乙醇冷却器课程设计样本.docx

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乙醇冷却器课程设计样本

河西学院

HexiUniversity

化工原理课程设计

题目:

乙醇冷却器设计

学院:

化学化工

专业:

化工141

学号:

210021

姓名:

饶培豪

指导教师:

佟永纯

11月14日

化工原理课程设计任务书

1、设计题目:

乙醇冷却器的设计

2、设计任务及操作条件

1.设计任务

处理能力:

200×103t/年乙醇

操作周期:

7200小时/年

2.操作条件

操作压力:

不大于5×Pa

操作条件:

乙醇入口温度78℃,出口温度38℃

冷却介质:

循环水,入口温度25℃,出口温度39℃

3.设备型式:

固定板式换热器

4.建厂地址:

新疆

三、设计要求

1、选择适宜的列管式换热器并进行核算

2、要进行工艺计算

3、要进行主体设备的设计（主要设备尺寸、横算结果等）

4、编写设计任务书

5、进行设备结构图的绘制

致谢......................................................................................................................................13

乙醇冷却器设计

饶培豪

摘要:

本设计采用固定管板式换热器制作乙醇冷却器,经过计算得出传热面积为149.5平方米,面积裕度为19.3%,折流板数28,间距270,管程数5,总传热管数305,总传热系数519.48,经过热量核算,流体流动阻力,壳程阻力计算,各数据均符合标准。

关键词:

乙醇冷却水板式换热器流程图装配图

1.概述

1.1换热器概述

列管式换热器是当前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。

它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。

所需材质,可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。

在进行换热时,一种流体由封头的连结管处进入,在管流动,从封头另一端的出口管流出,这称之管程;另-种流体由壳体的接管进入,从壳体上的另一接管处流出,这称为壳程。

换热器（heatexchanger）,是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备,又称热交换器。

换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。

在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用更加广泛。

换热器种类很多,但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即:

间壁式、混合式和蓄热式。

在三类换热器中,间壁式换热器应用最多。

1.2换热器的种类及特点

管壳式换热器又称列管式换热器,是一种通用的标准换热设备,它具有结构简单,坚固耐用,造价低廉,用材广泛,清洗方便,适应性强等优点,应用最为广泛。

管壳式换热器根据结构特点分为以下几种:

（1）固定管板式换热器

固定管板式换热器它由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管等部件组成。

其结构特点是,两端的管板与壳体连在一起,管束两端固定在管板上,这类换热器结构简单,紧凑,价格低廉,每根换热管都能够进行更换,且管内清洗方便,但管外清洗困难,宜处理两流体温差小于50℃且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。

带有膨胀节的固定管板式换热器,其膨胀节的弹性变形可减小温差应力,这种补偿方法适用于两流体温差小于70℃且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。

（2）浮头式换热器

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,管束连同浮头能够自由伸缩,而与外壳的膨胀无关。

浮头式换热器的管束能够拉出,便于清洗和检修,适用于两流体温差较大的各种物料的换热,应用极为普遍,但结构复杂,造价高。

1.3换热器设计要求

完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求:

（1）合理地实现所规定的工艺条件:

能够从:

①增大传热系数②提高平均温差③妥善布置传热面等三个方面具体着手。

（2）安全可靠

换热器是压力容器,在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时,应遵循中国《钢制石油化工压力容器设计规定》和《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。

（3）有利于安装操作与维修直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。

设备与部件应便于运输与拆卸,在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍,根据需要可添置气、液排放口,检查孔与敷设保温层。

（4）经济合理

评价换热器的最终指标是:

在一定时间内（一般1年内的）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费）等的总和为最小。

1.4设计方案

1.4.1换热器类型的选择

在本次设计任务中,两流体温度变化情况:

热流体进口温度78℃,出口温度38℃;冷流体（循环水）进口温度25℃,出口温度39℃。

该换热器用循环冷却水冷却,冬季操作时进口温度会降低,考虑到这一因素,估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大,因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。

1.4.2流动空间及流速的确定

在固定管板式式换热器中,对于流体流径的选择一般能够考虑以下几点:

（1） 不洁净和易结垢的流体宜走管内,以便于清洗管子。

（2） 腐蚀性的流体宜走管内,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） 压强高的流体宜走管内,以免壳体受压。

（4） 饱和蒸气宜走管间,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。

由于循环冷却水较易结垢,为便于水垢清洗,应使循环水走管程,煤油走壳程。

选用ф25×2.5的碳钢管,管内流速取ui=1.1m/ｓ。

2、确定物性数据

定性温度:

可取流体进口温度的平均值。

壳程煤油的定性温度为t=（78+38）/2=58（℃）

管程流体的定性温度为t=（25+39）/2=32℃）

根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

煤油在58℃下的有关物性数据如下:

密度　　ρo=774.58kg/m3

定压比热容　Cpo=3.927kJ/（kg·℃）

导热系数　　λo=0.1785W/（m·℃）

粘度　　μo=0.6223Pa·s

循环冷却水在32℃下的物性数据:

密度　　ρi=995.37kg/m3

定压比热容　Cpi=4.178kJ/（kg·℃）

导热系数　　λi=0.6W/（m·℃）

粘度　　　　μi=0.0007679Pa·s

3、计算总传热系数

3.1热流量

m=00000kg/7200kg=27777.8kg/h

Qo=moCpoΔto=27777.8×3.927×（78-38）=4363333.3kJ/h=1212（kW）

3.2平均传热温差

△tm==23.7（℃）

3.3冷却水用量

Wi===74597.1（kg/h）

3.4总传热系数K

管程传热系数Re===28516.9

Pri===5.17

αi=0.023Re0.8Pri0.4

=0.023（28516.9）0.8（5.17）0.4=5042.2W/（m2·℃）

壳程传热系数:

假设壳程的传热系数αo=700W/（m2·℃）;

污垢热阻Rsi=0.000344m2·℃/W,Rso=0.000172m2·℃/W

管壁的导热系数λ=42.8W/（m·℃）

=

=426.8W/（m·℃）

4、计算传热面积

S’===119.8（m2）

考虑15％的面积裕度,S=1.15×S′=1.15×119.8=137.8（m2）

5、工艺结构尺寸

5.1管径和管内流速

选用ф25×2.5传热管（碳钢）,取管内流速ui=1.1m/s。

5.2管程数和传热管数

依据传热管内径和流速确定单程传热管数

ns===60.2≈61根

按单程管计算,所需的传热管长度为L===28.78m

按单管程设计,传热管过长,宜采用多管程结构。

现取传热管长L=4.5m,则该换热器管程数为NP===7（管程）

传热管总根数N==427（根）

5.3平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数

R==2.9

P==0.264

按单壳程,双管程结构,温差校正系数应查有关图表。

但R=2.9的点在图上难以读出,因而相应以1/R代替R,PR代替P,查同一图线,可得φΔt=0.88

平均传热温差Δtm=φΔtΔ′tm=0.8723.7=20.9（℃）

5.4传热管排列和分程方法

采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。

取管心距t=1.25do,则t=1.25×25=31.25≈32（mm）

横过管束中心线的管数NC=1.19=1.19=24.525（根）

5.5壳体内径

采用多管程结构,取管板利用率η＝0.7,则壳体内径为D=1.05t=1.05=829.8mm,圆整可取D＝900mm

5.6折流板

采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25％,则切去的圆缺高度为h＝0.25×900＝225（mm）。

取折流板间距B＝0.3D,则B＝0.3×900＝270（mm）

折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=6000/270-1=21（块）

折流板圆缺面水平装配。

5.7接管

壳程流体进出口接管:

取接管内油品流速为u＝1.1m/s,则接管内径为

d===0.107m

取标准管径为108mm。

管程流体进出口接管:

取接管内循环水流速u＝1.5m/s,则接管内径为

d===0.13m取标准管径为150mm.

6、换热器核算

6.1热量核算

①壳程对流传热系数对圆缺形折流板,可采用凯恩公式

αo=0.36Reo0.55Pr1/3（）0.14

当量直径,由正三角形排列得

m

壳程流通截面积So=BD（1-）=0.27=0.05316m

壳程流体流速及其雷诺数分别为uo==0.187m/s

Reo==4655

普兰特准数Pr==11.34

粘度校正

αo=0.364655=751.3W/（m2·℃）

②管程对流传热系数

管程流通截面积Si=0.785=0.0185（m2）

管程流体流速

Ui==1.125m/s

Rei==29165

普兰特准数Pr==4.83

αi=0.02329165=4995.9W/（m2·℃）

③传热系数K

=

=444.9W/（m·℃）

4传热面积

S===130（m2）

该换热器的实际积Sp==3.140.0254.5（427-25）=142（m2）

该换热器的实际面积H==（142-130）/130=9.2%

6.2重新核算

由以上算式可看出传热面积裕度过大,因此需要重新取数据计算。

考虑

15％的面积裕度,S=m2

按单程管计算,所需的传热管长度为L=