换热器认知实习报告

1、学校代码：10128学号：国拾凌夫享课程设计说明书题 目：年产3. 7万吨酒精精储换热 器设计学生姓名：学院：化工学院班级：指导教师：2011年7月8日内蒙古工业大学本科课程设计内蒙古工业大学本科课程设计摘要在石油、食品加工、轻工、制药、重工业等行业的生产过程中，换热器是必用 工艺设备，可用作加热器、冷却器、冷凝器、全凝器、蒸发器和再沸器等，换热器 类型，性能不同，但设计所依据的传热基本原理相同，不同之处是在结构设计上需 要根据各自设备特点采用不同的计算方法。由于生产的规模、物料的性质、传热的 要求等各不相同，故换热器的类型很多，特点不一，可根据生产工艺要求进行选择。换热器伴随工业生产的始终，

2、其效果的好坏直接影响工业生产的质量和生产效 益，为了完成年产3.7吨酒精的生产任务并节约能源，减少对环境的污染，本次换 热器设计的思路为用塔底釜残液的热量来先加热原料液，是原料液加热到一定温度, 然后再用高温蒸汽来加热原料液达到酒精泡点温度再进精储塔。塔顶酒精蒸汽经过 全凝器，用冷却水将酒精蒸汽冷却至液体，再经过冷却器是产品冷却至35度。本次设计任务是年产3.7万吨酒精精储系统换热器设计，其中包括了生产工艺 流程中四个换热器：原料预热器、塔顶全凝器、塔顶冷却器、塔底冷却器。对每个 换热器进行了精算，经反复选择与核算之后，选取了合适的换热器类型及其结构尺 寸等其他工艺指标要求。此次设计参考了较多

3、的文献资料，结合实际生成需求采用了科学严谨的计算方 法和精确严密的计算步骤，设计出了较符合生成需求，经济实惠，安全可靠，操作 简便，易于清洗、维修的列管换热器。关键字：换热器、设计、加工内蒙古工业大学本科课程设计课程设计是化工原理课程中综合性和实践性较强的一个环节，它是理论联系实 际的桥梁，是进行体察工程实际问题复杂性的初次尝试。工业生产中过程中，两种物流之间热的交换通过换热器实现。在石油、化工、 食品加工、轻工、制药等行业的生产过程中，换热器是通用的工艺设备，可作为加 热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，换热器的类型性能各异，但设计所依 据的传热基本原理相同，不同之处是在结构设计上需要根

4、据各自设备特点采用不同 的计算方法，本次设计采用应用广泛的列管换热器。列管换热器的应用已有悠久的历史，在很多工业部门中，列管换热器仍处于主 导地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因 而对换热器的要求也日益加强，换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究 十分活跃，一些新型的换热器相继问世。i内蒙古工业大学本科课程设计符号说明q传热速率(即热负荷)，wk总传热系数，w(m2. )；s与k值对应的换热器传热面积，m2;atm平均温度差，c。w流体的质量流量，kg/h;cp 流体的平均定压比热容，j/(kg )；t 热流体的温度，c；t 冷流体的温度，c；r 饱和蒸

5、汽白冷凝潜热，kj/kg。k。一一基于换热器外表面积的总传热系数，w/(m2. c)；% o0基于管内及管外的对流传热系数，w/(m2c);rs。、r 分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，(m2. c)/w;d。、d、dm分别为换热器列管的外径、内径及平均直径 ，m；b列管管壁厚度，m;k 一列管管壁的导热系数，w/ (m - c )a t 蒸汽的饱和温度与壁温之差，nc水平管束在垂直列上的管数；pi 直管中因摩擦阻力引起的压力降 pa ;p2 回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，pa；ft 结垢校正系数，无因次，425x2.5mm的换热管取1.4;小19x2mm1勺换热管取 1.5;ns 串联

6、的壳程数；np 管程数。七阻力系数，列管换热器管内 七=3nb 折流挡板数目；uo 按壳程流通面积s。计算的流速，m/s第1章 确定设计方案1.1 设计设备在生产中的作用换热器是化工、石油、动力、食品及其他许多工业部门的通用设备，是必不可 少的单元设备，在生产中占有很重要的地位。据统计，在现代石油化工企业中，换 热器投资约占装备建设总投资的 30%-40%在合成氨厂中，换热器占全部设备台数 的10%由此可见，换热器对整个企业的建设投资及经济效益有着重要的影响。1.2 换热系统流程方案的设计进行换热器的设计，首先应根据工艺要求确定换热系统的流程方框图并选用适 当类型的换热器，确定所选换热器中流体

7、的流动空间及流速等参数，同时计算完成 给定生产任务所在地需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。流程方案图的初步设计中，考虑使用塔底残液的废热来预热原料液，达到废热 再利用的效果，实现节能减排，资源的综合利用。本次换热系统为精储系统的换热设备，包括原料预热器，塔顶全凝器，塔顶产 品冷却器，塔底再沸器，塔底残液冷却器。对原料预热器和塔顶产品冷凝器进行精 算，塔顶冷却器和塔底残液冷却器只作初算，而塔底再沸器不作要求。1.3 换热器设计方案的确定1.3.1 换热器的类型列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广，历史悠久，设计 资料完善，并已有系列化标准，特别是在高温、高压和大型换热设备中占

8、绝对优势不同形式的列管换热器主要针对换热器管程与壳程流体的温度差的不同设计。 由于列管式换热器管束与壳体内通过流体的温度不同，会引起管束与壳体热膨胀程 度的差异，若两侧流体的温度差较大时，就可能由于热应力二引起管子弯曲或使管 子从管板上拉托，因此，必须考虑热补偿。根据热补偿方法的不同，列管换热器有 以下几种形式。1、固定管板式换热器这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换 热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳 体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管 板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温

9、度的流体。因此，当管壁与 壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯 或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50c以上 时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置 （膨胀节）只能用在壳壁与 管壁温差低于6070c和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过 0.6mpa时 由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。2、浮头式换热器7-12浮头式换热器i,壳盖2.浮头盖3.浮头管板 4壳体5.传热管6.支持板7.折流板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

10、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，便于清晰和维 修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热器，应用极为普遍，但结构复杂，造 价高。3、填料涵式换热器空气冷却塔由空气压缩机来的压缩空气1通往蓄冷器的空气水冷却塔价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处咏遨建器燃、易爆和有毒的介质。这类换热器管束一端可以自由膨由精墙塔来的氯气1.3.2 换热器类型的选择对于所选择的换热器，应尽量满足以下要求：具有较高的传热效率、较低的压 力降；重量轻且能承受操作压力； 可靠长的使用寿命；产品质量高，操作安全可靠; 所使用的材料与过程流体相容；设计计算方便，制造简单，安装

11、容易，易于维护与 维修。在实际选型中，这些选择原则往往是相互矛盾、相互制约的。在具体选型时， 我们需要抓住实际工况下最重要的影响因素或者说是所需换热器要满足的最主要目 的，解决主要矛盾。本文中两流体温差介于50c和70c之间的选择带补偿圈的固定管板式换热器， 小于50c的选择不带补偿圈固定管板式换热器。根据制定的流程方案，可选择带补偿圈的和不带补偿圈的固定管板式换热器， 此类换热器的结构简单，价格低廉，宜处理两流体温差50c到70c且壳方流体较清 洁及不宜结垢的物料，流体压强不高于 600kpa的情况。1.3.3 固定管板式换热器结构的确定固定管板式换热器由管板、壳体、封头等组成。固定管板式换

12、热器最容易出现 的故障就是管子和管板连接部分泄漏、用液、压降大。所以必须注意固定管板式换 热器的连接方法和质量。固定管板式换热器主要分为管程和壳程两大部分。1.3.3.1 管程结构换热器管程由换热管、管板、封头 。1、换热管布置和排列间距管束的多少和长短由传热面积的大小和换热器结构来决定，它的材质选择主要考虑传热效果、耐腐蚀性能、可焊性等。常用管径和壁厚有。19x 2, c25x2.5等; 管长有1500mm 2000m浒口 3000mm材料有普碳钢或不锈钢等。在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用力19mme 2mm直径的管子更为合理。这次用到的换热器的压力不大，换热器中流体没有

13、腐蚀性，所以选 择625x2.5 mm碳钢管。本次设计采用 625x2.5 mm碳钢管。换热管管板上的排列方式有正方形直列、正三角形排列、同心圆排列，正三角 形排列比较紧凑，管板利用率高，管外流体湍动程度高，对流传热系数大，但管外 洗洗较困难；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布 管均匀，结构更为紧凑。ab屏成运两/ i ke(b)正方形错列(c) 三角形直列(e同心圆排列正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换 热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正 三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排

14、列。本次设计选择正三角形的排列方式。2、管子与管板及其连接方式的选择管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开。列管式 换热器管板是用来固定管束连接壳体和端盖的一个圆形厚板，它的受力关系比较复 杂。厚度计算应根据我国“钢制压力容器设计规定”进行，一般采用 20到30个毫 米的。管板与管子的连接可胀接，焊接和胀焊并用。焊接法应用广泛，这次用到的换 热器内流体温度不高，压力不大，所以选择焊接的方式连接管子和管板。3、封头、管箱的确定列管式换热器管箱即换热器的端盖，也叫分配室。用以分配液体和起封头的作 用。压力较低时可采用平盖，压力较高时则采用凸形盖，用法兰与管板连接。检修 时可拆

15、下管箱对管子进行清洗或更换。1.3.3.2 壳程结构壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板及缓冲板等元件组成。1、换热体的确定根据管间压力、直径大小和温差力决定它的壁厚；由介质的腐蚀情况决定它的 材质。直径小于400mm勺壳体通常用钢管制成，大于 400mm勺用钢板卷焊而成。根 据工作温度选择壳体材料，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。2、列管式换热器折流板的作用是；增强流体在管间流动的湍流程度；增大传热 系数；提高传热效率。同时它还起支撑管束的作用。这次设计中的原料预热器和塔 顶全凝器的壳程走的是蒸汽所以不安装折流板。1.3.4 流体流动空间的选择在列管式换热器的设计计算过程中，需

16、要预先确定哪一种流体走管程，那种流 体走壳程，成为流体流动空间的选择。影响选择结果的因素很多，主要从以下三方 面考虑：1、传热效果(1)粘度大的流体或流量小的流体宜走管程。 将两流体中热阻较大的一方安排在 壳程，可提高对流传热系数，强化传热。(2)待冷却的流体宜走壳程，便于传热。2、设备结构高压的流体、腐蚀性的流体宜在管内流过。3、清洗方便不洁净的或易结垢的流体宜走管程，便于清洗管子。饱和蒸汽一般通入壳程以 便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，壳程可不必清洗。1.3.5 流体流速的选择提高流体在换热器中的流速，将增大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉 积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数

17、增加，所需传热面积减小，设备费 用降低。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多，操作费用增加。因 此，应选择适当流速。卜表列出工业一般采用的流体流速范围。表1工业列管式换热器常用的流体流速范围液体的种类一般液体易结垢液体气体流速my7 s0.5315-30壳程0.2 -1.5>0.53-151.3.6 流体出口温度的确定在换热器的设计中，被处理物料的进出口温度由工艺要求确定；加热剂或冷却 剂的进口温度，一般由来源而定，但它的出口温度则应由社记者根据经济核算来确 定，例如：用冷却水作某物料冷却剂时，在一定热符合条件下，选用较高的冷水出 口温度，可节省材料，但传热的平均温差减小，传热

18、面积加大。反之，若选用较低 的冷水出口温度，冷水量增加，而传热面积可减少。最适宜的冷却水出口温度应根 据操作费与设备费之和最少来确定。一般来说，设计时所采取的冷却水进出口温度 差应不低于5c,对于缺水地区，应选用较大的温度差。当采用河水做冷却水时， 出口温度一般不超过50c,以防止管壁过多结垢。1.3.7 管程和壳程数的确定当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时，就得排列较多的管子，为了提 高流体在管内的流速，需将管束分程。但是程数过多，导致管程流动阻力加大，动 力能耗增大，同时多程会使平均温差下降，设计时应权衡考虑。管壳式换热器系列 标准中管程数有1、2、4、6四种。采用多程时，通常应使每

19、程的管子数相等。管程数n按下式计算：n=u/v式中u 管程内流体的适宜流速;v管程内流体的实际流速。53第2章列管换热器的设计计算2.1 设计计算步骤2.1.1 系统物料衡算根据产量要求，计算换热系统的原料量、产品量，再进一步确定所需计算的换 热器，逐步进行换热器的选用。2.1.2 选用换热器1、热负荷的计算，冷却介质用量的计算或加热介质用量的计算；2、平均温度差的计算，当两侧流体均为变温传热时，应进行温度差的校正；3、流动空间的选择；4、初估总传热系数，计算换热面积，初选换热器。2.1.3 核算总传热系数计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻，在计算总传热系数k计。比较k计和k选，若k计/

20、k选=1.1-1.25,则初选的设备合格。否则需另设 k选值，重复以上计 算步骤。2.1.4 计算管、壳程压强降计算出设备的管、壳程流体的压强降，如超过工艺允许的范围，要调整流速， 再确定管程数，或选择另一规格的换热器，重新计算压强降直至满足要求为止。2.1.5 接管尺寸计算为所选用的换热器选择接管。接管尺寸由管内流体的体积流量和流速决定。流体的体积流量与炉体的状态密切相关。2.2 传热计算的主要公式2.2.1 传热速率方程式及相关计算公式q=ks atm式中q 传热速率(即热负荷)，wk 总传热系数，w(m2. c)；s 与k值对应的换热器传热面积，m2atm-平均温度差，c。1 .热负荷(

21、传热速率)q无相变传热0= wmt1-t2) = wcp(t 2-t 1)相变传热(蒸汽冷凝且冷凝液在饱和温度下离开换热器)q= wr=vcp(t 2一 t。式中w流体的质量流量，kg/h;cp流体的平均定压比热容，j/(kg )；t 热流体的温度，c；t 冷流体的温度，c；r 饱和蒸气白冷凝潜热，kj/kgo下标h和c分别表示热流体和冷流体，下标1和2分别表示换热器的进口和出口2 .平均温度差a t m一侧恒温，逆流与并流的平均温差相等ln两侧变温，平均温差用逆流平均温差校正则t-温差校正系数，mt = f(p,r),其中12 " tti - t2ti -t2t 2 - ti3 .

22、总传热系数k初选换热器时，应根据所要设计的换热器的具体操作物流选取k的经验数值，选定的k的经验值为k选。确定了选用的换热器后，需要对换热器的总传热系数k进行核算，总传热系数k的计算按下列公式：1ko -d虫,名弛rs。1hi didi kdmho式中k 0基于换热器外表面积的总传热系数，w/(m2. c);ho、hi 分别为管外及管内的对流传热系数，w/(m2 - c )；ro、r分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，(m2. c)/w;do、di、dm分别为换热器列管的外径、内径及平均直径 ，m；b列管管壁厚度，m；k 一列管管壁的导热系数，w/ (m - c ) 04 .对流传热系数(1)

23、对于低粘度流体(以小于或等于2倍常温水的粘度)n u = 0.023 re0' prn_ 入 _0.8 _ n:i = 0.023 re prd当流体被加热时，n=0.4当流体被冷却时，n=0.3式中：p、艮分别为流体白密度和粘度，kg/m3 pa-s；九、cp-分别为流体的导热系数和比热容，w/(m c)、j/kg?c;u管内流速.m/s；d列管内径，m,应用范围：re>l0000, pr=0.7-160,管长与管径之比l/d >60,若l/d<60可将上式算出的a乘以(1+ (d/l) 0.7)特征尺寸：管内径d定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。(2)蒸汽

24、在水平管束上冷凝时的冷凝传热系数若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数：ho = 0.725 (14n。?3 nd。式中: 九一 冷凝液的导热系数，w/(m c );p 冷凝液的密度，kg/m3 ；祖冷凝液的粘度，pa - s；t 饱和蒸汽白冷凝潜热，kj/kg ;a t 蒸汽的饱和温度与壁温之差，a t = t s-t w此处取a t=5nc水平管束在垂直列上的管数；1n1 + 也 +. + n174nc -0.75 .0.75 .0.75<n1十 n2+.+n17 j5 .换热器实际传热面积根据选定换热器的管径、管长和管数可计算所选换热器的实际传热面积sposp 不的0 l

25、-0.06 n实际传热面积应该比所需传热面积大一些，称为面积裕度，一般面积裕度控制在 10%-30%匕较合适。2.2.2计算流体压降的主要公式一般说来，流经列管式换热器允许的压强降，液体为10-100 kpa,气体为1 10kpa左右。(1)管程压力降j r = . r r ftnsnpu u2p2 = p1 直管中因摩擦阻力引起的压力降 pa ； p2 -回弯管中因摩擦阻力引起的压力降 pa；ft一结垢校正系数，无因次，小25x 2.5mm的换热管取1.4;小19x 2mml勺换热管取 1.5 ;ns 一 一串联的壳程数;np - -管程数。七阻力系数，列管换热器管内 七=3(2)壳程压力降

26、 p =r 十ar fsns p；=ffonc(ns+1)2 p2 v nb(3.5-一b )强 d 2fo =5.0 re 0.228 re500nc = 1.1 jn (正三角形排列)' p1 流体横过管束的压力降pa ; '&巳流体流过折流挡板缺口的压力降 pa ；fs结垢校正系数，无因次，对液体，取 1.15;对气体，取1.0;f管子排列方式对压力降白校正系数：三角形排列 f=0.5;正方形排列f=0.3;正方形错列f=0.4;fo 壳程流体的摩擦系数；nc 横过管束中心线的管数b折流挡板间距，mid壳体直径，m；nb 一折流挡板数目；u0按壳程流通面积so计算

27、的流速，m/s。第3章设计的工艺计算3.1 全塔的物料衡算根据设计要求可知：塔顶产品乙醇的质量d=2.7万吨，乙醇的质量分数xd=0.92, 精储原料粗乙醇的质量分数xf=0.5,塔底残液乙醇的质量分数xw=0.0053.7 10724 300-5138.89kg h上 f = d +wif xx f = d xx d +w xx w求得：f=9499.15kg . hw=4320.26 kg . h回流比：r=2所以 v=l+d=3d=3< 3375=15416.67kg . h3.2 原料预热器的设计3.2.1 确定设计方案1 .选择换热器的类型换热器中两流体温度差不大，壳程压力较小

28、，故可选择固定管板式换热器。2 .流动空间和管材的选用设计任务的热流体为水蒸汽，冷流体为原料液乙醇。由于蒸汽比较干净不易结 垢，所以蒸汽走壳程以便于及时排除冷凝液，原料液中可能含有杂质、易结垢，而 粘度大、流量较小的原料液中的水为易结垢液体， 所以原料液走管程便于清洗管子， 此外还可以提高流速以增大其对流传热系数。蒸汽的温度大于原料液的温度，蒸汽 走壳程，原料液走管程，有利于减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。因此,为使原料液出口温度达到泡点，令蒸汽走壳程，原料液走管程。因碳钢管价格低强度好，预热器中的流体没有腐蚀性，所以选用碳钢管3.2.2热流体:根据定性温度确定物性参数120oc -

29、120oc定性温度为t=120oc （绝对压力 0.2mpaj）冷流体:81.9 °c56.3 oc定性温度为二69."。根据定性温度分别查取的物性参数如下:表1预热器内原料物性参数名称密度pkg/m3定压比热cpkj/(kg c)导热系数入w/(m c )粘度叱pa - s汽化热rkj/kg原料液(69.1 c)8693.6340.4024.57 义 10-4水(120 c)943.14.180.68622.375 x 10-4水蒸汽(120 c)1.12212.10.0292-52.4 x102205.23.2.3换热器的衡算原料预热器的工艺计算备注1.估算传热面积，初

30、换热器(1)塔底热负荷的计算t = ".3+35 =67.15 c ,cpw =4.18x103 j/kgcph =3.28 m 103 j/kgcpc = cph 父50% +cpwm50% =4.18父103 j/kg 949915q釜xcpcm(t1 -t2) =94995 m4.18m 103 m (99.3 35) = 325.53kw(2)试差法计算塔底余热升高原料液的温度假设升高到50ct = 20；50 =30 c,cpw =4.174x103 j/kgcph =2.55 父103 j/kgcpc = cph><50% +cpwm50% =3.362x10

31、3 j' kg 9499153q顶w页cm(t1 -t2) 父3.362父 103 m (50-20)3600= 226.13kw假设升高到60ct -20 60 -40 c,cpw =4.174"03 j/kg2cph =2.65 父103 j/kgcpc = cph 父50% +cpwm50% =3.412父 103 j.'kg 99499.153q顶 _w页 mcpcm(t1 -t2) -m3.412m 103 m (60-20)3600= 360.12kww釜=9499.15kg/h定性温度67.15 c下 原料液的平均比热 容：cpc =4.18x103 j

32、 kgq 釜=325.53kw彳贸设升高至u 60 c,贝u 放热 360.12kw假设升高® 55 ct = 20；55 =37.5 c, cpw =4.174x103 j kgcph =2.62x103 j/kgcpc = cphx50% +cpwx 50% =3.397x103 j/ kg-9,9499.153q顶xcpcm(t1 t2) =x3.397m 103x(56.2 20)3600= 325.38kw假设升高到56.2 c 20 +56.23t =38.1 c ,cpw =4.17410 j .'kgcph =2.62父103 j/kg. _ ，一 3.cpc

33、 = cph x50% + cpwm 50% = 3.397父 10 j ' kg949915q顶=w® mcpcm(t1 -t2)=父3.397父 103 m (55-20)3600= 313.72kw假设升高到56.3 c一 20 十56.3。一一t -2-38.15 c ,cpw =4.17410 j/kgcph =2.62 m 103 j/kgcpc = cphm50% +cpwm 50% =3.397父 103 j.1kg949915q顶=w® xcpc父(t, -t2) =x3.397父103父(56.3 20)3600= 326.27kw故塔底余热将原

34、料液升高到56.3 c(3)计算平均温度差一侧恒温，求逆流时的平均温度差：塔底得热量q釜回用到进料口，设换热器2得热负荷q19499.153q1 父 3.634 父103 m (81.956.3)245.47kw3600蒸汽 t 120 c 120 c原料液 t 56.3 c - 81.9 c t 63.7 c 38.1c假设原料液被升温 至ij: 56.2 c原料液最终被升温 至ij: 56.3 cq1 =245.47kw表2列管参数公称直径d325mm管子尺寸d0 25x2.5管子数n40管长l/mm2管中心距mm32管程数np4管子排列方式正三角形管程流通面积/m0.0031实际换热面积

35、sotmat1 - ：-t2ln大.：t263.7-38.1,63.7in38.1= 50.20cwh245.47 10332205.2 10= 0.1113kg swh =0.1113kg/s(4)计算r初选k估算传热面积，参照换热器，取k1 =700 w/(m2 c)传热面积s:s1 =krtm237.11 10326.4m 700 52.82(5)初选换热器型号由于两流体温差大于50c,小于70c,可选用带有补偿圈的 固定管板式换热器。根据固定管板式换热器的系列标准，初选的 固定管板式换热器主要参数如下：s1=6.4m2冷热流体温度差为 63.52 c,介于 50 c 和70c,可选用带

36、有 补偿圈的固定管板式 换热器。2s2 = 5.966m2k2 =819.62w (mc)s2 =n-：dol =40 3.14 0.025 (2 -0.1) = 5.966m2采用此换热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为:3k2 =q=.=819.62w/(m2 c)s2tm 5.966 50.202.核算压降(1)管程压降ear =(ar + ap2 ftnsnp其中 ft =1.5, ns =1, np =4,，=3管程流速 ui = ms =9499.15=0.98m/spm a 3600m869m0.0031'雷诺数rei =di xui、0 0.02 x 0.98x86

37、9 =37270>10000(湍流)ni0.457x10-3对于碳钢管，取管壁粗糙度e =0.3mm所以：=丝=0.015 di 20由食品工程原理书的 人-re关系图中可查得 入=0.045。._ 2_ _ _ 2明 ;九ml.四_=0.045父_2-父869><0.98 =1877.8pa di20.022匕 pxu；、869x0,982p2 =q-) =3m=1251.8pa22zapi =( ar +ap2)mnpm ns mfs = (1877.8+ 1251.8)父 4m 1.4父 1= 17526.27pa壳程压降e apo =(妒1 + af2 fsns,其中

38、 fs=1.15 (气体),ns=1o因管子排列方式为正三角形，所以 f=0.5。nc =1.19/n =1.19 屈= 7.53壳程流通回枳ao = b"d - ncd0)_ 2=0.5父(0.325-7.53父 0.025) = 0.0684m士壬口/击vswh0.1113一厂.冗桂而l速 u o = 1.45m / saopxao1.12 父 0.0684雷诺数 reo -da3025、.45：1.12 .3123.08 n1.3父10-0.228fo = 5.0reo= 0.7984pxu 2r，-f mfjnc 工(ns +1)父o22943.1 父1.4520.5 父 0

39、.7984 父 7.53 m 2 m 5960.45 pa2ui = 0.98msrei = 37270入=0.045zpi =17526.27panc = 7.53ao = 0.0684m22uo = 1.45mrco =3123.08fo =0.7984-m2/cl 2b pmuo p2 =nbm(3.5 )xd2_ _ /_ 2/2 m 0.5、934 .1 m 1 .45=3 义(3.5-)m = 1249 .20 pa0.3252eapo =(api + ap2 fsns = (5960.45 + 1249.20) m 1父1= 7209.65pa3.核算总传热系数管程对流传热系数叫

40、rei =37270-cpmg3.634父103 m 0.457 父10“pri = -= 4.13%0.402对于低粘度流体，% = 0.023 rei0.8 pri0.4 di所以 九； _ 0 8_ 04% = 0.023父/ ri0 黑 piidi=0.023m 0402 m 3727008 父 4.130.4 = 3694230.02(2)壳程对流传热系数«o若蒸汽在水平管束上冷凝，/式计算冷凝传热系数：120 2-3 吊rga。-0.725 2gn 3 'n -do a j式中九、心p均为水在120c时液体的物性参数。r为水在120c 下的汽化热。r 2205 .

41、2 父 103 父943.12 父9.81 父 0.6862 3114s。0.725 m 2357.53 父23.73 m10 父 0.025 父 38.1= 3597.12(3)污垢热阻根据化工原理课程设计书中的附录二十查得管内、外侧污垢£p° =7209.65papri =4.13«i =3694.23口。= 3597 .12热阻分别为：rs =1.7197x10m(m2 c)/wrso =0.859x10，(m2 ：c)/w(4)总传热系数kdo +di0.025 +0.02d m =i- =0.0225 m22k 1k =dodo b do1+ rsi +

42、- + rso + 叫 4did dmao10.0251.7197m 0.0250.0025m 0.025 = + k33694.23父 0.020.0245m 0.0225414+ 0.859 父 10 十=9.786 父 109038.15k3 =1021.87pa八一一 ，一一3实际换热面积 s=q一= 245.47 10 = 4.79m2tmf 50.2 m 1021.87k值校正 ak/k2 =k3 -k2/k2 = 1021；7g修9.62 =02468s 5.97 -4.790.2463s4.79故所选择的换热器是合适的。4.接管的选择(1)管程流体进出口接管的选择根据液体一般在

43、管中的流速大小，选择原料液进出接管的流速为5 =0.98m/s,则接管内径为阳 14 m 9499.15feed-j - j- 62.83mm叫1,3600m 869 m 3.14 父 0.98根据化工原理教材上册附录 375页的热轧无缝钢管的标准规格选择规格为小 68mme 2.5mm,di=63mm=0.063mms目力、击4 m 9499.15八 c"7 /核算流速u -2 - 0.97 m1. s3.14 父 3600 m869 m 0.0632故选择的接管规格合适。 壳程流体进口接管的选择dm =0.0225mk3 =1021.87pa_2s = 4.79m k=0.246

44、8k2as=0.2463 s原料液的密度p = 869 kg/ m3管程流体进出口接管 选择规格为(|)68mmc 2.5mm的热轧无缝钢 管根据饱和蒸汽一般在管中的流速大小，选择水蒸汽进入接管时的蒸汽的流速为u°=1.45m/s,则接管内径为壳程流体进口接管选 择规格为小325mm<,14x0.1113”d 二 , 295mm，3.14父1.45m1.1214mm的热轧无缝钢根据热轧无缝钢管的标准规格选择规格为 小325m储14mm,di =325-2 14= 297mm核算流速 uo=4 0.1113=1.44ms3.14 0.2971.12故选择的接管规格合适。(3)壳程

45、流体出口接管的选择根据液体一般在管中的流速大小，选择冷凝液流出接管时的流速为u=1m/s,则接管内径为壳程流体出口接管选,4 4m0.1113dj-12.26mm、3.14父1父943.1择规格为小13mnm<0.25mm的冷轧无缝根据化工原理教材上册附录 358页的冷轧无缝钢管的标准规格选择规格为 小 13mm< 0.25mm di=12.5mm=0.0125m钢管核算流速u =3.14黄蜂过二0.962ms故选择的接管规格合适3.3塔底冷却器的设计3.3.1 确定设计方案1.选择换热器的类型冷却器是把99.3 c的含乙醇0.5%的釜底液冷却储存，热流体的进口温度是99.3 c

46、,热流体的出口温度是35 c ,为了节约热量选择用原料液来冷却釜底液体.冷 流体的进口温度是15c,出口温度25c。2 .确定流体的流经由于原料液可能含有渣滓，走管程利于清洗，且原料液可通过热流体的传热提高 温度，在进入原料预热器时可节省蒸汽用量；热流体走壳程可通过壳壁面向空气中 散热，有利于冷却。所以原料液走管程，釜底液走壳程。换热器内的流体没有腐蚀 性，所以选用碳钢管，可降低设备费。3.3.2根据定性温度确定物性参数蒸汽 t 99.3 c - 35 c原料液t 25 c 15 c t74.3 c 20 c热流体的定性温度为t 99.3+35 =67.15 02冷流体的定性温度为t =25上

47、竺=20 c 0 2根据定性温度分别查取的物性参数如下：表3塔底冷却器原料物性参数名称密度pkg/m3定压比热cpkj/(kg c)导热系数k,w/(m c)粘度叱pa - s0.5%乙醇液(67.15 c)979.374.1690.66530.4188 x10-3冷去水（20c）998.24.1830.5985-31.0042 x 103.3.3 换热器的衡算塔底冷却器的计算备注热量衡算(1)热负荷的计算436026q =whmcph x(t| j)=父4.169父103父(99.3-35)p3600= 324.68kw(2)冷却水消耗量q =w cph (ti -t2) =w cpc (t

48、2 -tjq324.68m 103/wc =3= 7.76kg/scpc m(t2-ti)4.183m103 m(25-15)(2)计算平均温度差按单壳程、双管程考虑，一侧恒温，求逆流时的平均温度差：热流体温度t 99.3 c - 35 c冷流体温度t 25 c 15 c&74.3 c 20 c西2 -574.3-20tm 1t 41.45m ,西2 74.3ln ln420初选k值，估算传热面积由表 3,取 k =1200w/(m2 黑 c)传热回积s:-3g 324.68 102s1 -6.53m1200 父41.45根据固定管板式换热器的系列标准，初选的固定管板式换热器型号为主要

49、参数如下：q =324.68kwwc = 7.76 kg/satm =41.45s1 = 6.53m2表4列管参数公称直径273mm管子尺寸 25x2.5管子数n32管长l/mm3000管中心距mm32管程数np2管子排列方式正三角形田流ara / m20.0050实际换热面积sos =n do(l-006 =32 3.14 0025 (3-0.06) = 7.39m2一 一 一 3324.68 102k2 = 1060 w /(m 父 c)7.39 41.452.核算压降(1)管程压降ear =(绢 + ap2 ftnsnp其中 ft =1.4, ns=1, np -2管程流速 ui = w

50、c =7.76= 1.55ms： a 998.2 0.0050雷诺数 rei =diui' i = 0.025 1.55 998.2 =38518>10000 (湍流) )1.0042 100 3对于碳钢管，取管壁粗糙度e =0.3mm所以一 = 03 =0.015 di 20由食品工程原理书的 人-re关系图中可查得 入=0.045。-22c lui3 998.2 1.55r = kx 艾=0.045乂父=809384padi 20.022r 221 ui998 2 1 55p2 =气u-) =3父=3597.26pa22=(田十上)父此父叶52s2 = 7.39mk2 =10

51、60w/(m2 父 c)ui = 1.55m srq = 38518入=0.045% p =32735.08pa=(809384 359726) 2 1.4 1 = 3273508pa3.4 离心泵的选型与计算设计任务要求离心泵用于原料液的输送，是原料泵，根据流程图，该离心泵需 要完成从储罐输送原料液流经塔底冷却器管程、100m长的直管管路、管路中各部件 （包括2个截止阀、1个调节阀、5个标准弯头）、预热器管程，再到精储塔进料口。3.4.1 物性参数的获取原料液物性参数则:"f9499.153600 869-33=3.04 10 m /s表5预热器内原料物性参数名称密度pkg/m3定

52、压比热cpkj/(kg c)导热系数入w/（m c ）粘度叱pa - s汽化热rkj/kg原料液(69.1 c)8693.6340.4024.57 x10-4水(120 c)943.14.180.68622.375 x 10-4水蒸汽（120 c）1.12212.10.02922.4 x10-52205.23.4.2 离心泵的选型体积流量f 9499.153 3q= = =3.04 10 m /s：3600 869设计输送高度（储罐液面与精储塔进料口高度差）为乙二20nl根据预热器接管的计算，已知输送管道为令储罐液面保持恒定，并且设计储罐液面上方维持常压并以 此为基准面，设液面绝对压力为101.3kpa,设计精储塔进料口处的塔内绝对压力为 121.0kpa.（3）泵的选择选取储液槽上方液面为1-1',进料口为2-2',列伯努利方程： 22zjj. + he=z2+厂迤+叫2g pg2g pgz1 =0z2 =20mu2 =0因为蒸汽正壳程故:q 3.04 10-ui = = = 0.98m/sa三 306324p1 =101.3pap2 =121.0pahe=zi +22u2 一 u12g阻力压头损失的计算直管阻力压头损失的计算rediu0.063