乙醇冷却器的设计

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 TC （ 1）壳程表面传热系数“ f C l 3 124. 2管程表面传热系数 TC （ 2）管内表面传热系数“ f C l 3 134. 3污垢热阻和管壁热阻 TC （ 3）污垢热阻和管壁热阻 “f C l 3 144. 4传热系数 TC （ 4） 传热系数f C l 3 144. 6壁温计算 14第五章、阻力损失 1 55.1管程流体的阻力损失 TC （ 1）管程流体阻力f C l 3 155.2壳程流体的压力降 16第六章、主要附件的尺寸设计 176.1接管 176.2换热管 176.3封头 186.4膨胀节 186. 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12X 104t/a乙醇2、设备型式：列管式换热器3、操作条件乙醇：入口温度：78C，出口温度44C(2) 冷却介质：循环水，入口温度24C，出口温度38C(3) 允许压降：不大于10 P5a(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(heat exchanger )，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50C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70C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：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78C，出口温度为44C ；冷却介质为水，入口温度为24r，出口温度为 38r，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。 不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便。 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，可利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，且蒸汽较洁净，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改变，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a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。123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流速m/s般流体易结垢液体气体0.5 -3.0 1.05.0 -300.2 -1.5 0.53.0 -15管程壳程表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 -3C2.5mm换热管长 度L/mm管心距t/mm公称换 热面积S/m26004188100.014845003264.8D0o會0QO- 0G 0 :厂 o o o 、 0 o O O-0 0 0电 0（）（ m Q G令图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。取管板利用率 n =0.70，则壳体内径为:D=1.05t .N/ =1.05 32.188/0.7 = 551mm T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：34 =2.43， P=i 14 =0.261二T| 54查化工原理第三版王志魁编图425温差校正系数知 t=0.93,贝 U平均传热温差：At二： to = 093 289 =269Cm tmO3. 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用。弓形缺口的高度h为壳体公称直径Dg的15%-45%取30%,贝IJh=0.3 x 600=180m 故可取 h=180mm取折流板间距B=035D,则B=0.35 x 600=210mm可取B为300mm折流板数目N 传热管长NB折流板间距一1 =14300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/mm 7502002503561010400 70056101012700100068101216 1000610121616t二rvFl J1 b”Fl一 b0十石t 1、f一卞十r-VOL Z31B88S8885)/o88ooo()图1 *20弓形折流扳第四章、换热器的热流量核算4.1壳程表面传热系数 TC (1)壳程表面传热系数f C l 3 =0.36 于 Re PrSj7o0 14de%当量直径：3 心22现戸行dod = 24=002medo壳程流通截面积：S。=BD(1 虫)=03 0.6 (1 - 0025) = 0 039m?t 0.032壳程流体流速及其雷诺数分别为:TT7.7138/U0.1987m/so995.35 0.039dur 0.02 0.1987 995.35Re e 0。 J7.86 105032 .8普朗特数:Cpo %o174 1010=4.7.865.29430.6197粘度校正:()0.14 ：1.050.14236兰空05032.80.55 5.294 3 1.05 =2217.7w/(m2 K)0.024. 2管程表面传热系数 TC(2)管内表面传热系数f C l 3:- = 0.023 Rei 0P.8r d ii管程流体流通截面积:785 02014758m2管程流体流速:ui雷诺数:Rei5沁_严)=0.377 /s0.0147582 O.3770.786 10759=7280.99普朗特数:33.14 103 0.58 103 0.17483= 10.42r 023o0 1748话 7280.10 42-631 2w/(m K)4. 3污垢热阻和管壁热阻 TC (3)污垢热阻和管壁热阻f C l 3 管外侧污垢热阻 = 0.00058m2 k/w管内侧污垢热阻R = 0. 000176m2 k/w管壁不锈钢在该条件下的热导率为 17.13 w/(m K)0.0025 i1T0 000146m k/w 所以 17.44传热系数 TC (4)传热系数f C l 3 e-亠昭BA R,丄)d di i m1250.000176 25 0.000146 251；.+ 2-0 +2-2-.-5+0.00058 + 2217.7631.2 2024.5 TC (5)传热面积裕度 计算传热面积Ac：f C l 3 传热面积裕度Q62 2 75 1 06 1 03Ac =气=5673mK2e ：tm 2954 3600 269该换热器的实际传热面积为A： A=648m.i该换热器的面积裕度为=1=64飞73=14.23%A5673传热面积裕度在10%八20%围内，故该换热器能够完成生产任务。46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降低。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低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可能较大。计算中，应该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：twc J式中液体的平均温度t和气体的平均温度分别计算为湍流时:mt =0.4t 0.6 匕=0.4 38 0.6 24 =296Cm 2 匕T =0.40.6T =0.4 78 0.6 44=57.6 C :c 二气6312w/ （卅 K）m2二：=222172w/ （卅 K）:h o传热管平均壁温：t =51.4 Cw壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=31Co壳体壁温和传热管壁温之差为t =51.4-3 21.4C : 50 C。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适宜第五章、阻力损失51管程流体的阻力损失 TC (1)管程流体阻力f C l 3 p =( P PjNNFi s p s、l Pa2、Ns =1 , Np = 4 ,=Pi = i 1s i = i 1d2i当 Re=7280.99 查得=0.0385 ,所以:Ul ?i i 4.5 2t =0.0385 4.5759 0.3772X0.0=3Ui 2c 759 0.37722 25 p= 4834 1.4 4 1 = 27071 ： 10 Pa5.2壳程流体的压力降按式计算.：P =（ ：P =P）FN , N =1, F =1.15 s o i s s s s流体流经管束的压降 P 二 Ff N (N 1)o 二 o TC B2对于正三角形排列F=0.5f =5 Re。 =5 5032.8 亠 =0.72 o 228 228对于正三角形排列NTC =1.1N 0.5=1.1 1880515= 0.5 0.72 15 15 =po流体流过折流板缺口的压降20.1987995.35 -1591P二NB(3.5 2B):叮B=3m , D=6m1D 2wysjF995.35.19870.6 22=687.70Pa总压降pap = (1591.6 687.7) 1 1.15 =2621.2Pa ： 105s5壳程流体的压力降在允许的范围内。第六章、主要附件的尺寸设计6.1接管壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为5=09m/s,贝U接管内径为4V 4 7.7183/9939 “i05mmm314 09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U18m/s,则接管内径为:4VD2,2 一15200/(3600 759)314 18=0063mm圆整后去管内径为65mm62换热管换热管的规格及尺寸偏差，经过查表，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d /mmo 25323857管板厚度/mm3d/4222532表9碳钢、不锈钢换热管的规格及尺寸偏差材料换热管标准管子规格高精度、较高精度偏差夕卜径，mm厚度，mm外径偏差，mm壁厚偏差，mm碳钢GB/TB8163三 143022.5土 0.2+12%不锈钢GB9948-10%63封头圭寸头有方形和圆形两种，方形用于直径小（一般小于400mr） i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。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，这种补偿方法适 用于两流体的温差低于700 T且壳方的流体压强不高于600KPa的情况。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，通常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 塞结构，这样便于排液。6.5其他附件 缓冲挡板可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动，还有使流体沿 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、设计结果一览表型号BES60 1.664.84.5/254 II参数壳程管程物质/J1循环水乙醇流率 /(kg/h)27769.715200进/出口温度/r24/3878/44物性定性温度/c3161密度 / (kg/m3)995.35759定压比热容/kJ/ (kg?K)4.1743.14粘度 / (Pa?s)7.86 X 10 鼻5.8 X 10-4热导率(w/m?K)0.619707174普朗特数5.29410.42设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/伽!600台数1管径/ mm 25 X 2.5管心距/ m32管长/ m4500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/ m264.8折流板间距/m300管程数4材质不锈钢主要计算结果/ /壳程管程流速/ (m/s), ，/ 、 0.19870.377表面传热系数/W/ (t f?K)2217.7631.2污垢热阻/ (tf ?K/W0. 000580.000176压力降/ kPa2.62127.071热流量/KW450.76传热温差/c, ，/ 、 21.4传热系数/W/ (t f?K)295.4裕度/%14.23%心得体会：经过近一周的奋战，我的课程设计终于完成了。在没有做课程设计以前觉 得课程设 计只是对这一年来所学知识的简单总结，但是通过这次做课程设计发 现自己的看法有点 太片面。课程设计任务布置下来时并不怎么担心可是当真正 动起手来才发现这次课设中 所涉及的知识点还有太多没有掌握。 在计算时用到 的知识点有很多都没有掌握，不过经过这一个星期以来和同学们之间相互讨 论，让我掌 握到了很多课堂上学不到的知识，团结合作等。进一步加深了和同 学之间的感情。这次课设由于我用的是CAD画图，这是前所未有的困难，之前学到的相关CAD的 知识点基本上已经忘光了，所以不得不一步一步重新拾起来，最后 两天基本上是早上八 点起来一直持续到晚上 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 法然后组成整个换热器。看着别人仅仅 有了一个上午就徒手把图画好了，变得 更加焦急。但最终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学关系更进一步了，同学之间互相帮助， 有什么不 懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以 在这里非常感谢帮 助我的同学和老师。没有同学们的帮助可能早就放弃了用 CAD 画图的想法。也不可能完 成的如此顺利。参考文献1 王卫东.化工原理课程设计.化学工业出版社.2011.9.2 王国胜.化工原理课程设计.大连理工大学出版社,2005.23 王志魁、刘丽英、刘伟.化工原理.北京化学工业出版社.2010.54 方利国 计算机辅助化工制图与设计 化学工业出版社 2010.4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，2002.申迎华，郝晓刚化工原理课程设计（M） 北京：化工工业出版社，2009.7 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， 1996.8 钱颂文热交换设计手册（M），北京：化学工业出版社，2002.9 卢焕章等石油化工基础数据手册（M ），北京：化学工业出版社，2002.10 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中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布，1989