年產(chǎn)36萬噸酒精精餾系統(tǒng)換熱器

食品工程原理課程設(shè)計說明書（題目：題目：年產(chǎn)3.6萬噸酒精精餾系統(tǒng)換熱器學(xué)生姓名：學(xué)院：系別：食品與生物工程系專業(yè)：食品科學(xué)與工程班級：指導(dǎo)教師：設(shè)計日期：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱：食品工程原理學(xué)院：班級：學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：一、題目年產(chǎn)3.6萬噸酒精精餾系統(tǒng)換熱器設(shè)計二、目的與意義課程設(shè)計是“食品工程原理”課程的一個總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用本門課程及有關(guān)先修課程的基本知識去解決某一設(shè)計任務(wù)的一次訓(xùn)練，在整個教學(xué)計劃中它也起著培養(yǎng)學(xué)生獨立工作能力的重要作用，通過課程設(shè)計，從以下幾個方面對學(xué)生進行訓(xùn)練：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)上的先進性與可行性，又考慮經(jīng)濟上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護的正確設(shè)計思想，在這種設(shè)計思想指導(dǎo)下去分析和解決實際問題的能力；3.迅速準(zhǔn)確地進行工程計算（包括電算）的能力；4.用簡潔的文字清晰的圖表來表達自己設(shè)計思想的能力。三、要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、設(shè)計要求、圖紙量、工作量要求等）1設(shè)計原始數(shù)據(jù)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81.9℃；塔頂產(chǎn)品:含乙醇不低于93%,78.3℃飽和蒸汽冷凝為飽和液體回流，產(chǎn)品冷卻為35℃液體儲存；塔底殘液:含乙醇不高于0.5%,99.3℃冷卻為35℃液體。精餾過程回流比R=2呼和浩特地區(qū)水溫15℃2設(shè)計要求（1）確定換熱系統(tǒng)的流程方案，并將流程方案繪制成帶控制點的流程圖；（2）為所制定的流程方案配置換熱器并選型；（3）選擇并確定塔頂冷凝器、塔頂產(chǎn)品冷卻器和原料預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)尺寸：包括設(shè)計計算換熱器的熱負(fù)荷、傳熱面積、換熱器接管、殼體、管板、隔板等；（4）核算總傳熱系數(shù)和換熱器流動阻力,選擇原料泵；（5）繪制塔頂產(chǎn)品冷卻器的總裝圖；（6）編寫課程設(shè)計說明書。四、工作內(nèi)容、進度安排第1日：設(shè)計動員，下達設(shè)計任務(wù)，講解設(shè)計方案的確定方法、設(shè)計過程的步驟及注意事項，查閱收集相關(guān)圖書資料，1天第2-8日：確定方案并進行設(shè)計計算：7天第9-10日：繪圖：2天第11-12日：整理設(shè)計數(shù)據(jù)，編寫設(shè)計說明書：2天五、主要參考資料[1].柴誠敬，張國亮.化工流體流動與傳熱[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003[2].姚玉英等.化工原理[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，2001[3].賈紹義，柴誠敬.化工原理課程設(shè)計[M].天津：天津大學(xué)出版社，2006[4].化學(xué)工程手冊編委會.化學(xué)工程手冊第1篇，化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1989[5].賀運初．換熱器的傳熱強化與優(yōu)化設(shè)計[J]．化工裝備技術(shù)．1997，18（2）25-28[6].錢頌文，朱冬生，李慶領(lǐng)，等．管式換熱器強化傳熱技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003．審核意見系（教研室）主任（簽字）年月日摘要本次課程設(shè)計是對同學(xué)們自己動手查閱資料，設(shè)計流程，應(yīng)用公式等等綜合能力的考查。在此次設(shè)計過程中我設(shè)計了年產(chǎn)3.6萬噸酒精精餾換熱器，其中包括：原料預(yù)熱器、塔頂全凝器，塔頂冷卻器，塔底再沸器，塔底冷卻器的設(shè)計。自6月27日開始查閱相關(guān)資料，經(jīng)過兩天的查閱，基本對工藝流程與接下來要做的事有了基本的了解。在設(shè)計過程中大家一起集思廣益，遇到難點時一起討論，對原料預(yù)熱器、塔頂全凝器、塔頂產(chǎn)品冷卻器、塔底殘液冷卻器、塔底再沸器進行計算。其中只對原料預(yù)熱器、塔頂全凝器和塔頂產(chǎn)品冷卻器進行精算；其余只進行粗算。關(guān)鍵詞：換熱器、冷卻器、全凝器、預(yù)熱器。目錄TOC\o"1-3"\h\u前言 1第一章?lián)Q熱系統(tǒng)的流程方案的確定 21.1換熱系統(tǒng)的流程方案的設(shè)計 21.2換熱器設(shè)計方案的確定 21.2.1換熱器類型的選擇 21.2.2固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)的確定 21.2.3流體流動空間的選擇 41.2.4流體流速的選擇 41.2.5流體進出口溫度的確定 41.2.6接管的確定 51.2.7管程和殼程數(shù)的確定 51.3固定管板式換熱器的設(shè)計計算 51.3.1設(shè)計計算步驟 52.1全塔物料恒算 62.2原料預(yù)熱器的設(shè)計和計算 669992.2.1確定設(shè)計方案 62.2.2根據(jù)定性溫度確定物理參數(shù) 62.2.3換熱器的衡算 72.3塔頂冷凝器的設(shè)計和計算 122.3.1確定設(shè)計方案 122.3.2根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù) 132.3.3換熱器的衡算 142.4塔頂冷卻器的設(shè)計 192.4.1確定設(shè)計方案 192.4.2根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù) 192.4.3換熱器的衡算 202.5塔底冷卻器的設(shè)計 252.5.1確定設(shè)計方案 252.5.2根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù) 252.5.3換熱器的衡算 262.6塔底再沸器工藝粗算 27第三章匯總表 313.1原料預(yù)熱器結(jié)果匯總表 312.2塔頂全凝器結(jié)果匯總表 322.3塔頂冷卻器結(jié)果匯總表 33第四章課程設(shè)計評論 34心得體會 35參考文獻 36附錄 37致謝 39前言列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)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.在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置成為熱交換器，簡稱為換熱器。在化工、石油動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業(yè)的通用設(shè)備，并占有十分重要的地位隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不用類型的換熱器各有優(yōu)缺點，性能各異。在換熱器設(shè)計中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸在工業(yè)生產(chǎn)中，要實現(xiàn)熱量的交換，需采用一定的設(shè)備，此種交換熱量的設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器。第一章?lián)Q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)計進行換熱器的設(shè)計，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空間及流速等參數(shù)，同時計算完成給定生產(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)計中，考慮使用塔底殘液的廢熱來預(yù)熱原料液，達到廢熱再利用的效果，實現(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，塔頂全凝器，塔頂產(chǎn)品冷卻器，塔底再沸器，塔底殘液冷卻器。對原料預(yù)熱器和塔頂產(chǎn)品冷凝器進行精算，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)計方案的確定1.2.1換熱器類型的選擇對于所選擇的換熱器，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)計計算方便，制造簡單，安裝容易，易于維護與維修。在實際選型中，這些選擇原則往往是相互矛盾、相互制約的。在具體選型時，我們需要抓住實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于50℃和70℃之間的選擇帶補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，可選擇帶補償圈的和不帶補償圈的固定管板式換熱器，此類換熱器的結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，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多少和長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ф19mm×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ф25×2.5mm碳鋼管。本次設(shè)計采用ф25×2.5mm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，管外流體湍動程度高，對流傳熱系數(shù)大，但管外清洗較困難；正方形排列便于機械清洗；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圓形厚板，它的受力關(guān)系比較復(fù)雜。厚度計算應(yīng)根據(jù)我國“鋼制壓力容器設(shè)計規(guī)定”進行，一般采用20到30個毫米的。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。用以分配液體和起封頭的作用。壓力較低時可采用平蓋，壓力較高時則采用凸形蓋，用法蘭與管板連接。檢修時可拆下管箱對管子進行清洗或更換。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，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；增強流體在管間流動的湍流程度；增大傳熱系數(shù)；提高傳熱效率。同時它還起支撐管束的作用。這次設(shè)計中的原料預(yù)熱器和塔頂全凝器的殼程走的是蒸汽所以不安裝折流板。1.2.3流體流動空間的選擇在列管式換熱器的設(shè)計計算過程中，需要預(yù)先確定哪一種流體走管程，那種流體走殼程，成為流體流動空間的選擇。影響選擇結(jié)果的因素很多，主要考慮以下三方面：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，可提高對流傳熱系數(shù)，強化傳熱。（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，將加大對流傳熱系數(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m／s管程0.5－3＞15－30殼程0.2－1.5＞0.52－151.2.5流體進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)計時可采取冷卻水兩端溫差為8～10℃。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。對于熱流體的溫差可根據(jù)工藝要求計算。1.2.6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，會使管內(nèi)流速較低，對流傳熱系數(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)計計算1.3.1設(shè)計計算步驟1.3.1.1系統(tǒng)物料衡算根據(jù)產(chǎn)量要求，計算換熱系統(tǒng)的原料量、產(chǎn)品量，再進一步確定所需計算的換熱器，逐步進行換熱器的選用。1.3.1.2選用換熱器1、熱負(fù)荷的計算，冷卻介質(zhì)用量的計算或加熱介質(zhì)用量的計算；2、平均溫度差的計算，當(dāng)兩側(cè)流體均為變溫傳熱時，應(yīng)進行溫度差的校正；3、流動空間的選擇；4、初估總傳熱系數(shù)，計算換熱面積，初選換熱器。1.3.1.3核算總傳熱系數(shù)計算管程、殼程對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，在計算總傳熱系數(shù)K計。比較K計和K選，若K計/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)以上計算步驟。1.3.1.4計算管、殼程壓強降計算出選設(shè)備的管、殼程流體的壓強降，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，重新計算壓強降直至滿足要求為止。1.3.1.5接管尺寸計算通常，進行換熱器的設(shè)計時，應(yīng)在滿足傳熱要求的前提下，再考慮其他的問題。它們之間往往是矛盾的。例如，若換熱器的總傳熱系數(shù)較大，將導(dǎo)致流體通過換熱器的壓強降(阻力）增大，相應(yīng)地增加了動力費用；若增加換熱器的表面積，總傳熱系數(shù)和壓強降降低，又受到安裝換熱器允許的尺寸的限制，且換熱器的造價也提高了。第二章設(shè)計的工藝計算2.1全塔物料恒算根據(jù)設(shè)計要求可知：塔頂產(chǎn)品乙醇的質(zhì)量D=3.2萬噸，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由求得回流比：R=2所以2.2原料預(yù)熱器的設(shè)計和計算2.2.1確定設(shè)計方案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．流動空間和管材的選用設(shè)計任務(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排除冷凝液，原料液中可能含有雜質(zhì)、易結(jié)垢，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。因碳鋼管價格低強度好，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：125→125定性溫度為T=125（絕對壓力0.2MPa）冷流體：20←81.9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ρKg/m3定壓比熱CpkJ/(Kg·℃)導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·℃)粘度μPa·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(120.2℃)943.14.2600.68622.373×10-4水蒸汽(120.2℃)1.12732204.62.2.3換熱器的衡算原料預(yù)熱器的工藝計算1.估算傳熱面積，初換熱器(1)熱負(fù)荷的計算=0.5(2.73+4.17)=3.45kJ/h(2)蒸汽的消耗量(3)計算平均溫度差一側(cè)恒溫，求逆流時的平均溫度差：蒸汽T125℃←125℃原料液t20℃→81.9℃△t105℃43.1℃計算R：無需校正初選K估算傳熱面積，參照《換熱器》，取K選=900W/(m2·℃)傳熱面積S：(5)初選換熱器型號由于兩流體溫差大于50℃，小于70℃，可選用帶有補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為：JB/T4715-92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Φ25×2.5管子數(shù)n40管長L/mm3000管中心距mm32管程數(shù)Np4管子排列方式正方形排列管程流通面積/m20.0031實際換熱面積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：3.核算總傳熱系數(shù)(1)管程對流傳熱系數(shù)熱導(dǎo)率：查表得出對于低粘度流體，所以(2)殼程對流傳熱系數(shù)若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式計算冷凝傳熱系數(shù)：式中、μ、ρ均為水在125℃時液體的物性參數(shù)。為水在125℃下的汽化熱。W/(3)污垢熱阻根據(jù)《化工原理課程設(shè)計》書中的附錄二十查得管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別為：總傳熱系數(shù)K即K計=1075.81W/(m2·℃)故所選擇的換熱器是合適的。3.核算壓降(1)管程壓降其中,,，平均粘度管程流速雷諾數(shù)(湍流)對于碳鋼管,取管壁粗糙度ε=0.1mm，所以由《食品工程原理》書的λ-Re關(guān)系圖中可查得λ=0.032(2)殼程壓降,其中Ft=1.0（氣體），Ns=1。因管子排列方式為正三角形，所以F=0.3。殼程流通面積殼程流速雷諾數(shù)因殼程通過的是水蒸汽，故不需加折流擋板，即NB=0，因此。計算結(jié)果表明,管程和殼程的壓降均能滿足設(shè)計要求。設(shè)計結(jié)果：選用帶補償圈固定管板式換熱器，型號：JB/T4715-924.接管的選擇(1)管程流體進出口接管的選擇根據(jù)液體一般在管中的流速大小，選擇原料液進出接管的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)《化工流體流動與轉(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φ50mm×3mm,di=44mm=0.044m核算流速故選擇的接管規(guī)格合適。(2)殼程流體進口接管的選擇根據(jù)飽和蒸汽一般在管中的流速大小，選擇水蒸汽進入接管時的蒸汽的流速為，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φ108mm×3mm,di=102mm=0.102m核算流速故選擇的接管規(guī)格合適。（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的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)《化工流體流動與轉(zhuǎn)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φ32mm×3mm，di=26mm=0.026m核算流速故選擇的接管規(guī)格合適2.3塔頂冷凝器的設(shè)計和計算2.3.1確定設(shè)計方案1、選擇換熱器的類型。全凝器是把78.3℃的含乙醇91%的蒸汽冷凝為78.3℃的的飽和液體，冷卻水的進口溫度是15℃，由于呼和浩特地區(qū)是缺水地區(qū)，所以選擇冷卻水的出口溫度為35℃。全凝器中兩種流體溫度變化不大（50℃--70℃），選擇帶補償圈的固定管板式換熱器。2、流動空間和管材的選用。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排除冷凝液。粘度大，流量較小的冷卻水易結(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流傳熱系數(shù)。所以，蒸汽走殼程，冷卻水走管程。因碳鋼管價格低強度好，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T78.3℃←78.3℃冷流體t15℃→35℃△t63.3℃43.3℃冷流體的定性溫度為25℃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ρKg/m3定壓比熱CpkJ/(Kg·℃)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)粘度μPa·s汽化熱rkJ/kg乙醇（78.3℃）736.7753.840.15324.4×10-4864乙醇蒸氣（78.3℃）1.62481.80460.0221.0381×10-5水（78.3℃）996.54.17820.67283.6202×10-4水蒸氣（78.3℃）0.27520.62280.3642×10-32311.8冷卻水(25℃)997.64.1810.60320.9535×10-32.3.3換熱器的衡算塔頂冷凝器的工藝計算1.估算傳熱面積，初選換熱器。 (1)熱負(fù)荷的計算(2)冷卻水的消耗量=(3)計算平均溫度差按單殼程、雙管程考慮，一側(cè)恒溫，求逆流時的平均溫度差：熱流體T78.3℃←78.3℃冷流體t15℃→35℃△t63.3℃53.3℃(4)初選K值，估算傳熱面積由表3，取K選=900.傳熱面積S：由于兩流體溫差為52.67°C（50℃～70℃），選擇帶有補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為：JB/T4715-92主要參數(shù)如下：表2-3-2列管參數(shù)公稱直徑600mm管子尺寸φ25×2.5管子數(shù)n245管長L/mm4500管中心距mm32管程數(shù)Np1管子排列方式正方形管程流通面積/0.0769實際換熱面積2.核算總傳熱系數(shù)(1)管程對流傳熱系數(shù)對于低粘度流體，所以(2)殼程對流傳熱系數(shù)若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式計算冷凝傳熱系數(shù)：式中、μ、ρ均為蒸汽在78.3℃時液體的物性參數(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故所選擇的換熱器是合適的。3.核算壓降(1)管程壓降其中,,，管程流速雷諾數(shù)(湍流)對于碳鋼管,取管壁粗糙度ε=0.1mm，所以由《化工流體流動與轉(zhuǎn)熱》書的λ-Re關(guān)系圖中可查得λ=0.028。(2)殼程壓降,其中Fs=1.15，Ns=1。因管子排列方式為正方角形，所以F=0.3。殼程流通面積殼程流速雷諾數(shù)加擋板：對數(shù)，間距，殼徑D=0.68m計算結(jié)果表明,管程和殼程的壓降均能滿足設(shè)計要求。設(shè)計結(jié)果：選用固定管板式換熱器，型號：JB/T4715-924.接管的選擇(1)管程流體進出口接管的選擇根據(jù)液體一般在管中的流速大小，選擇原料液進出接管的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)《化工流體流動與傳熱》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φ54mm×3mm,di=48mm=0.048m核算流速故選擇的接管規(guī)格合適。(2)殼程流體進口接管的選擇根據(jù)飽和蒸汽一般在管中的流速大小，選擇水蒸汽進入接管時的蒸汽的流速為，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φ42mm×3.5mm,di=35mm=0.035m核算流速故選擇的接管規(guī)格合適。（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的流速為u=2.0m/s，則接管內(nèi)徑為根據(jù)《化工流體流動與傳熱》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φ58mm×2mm，di=54mm=0.054核算流速故選擇的接管規(guī)格合適。2.4塔頂冷卻器的設(shè)計2.4.1確定設(shè)計方案1．選擇換熱器的類型塔頂冷卻器是把78.3℃的含乙醇92%的飽和液冷卻儲存，熱流體的進口溫度都是78.3℃，熱流體的出口溫度是35℃。冷卻水的進口溫度是12℃，出口溫度是25℃.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．確定流體的流經(jīng)和管材。由于冷卻水可能含有渣滓,走管程利于清洗，由于壁面的原因熱流體走殼程有利于提高冷卻效果，所以塔頂餾出液走殼程，冷卻水走管程。換熱器內(nèi)的流體沒有腐蝕性所以選用碳鋼管，可降低設(shè)備費。2.4.2根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù)熱流體T78.3℃→35℃冷流體t25℃←15℃（呼和浩特地區(qū)水溫15℃）△t53.3℃20℃熱流體的定性溫度為。冷流體的定性溫度為。根據(jù)定性溫度分別查取的物性參數(shù)如下：表2-4-1塔頂冷卻器原料物性參數(shù)名稱密度ρKg/m3定壓比熱CpkJ/(Kg·℃)導(dǎo)熱系數(shù)k，W/(m·℃)粘度μPa·s汽化熱rkJ/kg冷卻水(20℃)998.24.1830.59891.005×10-3乙醇（56.65℃）778.292.9380.1830.635×10-3572水（56.65℃）984.254.1840.65489×10-62.4.3換熱器的衡算塔頂冷卻器的工藝計算1.估算傳熱面積(1)熱負(fù)荷的計算（2）冷卻水消耗量(3)計算平均溫度差按單殼程、雙管程考慮，一側(cè)恒溫，求逆流時的平均溫度差：熱流體T78.3℃→35℃冷流體t35℃←15℃△t53.3℃20℃(4)初選K值，估算傳熱面積由表3，取K選=840.傳熱面積S：=由于兩流體溫差為33.3℃，選擇帶有補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為：JB/T4715-92主要參數(shù)如下：表2-3-2列管參數(shù)公稱直徑273mm管子尺寸/mmφ19×2.0管子數(shù)n56管長L/mm2000管中心距mm25管程數(shù)Np2管子排列方式正方形管程流通面積/0.0049實際換熱面積SO2.核算總傳熱系數(shù)(1)管程對流傳熱系數(shù)對于低粘度流體，所以(2)殼程對流傳熱系數(shù)若熱流體在水平管束上冷卻，用下式計算冷卻傳熱系數(shù)：(3)污垢熱阻根據(jù)《化工流體流動與傳熱》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即K計=故所選擇的換熱器是合適的。3.核算壓降(1)管程壓降其中,,管程流速雷諾數(shù)>(湍流)對于碳鋼管,取管壁粗糙度ε=0.1mm，所以由《化工流體流動與轉(zhuǎn)熱》書的λ-Re關(guān)系圖中可查得λ=0.038。(2)殼程壓降殼程流通面積殼程流速因管子排列方式為正方形，所以F=0.3。雷諾數(shù)>加擋板：對數(shù)，間距，殼徑計算結(jié)果表明,管程和殼程的壓降均能滿足設(shè)計要求。設(shè)計結(jié)果：選用固定管板式換熱器，型號：JB/T4715-924.接管的選擇(1)管程流體進出口接管的選擇根據(jù)液體一般在管中的流速大小，選擇冷卻液進出接管的流速為，則接管內(nèi)徑為根據(jù)《化工流體流動與傳熱》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φ65mm×3.5mm,di=58mm=0.058m核算流速故選擇的接管規(guī)格合適。(2)殼程流體進出口接管的選擇根據(jù)液體一般在管中的流速大小，選擇待冷卻進入接管時流速為，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φ42mm×3mm,di=36mm=0.036m核算流速故選擇的接管規(guī)格合適。2.5塔底冷卻器的設(shè)計2.5.1確定設(shè)計方案1．選擇換熱器的類型冷卻器是把99.3℃的含乙醇0.5%的釜底液冷卻儲存，熱流體的進口溫度是99.3℃，熱流體的出口溫度是35℃,為了節(jié)約熱量選擇用原料液來冷卻釜底液體.冷流體的進口溫度是12℃,出口溫度25℃。2．確定流體的流經(jīng)由于原料液可能含有渣滓,走管程利于清洗，且原料液可通過熱流體的傳熱提高溫度，在進入原料預(yù)熱器時可節(jié)省蒸汽用量；熱流體走殼程可通過殼壁面向空氣中散熱，有利于冷卻。所以原料液走管程，釜底液走殼程。換熱器內(nèi)的流體沒有腐蝕性，所以選用碳鋼管，可降低設(shè)備費。2.5.2根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù)熱流體T99.3℃→35℃冷流體t25℃←12℃（呼和浩特地區(qū)水溫12℃）△t74.3℃23℃熱流體的定性溫度為。冷流體的定性溫度為。根據(jù)定性溫度分別查取的物性參數(shù)如下：表2-5-1塔底冷卻器原料物性參數(shù)名稱密度ρKg/m3定壓比熱CpkJ/(Kg·℃)導(dǎo)熱系數(shù)k，W/(m·℃)粘度μPa·s0.5%乙醇液（67.15℃）979.374.240.66084.202×10-4冷卻水（20℃）998.24.1830.59891.005×10-32.5.3換熱器的衡算熱量衡算1.估算傳熱面積(1)熱負(fù)荷的計算(2)冷卻水消耗量(3)計算平均溫度差按單殼程、雙管程考慮，一側(cè)恒溫，求逆流時的平均溫度差：熱流體T99.3℃→35℃冷流體t35℃←12℃△t64.3℃23℃2.6塔底再沸器工藝粗算塔底再沸器物料衡算（1）估算傳熱面積，初選換熱器型號熱流體：加熱蒸汽冷流體：釜殘液①本物性數(shù)據(jù)的查取釜殘液的定性溫度：99.3加熱蒸汽定性溫度：125由于釜殘液中乙醇含量很低，粗略計算時，可按純水計算。查得99.3的水和125的水的汽化熱分別為和②熱負(fù)荷計算由,和泡點進料得因此所以蒸汽流量：③確定流體的流徑設(shè)計任務(wù)的冷流體為釜殘液，熱流體為水蒸汽，為提高加熱效果，令釜殘液走殼程，蒸汽走管程。2.7離心泵的選型與計算設(shè)計任務(wù)要求離心泵用于原料液的輸送，是原料泵，根據(jù)流程圖，該離心泵需要完成從儲罐輸送原料液流經(jīng)100m長的直管管路、管路中各部件（包括1個截止閥、1個取樣閥、1個調(diào)節(jié)閥、2個標(biāo)準(zhǔn)彎頭）、預(yù)熱器管程，再到精餾塔進料口。2.7.1物性參數(shù)的獲取考慮到直管中流動的是不可壓縮的液體，溫度使密度變化的不大，可以近似認(rèn)為原料液物性參數(shù)取初始溫度為20℃時的數(shù)據(jù)。20℃時，乙醇的密度為水的密度為原料液平均密度：由所以平均黏度表2-7-1管路中原料液單一物質(zhì)與混合物體的物性參數(shù)名稱密度ρkg/m3粘度μPa·s20℃水998.220℃乙醇79020℃原料液（50%乙醇，50%水）8822.7.2離心泵的選型⑴體積流量⑵設(shè)計輸送高度（儲罐液面與精餾塔進料口高度差）為，根據(jù)預(yù)熱器接管的計算，已知輸送管道為令儲罐液面保持恒定，并且設(shè)計儲罐液面上方維持常壓并以此為基準(zhǔn)面，設(shè)液面絕對壓力為101.3kPa，設(shè)計精餾塔進料口處的塔內(nèi)絕對壓力為121.0kPa.⑶以儲罐液面為基準(zhǔn)面，在基準(zhǔn)面和精餾塔出口水平面之間列柏努利方程得壓頭計算式：管路的壓頭其中=20m=0m/s⑷阻力壓頭損失的計算①直管阻力壓頭損失的計算取碳鋼管的粗糙度為，則由圖，查得直管長L=100m，則直管壓降直管管路中各部件包括1個截止閥、1個取樣閥、1個調(diào)節(jié)閥、4個標(biāo)準(zhǔn)彎頭：截止閥：調(diào)節(jié)閥（全開）：標(biāo)準(zhǔn)彎頭：出口阻力系數(shù)：進口阻力系數(shù)：共有進口2個，出口2個所以局部阻力壓降為冷卻器管程壓降為11200Pa,預(yù)熱器管程壓降為10615Pa換熱器的總壓降為;管路的壓頭又因為輸送的液體為有機溶劑，屬于易燃物品，所以要求必須有較高的密封性能，故選用油泵（Y型）。根據(jù)，從Y型離心油泵系列中選取50Y-60型離心泵。表2-7-250Y-60型離心泵主要參數(shù)體積流量揚程m軸功率KW轉(zhuǎn)速r/min效率12.5605.95295035%由于原料液的密度小于水的密度，所以不需核算泵所需的軸功率，而從上面有關(guān)數(shù)據(jù)科看出，泵所提供的流量Q和揚程H均稍大于管路系統(tǒng)要求值，實際生產(chǎn)操作中流量可通過泵出口閥開度來調(diào)節(jié)。第三章匯總表3.1原料預(yù)熱器結(jié)果匯總表熱流體125℃-125℃水蒸氣管子根數(shù)n40冷流體20℃-81.9℃原料液管心距32mm熱負(fù)荷554.3w換熱管長度L3000mmWh910.21Kg/h管子排列方式正方形Wc9343Kg/h管程流通面積0.0031m2Δtm69.5℃管程對流傳熱系數(shù)3141.76W/(m2·℃)K選900W/(m·℃)殼程對流傳熱系數(shù)6323.68W/(m·℃)公稱直徑DN325mmRso0.8598×10-4(㎡℃)/W換熱面積7.39m2Rsi1.7197×10-4(㎡℃)/W管程數(shù)NP4總傳熱系數(shù)K1075.81W/(m2·℃)管程壓強降17.99KPa殼程壓強降20.44Pa管程接管進：do=50,b=3,di=44mm殼程接管進：do=108,b=3,di=102mm出：do=50,b=3,di=44mm出：do=32,b=3di=26mm2.2塔頂全凝器結(jié)果匯總表熱流體78.3℃-78.3℃乙醇蒸氣管子根數(shù)n245冷流體15℃-35℃冷卻水管心距32mm熱負(fù)荷w換熱管長度L4500mmWh15000Kg/h管子排列方式正方形Wc48100Kg/h管程流通面積0.0769m2Δtm52.67℃管程對流傳熱系數(shù)1029.2W/(m2·℃)K選900W/(m·℃)殼程對流傳熱系數(shù)8548.4W/(m·℃)公稱直徑DN600mmRso1.7197×10-4(㎡℃)/W換熱面積68.31m2Rsi0.859×10-4(㎡℃)/W管程數(shù)NP1總傳熱系數(shù)K1061.1W/(m2·℃)管程壓強降3.367KPa殼程壓強降132.6Pa管程接管進：do=54,b=3,di=48mm殼程接管進：do=42,b=3.5,di=35mm出：do=54,b=3,di=48mm出：do=58,b=2,di=54mm2.3塔頂冷卻器結(jié)果匯總表熱流體78.3℃-35℃產(chǎn)品管子根數(shù)n56冷流體15℃-35℃冷卻水管心距32mm熱負(fù)荷W換熱管長度L2000mmWh4030Kg/h管子排列方式正方形Wc15200Kg/h管程流通面積0.0049m2Δtm35.80℃管程對流傳熱系數(shù)3948.49W/(m2·℃)K選840W/(m·℃)殼程對流傳熱系數(shù)4130.489W/(m·℃)公稱直徑DN273mmRso0.859×10-4(㎡℃)/W換熱面積6.48m2Rsi1.7197×10-4(㎡℃)/W管程數(shù)NP2總傳熱系數(shù)K848.633W/(m2·℃)管程壓強降9.066KPa殼程壓強降6.32KPa管程接管進：do=42,b=3,di=36mm殼程接管進：do=38,b=3,di=32mm出：do=42,b=3,di=36mm出：do=38,b=4.5,di=29mm第四章課程設(shè)計評論在此次化工原理課程設(shè)計中，設(shè)計任務(wù)多種多樣，列管換熱器的設(shè)計便是其中之一。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工業(yè)原料及產(chǎn)物的熱性質(zhì)進行改變。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。在課設(shè)中主要選用固定板式換熱器，對其進行了物料衡算、換熱管的選擇、換熱器的選型等一系列工業(yè)設(shè)計。熟悉掌握換熱器的化工工藝用途、設(shè)計方法、設(shè)計注意事項。在設(shè)計過程程中查閱相關(guān)資料獲得所需物料的物化特性，在遇到不懂設(shè)計難題向老師提問有關(guān)問題，對我們的設(shè)計是至關(guān)重要的，同時這也是我們必須學(xué)習(xí)掌握的一門技巧。心得體會通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)換熱器方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。過而能改，善莫大焉。在課程設(shè)計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，在此過程中也感到過非常的麻煩，反感。但是都堅持著咬緊牙關(guān)繼續(xù)做下去。通過此次課程設(shè)計給我很多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升，對知識傳熱的知識有了進一步的更全面面的了解。同時，也培養(yǎng)了我獨立思考、動手操作的實踐能力，回顧起此課程設(shè)計，從理論到實踐，在這段日子里，可以說得是水深火熱，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正運用自己所學(xué)到的知識，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。參考文獻[1]中國石化集團上海工程有限公司組織編寫·換熱器?化學(xué)工業(yè)出版社·2008.12[2]柴誠敬、張國亮?化工流體與流動傳熱?北京：化學(xué)工業(yè)出版社?2007.7[3]賈紹義、柴誠敬?化工傳質(zhì)與分離過程?北京：化學(xué)工業(yè)出版社?2001.1[4]朱孝欽?過程裝備基礎(chǔ)?北京：化學(xué)工業(yè)出版社?2006.7[5]魏崇關(guān)、鄭曉梅?化工工程制圖?北京輕工業(yè)出版社·1995[6]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)計指導(dǎo)書（換熱器分冊）·2009.6[7]王國勝?化工原理課程設(shè)計?大連理工大學(xué)出版社?2005.2[8]馬江權(quán)、冷一欣?化工原理課程設(shè)計?北京：中國石化出版社?2009.1[9]楊同舟?食品工程原理?中國農(nóng)業(yè)出版社·2001[10]王壯坤?流體輸送與傳熱技術(shù)?化學(xué)工業(yè)出版社·2009附錄表1-管殼式換熱器總傳熱系數(shù)K的推薦管

程殼

程總傳熱系數(shù)/［W/（m2·K）］水（流速為0.9～1.5m/s）水（流速為0.9～1.5m/s）582～698水水（流過較高時）814～1163冷水輕有機物μ＜0.5mPa·s467～814冷水中有機物μ＝0.5～lmPa·s290～698冷水重有機物μ＞lmPa·s116～467鹽水輕有機物μ＜0.5mPa·s233～582有機溶劑有機溶劑μ＝0.3～0.55mPa·s198～233輕有機物μ＜0.5mPa·s輕有機物μ＜0.5mPa·s233～465中有機物μ＝0.5～lmPa·s中有機物μ＝0.5～lmPa·s116～349重有機物μ＞lmPa·s重有機物μ＞lmPa·s58～233水（流速為1m/s）水蒸氣（有壓力）冷凝2326～4652水水蒸氣（常壓或負(fù)壓）冷凝1745～3489水溶液μ＜2mPa·s水蒸氣冷凝1163～1071水溶液μ＞2mPa·s水蒸氣冷凝582～2908有機物μ＜0.5mPa·s水蒸氣冷凝582～1193有機物μ＝0.5～lmPa·s水蒸氣冷凝291～582有機物μ＞1mPa·s水蒸氣冷凝114～349水有機物蒸汽及水蒸氣冷凝582～1163水重有機物蒸汽（常壓）冷凝116～349水重有機物蒸汽（負(fù)壓）冷凝58～174水飽和有機溶劑蒸汽（常壓）冷凝582～1163水含飽和水蒸氣的氯氣（＜50℃）174～349水SO2冷凝814～1163水NH3冷凝698～930水氟里昂冷凝756表2-壁面污垢熱阻系數(shù)

流體名稱污垢熱阻m2·℃/W流體名稱污垢熱阻m2·℃/W流體名稱污垢熱阻m2·℃/W有機物蒸汽0.8598×10-4有機物1.7197×10-4石腦油1.7197×10-4溶劑蒸汽1.7197×10-4鹽水1.7197×10-4煤油1.7197×10-4天然氣1.7197×10-4熔鹽0.8598×10-4汽油1.7197×10-4焦?fàn)t氣1.7197×10-4植物油5.1590×10-4重油8.5980×10-4水蒸汽0.8598×10-4原油(3.4394~12.098)×10-4瀝青油1.7197