列管式换热器(化工原理课程设计)

化工原理课程设计题目:列管式换热器设计班级：姓名：学号：指导教师:2015年-2016年学年第1学期目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"设计任务书 3\o"CurrentDocument"前言 4\o"CurrentDocument"一．工艺说明及流程示意图 5工艺流程 5\o"CurrentDocument"1.1酒精的工艺流程 5\o"CurrentDocument"冷却流程图 51.2.1白酒加工工艺流程 5冷却流程 5工艺说明 6\o"CurrentDocument"流体流入空间的选择 6出口温度的确定（含算法程序） 6\o"CurrentDocument"流速的选择 7\o"CurrentDocument"计算平均温差 8\o"CurrentDocument"二．流程及方案的论证与确定 8\o"CurrentDocument"设计方案的论证 8确定设计方案及流程 8\o"CurrentDocument"选择物料 8\o"CurrentDocument"确定两流体的进出口温度 9\o"CurrentDocument"确定流程 9\o"CurrentDocument"换热器类型的选择 9\o"CurrentDocument"三．设计计算及说明 9\o"CurrentDocument"流体物性的确定 9\o"CurrentDocument"水的物性 9\o"CurrentDocument"1.2无水乙醇的物性 9初步确定换热器的类型和尺寸 9\o"CurrentDocument"2.1计算两流体的平均温度差 9\o"CurrentDocument"2.2计算热负荷和冷却水流量 10\o"CurrentDocument"传热面积 10选择管子尺寸 11\o"CurrentDocument"计算管子数和管长,对管子进行排列,确定壳体直径 11\o"CurrentDocument"根据管长和壳体直径的比值,确定管程数 12核算压强降 12\o"CurrentDocument"管程压强降 12\o"CurrentDocument"壳程压强降 12核算总传热面积 144・1管程对流传热系数aO 14\o"CurrentDocument"4.2壳程对流传热系数ai 14\o"CurrentDocument"污垢热阻 15\o"CurrentDocument"4・4总传热系数K 15\o"CurrentDocument"传热面积安全系数 15\o"CurrentDocument"壁温的计算 15\o"CurrentDocument"4.7偏转角的计算 15\o"CurrentDocument"四．设计结果概要表 16\o"CurrentDocument"五．对设计的评价及问题的讨论 17\o"CurrentDocument"对设计的评价 17\o"CurrentDocument"问题的讨论 17\o"CurrentDocument"六．参考文献 18七．致谢八．附录：固定管板式换热器的结构图、花板布置图设计任务书一、设计题目：列管式换热器设计。二、设计任务：将自选物料用河水冷却或自选热源加热至生产工艺所要求的温度三、设计条件：1•处理能力G=学生学号最后2位数X300t/d;物料2．冷却器用河水为冷却介质，考虑地区可取进口水温度为20〜30°C;加热器用热水或水蒸汽为热源，条件自选。3．允许压降：不大于105Pa；4．传热面积安全系数5~15%;5．每年按330天计，每天24小时连续运行。四、设计要求：1.对确定的设计方案进行简要论述;2.物料衡算、热量衡算;确定列管式冷却器的主要结构尺寸;计算阻力;选择适宜的列管换热器并进行核算;用Autocad绘制列管式换热器的结构图（3号图纸）、花板布置图（3号或4号图纸）；7•编写设计说明书（包括：①封面；②目录；③设计题目（任务书）；④流程示意图；⑤流程及方案的说明和论证；⑥设计计算及说明（包括校核）；⑦主体设备结构图；⑧设计结果概要表；⑨对设计的评价及问题讨论；⑩参考文献。）备注：参考文献格式：期刊格式为：作者姓名.论文题目.刊物名称，出版年，卷号（期号）：起止页码专著格式为：作者姓名•专著书名•出版社名,出版年，起止页码例：潘继红等.管壳式换热器的分析与计算.北京:科学出版社,1996,70〜90之瑞,志耘.桦木科植物叶表皮的研究.植物分类学报，1991,29（2）:127〜135前言酒精工业是十分重要的有机基础化学工业之一,又是新兴的能源工业之一。酒精在食品、医药、化工、燃料和国防工业等方面都有着广泛的用途。在酒精生产中,水的用量很大,根据各厂的管理水平、生产工艺、设备选型及原料的不同,每生产一吨酒精用水量从几十吨到一百多吨不等。【1】在生产过程中,水除了部分用于工艺配料外,大部分是用于冷却物料,如:糖化醪的冷却;酒母、发酵醪的冷却;酒精蒸馏的冷凝、冷却等,可见在酒精生产中使用换热器的工序、部位很多,在设计过程中,换热器选型和设计将对酒精厂节约用水产生重要的影响。乙醇是一种重要的基础化工原料，用于合成乙醛、乙醚、醋酸乙酯等基本有机原料还是配制饮用酒和医药上的杀菌剂的原料。工业生产乙醇的主要原料是玉米、小麦或木薯等淀粉质，通过催化分解为可发酵的糖类，然后发酵转化为乙醇。燃料乙醇的关键生产技术是乙醇脱水。乙醇脱水传统技术主要包括分子筛吸附工艺、环烷酸恒沸蒸馏技术比较先进的技术包括溶盐精馏技术和乙二醇萃取精馏技术等。乙醇的工业生产方法主要有两种，即以糖类、淀粉和水解纤维素等碳水化合物为原料的发酵法和乙烯为原料的水化法。本工艺为以淀粉为原料的发酵法，经过一系列的生产工艺后得到的乙醇液体温度还接近于其沸点，且乙醇是易挥发液体。在相对高温下不利于白酒的装罐贮存，所以在蒸馏后冷凝和冷却必不可少。又因为是流体的大生产量冷却，故使用列管式换热器将其进行冷却以达到一定的贮存温度。化工原理课程设计是化工类专业学生运用自己已学课程的知识来解决常规化工设计中的问题的一次很好地、全面地锻炼过程。通过设计可以不断增强学生运用综合知识的能力,解决工程实际问题的能力和全面分析问题的能力。换热器是进行热量传递的通用工艺设备，它在炼油、轻化工及其他一般化学工业中广泛应用着，例如冷却、加热、蒸发和废热回收等。随着化学工业的迅速发展，各种换热器发展很快，新型结构不断出现，以满足各工业部门的需要。列管式换热器是目前生产上应用最广泛的一种传热设备，由于不断的改进，其结构也较完善。换热器按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器传热量大、应用最为广泛。本设计选用的是间壁式换热器中传热面积大，结构紧凑、坚固传热效果好的列管式换热器。列管式换热器是化工生产中常用的一种换热设备，结构简

单，适应性强；单位体积所具有的传热面积大并传热效果好；且种类多，型号全。【2】工艺说明及流程示意图1•工艺流程图1.1酒精的工艺流程酒精制造的传统工艺⑶我国酒精制造的传统工艺分别是酿造工艺和水合工艺。酿造工艺的主要原料是以大米、小麦、红薯等淀粉质，主要方法是利用稻、麦、豆及红薯、土豆等高淀粉含量的植物对其淀粉里的酶在水溶作用下经过一系列的化学反应化合成为葡萄糖，对葡萄糖进一步进行化学反应生成酒精。整个过程的实质就是将原料粉碎、蒸煮、葡萄糖化和酵母发酵及蒸馏形成一个有机的整体。其具体的生产流程为：淀粉f调浆f蒸煮f糖化酶f糖化f发酵f酒精，产巨====_=_『=-■--L，产巨====_=_『=-■--L1.2冷却流程图1.2.1白酒加工工艺流程淀粉原料 粉碎 拌料蒸煮（糊化） 糖化（加糖化酶） 冷却

发酵（加酵母菌种）一一蒸馏塔（蒸馏）——精馏塔（精馏）一—5%乙醇——淡化•过滤一一白酒1.2.2冷却流程冷说棒进口 - “ 热流侔逬口冷流fi岀口热面塔出口冷说棒进口 - “ 热流侔逬口冷流fi岀口热面塔出口囹匸】0管禿式换热器示审图1封头』"•隔極*?一博板「1—持根；斤一莊子：—外氓图1乙醇冷却示意图2•工艺说明2.1流体流入空间的选择固定管板式换热器要求不洁净和易结垢的流体宜走管程，易于清洁；腐蚀性流体宜走管程，以免壳体和管外空间的其他零件受腐蚀；根据冷热流体的特性，本设计选择让酒精走壳程而让冷河水走管程。这是因为相比而言河水更易结垢而管便于清洗，走管程有助提高流速减少水垢；而作为热流体让白酒走壳程能增大与管壁接触面积，易于散热。进出口温度的确定及成本计算酒精将由85°C冷却到45°C,取冷却河水入口温度为25°C。对于列管换热器的优化设计,可以认为目标函数是指包括设备费用和操作费用在的总费用,其最少值就是所求。本实验以河水为冷却介质，且河水的进口温度一定，有传热速率方程可知，冷却河水的出口温度将影响热温差，从而影响传热器的传热面积和投资费用，存在一个使设备费用和操作费用之和为最小的最优冷却河水出口温度。换热器年总费用和水的出口温度有以下函数关系：lT-tTOC\o"1-5"\h\zln 1C=CK— 1^2 +3600CH -——tAFK[(T-1)-(T-1)] Uyc(t-1)2 1 1 2 pc2 1Q=G11-T2)式中G 换热器热介质处理量,21X300X1000/24/2二1.313x105kg/h;Cpi 热流体介质比热容,2.784kJ/(kg・C);T「T2 热流体的进出口温度,°C。CA----换热器单位传热面积的投资费用，4200元/m2Q 换热器的热负荷，1.46x107kJ/h=4.01x106WCu----单位质量冷却水费用，0.4元/kgKf 换热器的年折旧率，设使用年限为10年，则Kf=0.1Hy 年工作小时24x330=7920h根据流体物性确定总传热系数经验值290〜698w/(m2•C),并结合本工艺实际可取K=450w/(m2・°C)。把T=85°C,T2=45°C,t1=25°C代入，结合工艺实际计算可得：优化后的河水的出口温度为35C所以，无水乙醇的进出口温度分别为850C、45°C;河水的进出口温度分别是250C、35°C。源程序如下:#include<math.h>main(){intQ,t2,tm,km;longdoublea,b,c,d,e,f,g,h,total=1000000000000000;for(t2=25;t2<=35;t2++){a=(longdouble)t2;b=15/(90-a);c=log(b);d=a-75;e=4200*0.1*1221000*c/(1100*d); /*换热器的年固定费用*/f=3600*0.4*24*330*1221000/(4187*(a-20));/*换热器的操作费用*/g=e+f;/*换热器的年总费用*/if(g<total){total=g;tm=t2;}/*比较各个总费用之间大小*/}printf("goodoneis%d%d",tm,km);

流速的选择换热器的流速增加，传热膜系数增大，同时亦减小了污垢在管子表面沉积的可能性降低了垢层阻力，从而使总传热系数提高，所需传热面积减少，设备投资费减少。但随着流速的增加，流动阻力也相应增加，动力消耗增大，使操作费用增加。因此，选择适宜的流速是十分重要的。经查阅相关资料，经过经济核算，可设定河水在管的流速为0.6m/s。计算平均温差按逆流计算时的平均温度差为无水乙醇 85°C4―►河水35C25C △t（85-35）（45-25）At1=85-35=50CAt2=45-25=20CAt'At'—=50:12。=32.74m1AtIni

At2ln5020二、流程及方案的论证与确定1.设计方案的论证计算热负荷；按纯逆流计算平均传热温差，然后按单壳程多管程计算温度校正，如果温差校正系数小于0.8，应增加壳程数；选择适当的总传热系数K以估算传热面积；计算冷却水用量；确定两流体流经管程或壳程，选定管程流体速度，由流速和流量估算单程管的管子根数，由管子根数和估算的传热面积，估算管子长度和直径，再由系列标准选用适当型号换热器。传热管排列和分程方法；计算壳体径和折流板间距、折流板数；计算壳程流体传热膜系数；计算管程流体流速，若结果与前面设定的流速不接近，则要从头在设定一个速度，再开始算过，直到两者相互接近；计算管传热膜系数；确定污垢热阻，计算总传热系数，如果相差较多，应重新估算；壁温核算，结果如果大于50°C,要设置温差补偿装置；如果超过105Pa,则要从头开始再设数据算，直到结果不大于105Pa为止。计算壳程接管径，选取壳程流体进出口接管规格；计算管程接管径，选取管程流体进出口接管规格；计算传热面积安全系数，必须满足5％－15％的安全度，若不在此围，则要再改数据再试算，直到符合要求；2.确定设计方案及流程2.1选择物料本实验选择无水乙醇作为热流体，选择没经过处理的河水作为冷流体.2.2确定两流体的进出口温度无水乙醇的进出口温度分别为85°C、45°C;河水的进出口温度分别是250°C、35°C。2・3确定流程由于无水乙醇是被冷却的流体，黏度大，在有折流板的壳程流动时容易达到湍流，同时，为便于清洗污垢，热流酒精应该走壳程；河水应走管程。2.4换热器类型的选择对于列管式换热器，一般要根据换热流体的腐蚀性及其他特性来选择结构与材料，根据材料的加工性能，流体的压力与温度，本设计的是无水乙醇由85C降温到45°C;采用河水冷却。再根据几种列管式换热器类型的比较，选固定板管式换热器，因为其结构比较简单、紧凑、重量轻、造价低廉等优点。设计计算及说明1•流体物性的确定表1无水乙醇与选用河水的物性参数项目密度kg/m比热容KJ/（Kg・兀）黏度Pa-S热导率W/(m'C)

3无水乙醇765.72.7840.899X10-30.1696河水995.74.1740.801X10-30.6171水的物性t1=25°C,t2=35°C水的定性温度为：Tm=(25+35)/2=30°C1.2无水乙醇的物性T1=85C,T2=45C无水乙醇的定性温度为：Tm=(85+45)/2=65°C2．初步确定换热器的类型和尺寸计算两流体的平均温度差①按逆流计算时的平均温度差为：白酒85°C45°C ►河水35C25°C △t(85-35)C(45-25)CAt1=85-35=50°CAt2=45-25=20°C1AtIni

At2ln5020At'=A〔—At2=1AtIni

At2ln5020m②平均传热温差校正系数

t-tP=I-tTt-tP=I-tT-t85-4535-2535-2585-25二4.0=0.17根据P,R值，查温差校正系数图，£At二0.90>0.8，所以可选用单壳程此时△tm=£AtAtm'=0.90x32.74=29.46°C△t,At——分别是换热器两端冷热流体的温差12计算热负荷和冷却水流量根据设计的要求，换热器的处理能力设为21x300=6300t/d。因此无水乙醇的流量为：M二21x300t/d=2.625x10人5kg/hi由于这个处理量比较大，选择用两个换热器并联在一起处理所以，每一个换热器的处理量为：2.625X10s/2=1.313x10sKg/h热负荷：Q=McAt=131300x2.784x(85-45)=1.4622x10?kJ/hiip,iiQ——热负荷，kJ/h；iM——热流体的流量，kg/h;i△t——热流体的温度差，Cic——热流体的比热，kJ/kg•CoP，i河水的流量为：W=QicW=QiccAtp001.4622X1074.174x(35-25)=3.50X10fkg/h=97.22kg/sAt——冷流体的温度差，°Coc——冷流体热容，kJ/kg•Cp,o传热面积根据流体物性确定总传热系数经验值290〜698w/(m2•C)，并结合本工艺实际可取K=450w/(m2・C)。Q 1.4622X1010S=-Q= =306.38m2KAt 450x29.46x3600m选择管子尺寸考虑到无水乙醇与水的黏度接近，而河水与无水乙醇相比更易在管子中结垢，故采用©25mmx2.5mm直径的管子较合理。计算管子数和管长,对管子进行排列,确定壳体直径选用标准管长为匸6000mm的管子，取管流速0.6m/s单管程所需的管子数=518=518根兀—d2U4o3.14/4x0.02兀—d2U4oV——管的流体流量,m3/sd°-管径，mu——管流速，m/s单程管束长度L为:306.38S306.38L= = =9.41mN兀d0 518x3.14x0.02s0单程管长太长故采用多程，管程数np=L/l^2管程，即设计采用双管程以提高换热器效率。总管数为NT=518x2=1036根壳体直径：采用焊接法连接传热管和管板管心距取a=1.25d=1.25x25=31.25mm0壳体径应等于或大于(在浮头式换热器中)管板的直径，所以，以管板直径的计算可以决定壳体的径。通过按下式确定壳径。D=a(b-1)+2e式中：D—壳体径，mm;a—管心距，mm;b—横过管束中心线的管数，管子按正三角行排列：b=1.U--7；管子按形排列：b=1.19、^；n为换热器的总管数；e—管束中线上最外层管中心到壳体壁的距离，一般取e二(1~1.5d)。则D=a(b-1)+2e= 31.25X(l.h;1036-1)+2xl.5x25=1150.2^1151mm查表1-4得对应最小壁厚为14mm。根据管长和壳体直径的比值,确定管程数根据管长和壳体直径的比值,确定换热器放置方式L/D=6/1.151=5.2属于立式的4~6规定围之间，故采用立式放置。管程数np二L/l~2程，即设计采用双管程以提高换热器效率。3．核算压强降管程压强降管程流体流通截面积兀 兀A=-d2n=-x0.022x518=0.162m20404管程流体流速Wcu=0AP00=0.60m/s995.7x0.162雷诺数Re0dupRe0dup―^-000.02x0.60x995.70.000801=14916.8YaP=(AP+AP)FNNi12tspF=1.4,N=1,N=2tspAP1、AP2——分别为直管及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，对于825x2.5mm管子，取为1.4。由Re=14916.8，取传热管相对粗糙度为0.01，查得入=0.,所以有:lPu2 6x995.7x0.6022x0.02AP=X 02=0.042x =2x0.021 2d0竺二3誉=3严"02=537.7Pa工AP=(225&2+537.7)x2x1.4=7828.5Pa<105Pa0壳程压强降YAP=(AP'+AP')FNi12ssAP'——流体横过管束的压强降，Pa;1AP'——流体通过折流板缺口的压强降，Pa;2Fs——壳程压强降的结垢校正因数，无因次，取1。AP'二Ffn(N+1)1 icB 22hAP2二NB⑶5-万)

F——管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=0.5;f——壳程流体的摩擦系数，当Re>500时，f=5.0Re-0.228；iiiin 横过管束中心线的管子数；n=1.1心N=1.W1036二35.41沁36c c T折流挡板数；nb=折流挡板数；nb=h-1=0.6块）h——折流挡板间距，m；h=0.6m其中有Ns=1，Fs=1.15；流体流经管束的阻力损失A=h(D—nd)=0.6x(1.151-36x0.025)=0.1511.313x1.313x105u=—i 0.32m/siA0 3600x765.7x0.151iiReidup

□'Reidup

□'i0.025x0.32x765.70.000899=6813.8>500f=5.0Re-0.228=5.0x6813.8—0.228=0.67ii'=Ffn(N+1)怛=0.5x0.67x36x(9+1)x765.7x0.322=4727.98P1icb 2 2流体流过折流板缺口的阻力损失：AP2'=NbE-琴)学=9xE-需)x =867・07Pa工AP=(AP'+AP')FN=(4727.98+867.07)x1x1=5595.05<105Pi 1 2SS a计算表明，管程和壳程的压强降都能满足题目要求4．核算总传热面积4.1管程对流传热系数a0当Re=14916.8时，流体流动状态为湍流，所以：0普兰特数“cH 4.174x103x0.801x10-3Pr_p0亠_ 沁5.420九00.6171当Re>10000，Pr=0.7~120，L/d=9.34/0.02=467.>60时0a=0.023你RePr0.4=0.023x0.6171x14916.80.8x5.420.4=3045W/0 d0 0 0.020管径，m;P——热流体黏度，Pa・S;i入——热流体传热系数，w/m•ria——管传热膜系数，W/(m2・°C)i4.2壳程对流传热系数ai因为管子为正三角形排列，则当量直径为4(出a2-—d2) 4(込x0.03752-0.785x0.0252)d= 2 4 = 2 =0.037me —d3.14x0.025壳程流通截面积A=hD(1-a)=%x1-151x(1-册)=02302m2壳程流体流速M 1.313X105 018/u_—i_ _0.18m/sAp 3600x765.7x0.2302i雷诺数为r_dup_0.037x0.18x765.7_56705ei *i0.000899普兰特数C)Pr=2.784x103x0.899x10-Pr=0.1696管水被加热，故取（叮叮014=】.05,此时W/(m2•’二036牛只。卡(+1。"=°36X船X5672-50-X诲X1-05=吨5W/(m2•ew°C)污垢热阻管外侧污垢热阻Ri=0.00014m2•K/w管侧污垢热阻R0=0.00021m2•K/wbd

九dia总传热系数K'bd

九diadad000.0253045x0.020+0.00021+2.5x10-3x2545x22.5+0.00014+1492.5二350.55W/(m2・oC)则K'1.25,比值在1.15〜1.25围，初步设计的换热器合适.4.5传热面积安全系数理论面积：S=K'Atm4.01x106350.55x29.46=440.3m2实际面积：S'=兀dlN=3.14x0.025x6x1036=487.9m2T安全系数：S'-S 487.9-440.3F=x100%= x100%=9.75%S'487.9可见此安全系数在5%〜15%围，满足设计要求。壁温的计算T=0.4T+0.6T=0.4x85+0.6x45=61oCm12t=0.4t+0.6t=0.4x35+0.6x25=29<>Cm21a2=a0=3045W/(m2・°C) a1=ai=492.5W/(m2・°C)aT+at492.5x61+3045x29 “=厂t=—1_m 2m= =33.5oC所以wa+a 3045+492.512t=33.5oC<50oCw故理论上不需要设置温差补偿，但为了减少热应力，防止管子压弯或管子从管板处拉脱，可考虑添加补偿圈。偏转角计算管外径d=25mm,管心距a=31.25，查表1-3得偏转角=7°0设计结果概要表表2物料特性及设备参数管程■±-工口冗程物料名称无水乙醇河水流量,kg/h1.313x1053.50x1O5温度，°C进/出85/4525/35物定性温度C6530密度kg/m3765.7995.7性热容kJ/(kg°C)2.7844.174

黏度Pa•s0.899x10-30.801x10-3传热系数w/m•C0.16960.6171普兰特数14.75.42类型固定管板式放置方法立式管程数2壳程数1管径mm825x2.5管心距mm31.25管长mm6000管子排列正三角型设管数目(根)1036折流板数（个）9备传热面积m2487.9折流板间距mm600结壳体径mm1151材料碳钢构壳体壁厚mm14偏转角7o参数主要计算结果管程■±-工口冗程流速m/s0.600.18传热膜系数w/(m2•K)3045492.5污垢热阻(m2-K)/w0.000140.00021阻力降Pa2258.2537.7传热量W4.01x106传热温差°C29.46总传热系数w/m2•C350.55传热面积安全系数9.75%对设计的评价及问题的讨论1.对设计的评价：1.本设计对冷却水的出口温度采用了优化设计,使换热器的年固定费用和操作费用之和最小。2•创新方面:本实验在优化过程中应用了Excel和C语言编程等进行结合计算。通过本次课程设计，使我们的独立工作能力、设计能力、动手能力得到了极大的提高。在设计的过程中锻炼了我们的统筹、创新、综合运用知识的能力；在反复演算的过程中既锻炼了我们的计算能力又锻炼了耐性。4•本次课程设计提高了我们互相合作的精神，有谁的数据有问题找不出原因，大家都会一起研究，验算；有谁画图有问题，互相指正，学习。最后要感谢老师在整个设计过程中对我们帮助和指导，使我们能以顺利完成设计。5•本次课程设计我收获了独立工作能力、设计能力、动手能力，统筹、创新、综合运用知识的能力，在反复演算的过程中锻炼了耐性。令自己掌握如何有效查阅文献资料、搜索有关数据，掌握了CAD工程制图的技术，巩固了自己对这门课程的认知，正确选用公式。增加了知识面，更好地掌握应用所学的化工知识，加强了个人动手能力与独立思考能力，增强了对换热器的认识，为日后在实际生产中工作打下基础。6•总之，化工生产本身是复杂的,影响因素很多。综合平衡、全面考虑各种复杂的影响因素,是设计成功与否的关键。要获得这方面