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1、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1目目 录录设计任务书设计任务书.3前言前言.4一工艺说明及流程示意图一工艺说明及流程示意图51.1. 工艺流程工艺流程51.11.1 酒精的工艺流程酒精的工艺流程.51.21.2 冷却流程图冷却流程图51.2.1 白酒加工工艺流程.51.2.2 冷却流程52.2. 工艺说明工艺说明62.12.1 流体流入空间的选择流体流入空间的选择62.22.2 出口温度的确定出口温度的确定( (含算法程序含算法程序) )62.32.3 流速的选择流速的
2、选择72.42.4 计算平均温差计算平均温差8二流程及方案的论证与确定二流程及方案的论证与确定.81.1. 设计方案的论证设计方案的论证82.2. 确定设计方案及流程确定设计方案及流程82.12.1 选择物料选择物料82.22.2 确定两流体的进出口温度确定两流体的进出口温度92.32.3 确定流程确定流程92.42.4 换热器类型的选择换热器类型的选择9三设计计算及说明三设计计算及说明91.1. 流体物性的确定流体物性的确定91.11.1 水的物性水的物性91.21.2 无水乙醇的物性无水乙醇的物性.92.2. 初步确定换热器的类型和尺寸初步确定换热器的类型和尺寸92.12.1 计算两流体的
3、平均温度差计算两流体的平均温度差.92.22.2 计算热负荷和冷却水流量计算热负荷和冷却水流量.102.32.3 传热面积传热面积102.42.4 选择管子尺寸选择管子尺寸112.52.5 计算管子数和管长计算管子数和管长, ,对管子进行排列对管子进行排列, ,确定壳体直径确定壳体直径112.62.6 根据管长和壳体直径的比值根据管长和壳体直径的比值, ,确定管程数确定管程数1223.3. 核算压强降核算压强降123.13.1 管程压强降管程压强降123.23.2 壳程压强降壳程压强降124.4. 核算总传热面积核算总传热面积144.14.1 管程对流传热系数管程对流传热系数 00.144.2
4、4.2 壳程对流传热系数壳程对流传热系数 ii.144.34.3 污垢热阻污垢热阻154.44.4 总传热系数总传热系数 KK.154.54.5 传热面积安全系数传热面积安全系数154.64.6 壁温的计算壁温的计算154.4. 7 7 偏转角的计算偏转角的计算 15四设计结果概要表四设计结果概要表16五对设计的评价及问题的讨论五对设计的评价及问题的讨论.171.1.对设计的评价对设计的评价.172.2.问题的讨论问题的讨论. .17六参考文献六参考文献18七致谢七致谢八附录：固定管板式换热器的结构图、花板布置图八附录：固定管板式换热器的结构图、花板布置图3设计任务书设计任务书一、一、设计题目
5、：设计题目：列管式换热器设计。二、二、设计任务：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：、设计条件：1 处理能力 G = 学生学号最后 2 位数300 t物料/d； 2 冷却器用河水为冷却介质，考虑广州地区可取进口水温度为2030；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 515%；5每年按 330 天计，每天 24 小时连续运行。四、设计要求：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； 3.确定列管式冷却器的主要结构尺寸；4.计算阻力；5.选择适宜的列管换热器并进行核算；6
6、.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：封面；目录；设计题目（任务书） ；流程示意图；流程及方案的说明和论证；设计计算及说明（包括校核） ；主体设备结构图；设计结果概要表；对设计的评价及问题讨论；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,1996,7090陈之瑞,张志耘. 桦木科植物叶表皮的研究. 植物分类学报, 1991,29(
7、2):1271354前言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
8、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
9、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
10、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】5一一. . 工艺说明及流程示意图工艺说明及流程示意图1.1.工艺流程图工艺流程图 1.11.1 酒精的工艺流程酒精的工艺流程 酒精制造的传统工艺 【3】 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
11、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:淀粉调浆蒸煮糖化酶糖化发酵酒精1.21.2 冷却流程图冷却流程图 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）蒸馏塔（蒸馏）精馏塔（精馏）95%乙醇淡化 过滤白酒 1.2.2 冷却流程6图 1 乙醇冷却示意图2.2.工艺说明工艺说明 2.12.1 流体流入空间的选择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
12、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内便于清洗，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。 2.22.2 进出口温度的确定及成本计算进出口温度的确定及成本计算 酒精将由 85冷却到 45 ，取冷却河水入口温度为 25。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内的总费用,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
13、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：)(3600)()(ln1221122112ttcQHCtTtTtTtTKQKCCpcyUFATQ=G(T T )piC12式中 G换热器热介质处理量,213001000/24/21.313105 kg/h;热流体介质比热容, 2.784kJ/(kg);piC7T ，T 热流体的进出口温度,。122/4200mCA元投资费用，换热器单位传热面积的Q-换热器的热负荷，1.46107kJ/h=4.01106WhHKKkgCyFFu7920330241 . 010/4 . 0年工作小时年，则使用年限为换热器的年折旧率，设元单位质量冷却
14、水费用，根据流体物性确定总传热系数经验值 290698 w/(m2),并结合本工艺实际可取K=450w/(m2)。把代入，结合工艺实际计算可得：CtCTCT25,45,85121优化后的河水的出口温度为 35所以，无水乙醇的进出口温度分别为 850C、45；河水的进出口温度分别是250C、35。源程序如下: #include main() int Q,t2,tm,km;long double a,b,c,d,e,f,g,h,total=1000000000000000;for (t2=25; t20.8,所以可选用单壳程此时tm=ttm=0.9032.74=29.46t 1，t 2分别是换热器
15、两端冷热流体的温差2.22.2 计算热负荷和冷却水流量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。因此无水乙醇的流量dt /630030021为：hkgdtMi/510625. 2/30021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：2.625105/2=1.313105Kg/h 热负荷：hkJtcMQiipii/104622. 1)4585(784. 21313007 ,Qi热负荷，/kJ h； Mi热流体的流量，kg/h； ti热流体的温度差， c,i热流体的比热，kJ/kg。河水的流量为：1197.22kg/s25)-(354.17400tcQiWpc3.50105 5 kg/h1.4622107to冷流体的温度差， cp,o冷流体热容，kJ/kg2.32.3 传热面积传热面积根据流体物性确定总传热系数经验值 290698 w/(m2),并结合本工艺实际可取 K=450w/(m2)。.360046.29450. tKQSmi1.46221010102.42.4 选择管子尺寸选择管子尺寸考虑到
