原料預(yù)熱器和塔頂產(chǎn)品冷凝器進(jìn)行精算，塔頂冷卻器和塔底殘葉冷卻器只作初算，而塔底再沸器不作要求。1.2 換熱器設(shè)計(jì)方案的確定1.2.1換熱器類型的選擇對(duì)于所選擇的換熱器，應(yīng)盡量滿足以下要求：具有較高的傳熱效率、較低的壓力降；重量輕且能承受操作壓力；有可靠的使用壽命；產(chǎn)品質(zhì)量高，操作安全可靠；所使用的材料與過程流體相容；設(shè)計(jì)計(jì)算方便，制造簡(jiǎn)單，安裝容易，易于維護(hù)與維修。 在實(shí)際選型中，這些選擇原則往往是相互矛盾、相互制約的。在具體選型時(shí)，我們需要抓住實(shí)際工況下最重要的影響因素或者說是所需換熱器要滿足的最主要目的，解決主要矛盾。本文中兩流體溫差介

11、于50和70之間的選擇帶補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器，小于50的選擇固定管板式換熱器。根據(jù)制定的流程方案，可選擇帶補(bǔ)償圈的和不帶補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器，此類換熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，宜處理兩流體溫差50到70且殼方流體較清潔及不宜結(jié)垢的物料，流體壓強(qiáng)不高于600Kpa的情況。1.2.2固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)的確定固定管板式換熱器由管板、殼體、封頭等組成。固定管板式換熱器最容易出現(xiàn)的故障就是管子和管板連接部分泄漏。所以必須注意固定管板式換熱器的連接方法和質(zhì)量。固定管板式換熱器主要分為管程和殼程兩大部分。1.2.2.1管程結(jié)構(gòu) 換熱器管程由換熱管、管板、封頭或管箱組成。1、換熱管布置和排列間距管束的

12、多少和長(zhǎng)短由傳熱面積的大小和換熱器結(jié)構(gòu)來決定，它的材質(zhì)選擇主要考慮傳熱效果、耐腐蝕性能、可焊性等。常用管徑和壁厚有19×2，25×2.5等；管長(zhǎng)有1500mm、2000mm和3000mm；材料有普碳鋼或不銹鋼等。在管程結(jié)垢不很嚴(yán)重以及允許壓力降較高的情況下，采用19mm×2mm直徑的管子更為合理。這次用到的換熱器的壓力不大，換熱器中流體沒有腐蝕性，所以選擇25×2.5 mm碳鋼管。本次設(shè)計(jì)采用25×2.5 mm碳鋼管。換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正三角形排列、同心圓排列，正三角形排列比較緊湊，管板利用率高，管外流體湍動(dòng)程度高，對(duì)流傳熱系

13、數(shù)大，但管外清洗較困難；正方形排列便于機(jī)械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。本次設(shè)計(jì)選擇正三角形的排列方式。2、管子與管板及其連接方式的選擇管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。列管式換熱器管板是用來固定管束連接殼體和端蓋的一個(gè)圓形厚板，它的受力關(guān)系比較復(fù)雜。厚度計(jì)算應(yīng)根據(jù)我國(guó)“鋼制壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定”進(jìn)行，一般采用20到30個(gè)毫米的。管板與管子的連接可脹接，焊接和脹焊并用。焊接法應(yīng)用廣泛，這次用到的換熱器內(nèi)流體溫度不高，壓力不大，所以選擇焊接的方式連接管子和管板。3、封頭、管箱的確定列管式換熱器管箱即換熱器的端蓋，也叫分配室。用以分配液體

14、和起封頭的作用。壓力較低時(shí)可采用平蓋，壓力較高時(shí)則采用凸形蓋，用法蘭與管板連接。檢修時(shí)可拆下管箱對(duì)管子進(jìn)行清洗或更換。1.2.2.2 殼程結(jié)構(gòu) 殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要由折流板、支承板、縱向隔板及緩沖板等元件組成。1、換熱器殼體的確定根據(jù)管間壓力、直徑大小和溫差力決定它的壁厚；由介質(zhì)的腐蝕情況決定它的材質(zhì)。直徑小于400mm的殼體通常用鋼管制成，大于400mm的用鋼板卷焊而成。根據(jù)工作溫度選擇殼體材料，有防腐要求時(shí)，大多考慮使用復(fù)合金屬板。2、列管式換熱器折流板的作用是；增強(qiáng)流體在管間流動(dòng)的湍流程度；增大傳熱系數(shù)；提高傳熱效率。同時(shí)它還起支撐管束的作用。這次設(shè)計(jì)中的原料預(yù)熱器和塔頂全凝器的殼程走的是

15、蒸汽所以不安裝折流板。1.2.3流體流動(dòng)空間的選擇在列管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，需要預(yù)先確定哪一種流體走管程，那種流體走殼程，成為流體流動(dòng)空間的選擇。影響選擇結(jié)果的因素很多，主要從以下三方面考慮：1.傳熱效果（1）粘度大的流體或流量小的流體宜走管程。將兩流體中熱阻較大的一方安排在殼程，可提高對(duì)流傳熱系數(shù)，強(qiáng)化傳熱。（2）待冷卻的流體宜走殼程，便于傳熱。2.設(shè)備結(jié)構(gòu)高壓的流體、腐蝕性的流體宜在管內(nèi)流過。3.清洗方便不潔凈的或易結(jié)垢的流體宜走管程，便于清洗管子。飽和蒸汽一般通入殼程以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，殼程可不必清洗。1.2.4  流體流速的選擇增加流體在換熱器中的流速，

16、將加大對(duì)流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動(dòng)力消耗就增多。因此，應(yīng)選擇適當(dāng)流速。下表列出工業(yè)一般采用的流體流速范圍。表1-2-1 工業(yè)一般流體流速液體的種類一般液體易結(jié)垢液體氣體流速ms管程1.22.51530殼程0.81.50.53151.2.5流體進(jìn)出口溫度的確定為了節(jié)省水，可提高水的出口溫度，但傳熱面積就需要加大；為了減小傳熱面積，則要增加水量。設(shè)計(jì)時(shí)可采取冷卻水兩端溫差為810。缺水地區(qū)選用較大的溫度差，水源豐富地區(qū)選用較小的溫度差。對(duì)于熱流體的溫差可根據(jù)工藝要求計(jì)算。1.2.6

17、接管的確定接管的選擇與流體的流速和流量有關(guān)。冷凝器的管程進(jìn)出口接管直徑通常直徑較大采用熱軋無縫鋼管，管壁較厚，殼程流體出口接管選擇冷軋無縫鋼管。這次設(shè)計(jì)的為酒精精餾換熱器，壓力、流量都不大，所選接管的壁厚也不大。1.2.7管程和殼程數(shù)的確定當(dāng)管內(nèi)流體流量較小時(shí)，會(huì)使管內(nèi)流速較低，對(duì)流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過多，將導(dǎo)致管程流體阻力增加，面積的利用率也降低。這次采用單殼程多管程（2、4）固定管板式換熱器。1.3固定管板式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算1.3.1設(shè)計(jì)計(jì)算步驟1.3.1.1 系統(tǒng)物料衡算 根據(jù)產(chǎn)量要求，計(jì)算換熱系統(tǒng)的原料量、產(chǎn)品量，再進(jìn)一步確定所需計(jì)算的換熱器，逐步進(jìn)

18、行換熱器的選用。1.3.1.2 選用換熱器 1、熱負(fù)荷的計(jì)算，冷卻介質(zhì)用量的計(jì)算或加熱介質(zhì)用量的計(jì)算； 2、平均溫度差的計(jì)算，當(dāng)兩側(cè)流體均為變溫傳熱時(shí)，應(yīng)進(jìn)行溫度差的校正； 3、流動(dòng)空間的選擇； 4、初估總傳熱系數(shù)，計(jì)算換熱面積，初選換熱器。1.3.1.3核算總傳熱系數(shù) 計(jì)算管程、殼程對(duì)流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，在計(jì)算總傳熱系數(shù)K計(jì)。比較K計(jì)和K選，若K計(jì)/K選=1.1-1.25,則初選的設(shè)備合格。否則需另設(shè)K選值，重復(fù)以上計(jì)算步驟。1.3.1.4計(jì)算管、殼程壓強(qiáng)降計(jì)算出選設(shè)備的管、殼程流體的壓強(qiáng)降，如超過工藝允許的范圍，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計(jì)算壓強(qiáng)降直至滿足

19、要求為止。1.3.1.5接管尺寸計(jì)算1.3.2傳熱計(jì)算的主要公式1.3.2.1 傳熱速率方程式及相關(guān)計(jì)算公式 Q=KStm 式中 Q傳熱速率(即熱負(fù)荷)，W； K總傳熱系數(shù)，W(m2)； S與K值對(duì)應(yīng)的換熱器傳熱面積，m2； tm平均溫度差，。1. 熱負(fù)荷(傳熱速率)Q無相變傳熱 QWhCph(T1-T2)WcCpc(t2-t1) 相變傳熱(蒸汽冷凝且冷凝液在飽和溫度下離開換熱器)QWhrWcCpc(t2一t1) 式中W 流體的質(zhì)量流量，kgh；Cp流體的平均定壓比熱容，J(kg·)；T 熱流體的溫度，；t冷流體的溫度，；r飽和蒸氣的冷凝潛熱，kJkg。下標(biāo)h和c分別表示熱流體和冷流

20、體，下標(biāo)1和2分別表示換熱器的進(jìn)口和出口。2 .平均溫度差tm一側(cè)恒溫 ,逆流與并流的平均溫差相等兩側(cè)變溫，平均溫差用逆流平均溫差校正-溫差校正系數(shù)，,其中 3. 總傳熱系數(shù)K初選換熱器時(shí)，應(yīng)根據(jù)所要設(shè)計(jì)的換熱器的具體操作物流選取K的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，選定的K的經(jīng)驗(yàn)值為K選。確定了選用的換熱器后，需要對(duì)換熱器的總傳熱系數(shù)K進(jìn)行核算，總傳熱系數(shù)K的計(jì)算按下列公式：式中 K0基于換熱器外表面積的總傳熱系數(shù)，w(m2)；ho、hi分別為管外及管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)，w(m2·)；Rso、Rsi一分別為管外側(cè)及管內(nèi)側(cè)表面上的污垢熱阻，(m2)w;do、di 、dm分別為換熱器列管的外徑、內(nèi)徑及平均直徑,

21、m；b列管管壁厚度, m； k一列管管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，w(m·)。4.對(duì)流傳熱系數(shù)(1)對(duì)于低粘度流體(小于或等于2倍常溫水的粘度) 當(dāng)流體被加熱時(shí)，n0.4當(dāng)流體被冷卻時(shí)，n0.3式中：、分別為流體的密度和粘度，kgm3、Pa·s；、Cp分別為流體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容,w/(m·)、J/kg;u管內(nèi)流速ms；d列管內(nèi)徑，m。應(yīng)用范圍：Rel0000，Pr0.7-160，管長(zhǎng)與管徑之比L/d60，若L/d60可將上式算出的乘以（1+ （d/L）0.7）特征尺寸：管內(nèi)徑d定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。(2)蒸汽在水平管束上冷凝時(shí)的冷凝傳熱系數(shù) 若蒸汽在水平管

22、束上冷凝，用下式計(jì)算冷凝傳熱系數(shù)：式中： 冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，w(m·)；冷凝液的密度，kgm3。； 冷凝液的粘度，Pa·s；飽和蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg；t蒸汽的飽和溫度與壁溫之差，tts-tw 此處取t=5nc水平管束在垂直列上的管數(shù)；5換熱器實(shí)際傳熱面積根據(jù)選定換熱器的管徑、管長(zhǎng)和管數(shù)可計(jì)算所選換熱器的實(shí)際傳熱面積Sp。 實(shí)際傳熱面積應(yīng)該比所需傳熱面積大一些，稱為面積裕度，一般面積裕度控制在10%-30%比較合適。1.3.2.2計(jì)算流體壓降的主要公式一般說來，流經(jīng)列管式換熱器允許的壓強(qiáng)降，液體為10100 kPa，氣體為110 kPa左右。（1）管程壓力降直管中因摩擦

23、阻力引起的壓力降Pa；回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa；結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，25×2.5mm的換熱管取1.4；19×2mm的換熱管取1.5；串聯(lián)的殼程數(shù)；管程數(shù)。 阻力系數(shù)，列管換熱器管內(nèi)=3（2）殼程壓力降流體橫過管束的壓力降Pa；流體流過折流擋板缺口的壓力降Pa；結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，對(duì)液體，取1.15；對(duì)氣體，取1.0；F管子排列方式對(duì)壓力降的校正系數(shù)：三角形排列F=0.5；正方形排列F=0.3；正方形錯(cuò)列F=0.4；殼程流體的摩擦系數(shù)；橫過管束中心線的管數(shù)B折流擋板間距，m；D殼體直徑，m；折流擋板數(shù)目；按殼程流通面積So計(jì)算的流速，m/s。第二章 設(shè)計(jì)的工藝

24、計(jì)算2.1 全塔物料恒算根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知：塔頂產(chǎn)品乙醇的質(zhì)量D=3.0萬(wàn)噸，乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)XD=0.92,精餾原料粗乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)XF=0.5,塔底殘液乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)XW=0.005由 求得F=7701.02kg/h W=4480kg/h回流比：R=2所以 V=L+D=3D=12410.0kg/h2.2 原料預(yù)熱器的設(shè)計(jì)和計(jì)算 2.2.1 確定設(shè)計(jì)方案 1選擇換熱器的類型換熱器中兩流體溫度差不大，殼程壓力較小，故可選擇固定管板式換熱器。2流動(dòng)空間和管材的選用設(shè)計(jì)任務(wù)的熱流體為水蒸汽，冷流體為原料液乙醇。由于蒸汽比較干凈不易結(jié)垢，所以蒸汽走殼程以便于及時(shí)排除冷凝液，原料液中可能含有雜質(zhì)、易結(jié)垢，

25、而粘度大、流量較小的原料液中的水為易結(jié)垢液體，所以原料液走管程便于清洗管子，此外還可以提高流速以增大其對(duì)流傳熱系數(shù)。蒸汽的溫度大于原料液的溫度，蒸汽走殼程，原料液走管程，有利于減小管子和殼體因受熱不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。因此，為使原料液出口溫度達(dá)到泡點(diǎn)，令蒸汽走殼程，原料液走管程。因碳鋼管價(jià)格低強(qiáng)度好，預(yù)熱器中的流體沒有腐蝕性，所以選用碳鋼管。 2.2.2 根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù)熱流體：120120 定性溫度為（絕對(duì)壓力0.3MPa）冷流體：2081.9 定性溫度為。根據(jù)定性溫度分別查取的物性參數(shù)如下：表2-2-1 預(yù)熱器內(nèi)原料物性參數(shù)名 稱密度Kg/m3定壓比熱CpkJ/(Kg·)導(dǎo)

26、熱系數(shù)W/(m·)粘度Pa·s汽化熱rkJ/kg乙醇液（50.95）7642.730.157.0×10-4水（50.95）988.14.170.6554.94×10-5水(120)932.014.26810.68372.0722×10-4水蒸汽(120)1.65 0.02921.342×10-52168.12.2.3換熱器的衡算原料預(yù)熱器的工藝計(jì)算備注1.估算傳熱面積，初換熱器(1)熱負(fù)荷的計(jì)算=0.5(2.73+4.17)=3.45KJ/h(2)蒸汽的消耗量(3)計(jì)算平均溫度差一側(cè)恒溫，求逆流時(shí)的平均溫度差：蒸汽 T 120.0 1

27、20.0原料液t 20 81.9t 100 38.1計(jì)算R： 無需校正 初選K估算傳熱面積，參照換熱器，取K選=800 W/(m2·)傳熱面積S： (5)初選換熱器型號(hào)由于兩流體溫差大于50，小于70，可選用帶有補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器。根據(jù)固定管板式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)，初選的固定管板式換熱器型號(hào)為：JB/T 4715-92主要參數(shù)如下：表2-2-2 列管參數(shù)公稱直徑325mm管子尺寸25×2.5管子數(shù)n56管長(zhǎng)L/mm3000管中心距mm32管程數(shù)Np2管子排列方式正三角形管程流通面積/0.0088實(shí)際換熱面積SO 采用此換熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為：2.核算

28、壓降 (1)管程壓降 其中,，平均粘度 管程流速 雷諾數(shù) >10000(湍流)對(duì)于碳鋼管,取管壁粗糙度=0.1mm，所以由食品工程原理書的-Re關(guān)系圖中可查得 =0.03。 (2)殼程壓降,其中Fs=1.15（氣體），Ns=1。 因管子排列方式為正三角形，所以 F=0.5。殼程流通面積殼程流速雷諾數(shù)此時(shí)因殼程通過的是水蒸汽，故不需加折流擋板，即NB=0，因此。計(jì)算結(jié)果表明,管程和殼程的壓降均能滿足設(shè)計(jì)要求。3.核算總傳熱系數(shù)(1)管程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)于低粘度流體，所以 (2)殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式計(jì)算冷凝傳熱系數(shù)：式中、均為水在120時(shí)液體的物性參數(shù)。為水在120

29、下的汽化熱。(3)污垢熱阻根據(jù)化工原理課程設(shè)計(jì)書中的附錄二十查得管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別為：(4)總傳熱系數(shù)K即K計(jì)=837.88W/(m2·)故所選擇的換熱器是合適的。設(shè)計(jì)結(jié)果：選用固定管板式換熱器，型號(hào)：JB/T 4715-924.接管的選擇(1)管程流體進(jìn)出口接管的選擇 根據(jù)液體一般在管中的流速大小，選擇原料液進(jìn)出接管的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)化工流體流動(dòng)與轉(zhuǎn)熱附錄二十二的熱軋無縫鋼管的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選擇規(guī)格為45mm×3mm,di=39mm=0.039m核算流速2.08m/s<2.2m/s故選擇的接管規(guī)格合適。(2)殼程流體進(jìn)口接管的選擇根據(jù)飽和蒸汽一般在管中的流速大

30、小，選擇水蒸汽進(jìn)入接管時(shí)的蒸汽的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)熱軋無縫鋼管的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選擇規(guī)格為102mm×3.5mm,di=95mm核算流速 26.84m/s<27m/s故選擇的接管規(guī)格合適。Wc=F=7702.02kg/hQ=458.658KWWh=768.42Kg/h=12.34m2冷熱流體溫度差為63.52，介于50和70，可選用帶有補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器。換熱器型號(hào)為：JB/T 4715-92 Reo=6233.5=4.51=1644.874w/(m2·)=10438.9W/(m2·)K計(jì)=837.88 W/(m2·)K計(jì)/K選=1.26，管程

31、流體進(jìn)出口接管選擇規(guī)格為45mm×3mm的熱軋無縫鋼管殼程流體進(jìn)口接管選擇規(guī)格為102mm×3.5mm的熱軋無縫鋼管2.3塔頂冷凝器的設(shè)計(jì)和計(jì)算 2.3.1確定設(shè)計(jì)方案 1、選擇換熱器的類型。 塔頂冷卻器是把78.3的含乙醇92%的飽和液冷卻儲(chǔ)存，熱流體的進(jìn)出口溫度都是78.3，熱流體的出口溫度是35。采用冷卻水進(jìn)行冷卻，冷卻水的進(jìn)口溫度是15，出口溫度是35.冷卻器中流體溫度差不大，殼里壓力是常壓，可選擇固定管板式換熱器 2、流動(dòng)空間和管材的選用。 由于蒸汽是熱流體且比較干凈不易結(jié)垢，蒸汽走殼程便于散熱，可提高冷卻效果，不必清洗管子而且便于及時(shí)排除冷凝液。粘度大，流量較小

32、的冷卻水易結(jié)垢走管程便于清洗管子，此外還可以提高流速以增大其對(duì)流傳熱系數(shù)。所以，蒸汽走殼程，冷卻水走管程。因碳鋼管價(jià)格低強(qiáng)度好，全凝器中的流體沒有腐蝕性，所以選用碳鋼管。2.3.2 根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù)熱流體T 78.3 78.3冷流體t 15 30t 63.3 48.3冷流體的定性溫度為熱流體的定性溫度為T=78.3。根據(jù)定性溫度分別查取的物性參數(shù)如下：表2-3-1 塔頂冷凝器內(nèi)原料物性參數(shù)名 稱密度Kg/m3定壓比熱CpkJ/(Kg·)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·)粘度Pa·s汽化熱rkJ/kg乙醇（78.3）736.7753.840.15324.4×1

33、0-4864乙醇蒸氣（78.3）1.62481.80460.0221.0381×10-5水（78.3）927.8174.19560.66893.6202×10-4水蒸氣（78.3）0.27520.62282313.8冷卻水(22.5)998.24.1830.59891.005×10-32.3.3 換熱器的衡算塔頂冷凝器的工藝計(jì)算備注1.估算傳熱面積，初選換熱器。(1)熱負(fù)荷的計(jì)算(2)冷卻水的消耗量(3)計(jì)算平均溫度差按單殼程、雙管程考慮，一側(cè)恒溫，求逆流時(shí)的平均溫度差：熱流體T 78.3 78.3冷流體t 15 30t 63.3 48.3(4)初選K值，估算傳熱

34、面積由表3，取K選=700.傳熱面積S：由于兩流體溫差為55.46（5070），選擇帶有補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器。根據(jù)固定管板式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)，初選的固定管板式換熱器型號(hào)為：JB/T 4715-92主要參數(shù)如下：表2-3-2 列管參數(shù)公稱直徑700mm管子尺寸25×2.5管子數(shù)n355管長(zhǎng)L/mm3000管中心距mm32管程數(shù)Np2管子排列方式正三角形管程流通面積/0.1115實(shí)際換熱面積SO 2.核算壓降 (1)管程壓降 其中,管程流速 雷諾數(shù)>10000(湍流)對(duì)于碳鋼管,取管壁粗糙度=0.1mm，所以由化工流體流動(dòng)與轉(zhuǎn)熱書的-Re關(guān)系圖中可查得 =0.032。 (2)殼

35、程壓降,其中Fs=1（氣體），Ns=1。 因管子排列方式為正三角形，所以 F=0.5。殼程流通面積 殼程流速雷諾數(shù)計(jì)算結(jié)果表明,管程和殼程的壓降均能滿足設(shè)計(jì)要求。3.核算總傳熱系數(shù)(1)管程對(duì)流傳熱系數(shù) 原料液為被加熱流體，取n=0.4 (2)殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式計(jì)算冷凝傳熱系數(shù)：式中、均為蒸汽在78.3時(shí)液體的物性參數(shù)。為蒸汽在78.3下的汽化熱。(3)污垢熱阻根據(jù)化工流體流動(dòng)與傳熱書中的附錄二十查得管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別為：(4)總傳熱系數(shù)K=936.5 W/(m2·) K計(jì)/K選=936.5/794.54=1.17故所選擇的換熱器是合適的設(shè)計(jì)結(jié)果：選

36、用固定管板式換熱器，型號(hào)：JB/T 4715-924.接管的選擇(1)管程流體進(jìn)出口接管的選擇 根據(jù)液體一般在管中的流速大小，選擇原料液進(jìn)出接管的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)化工流體流動(dòng)與傳熱附錄二十二的熱軋無縫鋼管的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選擇規(guī)格為203mm×6mm,di=191mm=0.191m核算流速 故選擇的接管規(guī)格合適。(2)殼程流體進(jìn)口接管的選擇根據(jù)飽和蒸汽一般在管中的流速大小，選擇水蒸汽進(jìn)入接管時(shí)的蒸汽的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)熱軋無縫鋼管的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選擇規(guī)格為402mm×9.5mm, di=356mm=0.356m核算流速 26.726m/s<27m/s故選擇的接管規(guī)格合

37、適。（3）殼程流體出口接管的選擇根據(jù)液體一般在管中的流速大小，選擇冷凝液流出接管時(shí)的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)化工流體流動(dòng)與傳熱附錄二十二的冷軋無縫鋼管的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選擇規(guī)格為53mm×1mm，di=53mm=0.053m核算流速 2.26m/s<2.3m/s故選擇的接管規(guī)格合適。S=86.176m2由于兩流體溫差為55.46（5070），選擇帶有補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器型號(hào)為：JB/T 4715-92備注塔底再沸器的計(jì)算(粗算)（1） 估算傳熱面積，初選換熱器型號(hào)熱流體：加熱蒸汽 冷流體：釜?dú)堃?本物性參數(shù)的查取 釜?dú)堃旱亩ㄐ詼囟龋?9.3 加熱蒸汽的定性溫度：133.3 =225

38、84KJ/KG =2205.2KJ/KG 熱負(fù)荷計(jì)算 F=D+W 泡點(diǎn)進(jìn)料q=1 聯(lián)立 =L+D+W-W=L+D=L 蒸汽流量 確定流體流經(jīng) 設(shè)計(jì)任務(wù)冷流體為釜?dú)堃?，熱流體為水蒸氣，為提高加熱效果令釜 殘走殼稱，蒸汽走管程 .塔底冷卻器的計(jì)算（粗算）熱量衡算1估算傳熱面積 2冷卻水的消耗 塔頂冷卻器的計(jì)算（粗算）熱流體T 78.3 35冷流體t 25 15 53.3 20熱流體定性溫度T冷流體定性溫度t估算傳熱面積 Cp(乙醇 56.65)=2.75 Cp（水 20）=4.183 Cph= Cp(水 56.65)=1.184KJ/kg. D=Wh= 2冷卻水消耗量 3計(jì)算平均溫度差主要參考文獻(xiàn)1 中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司 組織編寫·換熱器化學(xué)工業(yè)出版社·2008.122 柴誠(chéng)敬、張國(guó)亮化工流體與流動(dòng)傳熱北京：化學(xué)工業(yè)出版社2007.73 賈紹義、柴誠(chéng)敬化工傳質(zhì)與分離過程北京：化學(xué)工業(yè)出版社2001.14 朱孝欽過程裝備基礎(chǔ)北京：化學(xué)工業(yè)出版社2006.75 魏崇關(guān)、鄭曉梅化工工程制圖北京輕工業(yè)出版社·19956 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工原理教研組·化工原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書（換熱器分冊(cè)）·2009.67 王國(guó)勝化工