乙醇装置蒸汽冷凝器设计

乙醇装置蒸汽冷凝器设计3.5万吨/年乙醇蒸汽冷凝器设计姓名：周芬学号：2010133162班级：20101331班学院：化学化工学院年级：2010级专业：化学工程与工艺指导教师：王智娟完成日期：2012年8月30日3.5万吨/年乙醇蒸汽冷凝器设计摘要本设计论文介绍了固定管板式换热器的整体结构设计及计算。浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱间，另一端管板可以在壳体内自由移动,这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。本设计任务温度和压强要求都不高，由换热器的系列标准选取公称直径为600mm、公称换热面积为53.1固定浮头式换热器。经传热面积、压降的核算证明此换热器每年可以完成3.5万吨/年的乙醇蒸汽凝液的冷却任务。关键词：固定浮头式换热器；传热面积；核算证明35,000tons/yearofethanolsteamcondenserdesignAbstract：Thedesignpaperdescribesthedesignandcalculationoftheoverallstructureofthefixedtubesheetheatexchanger.Oneendofthefloatingheadheatexchangertubeplatefixedtothehousingandbetweentheheadertank,theotherendofthetubeplatecanmovefreelywithinthehousing,thethermalexpansionofthehousingandcontrolofthisheatexchangerisfree,tubebundlecanbewithdrawn,tofacilitatecleaningbetweenthepipesandtube.Thedrawbackisthecomplexstructure,highcost(20%higherthanthefixedtubeplate),leakageoccursatthefloatingheadintherunningisnoteasytocheckprocessing.FloatingheadheatexchangersuitableconditionsinthehousingandcontrolalargertemperaturedifferenceortheshellmediaeasyscalingThetemperatureandpressurerequirementsofthedesigntaskisnotselectedbyaseriesofheatexchangersstandardnominaldiameterof600mmnominalheattransferareaforaof53.1m2fixedfloatingheadheatexchanger.Theheattransferarea,thepressuredropaccountingthatthisannualheatexchangercanbecompletedto35,000tons/yearofethanolsteamcondensatecoolingtask.

Keywords:fixedfloatingheadheatexchanger;heattransferarea;accountingtoprove目录0引言 10.1换热器的应用 10.2换热器的分类 10.3常见及常用的换热器 20.4进行换热器设计的重要意义 21设计任务 22设计方案的确定 22.1换热器类型的选择 32.2管程、壳程物料的安排 43物性数据的确定 43.1定性温度的确定 43.1.1乙醇的定性温度 43.1.2湖水的定性温度 43.2冷、热流体有关物性数据 53.2.1乙醇的物性参数 53.2.2水的物性参数 54传热面积的估算 64.1热流量的计算 64.2对数平均温差的计算 64.3换热器的换热能力及冷却水用量 64.4面积估算 65工艺结构尺寸计算及选型 75.1管径、流速的计算 75.2管程数、传热管总数的计算 75.2.1管程数 75.2.2传热管总数 75.3折流挡板数的计算 75.4进出口接管内径的计算 76换热器的核算 86.1热流量的核算 86.1.1壳程流体对流给热系数 86.1.2管内流体对流给热系数 86.1.3管壁热阻 86.1.4污垢热阻 86.1.5总传热系数 86.1.6传热面积裕度 86.2压降核算 86.2.1管程压降 86.2.2壳程压降 86.3换热器的主要尺寸结构、设计计算结果 9参考文献致谢引言第一节列管换热器的应用换热管是化学、石油化学及石油炼制工业中以及其他一些行业中广使用的热量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且还是一些化工单元操作的重要附属设备，通常在化工厂建设中换热器投资比例为11%，在炼油厂中高达40%。由于工业生产中所用换热器的目的和要求各不相同，换热设备的类型也多种多样。按换热设备的传热方式划分主要有直接接触式、蓄热式和间壁式三类。虽然直接接触式和蓄热式换热设备具有结构简单、制造容易等特点，但由于在换热过程中，有高温流体和低温流体相互混合或部分混合，使其在应用上受到限制。因此工业上所用的换热设备以间壁式换热器居多。间壁式换热器从结构上大致可分为管式换热器和板式换热器。一般来说，板式换热器单位体积的传热面积较大，设备紧凑，材料耗量低，传热系数大，热损小。但承压能力较差，处理量小，制造加工复杂，成本高。而管式换热器虽然在传热性和设备的紧凑性上不及板式换热器，但它具有结构简单，加工制造容易，结构坚固，性能可靠，适应面广等突出优点，广泛应用于化工生产中，特别是列管式换热器应用较为广泛，而且设计资料和数据较为完善，技术上比较成熟。列管式换热器在化工生产中主要作为加热器、蒸发器、再沸器和冷凝器使用，在这些不同的传热过程中，有些为无相变化传热，有些是有相变化传热，具有不同的传热机理，遵循不同的流体力学和传热规律，在设计方法上存在一些差别。第二节换热器的分类换热器的特点、种类和主要用途换热器是指两种不同温度的流体进行热量交换的设备。换热器作为传热设备被广泛用于耗能用量大的领域。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下：一、换热器按传热原理可分为：1、表面式换热器表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。2、蓄热式换热器蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。3、流体连接间接式换热器流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。4、直接接触式换热器直接接触式换热器是两种流体直接接触进行换热的设备，例如，冷水塔、气体冷凝器等。二、换热器按用途分为：1、加热器加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。2、预热器预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。3、过热器过热器用于把流体(工艺气或蒸汽)加热到过热状态。4、蒸发器蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。三、按换热器的结构可分为：可分为：浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。常见及常用的换热器列管式换热器有以下几种：1）固定管板式固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。

特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。2）U形管式U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。

特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。3）浮头式

两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。

特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。第四节进行换热器设计的重要意义换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计,在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的30%,在炼油厂中占全部工艺设备的40%左右,海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。对国外换热器市场的调查表明,虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍占主导地位约64%。新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明,列管式换热器已进入一个新的研究时期,无论是换热器传热管件,还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了较大的改变,其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究,主要包括管程结构和壳程结构强化传热的发展。换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称热交换器。换热器作为传热设备被广泛用于锅炉暖通领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。换热器广泛应用于机械、动力、运输、空调、制冷、低温、热量回收、替代燃料和制造领域中，其性能的每一点提高都意味巨大的经济与社会效益。随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。随着科技高速发展的今天，换热器已广泛应用国内各个生产领域，换热器跟人们生活息息相关。换热器顾名思义就是用来热交换的机械设备。在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。35％～40％。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，一些新型高效换热器相继问世。

随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。为了适应发展的需要，中国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：（1）合理地实现所规定的工艺条件；（2）结构安全可靠；（3）便于制造、安装、操作和维修；（4）经济上合理。第一章设计任务一、设计任务：列管式换热器二、设备形式：立式壳程冷凝器三、操作条件：1、乙醇蒸汽：饱和温度78℃2、冷却介质：湖水，进口温度20℃，出口温度353、允许压强降：不大于100；4、每年按330天计算，每天24小时连续运行；5、常压操作。第二章设计方案确定第一节换热器类型的选择确定设计方案的原则是要保证到工艺要求的热流量，操作安全可靠，结构简单，可维护性好，尽可能节省操作费用和设备投资，故在此初步选用卧式浮头式：的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意其密封。浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。浮头式的基本特点：浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来。这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。第二节管程、壳程物料的安排在换热器中，哪一种流体流经管程，哪一种流体流经壳程，可考虑下列几点作为选择的一般原则：(1)不洁净或易于分解结垢的物料宜走管内，以便于清洗管子。(2)具有腐蚀性的物料应走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。(3)压强高的物料宜走管内，以免壳体受压。(4)饱和蒸气一般通入壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。(5)被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。(6)需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。(7)粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。根据给定的物料的基本特性，乙醇为饱和蒸汽，走壳程，湖水走管程。第三章物性数据的确定第一节定性温度的确定1.乙醇的定性温度乙醇为低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。此处取乙醇进出口温度的算术平均值。式中：T——乙醇的定性温度，℃；——乙醇的进口温度，℃；——乙醇的出口温度，℃。代入数据得：℃2.湖水的定性温度水为低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。此处取水进出口温度的算术平均值。式中:t——水的定性温度，℃；——水的进口温度，℃；——水的出口温度，℃。代入数据得:℃第二节根据定性温度查取有关物性数据1.乙醇蒸汽凝液在78℃物性温度/℃温度℃密度粘度mPa·s比热容kJ/(kg·℃)导热系数W/(m·℃)汽化潜热乙醇蒸汽凝液787890.462.9850.1728462.水在27.5℃物性温度/℃密度粘度mPa·s比热容kJ/(kg·℃)导热系数W/(m·℃)20998.21.0054.1830.59930995.70.8014.1740.61827.5996.3250.8524.1760.613第四章传热面积的估算乙醇蒸汽的质量流量热流量式中：——热流量，；——乙醇蒸汽的质量流量，；——乙醇的汽化潜热，。代入数据得：对数平均温差的计算式中：——对数平均温差，℃；——换热器进口温差，℃;——换热器出口温差，℃。代入数据得：℃确定换热器应有的换热能力及冷却水用量按4﹪～5﹪的热量损失进行计算,当按5﹪来计算时，用Q×0.95就是冷却水得到的热量，此可以计算冷却水的用量。式中：——热流量，；——冷却水的质量流量，；——水的定压比热容，；——冷却水的进出口温度，℃。代入数据得：面积估算查相关数据及表格，假设总传热系数式中：——热流量，;——总传热系数，；——估算的传热面积，；——对数平均温差，℃。代入数据得：第五章工艺结构尺寸计算及选型第一节管径和流速1.管径我国国家标准换热器的规格有：和，在此选用碳钢传热管。流速查相关经验数据选取管内冷却水的流速。第二节管程数和传热总管数管程数①依据传热管内径和流速确定单程管数式中：——单程传热管数；——管程流体的体积流量，；——传热管内径，；——管内流体流速，。代入数据得：②按单程管计算，所需的传热管长度为式中：——单程计算的传热管长度，；——估算的传热面积，；——传热管外径，；——单程传热管数。代入数据得：按单程管设计，传热管过长，需采用多管程结构现取传热管管长则该换热器的管程数为：式中：——管程数；——单程计算的传热管长度，；——选取每程传热管长度，。代入数据得：⒉传热管总数式中：——传热管的总数；——管程数；——单程传热管数。代入数据得：根据传热面积，管长，管程数查附录十九得到相近浮头式换热器的主要参数，如下表：初选浮头式换热器的主要参数名称数据名称数据管尺寸管程流通面积0.0148壳径D（DN）管长3管程数N4管心距管数n188管排列方式正方形旋转中心排管程10传热面积A42.6第三节折流挡板数的计算折流挡板是为其加强湍动强度，提高其表面传热系数，折流挡板有横向折流挡板和竖向折流挡板，单壳程的换热器仅需设置横向折流挡板。其折流挡板的最小间距为壳体内径的2倍。取折流挡板间距式中：——折流挡板数；——选取每程传热管长度，；——折流挡板间距，。 代入数据得：进出口接管内径计算⒈蒸汽凝液、冷凝液出口取接管内乙醇蒸汽凝液的流速为式中：——乙醇进出口管径，；——壳程中流体的体积流量，； ——壳程中流体的流速，。代入数据得：选择管子规格为：32（1）⒉湖水进口、湖水出口式中：——湖水进出口管径，；——壳程中流体的体积流量，；——管程中流体的流速，。代入数据得：选择管子规格为：15（）第六章换热器的核算第一节热流量核算⒈壳程流体对流给热系数⑴选用立式浮头式换热器式中：折流挡板间距，；壳径，；传热管外径，m。其中代入数据得：⑵核算流速；式中：——乙醇蒸汽的流速，；——壳程中流体的体积流量，；——壳程的截面积，。代入数据得：⑶雷诺数式中：——乙醇蒸汽的质量流量，；——传热管外径，；——传热管的总数。代入数据得：，属于层流，故：式中：壳程流体对流给热系数，；乙醇的密度，乙醇的导热系数，。代入数据得：⒉管内流体对流给热系数⑴水的流速式中：水的流速，；水的体积流量，管积的流通面积，。代入数据得：⑵雷诺数式中：管程流体的雷诺数；管外径，；水的流速，；水的密度，；水的粘度，。代入数据得：⑶普朗特数式中：水的普朗特数；水的定压比热容，；水的粘度，；水的导热系数，。代入数据得：，，故：式中：管内水的对流给热系数，；水的导热系数，；管内径，；水的雷诺数；水的普朗特数。代入数据得：⒊管壁热阻式中：管壁热阻，；管壁厚度，；管壁的导热系数，。代入数据得：⒋污垢热阻查表得：管外侧污垢热阻：管内测污垢热阻：5.总传热系数式中：总传热系数，；壳程、管程流体的对流给热系数，；管外、管内污垢热阻，；管壁热阻，；管内径、管外径、平均直径，代入数据得：⒍传热面积裕度⑴式中：计算的传热面积，；热流量，;实际的传热系数，；——对数平均温差，℃。代入数据得：⑵式中：传热面积的裕度；实际的传热面积，；计算的传热面积，。代入数据得：第二节压降核算⒈管程压降其中：式中：；；；分别为壳程数、管程数；管程结垢校正系数，可取1.5；摩擦系数；传热管的长度和内径,m;水的流速，；水的密度，；6局部阻力系数，可取3.由于，相对粗糙度，查莫狄图得代入数据得：管程压降在允许的范围之内⒉壳程压降其中：式中：；流体经过管束的阻力和流过折流板缺口的阻力，；管程结垢校正系数，可近似取1.0；壳程数。每一壳程的管子总数；折流挡板数；这流挡板间距，m; 换热器壳体内径，m；壳程流体的流速，；管子排列形式对阻力的影响，F=0.4；壳程流体摩擦因子。代入数据得：壳程压降在允许范围内选取换热器型号：参数管程壳程流率物性定性温度密度定压比热容粘度热导率普朗特数设备结构参数形式壳程数1壳体内径600台数1管径管心距320管长3000管子排列正方形管数目/根188折流板数/个11传热面积42.6折流板间距250管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.0684.9表面传热系数/[W/（㎡•k）]4694.31098.73污垢热阻/（㎡•k/W）0.00060.0004阻力/kPa31.1940.09384热流量/KW1038.5传热温差/K50.13传热系数/[W/（㎡•K）]597.2裕度/%22.8参考文献《化工原理》天津大学化工原理教研室编天津：天津大学出版社.（1999）《换热器》秦叔经、叶文邦等，化学工业出版社（2003）《化工原理（第三版）上、下册》谭天恩、窦梅、周明华等，化学工业出版社（2006）《化工过程及设备设计》华南工学院化工原理教研室（1987）《化工原理课程设计》贾绍义等，天津大学出版社（2003）致谢在课程设计即将完成之际，我想向曾经给我帮助和支持的人表示衷心的感谢。我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!感谢王智娟老师细心为我修改课程设计，从她那里学到的不只是专业知识，更多的是做人的道理，

本研究及学位论文是在我的导师***老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。*老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向*老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。我还要感谢在一起愉快的度过毕业论文小组的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!

最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！

毕业论文设计致谢语

为期一个学期的毕业论文（设计）已接近尾声了，我的四年大学生涯也即将圈上一个句号。此刻我的心中却有些怅然若失，因为那些熟悉的会计系的恩师们和各位可爱的同学们，我们也即将挥手告别了。

四年间，每次走进会计系教研室都会让我感受到一种亲切热情的氛围。无论是学习、工作生活上的问题，恩师们都会悉心给以指导解答，让我倍受感动。也就是在这里，给我的大学生涯设计点上了第一个逗号。我的学术论文创作的开始，也是从这里起步的。从某种意义上可以说，今日的毕业论文（设计）其实从大一时已经开始了。会计系的老师们，给我四年的学习、成长创造了一个良好的环境，引导我充分利用学校的学习资源，去发展、充实自我，而不曾虚度光阴。在此，我真诚的向你们道一声：“谢谢！”。

很荣幸在刚进校门时，能遇到像毕重荣老太太这样一位为学生尽心尽责的恩师，如今她已退休在家。在教给我们知识的同时，她也传授了许多为人、做学问的道理，可谓诲人不倦。我的第一篇社会实践论文，悉出自她一手指导。她实事求是的态度，对论文质量的严格要求，和不厌其烦的指导修改，给我留下了深刻地印象。

我们的班主任李江涛老师，虽不曾与我们有过课程上的接触，但对整个班级同学学习和生活上无微不至的关怀，让同学们纷纷称道。李老师对我个人学习、工作上的关爱，也让我在大学期间备受其益，着实感动。

严汉民老师和李月娥老师分别在院、系担任重要职务，公务冗忙，但对会计学社工作的开展给予了极大的支持。让我愧疚的是，个人能力有限，没能为整个会计系的学生做出太多贡献，在此深表感谢和歉意。李老师是我的会计学入门老师，给我的专业方向打下了良好的基础，她是“师父送上马”的那样一位恩师