酒精精餾換熱器課程設計

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

2、;p><b>　　班 級： </b></p><p><b>　　指導教師： </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，但設計所依據(jù)的傳熱基本原理相同，不同之處是在結構設計上需要根據(jù)各自設備特點采用不同的計算方法。由于生產(chǎn)的規(guī)模、物料的性質、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型很多，特點不一，可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求進行選擇。</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、務并節(jié)約能源，減少對環(huán)境的污染，本次換熱器設計的思路為用塔底釜殘液的熱量來先加熱原料液，是原料液加熱到一定溫度，然后再用高溫蒸汽來加熱原料液達到酒精泡點溫度再進精餾塔。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>　　本次設計任務是年產(chǎn)3.7萬噸酒精精餾系統(tǒng)換熱器設計，其中包括了生產(chǎn)工藝流程中四個換熱器：原料預熱器、塔頂全凝器、塔頂冷卻器、塔底冷卻器。對每

5、個換熱器進行了精算，經(jīng)反復選擇與核算之后，選取了合適的換熱器類型及其結構尺寸等其他工藝指標要求。 </p><p>　　此次設計參考了較多的文獻資料，結合實際生成需求采用了科學嚴謹?shù)挠嬎惴椒ê途_嚴密的計算步驟，設計出了較符合生成需求，經(jīng)濟實惠，安全可靠，操作簡便，易于清洗、維修的列管換熱器。</p><p>　　關鍵字：換熱器、設計、加工</p><p><

6、b>　　前言</b></p><p>　　課程設計是化工原理課程中綜合性和實踐性較強的一個環(huán)節(jié)，它是理論聯(lián)系實際的橋梁，是進行體察工程實際問題復雜性的初次嘗試。</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，但設計所依據(jù)的傳熱基本原理相同，不同之處是在結構設計上需要根據(jù)各自設備特點采用不同的計算方法，本次設計采用應用廣泛的列管換熱器。</p><p>　　列管換熱器的應用已有悠久的歷史，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，換熱器的設計、制造、結構改進及傳熱機理的研究十分活躍，一些新型的換熱器相繼問世。<

8、/p><p><b>　　符號說明</b></p><p>　　Q——傳熱速率(即熱負荷)，W；</p><p>　　K——總傳熱系數(shù)，W／(m2．℃)；</p><p>　　S——與K值對應的換熱器傳熱面積，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>　　——基于管內及管外的對流傳熱系數(shù)，w／(m2·℃)；</p><p>　　Rso、Rsi——分別為管外側及管內側表面上的污垢熱阻，(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計算的流速，m/s</p><p>　　第1章 確定設計方案</p><p>　　1.1 設計設備在生產(chǎn)中的作用</p><p>　　換熱器是化工、石油、動力、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備

14、，是必不可少的單元設備，在生產(chǎn)中占有很重要的地位。據(jù)統(tǒng)計，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱器投資約占裝備建設總投資的30%-40%；在合成氨廠中，換熱器占全部設備臺數(shù)的10%，由此可見，換熱器對整個企業(yè)的建設投資及經(jīng)濟效益有著重要的影響。</p><p>　　1.2 換熱系統(tǒng)流程方案的設計</p><p>　　進行換熱器的設計，首先應根據(jù)工藝要求確定換熱系統(tǒng)的流程方框圖并選用適當類型的換熱器，

15、確定所選換熱器中流體的流動空間及流速等參數(shù)，同時計算完成給定生產(chǎn)任務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計中，考慮使用塔底殘液的廢熱來預熱原料液，達到廢熱再利用的效果，實現(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)的換熱設備，包括原料預熱器，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。對原料預熱器和塔頂

16、產(chǎn)品冷凝器進行精算，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 換熱器設計方案的確定</p><p>　　1.3.1 換熱器的類型</p><p>　　列管式換熱器的結構簡單、牢固，操作彈性大，應用材料廣，歷史悠久，設計資料完善，并已有系列化標準，特別是在高溫、高壓和大型換熱設備中占絕對優(yōu)勢。</p>&

17、lt;p>　　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計。由于列管式換熱器管束與殼體內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，若兩側流體的溫度差較大時，就可能由于熱應力二引起管子彎曲或使管子從管板上拉托，因此，必須考慮熱補償。根據(jù)熱補償方法的不同，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>　　這類換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清洗。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出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內管外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應力，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>　　為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50℃以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置(膨脹節(jié))只能用在殼壁與管壁溫差低于60～70℃和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6Mpa時由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償?shù)淖饔?，就應考慮其他結構。</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。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，應用極為普遍，但結構復雜，造價高。</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，結構比浮頭式簡單，造價也

21、比浮頭式低。但殼程內介質有外漏的可能，殼程中不應處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質。</p><p>　　1.3.2 換熱器類型的選擇</p><p>　　對于所選擇的換熱器，應盡量滿足以下要求：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)品質量高，操作安全可靠；所使用的材料與過程流體相容；設計計算方便，制造簡單，安裝容易，易于維護與維修。 </

22、p><p>　　在實際選型中，這些選擇原則往往是相互矛盾、相互制約的。在具體選型時，我們需要抓住實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℃之間的選擇帶補償圈的固定管板式換熱器，小于50℃的選擇不帶補償圈固定管板式換熱器。</p><p>　　根據(jù)制定的流程方案，可選擇帶補償圈的和

23、不帶補償圈的固定管板式換熱器，此類換熱器的結構簡單，價格低廉，宜處理兩流體溫差50℃到70℃且殼方流體較清潔及不宜結垢的物料，流體壓強不高于600Kpa的情況。</p><p>　　1.3.3 固定管板式換熱器結構的確定</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 管程結構</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>　　管束的多少和長短由傳熱面積的大小和換熱器結構來決定，它的材質選擇主

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；管長有1500mm、2000mm和3000mm；材料有普碳鋼或不銹鋼等。</p><p>　　在管程結垢不很嚴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。本次設計采用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，管外流體湍動程度高，對流傳熱系數(shù)大，但管外清洗較困難；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結構更為緊湊。</p><p>　　A B C&

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

28、 （E）同心圓排列 </p><p>　　正三角形排列結構緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結構更為緊湊。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列排列居多，也有正三角形排列。</p><p>　　本次設計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圓形厚板，它的受力關系比較復雜。厚度計算應根據(jù)我國“鋼制壓力容器設計規(guī)定”進行，一般采用20到30個毫米的。</p><p>　　管板與管子的連接可脹接，焊接和脹焊并用。焊接法應用廣泛，這次用到的換熱器內流體溫度不高，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。壓力較低時可采用平蓋，壓力較高時則采用凸形蓋，用法蘭與管板連接。檢修時可拆下管箱對管子進行清洗或更換。</p><p>　　1.3.3.2 殼程結構 </p><p>　　殼程內的結構，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；由介質的腐蝕情況決定它的材質。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，大多考慮使用復合金屬板。</p><p>　　2、列管式換熱器

32、折流板的作用是；增強流體在管間流動的湍流程度；增大傳熱系數(shù)；提高傳熱效率。同時它還起支撐管束的作用。這次設計中的原料預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 流體流動空間的選擇</p><p>　　在列管式換熱器的設計計算過程中，需要預先確定哪一種流體走管程，那種流體走殼程，成為流體流動空間的選擇。影響選擇結果的因素很多，主要從以下三方面考慮：

33、</p><p><b>　　1、傳熱效果</b></p><p>　?。?）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)，強化傳熱。</p><p>　?。?）待冷卻的流體宜走殼程，便于傳熱。</p><p><b>　　2、設備結構</b></

34、p><p>　　高壓的流體、腐蝕性的流體宜在管內流過。</p><p><b>　　3 、清洗方便</b></p><p>　　不潔凈的或易結垢的流體宜走管程，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，設備費用降低。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多，操作費用增加。因此，應選擇適當流速。</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>　　在換熱器的設計中，被處理物料的進出口溫度由工藝要求確定；加熱劑或冷卻劑的進口溫度，一般由來源而定，但它的出口溫度則應由社記者根據(jù)經(jīng)濟核算來確定，例如：用冷卻水作某物料冷卻劑時，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、卻水出口溫度應根據(jù)操作費與設備費之和最少來確定。一般來說，設計時所采取的冷卻水進出口溫度差應不低于5℃，對于缺水地區(qū)，應選用較大的溫度差。當采用河水做冷卻水時，出口溫度一般不超過50℃，以防止管壁過多結垢。</p><p>　　1.3.7 管程和殼程數(shù)的確定</p><p>　　當換熱器的換熱面積較大而管子又不能很長時，就得排列較多的管子，為了提高流體在管內的流速，需將管束分程。但是程數(shù)

38、過多，導致管程流動阻力加大，動力能耗增大，同時多程會使平均溫差下降，設計時應權衡考慮。管殼式換熱器系列標準中管程數(shù)有 1、2、4、6 四種。采用多程時，通常應使每程的管子數(shù)相等。</p><p>　　管程數(shù)N按下式計算：</p><p><b>　　N=u/v</b></p><p>　　式中 u——管程內流體的適宜流速；</p>

39、;<p>　　V——管程內流體的實際流速。</p><p>　　第2章 列管換熱器的設計計算</p><p>　　2.1 設計計算步驟</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)物料衡算</p><p>　　根據(jù)產(chǎn)量要求，計算換熱系統(tǒng)的原料量、產(chǎn)品量，再進一步確定所需計算的換熱器，逐步進行換熱器的選用。</p>&

40、lt;p>　　2.1.2 選用換熱器</p><p>　　1、熱負荷的計算，冷卻介質用量的計算或加熱介質用量的計算；</p><p>　　2、平均溫度差的計算，當兩側流體均為變溫傳熱時，應進行溫度差的校正；</p><p>　　3、流動空間的選擇；</p><p>　　4、初估總傳熱系數(shù)，計算換熱面積，初選換熱器。</p>

41、<p>　　2.1.3 核算總傳熱系數(shù)</p><p>　　計算管程、殼程對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，在計算總傳熱系數(shù)K計。比較K計和K選，若K計/K選=1.1-1.25,則初選的設備合格。否則需另設K選值，重復以上計算步驟。</p><p>　　2.1.4 計算管、殼程壓強降</p><p>　　計算出設備的管、殼程流體的壓強降，如超過工藝允許

42、的范圍，要調整流速，再確定管程數(shù)，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計算壓強降直至滿足要求為止。</p><p>　　2.1.5 接管尺寸計算</p><p>　　為所選用的換熱器選擇接管。接管尺寸由管內流體的體積流量和流速決定。流體的體積流量與爐體的狀態(tài)密切相關。</p><p>　　2.2 傳熱計算的主要公式</p><p>　　2

43、.2.1 傳熱速率方程式及相關計算公式</p><p>　　Q=KSΔtm </p><p>　　式中 Q——傳熱速率(即熱負荷)，W；</p><p>　　K——總傳熱系數(shù)，W／(m2．℃)；</p><p>　　S——與K值對應的換熱器傳熱面積，m2；</p><p>　　Δtm——平均溫

44、度差，℃。</p><p>　　1. 熱負荷(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h和c分別表示熱流體和冷流體，下標1和2分別表示換熱器的進口和出口。</p><p>　　2 .平均溫度差Δtm</p><p>　　一側恒溫 ,逆流與并流的平均溫差相等</p><p>　　兩側變溫，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，應根據(jù)所要設計的換熱器的具體操作物流選取K的經(jīng)驗數(shù)值，選定的K的經(jīng)驗值為K選。</p><p>　　確定了選用的換熱器后，需要對換熱器的總傳熱系數(shù)K進行核算，總傳熱系數(shù)K的計算按下列公式：</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——分別為管外及管內的對流傳熱系數(shù)，w／(m2·℃)；</p><p>　　Rso、Rsi—一分別為管外側及管內側表面上的污垢熱阻，(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一列管管壁的導熱系數(shù)，w／(m·℃)。</p><p><b>　　4.對流傳熱系數(shù)</b></p><p>　　(1)對于低粘度流體(μ小于或等于2倍常溫水的粘度)</p><p>　　當流體被加熱時，n＝0.4</p><p&g

50、t;　　當流體被冷卻時，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——分別為流體的導熱系數(shù)和比熱容,w/(m·℃)、J/kg?℃;</p><p>　　u——管內流速．m／s；<

51、/p><p>　　d——列管內徑，m。</p><p>　　應用范圍：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α乘以（1+ （d/L）0.7）</p><p><b>　　特征尺寸：管內徑d</b></p><p>　　定性溫度：取流體進、出口溫度的算術平均值。<

52、/p><p>　　(2)蒸汽在水平管束上冷凝時的冷凝傳熱系數(shù) </p><p>　　若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式計算冷凝傳熱系數(shù)：</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　— 冷凝液的導熱系數(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．換熱器實際傳熱面

54、積</p><p>　　根據(jù)選定換熱器的管徑、管長和管數(shù)可計算所選換熱器的實際傳熱面積Sp。</p><p>　　實際傳熱面積應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>　　結垢校正系數(shù)，無因次，對液體，取1.15；對氣體，取1.0；</p><p>　　F——管子排列方式對壓力降的校正系數(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——殼體直徑，m；</p><p><b>　　折流擋板數(shù)目；</b></p><p>　　按殼程流通面積So計算的流速，m/s。</p><p>　　第3章 設計的工藝計算</p

59、><p>　　3.1 全塔的物料衡算</p><p>　　根據(jù)設計要求可知：塔頂產(chǎn)品乙醇的質量D=2.7萬噸，乙醇的質量分數(shù)XD=0.92,精餾原料粗乙醇的質量分數(shù)XF=0.5,塔底殘液乙醇的質量分數(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 原料預熱器的設計</p><p>　　3.2.1 確定設計方案<

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．流動空間和管材的選用</p><p>　　設計任務的熱流體為水蒸汽，冷流體為原料液乙醇。由于蒸汽比較干凈不易結垢，所以蒸汽走殼程以便于及時排除冷凝液，原料液中可能含有雜質、易結垢，而粘度大、流量較

62、小的原料液中的水為易結垢液體，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)生的熱應力。因此，為使原料液出口溫度達到泡點，令蒸汽走殼程，原料液走管程。</p><p>　　因碳鋼管價格低強度好，預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 預熱器內原料物性參數(shù)</p><p>　　3.2.3

64、換熱器的衡算</p><p>　　3.3 塔底冷卻器的設計</p><p>　　3.3.1 確定設計方案</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%的釜底液冷卻儲存，熱流體的進口溫度是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，在進入原料預熱器時可節(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。換熱器內的流體沒有腐蝕性，所以選用碳鋼管，可降低設備費。</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 離心泵的選型與計算</p><p>　　設計任務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個截止閥、1個調節(jié)閥、5個標準彎頭）、預熱器管程，再到精餾塔進料口。</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預熱器內原料物性參數(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計輸送高度（儲罐液面與精餾塔進料口高度差）為Z1=20m，根據(jù)預熱器接管的計算，已知輸送管道為令儲罐液面保持恒定，并且設計儲罐液面上方維持常壓并以此為基準面，設液面

70、絕對壓力為101.3kPa，設計精餾塔進料口處的塔內絕對壓力為121.0kPa.</p><p><b>　?。?）泵的選擇</b></p><p>　　選取儲液槽上方液面為1-1’,進料口為2-2’，列伯努利方程：</p><p><b>　　因為蒸汽正殼程故：</b></p><p>　　⑷阻力

71、壓頭損失的計算</p><p>　　直管阻力壓頭損失的計算</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個截止閥、1個調節(jié)閥、5個標準彎頭：</p><p>　　截止閥： 調節(jié)閥（全開）：</p><p>　　標準彎頭： 出口阻力系數(shù)： </p><p>　　進口阻力系數(shù)： 共有進口4個，出口3個</p><p><b&g

73、t;　　所以局部阻力壓降為</b></p><p>　　（5）塔底冷卻器壓強降的計算</p><p>　　表6塔底冷卻器原料物性參數(shù)</p><p>　　由冷凝器的計算得壓降：</p><p><b>　　又預熱的管程壓降：</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>　　又因為輸送的液體為有機溶劑，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，而從上面有關數(shù)據(jù)科看出，泵所提供的流量Q和揚程H均稍大于管路系統(tǒng)要求值，實際生產(chǎn)操作中流量可通過泵出口閥開度來調節(jié)。</p><p>　　3.5 塔頂冷凝器的設計</p><p>　　3.5.1 確定設計方案</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℃），選擇帶補償圈的固定管板式換熱器。</p><p>　　2、流動空間和管材的選用。</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排除冷凝液。粘度大，流量較小的冷卻水易結垢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)。所以，蒸汽走殼程，冷卻水走管程。因碳鋼管價格低強度好，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 塔頂全凝器的設計</p><p>　　3.6.1 確定設計方案</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，熱流體的進口溫度都是78.3℃，熱流體的出口溫度是78.3℃。冷卻水的進口溫度是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。換熱器內的流體沒有腐蝕性所以選用碳鋼管，可降低設備費。</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 塔頂預熱器</p><p>　　塔頂預熱器主要結構尺寸和計算結果</p><p>　　4-2 塔頂冷凝器</p><p>　　塔頂冷凝器主要結構尺寸和計算結果</p><p>　　4-3 塔頂冷卻器</p>

84、<p>　　冷卻器主要結構尺寸和計算結果</p><p><b>　　第5章 謝辭</b></p><p>　　在此次食品工程原理課程設計中，我能順利地完成列管式換熱器的設計任務，首先要感謝帶我們課程設計的指導老師，他給我傳授的不僅僅是知識，更重要的是一種設計理念，同時也是一種學習方法，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，我們相互分

85、享知識，相互交流，是我的知識應用面拓展了多。</p><p><b>　　第6章 心得體會</b></p><p>　　本次課程設計是理論聯(lián)系實際的橋梁，是我們學習食品工程設計基礎的初步嘗試。通過課程設計，使我們能綜合運用本課程和前修課程的基本知識，進行融會貫通的獨立思考，在規(guī)定的時間內完成了指定的化工設計任務，從而得到了食品程序設計的初步訓練。通過課程設計，使我們

86、更加深刻的了解了工程設計的基本內容，培養(yǎng)了我們的獨立思考和設計的能力，建立了自己獨特的思維和獨特的設計思想等等。通過這次設計讓我們學習提前學習了一些關于課程設計的一些理念，為我們畢業(yè)以后能更好的融入工作當中奠定了一個基礎，使我們收獲很多，通過這次的課程設計拓寬了我們的視眼，掌握了許多新的方法和內容。</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</b></p><p>　　[1] 中國石化集團上海工程有限公司 組織編寫·換熱器?化學工業(yè)出版社·2008.12</p><p>　　[2] 柴誠敬、張國亮?化工流體與流動

88、傳熱?北京：化學工業(yè)出版社?2007.7</p><p>　　[3] 賈紹義、柴誠敬?化工傳質與分離過程?北京：化學工業(yè)出版社?2001.1</p><p>　　[4] 朱孝欽?過程裝備基礎?北京：化學工業(yè)出版社?2006.7</p><p>　　[5] 魏崇關、鄭曉梅?化工工程制圖?北京輕工業(yè)出版社·1995</p><p>　　

89、[6] 內蒙古工業(yè)大學化工原理教研組·化工原理課程設計指導書（換熱器分冊）·2009.6</p><p>　　[7] 王國勝?化工原理課程設計?大連理工大學出版社?2005.2</p><p>　　[8]馬江權、冷一欣?化工原理課程設計?北京：中國石化出版社?2009.1</p><p>　　[9]楊同舟?食品工程原理?中國農(nóng)業(yè)出版社·