換熱器認(rèn)知實(shí)習(xí)報(bào)告

1、學(xué)校代碼：10128學(xué)號：國拾凌夫享課程設(shè)計(jì)說明書題 目：年產(chǎn)3. 7萬噸酒精精儲換熱 器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué)院：化工學(xué)院班級：指導(dǎo)教師：2011年7月8日內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)摘要在石油、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 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。換熱器伴隨工業(yè)生產(chǎn)的始終，

2、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)任務(wù)并節(jié)約能源，減少對環(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?，是原料液加熱到一定溫? 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)精儲塔。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。本次設(shè)計(jì)任務(wù)是年產(chǎn)3.7萬噸酒精精儲系統(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。對每個(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。此次設(shè)計(jì)參考了較多

3、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 簡便，易于清洗、維修的列管換熱器。關(guān)鍵字：換熱器、設(shè)計(jì)、加工內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)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。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

4、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。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。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因 而對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。i內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)符號說明q傳熱速率(即熱負(fù)荷)，wk總傳熱系數(shù)，w(m2. )；s與k值對應(yīng)的換熱器傳熱面積，m2;atm平均溫度差，c。w流體的質(zhì)量流量，kg/h;cp 流體的平均定壓比熱容，j/(kg )；t 熱流體的溫度，c；t 冷流體的溫度，c；r 飽和蒸

5、汽白冷凝潛熱，kj/kg。k。一一基于換熱器外表面積的總傳熱系數(shù)，w/(m2. c)；% o0基于管內(nèi)及管外的對流傳熱系數(shù)，w/(m2c);rs。、r 分別為管外側(cè)及管內(nèi)側(cè)表面上的污垢熱阻，(m2. c)/w;d。、d、dm分別為換熱器列管的外徑、內(nèi)徑及平均直徑 ，m；b列管管壁厚度，m;k 一列管管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，w/ (m - c )a t 蒸汽的飽和溫度與壁溫之差，nc水平管束在垂直列上的管數(shù)；pi 直管中因摩擦阻力引起的壓力降 pa ;p2 回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，pa；ft 結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，425x2.5mm的換熱管取1.4;小19x2mm1勺換熱管取 1.5;ns 串聯(lián)

6、的殼程數(shù)；np 管程數(shù)。七阻力系數(shù)，列管換熱器管內(nèi) 七=3nb 折流擋板數(shù)目；uo 按殼程流通面積s。計(jì)算的流速，m/s第1章 確定設(shè)計(jì)方案1.1 設(shè)計(jì)設(shè)備在生產(chǎn)中的作用換熱器是化工、石油、動(dòng)力、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，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)備臺數(shù) 的10%由此可見，換熱器對整個(gè)企業(yè)的建設(shè)投資及經(jīng)濟(jì)效益有著重要的影響。1.2 換熱系統(tǒng)流程方案的設(shè)計(jì)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，確定所選換熱器中流體

7、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。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。本次換熱系統(tǒng)為精儲系統(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。對原料預(yù)熱器和塔頂產(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。1.3 換熱器設(shè)計(jì)方案的確定1.3.1 換熱器的類型列管式換熱器的結(jié)構(gòu)簡單、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

8、絕對優(yōu)勢不同形式的列管換熱器主要針對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。1、固定管板式換熱器這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、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

9、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。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50c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6070c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)。2、浮頭式換熱器7-12浮頭式換熱器i,殼蓋2.浮頭蓋3.浮頭管板 4殼體5.傳熱管6.支持板7.折流板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

10、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。3、填料涵式換熱器空氣冷卻塔由空氣壓縮機(jī)來的壓縮空氣1通往蓄冷器的空氣水冷卻塔價(jià)也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處詠遨建器燃、易爆和有毒的介質(zhì)。這類換熱器管束一端可以自由膨由精墻塔來的氯氣1.3.2 換熱器類型的選擇對于所選擇的換熱器，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，制造簡單，安裝

11、容易，易于維護(hù)與 維修。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。本文中兩流體溫差介于50c和70c之間的選擇帶補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器， 小于50c的選擇不帶補(bǔ)償圈固定管板式換熱器。根據(jù)制定的流程方案，可選擇帶補(bǔ)償圈的和不帶補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器， 此類換熱器的結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，宜處理兩流體溫差50c到70c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。1.3.3 固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)的確定固定管板式換熱器由管板、殼體、封頭等組成。固定管板式換

12、熱器最容易出現(xiàn) 的故障就是管子和管板連接部分泄漏、用液、壓降大。所以必須注意固定管板式換 熱器的連接方法和質(zhì)量。固定管板式換熱器主要分為管程和殼程兩大部分。1.3.3.1 管程結(jié)構(gòu)換熱器管程由換熱管、管板、封頭 。1、換熱管布置和排列間距管束的多少和長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)選擇主要考慮傳熱效果、耐腐蝕性能、可焊性等。常用管徑和壁厚有。19x 2, c25x2.5等; 管長有1500mm 2000m滸口 3000mm材料有普碳鋼或不銹鋼等。在管程結(jié)垢不很嚴(yán)重以及允許壓力降較高的情況下，采用力19mme 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

13、腐蝕性，所以選 擇625x2.5 mm碳鋼管。本次設(shè)計(jì)采用 625x2.5 mm碳鋼管。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，對流傳熱系數(shù)大，但管外 洗洗較困難；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。ab屏成運(yùn)兩/ i ke(b)正方形錯(cuò)列(c) 三角形直列(e同心圓排列正三角形排列結(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

14、列。本次設(shè)計(jì)選擇正三角形的排列方式。2、管子與管板及其連接方式的選擇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“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。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。3、封頭、管箱的確定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

15、下管箱對管子進(jìn)行清洗或更換。1.3.3.2 殼程結(jié)構(gòu)殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要由折流板、支承板、縱向隔板及緩沖板等元件組成。1、換熱體的確定根據(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勺殼體通常用鋼管制成，大于 400mm勺用鋼板卷焊而成。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。2、列管式換熱器折流板的作用是；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。1.3.4 流體流動(dòng)空間的選擇在列管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，需

16、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：1、傳熱效果(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，可提高對流傳熱系數(shù)，強(qiáng)化傳熱。(2)待冷卻的流體宜走殼程，便于傳熱。2、設(shè)備結(jié)構(gòu)高壓的流體、腐蝕性的流體宜在管內(nèi)流過。3、清洗方便不潔凈的或易結(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。1.3.5 流體流速的選擇提高流體在換熱器中的流速，將增大對流傳熱系數(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)

17、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。卜表列出工業(yè)一般采用的流體流速范圍。表1工業(yè)列管式換熱器常用的流體流速范圍液體的種類一般液體易結(jié)垢液體氣體流速my7 s0.5315-30殼程0.2 -1.5>0.53-151.3.6 流體出口溫度的確定在換熱器的設(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

18、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5c,對于缺水地區(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50c,以防止管壁過多結(jié)垢。1.3.7 管程和殼程數(shù)的確定當(dāng)換熱器的換熱面積較大而管子又不能很長時(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)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

19、程的管子數(shù)相等。管程數(shù)n按下式計(jì)算：n=u/v式中u 管程內(nèi)流體的適宜流速;v管程內(nèi)流體的實(shí)際流速。53第2章列管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算步驟2.1.1 系統(tǒng)物料衡算根據(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。2.1.2 選用換熱器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；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；3、流動(dòng)空間的選擇；4、初估總傳熱系數(shù)，計(jì)算換熱面積，初選換熱器。2.1.3 核算總傳熱系數(shù)計(jì)算管程、殼程對流傳熱系數(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)/

20、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。2.1.4 計(jì)算管、殼程壓強(qiáng)降計(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。2.1.5 接管尺寸計(jì)算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)。2.2 傳熱計(jì)算的主要公式2.2.1 傳熱速率方程式及相關(guān)計(jì)算公式q=ks atm式中q 傳熱速率(即熱負(fù)荷)，wk 總傳熱系數(shù)，w(m2. c)；s 與k值對應(yīng)的換熱器傳熱面積，m2atm-平均溫度差，c。1 .熱負(fù)荷(

21、傳熱速率)q無相變傳熱0= wmt1-t2) = wcp(t 2-t 1)相變傳熱(蒸汽冷凝且冷凝液在飽和溫度下離開換熱器)q= wr=vcp(t 2一 t。式中w流體的質(zhì)量流量，kg/h;cp流體的平均定壓比熱容，j/(kg )；t 熱流體的溫度，c；t 冷流體的溫度，c；r 飽和蒸氣白冷凝潛熱，kj/kgo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2 .平均溫度差a t m一側(cè)恒溫，逆流與并流的平均溫差相等ln兩側(cè)變溫，平均溫差用逆流平均溫差校正則t-溫差校正系數(shù)，mt = f(p,r),其中12 " tti - t2ti -t2t 2 - ti3 .

22、總傳熱系數(shù)k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。確定了選用的換熱器后，需要對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：1ko -d蟲,名弛rs。1hi didi kdmho式中k 0基于換熱器外表面積的總傳熱系數(shù)，w/(m2. c);ho、hi 分別為管外及管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)，w/(m2 - c )；ro、r分別為管外側(cè)及管內(nèi)側(cè)表面上的污垢熱阻，(m2. c)/w;do、di、dm分別為換熱器列管的外徑、內(nèi)徑及平均直徑 ，m；b列管管壁厚度，m；k 一列管管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，w/ (m - c ) 04 .對流傳熱系數(shù)(1)

23、對于低粘度流體(以小于或等于2倍常溫水的粘度)n u = 0.023 re0' prn_ 入 _0.8 _ n:i = 0.023 re prd當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4當(dāng)流體被冷卻時(shí)，n=0.3式中：p、艮分別為流體白密度和粘度，kg/m3 pa-s；九、cp-分別為流體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容，w/(m c)、j/kg?c;u管內(nèi)流速.m/s；d列管內(nèi)徑，m,應(yīng)用范圍：re>l0000, pr=0.7-160,管長與管徑之比l/d >60,若l/d<60可將上式算出的a乘以(1+ (d/l) 0.7)特征尺寸：管內(nèi)徑d定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。(2)蒸汽

24、在水平管束上冷凝時(shí)的冷凝傳熱系數(shù)若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式計(jì)算冷凝傳熱系數(shù)：ho = 0.725 (14n。?3 nd。式中: 九一 冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m c );p 冷凝液的密度，kg/m3 ；祖冷凝液的粘度，pa - s；t 飽和蒸汽白冷凝潛熱，kj/kg ;a t 蒸汽的飽和溫度與壁溫之差，a t = t s-t w此處取a t=5nc水平管束在垂直列上的管數(shù)；1n1 + 也 +. + n174nc -0.75 .0.75 .0.75<n1十 n2+.+n17 j5 .換熱器實(shí)際傳熱面積根據(jù)選定換熱器的管徑、管長和管數(shù)可計(jì)算所選換熱器的實(shí)際傳熱面積sposp 不的0 l

25、-0.06 n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%匕較合適。2.2.2計(jì)算流體壓降的主要公式一般說來，流經(jīng)列管式換熱器允許的壓強(qiáng)降，液體為10-100 kpa,氣體為1 10kpa左右。(1)管程壓力降j r = . r r ftnsnpu u2p2 = p1 直管中因摩擦阻力引起的壓力降 pa ； p2 -回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降 pa；ft一結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，小25x 2.5mm的換熱管取1.4;小19x 2mml勺換熱管取 1.5 ;ns 一 一串聯(lián)的殼程數(shù);np - -管程數(shù)。七阻力系數(shù)，列管換熱器管內(nèi) 七=3(2)殼程壓力降

26、 p =r 十a(chǎn)r fsns p；=ffonc(ns+1)2 p2 v nb(3.5-一b )強(qiáng) d 2fo =5.0 re 0.228 re500nc = 1.1 jn (正三角形排列)' p1 流體橫過管束的壓力降pa ; '&巳流體流過折流擋板缺口的壓力降 pa ；fs結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，對液體，取 1.15;對氣體，取1.0;f管子排列方式對壓力降白校正系數(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;fo 殼程流體的摩擦系數(shù)；nc 橫過管束中心線的管數(shù)b折流擋板間距，mid殼體直徑，m；nb 一折流擋板數(shù)目；u0按殼程流通面積so計(jì)算

27、的流速，m/s。第3章設(shè)計(jì)的工藝計(jì)算3.1 全塔的物料衡算根據(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, 精儲原料粗乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)xf=0.5,塔底殘液乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)xw=0.0053.7 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 原料預(yù)熱器的設(shè)計(jì)3.2.1 確定設(shè)計(jì)方案1 .選擇換熱器的類型換熱器中兩流體溫度差不大，殼程壓力較小

28、，故可選擇固定管板式換熱器。2 .流動(dòng)空間和管材的選用設(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。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3.2.2熱流體:根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù)120oc -

29、120oc定性溫度為t=120oc （絕對壓力 0.2mpaj）冷流體:81.9 °c56.3 oc定性溫度為二69."。根據(jù)定性溫度分別查取的物性參數(shù)如下:表1預(yù)熱器內(nèi)原料物性參數(shù)名稱密度pkg/m3定壓比熱cpkj/(kg c)導(dǎo)熱系數(shù)入w/(m c )粘度叱pa - s汽化熱rkj/kg原料液(69.1 c)8693.6340.4024.57 義 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換熱器的衡算原料預(yù)熱器的工藝計(jì)算備注1.估算傳熱面積，初

30、換熱器(1)塔底熱負(fù)荷的計(jì)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)試差法計(jì)算塔底余熱升高原料液的溫度假設(shè)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頂w頁cm(t1 -t2) 父3.362父 103 m (50-20)3600= 226.13kw假設(shè)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頂 _w頁 mcpcm(t1 -t2) -m3.412m 103 m (60-20)3600= 360.12kww釜=9499.15kg/h定性溫度67.15 c下 原料液的平均比熱 容：cpc =4.18x103 j

32、 kgq 釜=325.53kw彳貿(mào)設(shè)升高至u 60 c,貝u 放熱 360.12kw假設(shè)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頂xcpcm(t1 t2) =x3.397m 103x(56.2 20)3600= 325.38kw假設(shè)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頂=w® mcpcm(t1 -t2)=父3.397父 103 m (55-20)3600= 313.72kw假設(shè)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頂=w® xcpc父(t, -t2) =x3.397父103父(56.3 20)3600= 326.27kw故塔底余熱將原

34、料液升高到56.3 c(3)計(jì)算平均溫度差一側(cè)恒溫，求逆流時(shí)的平均溫度差：塔底得熱量q釜回用到進(jìn)料口，設(shè)換熱器2得熱負(fù)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假設(shè)原料液被升溫 至ij: 56.2 c原料液最終被升溫 至ij: 56.3 cq1 =245.47kw表2列管參數(shù)公稱直徑d325mm管子尺寸d0 25x2.5管子數(shù)n40管長l/mm2管中心距mm32管程數(shù)np4管子排列方式正三角形管程流通面積/m0.0031實(shí)際換熱面積

35、sotmat1 - ：-t2ln大.：t263.7-38.1,63.7in38.1= 50.20cwh245.47 10332205.2 10= 0.1113kg swh =0.1113kg/s(4)計(jì)算r初選k估算傳熱面積，參照換熱器，取k1 =700 w/(m2 c)傳熱面積s:s1 =krtm237.11 10326.4m 700 52.82(5)初選換熱器型號由于兩流體溫差大于50c,小于70c,可選用帶有補(bǔ)償圈的 固定管板式換熱器。根據(jù)固定管板式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)，初選的 固定管板式換熱器主要參數(shù)如下：s1=6.4m2冷熱流體溫度差為 63.52 c,介于 50 c 和70c,可選用帶

36、有 補(bǔ)償圈的固定管板式 換熱器。2s2 = 5.966m2k2 =819.62w (mc)s2 =n-：dol =40 3.14 0.025 (2 -0.1) = 5.966m2采用此換熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為:3k2 =q=.=819.62w/(m2 c)s2tm 5.966 50.202.核算壓降(1)管程壓降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'雷諾數(shù)rei =di xui、0 0.02 x 0.98x86

37、9 =37270>10000(湍流)ni0.457x10-3對于碳鋼管，取管壁粗糙度e =0.3mm所以：=絲=0.015 di 20由食品工程原理書的 人-re關(guān)系圖中可查得 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殼程壓降e apo =(妒1 + af2 fsns,其中

38、 fs=1.15 (氣體),ns=1o因管子排列方式為正三角形，所以 f=0.5。nc =1.19/n =1.19 屈= 7.53殼程流通回枳ao = b"d - ncd0)_ 2=0.5父(0.325-7.53父 0.025) = 0.0684m士壬口/擊vswh0.1113一廠.冗桂而l速 u o = 1.45m / saopxao1.12 父 0.0684雷諾數(shù) 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 義(3.5-)m = 1249 .20 pa0.3252eapo =(api + ap2 fsns = (5960.45 + 1249.20) m 1父1= 7209.65pa3.核算總傳熱系數(shù)管程對流傳熱系數(shù)叫

40、rei =37270-cpmg3.634父103 m 0.457 父10“pri = -= 4.13%0.402對于低粘度流體，% = 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)殼程對流傳熱系數(shù)«o若蒸汽在水平管束上冷凝，/式計(jì)算冷凝傳熱系數(shù)：120 2-3 吊rga。-0.725 2gn 3 'n -do a j式中九、心p均為水在120c時(shí)液體的物性參數(shù)。r為水在120c 下的汽化熱。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)污垢熱阻根據(jù)化工原理課程設(shè)計(jì)書中的附錄二十查得管內(nèi)、外側(cè)污垢£p° =7209.65papri =4.13«i =3694.23口。= 3597 .12熱阻分別為：rs =1.7197x10m(m2 c)/wrso =0.859x10，(m2 ：c)/w(4)總傳熱系數(shù)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實(shí)際換熱面積 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故所選擇的換熱器是合適的。4.接管的選擇(1)管程流體進(jìn)出口接管的選擇根據(jù)液體一般在

43、管中的流速大小，選擇原料液進(jìn)出接管的流速為5 =0.98m/s,則接管內(nèi)徑為陽 14 m 9499.15feed-j - j- 62.83mm叫1,3600m 869 m 3.14 父 0.98根據(jù)化工原理教材上冊附錄 375頁的熱軋無縫鋼管的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選擇規(guī)格為小 68mme 2.5mm,di=63mm=0.063mms目力、擊4 m 9499.15八 c"7 /核算流速u -2 - 0.97 m1. s3.14 父 3600 m869 m 0.0632故選擇的接管規(guī)格合適。 殼程流體進(jìn)口接管的選擇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管程流體進(jìn)出口接管 選擇規(guī)格為(|)68mmc 2.5mm的熱軋無縫鋼 管根據(jù)飽和蒸汽一般在管中的流速大小，選擇水蒸汽進(jìn)入接管時(shí)的蒸汽的流速為u°=1.45m/s,則接管內(nèi)徑為殼程流體進(jìn)口接管選 擇規(guī)格為小325mm<,14x0.1113”d 二 , 295mm，3.14父1.45m1.1214mm的熱軋無縫鋼根據(jù)熱軋無縫鋼管的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選擇規(guī)格為 小325m儲14mm,di =325-2 14= 297mm核算流速 uo=4 0.1113=1.44ms3.14 0.2971.12故選擇的接管規(guī)格合適。(3)殼程

45、流體出口接管的選擇根據(jù)液體一般在管中的流速大小，選擇冷凝液流出接管時(shí)的流速為u=1m/s,則接管內(nèi)徑為殼程流體出口接管選,4 4m0.1113dj-12.26mm、3.14父1父943.1擇規(guī)格為小13mnm<0.25mm的冷軋無縫根據(jù)化工原理教材上冊附錄 358頁的冷軋無縫鋼管的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選擇規(guī)格為 小 13mm< 0.25mm di=12.5mm=0.0125m鋼管核算流速u =3.14黃蜂過二0.962ms故選擇的接管規(guī)格合適3.3塔底冷卻器的設(shè)計(jì)3.3.1 確定設(shè)計(jì)方案1.選擇換熱器的類型冷卻器是把99.3 c的含乙醇0.5%的釜底液冷卻儲存，熱流體的進(jìn)口溫度是99.3 c

46、,熱流體的出口溫度是35 c ,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15c,出口溫度25c。2 .確定流體的流經(jīng)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)。3.3.2根據(jù)定性溫度確定物性參數(shù)蒸汽 t 99.3 c - 35 c原料液t 25 c 15 c t74.3 c 20 c熱流體的定性溫度為t 99.3+35 =67.15 02冷流體的定性溫度為t =25上

47、竺=20 c 0 2根據(jù)定性溫度分別查取的物性參數(shù)如下：表3塔底冷卻器原料物性參數(shù)名稱密度pkg/m3定壓比熱cpkj/(kg c)導(dǎo)熱系數(shù)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 換熱器的衡算塔底冷卻器的計(jì)算備注熱量衡算(1)熱負(fù)荷的計(jì)算436026q =whmcph x(t| j)=父4.169父103父(99.3-35)p3600= 324.68kw(2)冷卻水消耗量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)計(jì)算平均溫度差按單殼程、雙管程考慮，一側(cè)恒溫，求逆流時(shí)的平均溫度差：熱流體溫度t 99.3 c - 35 c冷流體溫度t 25 c 15 c&74.3 c 20 c西2 -574.3-20tm 1t 41.45m ,西2 74.3ln ln420初選k值，估算傳熱面積由表 3,取 k =1200w/(m2 黑 c)傳熱回積s:-3g 324.68 102s1 -6.53m1200 父41.45根據(jù)固定管板式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)，初選的固定管板式換熱器型號為主要

49、參數(shù)如下：q =324.68kwwc = 7.76 kg/satm =41.45s1 = 6.53m2表4列管參數(shù)公稱直徑273mm管子尺寸 25x2.5管子數(shù)n32管長l/mm3000管中心距mm32管程數(shù)np2管子排列方式正三角形田流ara / m20.0050實(shí)際換熱面積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.核算壓降(1)管程壓降ear =(絹 + 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雷諾數(shù) rei =diui' i = 0.025 1.55 998.2 =38518>10000 (湍流) )1.0042 100 3對于碳鋼管，取管壁粗糙度e =0.3mm所以一 = 03 =0.015 di 20由食品工程原理書的 人-re關(guān)系圖中可查得 入=0.045。-22c lui3 998.2 1.55r = kx 艾=0.045乂父=809384padi 20.022r 221 ui998 2 1 55p2 =氣u-) =3父=3597.26pa22=(田十上)父此父葉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 離心泵的選型與計(jì)算設(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，該離心泵需 要完成從儲罐輸送原料液流經(jīng)塔底冷卻器管程、100m長的直管管路、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，再到精儲塔進(jìn)料口。3.4.1 物性參數(shù)的獲取原料液物性參數(shù)則:"f9499.153600 869-33=3.04 10 m /s表5預(yù)熱器內(nèi)原料物性參數(shù)名稱密度pkg/m3定

52、壓比熱cpkj/(kg c)導(dǎo)熱系數(shù)入w/（m c ）粘度叱pa - s汽化熱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 離心泵的選型體積流量f 9499.153 3q= = =3.04 10 m /s：3600 869設(shè)計(jì)輸送高度（儲罐液面與精儲塔進(jìn)料口高度差）為乙二20nl根據(jù)預(yù)熱器接管的計(jì)算，已知輸送管道為令儲罐液面保持恒定，并且設(shè)計(jì)儲罐液面上方維持常壓并以 此為基準(zhǔn)面，設(shè)液面絕對壓力為101.3kpa,設(shè)計(jì)精儲塔進(jìn)料口處的塔內(nèi)絕對壓力為 121.0kpa.（3）泵的選擇選取儲液槽上方液面為1-1',進(jìn)料口為2-2',列伯努利方程： 22zjj. + he=z2+廠迤+叫2g pg2g pgz1 =0z2 =20mu2 =0因?yàn)檎羝龤こ坦?q 3.04 10-ui = = = 0.98m/sa三 306324p1 =101.3pap2 =121.0pahe=zi +22u2 一 u12g阻力壓頭損失的計(jì)算直管阻力壓頭損失的計(jì)算rediu0.063