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1、目录任务书 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）
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
3、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(1) 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38C5(3) 允许压降：不大于10 Pa(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
4、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-
5、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
6、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、
7、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
8、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。
9、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
10、，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般流体易结垢液体气体流速管程0.5 -3.0 1.05.0 -30m/s壳程0.2 -1.5 0.53.0 -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 15001500 -500500 -100100 -3535-1 1最大流速，m/s0.60.751
11、.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/m26004188100.014845003264.80oQotd)0Q G 令(M 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 .NT/=1.05 32.188/0.7 = 551mm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：二34 =2.
12、43，P=i14T| 14 =0.2654查化工原理第三版王志魁编图 425温差校正系数= 0.93 28.9 =269C知 t=0.93，贝U平均传热温差：Atm二t：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%，则h=0.3 x 600=180m 故可取 h=180mm取折流板间距 B=0.35D,则 B=0.35 x 600=210mm可取B为300mm折流板数目Nb传热管长折流板间距一1 =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
13、折流板厚度/ mm壳体公称内 径/mm相邻两折流板间距/mm 750200250356101040070056101012700100068101216 10006101216160 0y 0000 00000 000 oc 00000 ooooo 000 oQ L 008000 ooooo 000 80 00000 00CT00800000000 0000 000000optL -=rv1 J1 ”Fl b0gt 11f .一卞r- J-L-Z3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 ReoPrS)
14、0.14de%当量直径： 3 2 心 2现戸行dode = 24=0.02mdo壳程流通截面积：S。=BD(1 -虫)=0.3 0.6 (1 -0025) = 0.039m2t0.032壳程流体流速及其雷诺数分别为:Uo7.71380.1987m/s995.35 0.039普朗特数:粘度校正:Re。Prodeu0r0.02 0.1987 995.355032 .8J0Cpo %LL()0.14 ：1.057.86 104.174 1037.8610= 5.2940.6197：0 236兰空0.025032.80.55 5.294 3 1.05 =2217.7w/(m2 K)4. 2管程表面传热
15、系数 TC （2）管内表面传热系数f C l 3 i 0.80.4:-i = 0.023 Re Pr di管程流体流通截面积:AO.785.022 晋= .014758m2ui15200/(3600 759)=0.377m/s0.014758管程流体流速:雷诺数:Rei.2 O.377 759 =7280.990.786 103_33.14 103 0.58 10= 10.42普朗特数:0.17480 1748r。023 话 7280.0.810.42-631.2w/(m2 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/
16、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)。0.00252所以 i171T0.000146m k/wKe4. 4传热系数 TC (4)传热系数f C l 3 -亠昭 BAR,丄)id id m1250.000176 25 0.000146 251.+0.00058 +631.2 202= 295.4w/m K2022.5；2217.74.5 TC (5)传热面积裕度f C l 3 传热面积裕度计算传热面积Ac：QiAc =Ke ：tm62 2 75 1 06 1 03 =56.73m2295.4 3600 26.9该换热器的实际
17、传热面积为 A: A=64.8mi该换热器的面积裕度为h =1=64673=14.23%A56.73传热面积裕度在10% 20%围内，故该换热器能够完成生产任务。4.6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：tw式中液体的平均温度tm和气体的平均温度分别计算为 湍流时:tm =0.4t2 0.6匕=0.4 38 0.6 24 =29.6
18、CTm =0.40.6T2 =0.4 78 0.6 44=57.6C :c =气-631.2w/ (卅 K):h = ： o =22217.2w/ （卅 K）传热管平均壁温：tw =51.4 C壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=31C。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5.1管程流体的阻力损失 TC (1)管程流体阻力f C l 3 p =( PiPjNsNpFs、l Pa2Ns =1 , Np = 4 ,=Pi = i 1 di 2当 Re=7280.99
19、 查得=0.0385 ,所以:ldi2 ?iUi T=0.03854.5X0.02759 0.3772229Ui c 759 0.3772 -=3 -2 25pt = 4834 1.4 4 1 = 27071 ： 10 Pa管程流体的压力降在允许的范围内5.2壳程流体的压力降按式计算.：Ps =（ ：Po =Pi）FsNs , Ns =1, Fs =1.15流体流经管束的压降 Po 二 FfoNTC（NB 1）2对于正三角形排列F=0.5fo =5 Re。228 =5 5032.8亠228 =0.72对于正三角形排列Ntc =1.1Nt0.5 =1.1 18805 = 15NB =14，u0=
20、0.1987m/s，-9995.35kg /m3=po= 0.5 0.72 15 1520.1987995.352-1591.6流体流过折流板缺口的压降Pi 二Nb（3.52B）:叮,B=0.3m , D=0.6md 22= 687.7.0PawysjF 995.35.19870.6 2总压降ps = (1591.6687.7) 1 1.15 =2621.2Pa ： 105 pa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=0.9m/s,贝U接管内径为4V4 7.7183/993.9 “i05mmm3.14 0.9圆整后可取管内径
21、为110mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速 U2=1.8m/s，则接管内径为:D2=0.063mm4V _ 4 15200/(3600 759),2 一3.14 1.8圆整后去管内径为65mm6.2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/mm 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、较高精度偏差外径，mm厚度，mm外径偏差，mm壁厚偏差，mm碳钢GB/TB8163三143022.5 0.2+12%不锈钢GB994
22、8-10%6.3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。图3椭圆形封头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
23、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BES601.664.8 4.5/25 4 II参数壳程管程物质循环水乙醇流率 /(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)0.61970.174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
24、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/ (tf?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/c21.4传热系数/W/ (tf?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
25、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
26、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
27、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
