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1、平顶山学院2012届毕业生论文 十万吨/每年乙醇换热器生产设计 朱战杰 目 录1绪 论11.1换热器简介11.2换热器分类11.3设计的背景和目的12工艺设计及计算22.1设计的主要参数22.2物性参数22.3换热器型式的选择32.4估计传热面积，初选换热器型号32.4.1温度的有关计算32.4.2乙醇、正丙纯混合物物性参数计算42.4.3估计传热面积42.5换热器的核算82.5.1核算压降82.5.2核算总传热系数103换热器设计结果124结 论14参考文献14致 谢162平顶山学院2012届毕业生论文 十万吨/每年乙醇换热器生产设计 朱战杰1 绪 论换热器是化工生产中的重要环节，因此它的研
2、究和发展得到各国的重视，至今技术已经比较成熟。1.1 换热器简介将热流体的部分热量传递给冷流体的设备称为换热器，又称做热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产过程中热量交换和传递不可缺少的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器常用作加热器、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。1.2 换热器分类混合式换热器：利用冷热流体直接接触而进行传热的交换器。这种传热方式避免了传热间壁及两侧的污垢热阻，只要流体间的接触良好就有较大的传热速率。蓄热式换热器：用于进行蓄热式换
3、热的设备。内装固体填充物，用以贮蓄热量。蓄热式换热器换热分两个阶段，一、热量传递给蓄热装置蓄热；二、冷流体通过蓄热设备带走热量。这两个过程交替进行达到换热目的。间壁式换热器：两种不同温度的流体在固定的传热面相隔的空间里流动，通过传热面的导热和传热面表面的对流对流换热进行热量传递，有称表面换热器。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等2。 1.3 设计的背景和目的换热器是化工、石油、制药、及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计，现代化学工业中所用换热器的投资大约占总设备投
4、资的30%，在炼油厂中换热器占全部工业设备的40%左右，海水淡化工业装置则几乎全部是有换热器组成的，上个世纪70年代初发生的世界性能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了技能降耗，提高工业生产的经济效益，要求开发使用不同工业过程要求的高效能换热设备。因此几十年来，换热器的开发与研究始终是人们关注的课题，国内外先后推出了一系列新型高效的换热器3。2 工艺设计及计算2.1 设计的主要参数表1 设计参数项目参数装置设计年产量100000吨。设备运行时间330天/年进料组成乙醇98.8%正丙醇1.2%进料温度70出料温度30冷却水入口温度25冷却水出口温度282.2 物性参数设计涉及到的各主要物
5、质物性如表2、表3：表2 物质的物理性质物质沸点（760mmHg）（）熔点（）折光率乙醇78.4-114.31.3614正丙醇83.0-103.51.4465表3 换热器的基本设计条件物料流量q(kg/h)进口温度t（）出口温度t（）乙醇、正丙醇混合物12626.37030冷却水49477.725282.3 换热器型式的选择在乙醇精馏过程中塔顶一般采用的换热器为列管式换热器，故初步选定在此次设计中的换热器为列管式换热器。列管式换热器的型式主要依据换热器管程与壳程流体的文图差来确定。在乙醇精馏的过程中乙醇是在常压饱和温度下冷凝，进口温度为70，出口温度为30。冷却介质为水，入口 温度为25，出口
6、温度为28，两流体的温度差不是很大，再根据各类型换热器的叙述，综合以上可以选用固定管板式换热器。2.4 估计传热面积，初选换热器型号2.4.1 温度的有关计算(1) 两流体温度变化情况：热流体进口温度70,出口温度30，冷流体进口温度25，出口温度28，该换热器用循环冷却水冷却，估计该换热器的管壁温和壳体温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。由于与乙醇、正丙纯相比，水易结垢，且对流传热系数一般较大，所以冷水走换热器的管程；被冷却的流体易走壳程，这样可以利用壳程的对外散热作用，增强冷却效果，因此选定乙醇、正丙纯混合物走壳程4。(2) 定性温度：乙醇、正丙纯的定性温度：冷却水的定
7、性温度：=26.5根据定性温度，分别查取管程和壳程流体的物性参数如下表4所示：表4 管程和壳程流体的物性参数4组分黏度 ()热导率(W/m）密度( )比定压热容 乙醇0.70750.1174776.81.223正丙纯1.13450.1533780.41.558冷却水0.86410.6106996.064.1742.4.2 乙醇、正丙纯混合物物性参数计算(1) 乙醇、正丙纯混合物密度计算776.84 (2) 乙醇、正丙纯混合物比热容计算(3) 乙醇、正丙纯混合物导热系数计算0.1178 W/m(4) 乙醇、正丙纯混合物黏度计算0.8918乙醇、正丙纯混合物黏度：表5己醇、正丙纯和冷却水的主要物理
8、参数组分黏度()热导率(W/m)密度()比定压热容乙醇、正丙纯混合物3.20.118776.80.1227冷却水0.7690.622994.84.1742.4.3 估计传热面积(1) 热负荷计算 乙醇、正丙纯混合物质量流量 热流量 冷却水耗量若忽略换热器的热损失，水的流量可由热量衡算求得，即(2) 确定流体的流径该设计任务的热流体为乙醇、正丙纯混合物，冷流体为水，为使乙醇、正丙纯通过壁面向空气中散热，这样利用壳程的对外散热作用，增强冷却效果，因此先选定乙醇、正丙纯混合物走壳程，水走管程5。(3) 计算平均温度差暂按单壳程，双壳程考虑，先按逆流时计算对数平均温度差，乙醇、正丙纯混合物 7030
9、oC冷却水 28 25 oCt 42oC5oC17.4由于加折流挡板或多管程等因素，冷热两流体并非纯对流，以上温度需校正，其校正因数Ft按以下步骤求得,计算 R 和 P。R=(T1-T2)/(t2-t1)=(70-30)/(28-25)=13.3P=(t2-t1)/(T1-t2)=(28-25)/(70-30)=0.075由 R-P，查图可得对数平均温度差校正系数值，因选用单壳程可行。由于，故可以选用固定管板式换热器。(4) 选K值，估计传热面积根据冷热流体在换热器中有无相变化及其物性等。参照有关数据选取K=300 W/（m2oC）(5) 排管和管壳设计： 管程热流体体积流量： 管径和管内流速
10、目前我国管壳式换热器系列标准中，所所采用的无缝钢管规格多为和两种。在此选用高级冷拔传热管（碳钢）1，考虑到主要热阻在管间油侧，故管内冷却水取较低的流速，u1=0.45m/s。管内流速u=0.5m/s,则单程管所需管子根数n 按单管程计算,所需换热管长度为 按单管程计算,传热管过长,宜采用多管程结构。工程上常用的有：1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m，现取管束长度为：l=6m。换热管程数为：故应选取管程数为1则传热管总根数为 (6) 热管排列和分程方法换热管在管板上可按正三角形、正方形直列和正方形错列排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度大，传热系数大；正方形列管外清洁方便。本管换
11、热器管子采用正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列1。取管中心距t=1.25do，即得：管子为正三角形排列F=0.5根据公式得横过管束中心线的管数(7) 壳体内径按照多管程的结构进行设计，壳体内径按下式计算：其中是管板利用率，对于三角形排列四管程为0.6-0.8.圆整可以选取壳体内径为。(8) 折流挡板常用的折流挡板有弓形和圆盘-圆环形两种，在本次设计过程中，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折流挡板的间距在允许的压力降范围内希望尽可能小,在系列标准中有如下几种6：150、300、450和600mm,本换热器使用150折流板数实取折流板数根据计算可知，折流
12、板圆缺面水平装配.(9) 初选结果根据上述计算数据，通过查JB/T4715-92固定管板式换热器与基本参照的对照，初选出适合的换热器类型，结果如下表6所示8。表6 初选换热器型号及参数外壳直径/mm400管子尺寸工称压力/ 0.6管长/m6公称面积8.72管子总数98管中心距/mm32管子排列方式正三角形管程数1管程流通面积/m0.03242.5 换热器的核算2.5.1 核算压降(1) 管程压降管程压降计算的通式为： （2-1）其中:为圆直管摩擦阻力引起的压降，为回弯阻力引起的压降，为管程结垢校正系数，对的管子，为串联的壳程数,，为管程数管程流通截面积管程流速对于碳钢管，取管壁粗糙度为则相对粗
13、糙度：由相对粗糙度-Re关系图中查得7(2) 壳程压降 （2-2）其中 其中：F-管子排列方式对压降的校正系数，管子为正三角形排列取 壳程流体的摩擦系数，时，取横过管束中心线的管子数折流挡板数取折流挡板间距壳程流通截面积壳程流速所以计算结果表明，管程和壳程的压力降均能满足设计条件,故所选换热器合适。2.5.2 核算总传热系数(1) 管程对流传热系数该型号换热器总管数为88，由于是单管程，所以管程流通截面积为 这样，冷却水的实际流速为雷诺数：普朗特准数：,则,液体被加热n取0.4.故对流传热系数为：(2) 壳程对流传热系数（Kern法）对圆缺形折流挡板，可采用克恩公式，壁面温度下流体的粘度校正 （2-3）管子为正三角形排列，则得当量直径壳程流通截面积式中折流挡板间距，取管中心距，对于的管中心距为.壳程流体流速及其雷诺数分别为： 普兰特准数因为壳程中乙醇被冷却，取(3) 确定污垢热阻查相关数据可知管内、外侧污垢热阻分别取为(4) 核算换热面积管壁热阻不可忽略，管壁的导热系数为该型号换热器的实际传热面积因为单管程
