酒精精餾換熱器課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　題 目：年產(chǎn)3.7萬噸酒精精餾換熱</p><p><b>　　器設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p>　　學(xué) 院：化工學(xué)院</p><

2、;p><b>　　班 級(jí)： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p>　　2011 年 7 月 8 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在石油、食品加工、輕工、制藥、重工業(yè)等行業(yè)的生產(chǎn)過程中，換熱器是必用

3、工藝設(shè)備，可用作加熱器、冷卻器、冷凝器、全凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，換熱器類型，性能不同，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。由于生產(chǎn)的規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型很多，特點(diǎn)不一，可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行選擇。</p><p>　　換熱器伴隨工業(yè)生產(chǎn)的始終，其效果的好壞直接影響工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和生產(chǎn)效益，為了完成年產(chǎn)3.7噸酒精的生產(chǎn)任

4、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弦海窃弦杭訜岬揭欢囟?，然后再用高溫蒸汽來加熱原料液達(dá)到酒精泡點(diǎn)溫度再進(jìn)精餾塔。塔頂酒精蒸汽經(jīng)過全凝器，用冷卻水將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。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)任務(wù)是年產(chǎn)3.7萬噸酒精精餾系統(tǒng)換熱器設(shè)計(jì)，其中包括了生產(chǎn)工藝流程中四個(gè)換熱器：原料預(yù)熱器、塔頂全凝器、塔頂冷卻器、塔底冷卻器。對(duì)每

5、個(gè)換熱器進(jìn)行了精算，經(jīng)反復(fù)選擇與核算之后，選取了合適的換熱器類型及其結(jié)構(gòu)尺寸等其他工藝指標(biāo)要求。 </p><p>　　此次設(shè)計(jì)參考了較多的文獻(xiàn)資料，結(jié)合實(shí)際生成需求采用了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算方法和精確嚴(yán)密的計(jì)算步驟，設(shè)計(jì)出了較符合生成需求，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，安全可靠，操作簡(jiǎn)便，易于清洗、維修的列管換熱器。</p><p>　　關(guān)鍵字：換熱器、設(shè)計(jì)、加工</p><p><

6、b>　　前言</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)是化工原理課程中綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，它是理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，是進(jìn)行體察工程實(shí)際問題復(fù)雜性的初次嘗試。</p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)中過程中，兩種物流之間熱的交換通過換熱器實(shí)現(xiàn)。在石油、化工、食品加工、輕工、制藥等行業(yè)的生產(chǎn)過程中，換熱器是通用的工藝設(shè)備，可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，換熱器的類型

7、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，本次設(shè)計(jì)采用應(yīng)用廣泛的列管換熱器。</p><p>　　列管換熱器的應(yīng)用已有悠久的歷史，在很多工業(yè)部門中，列管換熱器仍處于主導(dǎo)地位。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)，換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理的研究十分活躍，一些新型的換熱器相繼問世。<

8、/p><p><b>　　符號(hào)說明</b></p><p>　　Q——傳熱速率(即熱負(fù)荷)，W；</p><p>　　K——總傳熱系數(shù)，W／(m2．℃)；</p><p>　　S——與K值對(duì)應(yīng)的換熱器傳熱面積，m2； </p><p>　　Δtm——平均溫度差，℃。</p><p&

9、gt;　　W ——流體的質(zhì)量流量，kg／h；</p><p>　　Cp——流體的平均定壓比熱容，J／(kg·℃)；</p><p>　　T ——熱流體的溫度，℃；</p><p>　　t ——冷流體的溫度，℃；</p><p>　　r ——飽和蒸汽的冷凝潛熱，kJ／kg。</p><p>　　K?！趽Q熱

10、器外表面積的總傳熱系數(shù)，w／((m2．℃)；</p><p>　　——基于管內(nèi)及管外的對(duì)流傳熱系數(shù)，w／(m2·℃)；</p><p>　　Rso、Rsi——分別為管外側(cè)及管內(nèi)側(cè)表面上的污垢熱阻，(m2．℃)／w;</p><p>　　do、di 、dm——分別為換熱器列管的外徑、內(nèi)徑及平均直徑,m；</p><p>　　b——列管

11、管壁厚度, m；</p><p>　　k一列管管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，w／(m·℃)</p><p>　　Δt——蒸汽的飽和溫度與壁溫之差，</p><p>　　nc——水平管束在垂直列上的管數(shù)；</p><p>　　——直管中因摩擦阻力引起的壓力降Pa；</p><p>　　——回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa

12、；</p><p>　　——結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，φ25×2.5mm的換熱管取1.4；φ19×2mm的換熱管取1.5；</p><p><b>　　——串聯(lián)的殼程數(shù)；</b></p><p><b>　　——管程數(shù)。</b></p><p>　　ξ—— 阻力系數(shù)，列管換熱器管內(nèi)ξ

13、=3</p><p><b>　　——折流擋板數(shù)目；</b></p><p>　　——按殼程流通面積So計(jì)算的流速，m/s</p><p>　　第1章 確定設(shè)計(jì)方案</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)設(shè)備在生產(chǎn)中的作用</p><p>　　換熱器是化工、石油、動(dòng)力、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備

14、，是必不可少的單元設(shè)備，在生產(chǎn)中占有很重要的地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱器投資約占裝備建設(shè)總投資的30%-40%；在合成氨廠中，換熱器占全部設(shè)備臺(tái)數(shù)的10%，由此可見，換熱器對(duì)整個(gè)企業(yè)的建設(shè)投資及經(jīng)濟(jì)效益有著重要的影響。</p><p>　　1.2 換熱系統(tǒng)流程方案的設(shè)計(jì)</p><p>　　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)的流程方框圖并選用適當(dāng)類型的換熱器，

15、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。</p><p>　　流程方案圖的初步設(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，資源的綜合利用。</p><p>　　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(duì)原料預(yù)熱器和塔頂

16、產(chǎn)品冷凝器進(jìn)行精算，塔頂冷卻器和塔底殘液冷卻器只作初算，而塔底再沸器不作要求。</p><p>　　1.3 換熱器設(shè)計(jì)方案的確定</p><p>　　1.3.1 換熱器的類型</p><p>　　列管式換熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，操作彈性大，應(yīng)用材料廣，歷史悠久，設(shè)計(jì)資料完善，并已有系列化標(biāo)準(zhǔn)，特別是在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。</p>&

17、lt;p>　　不同形式的列管換熱器主要針對(duì)換熱器管程與殼程流體的溫度差的不同設(shè)計(jì)。由于列管式換熱器管束與殼體內(nèi)通過流體的溫度不同，會(huì)引起管束與殼體熱膨脹程度的差異，若兩側(cè)流體的溫度差較大時(shí)，就可能由于熱應(yīng)力二引起管子彎曲或使管子從管板上拉托，因此，必須考慮熱補(bǔ)償。根據(jù)熱補(bǔ)償方法的不同，列管換熱器有以下幾種形式。</p><p><b>　　固定管板式換熱器</b></p>

18、<p>　　這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)便宜，但管外不能機(jī)械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進(jìn)出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時(shí)管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。</p>

19、<p>　　為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50℃以上時(shí)，為安全起見，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)償裝置(膨脹節(jié))只能用在殼壁與管壁溫差低于60～70℃和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。一般殼程壓強(qiáng)超過0.6Mpa時(shí)由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　2、浮頭式換熱器</b></p>&l

20、t;p>　　浮頭式換熱器的管板有一個(gè)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(guān)。浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清晰和維修，適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱器，應(yīng)用極為普遍，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。</p><p><b>　　3、填料涵式換熱器</b></p><p>　　這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單，造價(jià)也

21、比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。</p><p>　　1.3.2 換熱器類型的選擇</p><p>　　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； 可靠長(zhǎng)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。 </

22、p><p>　　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。</p><p>　　本文中兩流體溫差介于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℃的選擇不帶補(bǔ)償圈固定管板式換熱器。</p><p>　　根據(jù)制定的流程方案，可選擇帶補(bǔ)償圈的和

23、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。</p><p>　　1.3.3 固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)的確定</p><p>　　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、串液、壓降大。所以必須注意固定管板式換熱器的連

24、接方法和質(zhì)量。</p><p>　　固定管板式換熱器主要分為管程和殼程兩大部分。</p><p>　　1.3.3.1 管程結(jié)構(gòu)</p><p>　　換熱器管程由換熱管、管板、封頭 。 </p><p>　　1、換熱管布置和排列間距</p><p>　　管束的多少和長(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

25、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。</p><p>　　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ф25×2.5 mm碳鋼管。本次設(shè)計(jì)采用ф25&#

26、215;2.5 mm碳鋼管。</p><p>　　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。</p><p>　　A B C&

27、lt;/p><p>　　D E</p><p>　　(A) 正方形直列     （B）正方形錯(cuò)列    (C) 三角形直列     </p><p>　?。―）三角形錯(cuò)列 

28、 （E）同心圓排列 </p><p>　　正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；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。我國(guó)換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯(cuò)列排列居多，也有正三角形排列。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)選擇正三角形的排列方式。</p><p>　　2、管子與管板及其連接方式的選擇</p&g

29、t;<p>　　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。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。</p><p>　　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。</p

30、><p>　　3、封頭、管箱的確定</p><p>　　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(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。</p><p>　　1.3.3.2 殼程結(jié)構(gòu) </p><p>　　殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要由折流板、支承板、縱向隔

31、板及緩沖板等元件組成。</p><p><b>　　1、換熱體的確定</b></p><p>　　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。</p><p>　　2、列管式換熱器

32、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蒸汽所以不安裝折流板。</p><p>　　1.3.4 流體流動(dòng)空間的選擇</p><p>　　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：

33、</p><p><b>　　1、傳熱效果</b></p><p>　　（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。</p><p>　　（2）待冷卻的流體宜走殼程，便于傳熱。</p><p><b>　　2、設(shè)備結(jié)構(gòu)</b></

34、p><p>　　高壓的流體、腐蝕性的流體宜在管內(nèi)流過。</p><p><b>　　3 、清洗方便</b></p><p>　　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。</p><p>　　1.3.5流體流速的選擇 </p><

35、p>　　提高流體在換熱器中的流速，將增大對(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)增加，所需傳熱面積減小，設(shè)備費(fèi)用降低。但是流速增加，又使流體阻力增大，動(dòng)力消耗就增多，操作費(fèi)用增加。因此，應(yīng)選擇適當(dāng)流速。</p><p>　　下表列出工業(yè)一般采用的流體流速范圍。</p><p>　　表1 工業(yè)列管式換熱器常用的流體流速范圍</p>

36、<p>　　1.3.6 流體出口溫度的確定</p><p>　　在換熱器的設(shè)計(jì)中，被處理物料的進(jìn)出口溫度由工藝要求確定；加熱劑或冷卻劑的進(jìn)口溫度，一般由來源而定，但它的出口溫度則應(yīng)由社記者根據(jù)經(jīng)濟(jì)核算來確定，例如：用冷卻水作某物料冷卻劑時(shí)，在一定熱符合條件下，選用較高的冷水出口溫度，可節(jié)省材料，但傳熱的平均溫差減小，傳熱面積加大。反之，若選用較低的冷水出口溫度，冷水量增加，而傳熱面積可減少。最適宜的冷

37、卻水出口溫度應(yīng)根據(jù)操作費(fèi)與設(shè)備費(fèi)之和最少來確定。一般來說，設(shè)計(jì)時(shí)所采取的冷卻水進(jìn)出口溫度差應(yīng)不低于5℃，對(duì)于缺水地區(qū)，應(yīng)選用較大的溫度差。當(dāng)采用河水做冷卻水時(shí)，出口溫度一般不超過50℃，以防止管壁過多結(jié)垢。</p><p>　　1.3.7 管程和殼程數(shù)的確定</p><p>　　當(dāng)換熱器的換熱面積較大而管子又不能很長(zhǎng)時(shí)，就得排列較多的管子，為了提高流體在管內(nèi)的流速，需將管束分程。但是程數(shù)

38、過多，導(dǎo)致管程流動(dòng)阻力加大，動(dòng)力能耗增大，同時(shí)多程會(huì)使平均溫差下降，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)權(quán)衡考慮。管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有 1、2、4、6 四種。采用多程時(shí)，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)相等。</p><p>　　管程數(shù)N按下式計(jì)算：</p><p><b>　　N=u/v</b></p><p>　　式中 u——管程內(nèi)流體的適宜流速；</p>

39、;<p>　　V——管程內(nèi)流體的實(shí)際流速。</p><p>　　第2章 列管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算步驟</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)物料衡算</p><p>　　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)行換熱器的選用。</p>&

40、lt;p>　　2.1.2 選用換熱器</p><p>　　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；</p><p>　　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；</p><p>　　3、流動(dòng)空間的選擇；</p><p>　　4、初估總傳熱系數(shù)，計(jì)算換熱面積，初選換熱器。</p>

41、<p>　　2.1.3 核算總傳熱系數(shù)</p><p>　　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。</p><p>　　2.1.4 計(jì)算管、殼程壓強(qiáng)降</p><p>　　計(jì)算出設(shè)備的管、殼程流體的壓強(qiáng)降，如超過工藝允許

42、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)降直至滿足要求為止。</p><p>　　2.1.5 接管尺寸計(jì)算</p><p>　　為所選用的換熱器選擇接管。接管尺寸由管內(nèi)流體的體積流量和流速?zèng)Q定。流體的體積流量與爐體的狀態(tài)密切相關(guān)。</p><p>　　2.2 傳熱計(jì)算的主要公式</p><p>　　2

43、.2.1 傳熱速率方程式及相關(guān)計(jì)算公式</p><p>　　Q=KSΔtm </p><p>　　式中 Q——傳熱速率(即熱負(fù)荷)，W；</p><p>　　K——總傳熱系數(shù)，W／(m2．℃)；</p><p>　　S——與K值對(duì)應(yīng)的換熱器傳熱面積，m2；</p><p>　　Δtm——平均溫

44、度差，℃。</p><p>　　1. 熱負(fù)荷(傳熱速率)Q</p><p><b>　　無相變傳熱 </b></p><p>　　Q＝WhCph(T1-T2)＝WcCpc(t2-t1) </p><p>　　相變傳熱(蒸汽冷凝且冷凝液在飽和溫度下離開換熱器)</p><p>　　Q＝W

45、hr＝WcCpc(t2一t1) </p><p>　　式中W ——流體的質(zhì)量流量，kg／h；</p><p>　　Cp——流體的平均定壓比熱容，J／(kg·℃)；</p><p>　　T ——熱流體的溫度，℃；</p><p>　　t——冷流體的溫度，℃；</p><p>　　r——飽和蒸

46、氣的冷凝潛熱，kJ／kg。</p><p>　　下標(biāo)h和c分別表示熱流體和冷流體，下標(biāo)1和2分別表示換熱器的進(jìn)口和出口。</p><p>　　2 .平均溫度差Δtm</p><p>　　一側(cè)恒溫 ,逆流與并流的平均溫差相等</p><p>　　兩側(cè)變溫，平均溫差用逆流平均溫差校正</p><p>　　-溫差校正系數(shù)，,

47、其中</p><p><b>　　3. 總傳熱系數(shù)K</b></p><p>　　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。</p><p>　　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：</p><p>　　式中 K0——

48、基于換熱器外表面積的總傳熱系數(shù)，w／(m2．℃)；</p><p>　　ho、hi——分別為管外及管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)，w／(m2·℃)；</p><p>　　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;</p><p>　　do、di 、dm——分別為換熱器列管的外徑、內(nèi)徑及平均直徑,m；</p><p&g

49、t;　　b——列管管壁厚度, m； </p><p>　　k一列管管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，w／(m·℃)。</p><p><b>　　4.對(duì)流傳熱系數(shù)</b></p><p>　　(1)對(duì)于低粘度流體(μ小于或等于2倍常溫水的粘度)</p><p>　　當(dāng)流體被加熱時(shí)，n＝0.4</p><p&g

50、t;　　當(dāng)流體被冷卻時(shí)，n＝0.3</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　ρ、μ——分別為流體的密度和粘度，kg／m3、Pa·s；</p><p>　　、Cp——分別為流體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容,w/(m·℃)、J/kg?℃;</p><p>　　u——管內(nèi)流速．m／s；<

51、/p><p>　　d——列管內(nèi)徑，m。</p><p>　　應(yīng)用范圍：Re＞l0000，Pr＝0.7-160，管長(zhǎng)與管徑之比L/d＞60，若L/d＜60可將上式算出的α乘以（1+ （d/L）0.7）</p><p><b>　　特征尺寸：管內(nèi)徑d</b></p><p>　　定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。<

52、/p><p>　　(2)蒸汽在水平管束上冷凝時(shí)的冷凝傳熱系數(shù) </p><p>　　若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式計(jì)算冷凝傳熱系數(shù)：</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　— 冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，w／(m·℃)；</p><p>　　ρ——冷凝液的密度，kg／m3

53、。； </p><p>　　μ——冷凝液的粘度，Pa·s；</p><p>　　γ——飽和蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg；</p><p>　　Δt——蒸汽的飽和溫度與壁溫之差，Δt＝ts-tw 此處取Δt=5</p><p>　　nc——水平管束在垂直列上的管數(shù)；</p><p>　　5．換熱器實(shí)際傳熱面

54、積</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　2.2.2 計(jì)算流體壓降的主要公式</p><p>　　一般說來，流經(jīng)列管式換熱器允許的壓強(qiáng)降，液體為10—1

55、00 ，氣體為1—10左右。</p><p><b>　?。?）管程壓力降</b></p><p>　　直管中因摩擦阻力引起的壓力降Pa；</p><p>　　回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降Pa；</p><p>　　結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，φ25×2.5mm的換熱管取1.4；φ19×2mm的換熱管取1

56、.5；</p><p><b>　　串聯(lián)的殼程數(shù)；</b></p><p><b>　　管程數(shù)。</b></p><p>　　ξ—— 阻力系數(shù)，列管換熱器管內(nèi)ξ=3</p><p><b>　?。?）殼程壓力降</b></p><p>　　流體橫過管束的

57、壓力降Pa；</p><p>　　流體流過折流擋板缺口的壓力降Pa；</p><p>　　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；</p><p>　　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；</p><p>　　殼程流體的摩擦系數(shù)；</p>&

58、lt;p>　　橫過管束中心線的管數(shù)</p><p>　　B——折流擋板間距，m；</p><p>　　D——?dú)んw直徑，m；</p><p><b>　　折流擋板數(shù)目；</b></p><p>　　按殼程流通面積So計(jì)算的流速，m/s。</p><p>　　第3章 設(shè)計(jì)的工藝計(jì)算</p

59、><p>　　3.1 全塔的物料衡算</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知：塔頂產(chǎn)品乙醇的質(zhì)量D=2.7萬噸，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</p><p><b>　　由</b></p><p>　　求得：F=9499.15</p>

60、<p><b>　　W=4320.26</b></p><p><b>　　回流比：R=2</b></p><p>　　所以 V=L+D=3D=3×3375=15416.67</p><p>　　3.2 原料預(yù)熱器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 確定設(shè)計(jì)方案<

61、/p><p>　　1．選擇換熱器的類型</p><p>　　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。</p><p>　　2．流動(dòng)空間和管材的選用</p><p>　　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，而粘度大、流量較

62、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。</p><p>　　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 </p><p>　　3.2.2 根據(jù)定性

63、溫度確定物性參數(shù)</p><p>　　熱流體：120→120 定性溫度為（絕對(duì)壓力0.2MPa）</p><p>　　冷流體：81.9←56.3 定性溫度為。</p><p>　　根據(jù)定性溫度分別查取的物性參數(shù)如下：</p><p>　　表1 預(yù)熱器內(nèi)原料物性參數(shù)</p><p>　　3.2.3

64、換熱器的衡算</p><p>　　3.3 塔底冷卻器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1 確定設(shè)計(jì)方案</p><p>　　1．選擇換熱器的類型</p><p>　　冷卻器是把99.3℃的含乙醇0.5%的釜底液冷卻儲(chǔ)存，熱流體的進(jìn)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(jìn)口溫度是

65、15℃,出口溫度25℃。</p><p><b>　　2．確定流體的流經(jīng)</b></p><p>　　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(jìn)入原料預(yù)熱器時(shí)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(fèi)。</p>

66、<p>　　3.3.2 根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù)</p><p>　　蒸汽 T 99.3℃ → 35℃</p><p>　　原料液t 25℃ ← 15℃</p><p>　　△t 74.3℃ 20℃</p><p>　　熱流體的定性溫度為。</p><p&

67、gt;　　冷流體的定性溫度為。</p><p>　　根據(jù)定性溫度分別查取的物性參數(shù)如下：</p><p>　　表3 塔底冷卻器原料物性參數(shù)</p><p>　　3.3.3 換熱器的衡算</p><p>　　3.4 離心泵的選型與計(jì)算</p><p>　　設(shè)計(jì)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

68、，該離心泵需要完成從儲(chǔ)罐輸送原料液流經(jīng)塔底冷卻器管程、100m長(zhǎng)的直管管路、管路中各部件（包括2個(gè)截止閥、1個(gè)調(diào)節(jié)閥、5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭）、預(yù)熱器管程，再到精餾塔進(jìn)料口。</p><p>　　3.4.1 物性參數(shù)的獲取</p><p><b>　　原料液物性參數(shù)</b></p><p>　　表5預(yù)熱器內(nèi)原料物性參數(shù)</p><

69、p><b>　　則：</b></p><p>　　3.4.2 離心泵的選型</p><p><b>　?、朋w積流量 </b></p><p>　?、圃O(shè)計(jì)輸送高度（儲(chǔ)罐液面與精餾塔進(jìn)料口高度差）為Z1=20m，根據(jù)預(yù)熱器接管的計(jì)算，已知輸送管道為令儲(chǔ)罐液面保持恒定，并且設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐液面上方維持常壓并以此為基準(zhǔn)面，設(shè)液面

70、絕對(duì)壓力為101.3kPa，設(shè)計(jì)精餾塔進(jìn)料口處的塔內(nèi)絕對(duì)壓力為121.0kPa.</p><p><b>　?。?）泵的選擇</b></p><p>　　選取儲(chǔ)液槽上方液面為1-1’,進(jìn)料口為2-2’，列伯努利方程：</p><p><b>　　因?yàn)檎羝龤こ坦剩?lt;/b></p><p>　?、茸枇?/p>

71、壓頭損失的計(jì)算</p><p>　　直管阻力壓頭損失的計(jì)算</p><p><b>　　>10000湍流</b></p><p>　　取碳鋼管的粗糙度為，則</p><p>　　由圖，查得λ=0.054</p><p>　　直管長(zhǎng)L=100m，則</p><p>&l

72、t;b>　　直管壓降</b></p><p>　　直管管路中各部件包括2個(gè)截止閥、1個(gè)調(diào)節(jié)閥、5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭：</p><p>　　截止閥： 調(diào)節(jié)閥（全開）：</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)彎頭： 出口阻力系數(shù)： </p><p>　　進(jìn)口阻力系數(shù)： 共有進(jìn)口4個(gè)，出口3個(gè)</p><p><b&g

73、t;　　所以局部阻力壓降為</b></p><p>　　（5）塔底冷卻器壓強(qiáng)降的計(jì)算</p><p>　　表6塔底冷卻器原料物性參數(shù)</p><p>　　由冷凝器的計(jì)算得壓降：</p><p><b>　　又預(yù)熱的管程壓降：</b></p><p>　　換熱器的總壓降為; </p

74、><p><b>　　管路的壓頭</b></p><p><b>　　m</b></p><p>　　又因?yàn)檩斔偷囊后w為有機(jī)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）。</p><p>　　根據(jù)，從Y型離心油泵系列中選取50Y-60型離心泵。</p><p&

75、gt;　　50Y-60型離心泵主要參數(shù)</p><p>　　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(yáng)程H均稍大于管路系統(tǒng)要求值，實(shí)際生產(chǎn)操作中流量可通過泵出口閥開度來調(diào)節(jié)。</p><p>　　3.5 塔頂冷凝器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.5.1 確定設(shè)計(jì)方案</p><p&

76、gt;　　1、選擇換熱器的類型。</p><p>　　冷凝器是把78.3℃的含乙醇92%的液體冷凝為35℃的的飽和液體，冷卻水的進(jìn)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25℃。全凝器中兩種流體溫度變化不大（50℃--70℃），選擇帶補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器。</p><p>　　2、流動(dòng)空間和管材的選用。</p><p>　　由于蒸汽

77、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。</p><p>　　3.5.2 根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù)</p><p>　　熱流體T 35℃

78、 ← 78.3℃</p><p>　　冷流體t 15℃ → 25℃</p><p>　　△t 20℃ 53.3℃</p><p>　　冷流體的定性溫度為℃</p><p>　　熱流體的定性溫度為℃</p><p>　　根據(jù)定性溫度分別查取的物性參數(shù)如下：</p>

79、;<p>　　表8 塔頂全凝器內(nèi)原料物性參數(shù)</p><p>　　3.5.3 換熱器的衡算</p><p>　　3.6 塔頂全凝器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.6.1 確定設(shè)計(jì)方案</p><p>　　1．選擇換熱器的類型</p><p>　　塔頂冷卻器是把78.3℃的含乙醇92%的飽和蒸汽冷

80、凝為78.3℃的液體，熱流體的進(jìn)口溫度都是78.3℃，熱流體的出口溫度是78.3℃。冷卻水的進(jìn)口溫度是15℃，出口溫度是25℃.</p><p>　　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。</p><p>　　2．確定流體的流經(jīng)和管材。</p><p>　　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

81、，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(fèi)。</p><p>　　3.6.2 根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù)</p><p>　　熱流體 T 78.3℃ → 78.3℃</p><p>　　冷流體t 25℃ ← 15℃（呼和浩特地區(qū)水溫15℃）</p><p>　　△t

82、53.3℃ 63.3℃</p><p>　　熱流體的定性溫度為。</p><p>　　冷流體的定性溫度為。</p><p>　　根據(jù)定性溫度分別查取的物性參數(shù)如下：</p><p>　　表8 塔頂冷凝器原料物性參數(shù)</p><p>　　3.6.3 換熱器的衡算</p><p>

83、<b>　　第4章 匯總表</b></p><p>　　4.1 塔頂預(yù)熱器</p><p>　　塔頂預(yù)熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果</p><p>　　4-2 塔頂冷凝器</p><p>　　塔頂冷凝器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果</p><p>　　4-3 塔頂冷卻器</p>

84、<p>　　冷卻器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果</p><p><b>　　第5章 謝辭</b></p><p>　　在此次食品工程原理課程設(shè)計(jì)中，我能順利地完成列管式換熱器的設(shè)計(jì)任務(wù)，首先要感謝帶我們課程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師，他給我傳授的不僅僅是知識(shí)，更重要的是一種設(shè)計(jì)理念，同時(shí)也是一種學(xué)習(xí)方法，在此深深地感謝他。其次要感謝的是和我一起做換熱器的同學(xué)，我們相互分

85、享知識(shí)，相互交流，是我的知識(shí)應(yīng)用面拓展了多。</p><p><b>　　第6章 心得體會(huì)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)是理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，是我們學(xué)習(xí)食品工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的初步嘗試。通過課程設(shè)計(jì)，使我們能綜合運(yùn)用本課程和前修課程的基本知識(shí)，進(jìn)行融會(huì)貫通的獨(dú)立思考，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成了指定的化工設(shè)計(jì)任務(wù)，從而得到了食品程序設(shè)計(jì)的初步訓(xùn)練。通過課程設(shè)計(jì)，使我們

86、更加深刻的了解了工程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，培養(yǎng)了我們的獨(dú)立思考和設(shè)計(jì)的能力，建立了自己獨(dú)特的思維和獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想等等。通過這次設(shè)計(jì)讓我們學(xué)習(xí)提前學(xué)習(xí)了一些關(guān)于課程設(shè)計(jì)的一些理念，為我們畢業(yè)以后能更好的融入工作當(dāng)中奠定了一個(gè)基礎(chǔ)，使我們收獲很多，通過這次的課程設(shè)計(jì)拓寬了我們的視眼，掌握了許多新的方法和內(nèi)容。</p><p><b>　　第7章 附錄</b></p><p>

87、　　表1-管殼式換熱器總傳熱系數(shù)K的推薦</p><p>　　表2-壁面污垢熱阻系數(shù)</p><p><b>　　主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[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·2008.12</p><p>　　[2] 柴誠(chéng)敬、張國(guó)亮?化工流體與流動(dòng)

88、傳熱?北京：化學(xué)工業(yè)出版社?2007.7</p><p>　　[3] 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?2001.1</p><p>　　[4] 朱孝欽?過程裝備基礎(chǔ)?北京：化學(xué)工業(yè)出版社?2006.7</p><p>　　[5] 魏崇關(guān)、鄭曉梅?化工工程制圖?北京輕工業(yè)出版社·1995</p><p>　　

89、[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(jì)指導(dǎo)書（換熱器分冊(cè)）·2009.6</p><p>　　[7] 王國(guó)勝?化工原理課程設(shè)計(jì)?大連理工大學(xué)出版社?2005.2</p><p>　　[8]馬江權(quán)、冷一欣?化工原理課程設(shè)計(jì)?北京：中國(guó)石化出版社?2009.1</p><p>　　[9]楊同舟?食品工程原理?中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社·