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1、内蒙古工业大学课程设计说明书 化工原理课程设计说明书（题 目：列管换热器设计 年产3.8万吨酒精精馏系统换热器学生姓名：学 院：系 别：应用化工系专 业：应用化工技术班 级：应用化工班指导教师： 设计日期：二 一 一 年 十 月 内蒙古工业大学课程设计任务书学院（系）： 课程名称： 化工原理 指导教师（签名）： 专业班级： 学生姓名： 学号： 1 一、课程设计题目：列管换热器设计年产3.8万吨酒精精馏系统换热器二、课程设计的目的课程设计是“化工原理”课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，在整个教学计划中它也起着培养学生独立工作
2、能力的重要作用，通过课程设计就以下几个方面要求学生加强锻炼：1. 查阅资料选用公式和搜集数据的能力；2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想指导下去分析和解决实际问题的能力；3. 迅速准确地进行工程计算（包括电算）的能力；4. 用简洁的文字清晰的图表来表达自己设计思想的能力。 三、课程设计的主要内容和要求设计任务及内容：1 确定换热系统的流程方案，绘制流程图；2 为所制定的流程方案配置换热器并选型；3 确定塔顶冷却器和原料预热器的结构尺寸：设计计算换热器的热负荷、传热面积、换热器接管、壳体、管板、封头、隔板及
3、接管等；4 核算总传热系数和流动阻力；5 绘制塔顶产品冷却器的装配图；6 编写课程设计说明书。设计原始数据1 工艺物流(1) 精馏原料: 粗酒精含乙醇50%,水50%(质量分率),由20预热至泡点81.9；(2) 塔顶产品: 含乙醇不低于92 %, 78.3蒸汽冷凝为饱和液体回流，产品冷却为35液体储存；(3) 塔底残液: 含乙醇不高于0.5%, 99.3冷却为35液体。2 其他参数精馏过程回流比R=2呼和浩特地区水温15四、工作进度安排 7月11日：设计动员，下达设计任务，讲解设计方案的确定，设计过程的步骤及注意事项，查阅收集相关图书资料，1 天7月12日-7月19日：确定方案并进行设计计算
4、：9天7月20日-7月22日：绘图：2天7月23日-7月25日：整理设计数据，编写设计说明书：2天五、主要参考文献1. 天津大学化工原理教研室.化工原理课程设计.天津科学技术出版社.19942.化学工程手册编委会.化学工程手册(第1，12，13篇).化学工业出版社,19793.上海化学工业设计院石油化工设备设计建设组.化工设备图册.19744.上海化学学院等.化学工程(下册).化学工业出版社,19815.百度百科6.化工原理审核批准意见系（教研室）主任（签字） 前 言化工原理课程设计是针对学习化工原理课程的学生开设的具有强化性的实训课程。课程设计主要是提高学生的动手能力，设计能力以及对化工原理
5、课程内容的掌握。在此次化工原理课程设计中，设计任务多种多样，列管换热器的设计便是其中之一。换热器是工业常用设备之一，在工业生产中扮演着重要的角色。换热器主要作用是对工业原料及产物的热性质进行改变。根据用途主要又分为加热器与冷凝器。常用换热器主要有固定板式换热器、浮头式换热器、U型换热器等。我在课设中主要选用固定板式换热器，对其进行了物料衡算、换热管的选择、换热器的选型等一系列工业设计。熟悉掌握换热器的化工工艺用途、设计方法、设计注意事项。在设计过程程中查阅相关资料获得所需物料的物化特性，向老师提问有关问题，对我们的设计是至关重要的 目 录摘 要6字符说明.7第一章 换热系统的流程方案的确定8
6、1.1换热系统的流程方案的设计.8 1.2换热设计方案的确定.8 1.3固定管板式换热器的设计计算.12第二章 设计工艺计算.17 2.1全塔物料衡算.17 2.2原料预热器的设计和计算.24 2.3塔顶冷凝器的设计和计算.30 2.4塔顶冷却器的设计和计算.30主参看文献.37附 录.38致 辞.40 摘 要在石油、化工、食品加工、轻工、制药等行业的生产过程中，换热器是通用工艺设备，可用作加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，换热器类型，性能各异，但设计所依据的传热基本原理相同，不同之处是在结构设计上需要根据各自设备特点采用不同的计算方法。换热器伴随工业生产的始终，其效果的好坏直接影响化
7、工生产的质量和生产效益，所以换热器是非常重要的化工生产设备,在化工领域中，它扮演着主力军的身份，它是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备，在化工设备中占大约50%以上的比重。为了完成年产3.8万吨酒精的生产任务并节约能源，减少对环境的污染，本次换热器设计的思路为用塔底釜残液的热量来先加热原料液，是原料液加热到一定温度，然后再用高温蒸汽来加热原料液。塔顶酒精蒸汽经过全凝器，用冷却水是酒精蒸汽冷却至液体，再经过冷却器是产品冷却至35度。关键词：换热器、冷却器、全凝器、预热器。符号说明Q传热速率(即热负荷)，W；K总传热系数，W(m2)；S与K值对应的换热器传热面积，m2； tm平均温度差
8、，。W 流体的质量流量，kgh；Cp流体的平均定压比热容，J(kg)；T 热流体的温度，；t 冷流体的温度，；r 饱和蒸气的冷凝潜热，kJkg。K。基于换热器外表面积的总传热系数，w(m2)； 基于管内及管外的对流传热系数，w(m2)；Rso、Rsi一分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，(m2)w;do、di 、dm分别为换热器列管的外径、内径及平均直径,m；b列管管壁厚度, m；k一列管管壁的导热系数，w(m)t蒸汽的饱和温度与壁温之差，nc水平管束在垂直列上的管数；直管中因摩擦阻力引起的压力降Pa；回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa；结垢校正系数，无因次，252.5mm的换热管取1.4
9、；192mm的换热管取1.5；串联的壳程数；管程数。 阻力系数，列管换热器管内=3折流挡板数目；按壳程流通面积So计算的流速，m/s。第一章 换热系统的流程方案的确定1.1换热系统的流程方案的设计 进行换热器的设计，首先应根据工艺要求确定换热系统的流程方案并选用适当类型的换热器，确定所选换热器中流体的流动空间及流速等参数，同时计算完成给定生产任务所在地需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。流程方案的初步设计中，考虑使用塔底残液的废热来预热原料液，达到废热再利用的效果，实现节能减排。本次换热系统为精馏系统的换热设备，包括原料预热器，塔顶全凝器，塔顶产品冷却器，塔底再沸器，塔底残液冷却器。对原料预
10、热器和塔顶产品冷凝器进行精算，塔顶冷却器和塔底残叶冷却器只作初算，而塔底再沸器不作要求。1.2 换热器设计方案的确定1.2.1换热器类型的选择对于所选择的换热器，应尽量满足以下要求：具有较高的传热效率、较低的压力降；重量轻且能承受操作压力；有可靠的使用寿命；产品质量高，操作安全可靠；所使用的材料与过程流体相容；设计计算方便，制造简单，安装容易，易于维护与维修。 在实际选型中，这些选择原则往往是相互矛盾、相互制约的。在具体选型时，我们需要抓住实际工况下最重要的影响因素或者说是所需换热器要满足的最主要目的，解决主要矛盾。本文中两流体温差介于50和70之间的选择带补偿圈的固定管板式换热器，小于50的
11、选择固定管板式换热器。根据制定的流程方案，可选择带补偿圈的和不带补偿圈的固定管板式换热器，此类换热器的结构简单，价格低廉，宜处理两流体温差50到70且壳方流体较清洁及不宜结垢的物料，流体压强不高于600Kpa的情况。1.2.2固定管板式换热器结构的确定固定管板式换热器由管板、壳体、封头等组成。固定管板式换热器最容易出现的故障就是管子和管板连接部分泄漏。所以必须注意固定管板式换热器的连接方法和质量。固定管板式换热器主要分为管程和壳程两大部分。1.2.2.1管程结构 换热器管程由换热管、管板、封头或管箱组成。1、换热管布置和排列间距管束的多少和长短由传热面积的大小和换热器结构来决定，它的材质选择主
12、要考虑传热效果、耐腐蚀性能、可焊性等。常用管径和壁厚有192，252.5等；管长有1500mm、2000mm和3000mm；材料有普碳钢或不锈钢等。在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用19mm2mm直径的管子更为合理。这次用到的换热器的压力不大，换热器中流体没有腐蚀性，所以选择252.5 mm碳钢管。本次设计采用252.5 mm碳钢管。换热管管板上的排列方式有正方形直列、正三角形排列、同心圆排列，正三角形排列比较紧凑，管板利用率高，管外流体湍动程度高，对流传热系数大，但管外清洗较困难；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。本次设计选择正三角形的排列方式。2、管子与管板及其连接方式的选择管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。列管式换热器管板是用来固定管束连接壳体和端盖的一个圆形厚板，它的受力关系比较复杂。厚度计算应根据我国“钢制压力容器设计规定”进行，一般采用20到30个毫米的。管板与管子的连接可胀接，焊接和胀焊并用。焊接法应用广泛，这次用到的换热器内流体温度不高，压力不大，所以选择焊接的方式连接管子和管板。3、封头、管箱的确定列管式换热
