列管式換熱器-(化工原理課程設(shè)計).docx

化工原理課程設(shè)計題 目：列管式換熱器設(shè)計班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2015 年-2016 年學(xué)年第1 學(xué)期目 錄設(shè)計任務(wù)書3前言4一工藝說明及流程示意圖51. 工藝流程51.1酒精的工藝流程51.2 冷卻流程圖51.2.1白酒加工工藝流程51.2.2 冷卻流程52. 工藝說明62.1 流體流入空間的選擇62.2 出口溫度的確定(含算法程序)62.3 流速的選擇72.4 計算平均溫差8二流程及方案的論證與確定81. 設(shè)計方案的論證82. 確定設(shè)計方案及流程82.1 選擇物料82.2 確定兩流體的進出口溫度92.3 確定流程92.4 換熱器類型的選擇9三設(shè)計計算及說明91. 流體物性的確定91.1 水的物性91.2無水乙醇的物性92. 初步確定換熱器的類型和尺寸92.1計算兩流體的平均溫度差92.2計算熱負荷和冷卻水流量102.3 傳熱面積102.4 選擇管子尺寸112.5 計算管子數(shù)和管長,對管子進行排列,確定殼體直徑112.6 根據(jù)管長和殼體直徑的比值,確定管程數(shù)123. 核算壓強降123.1 管程壓強降123.2 殼程壓強降124. 核算總傳熱面積144.1 管程對流傳熱系數(shù)0144.2 殼程對流傳熱系數(shù)i144.3 污垢熱阻154.4 總傳熱系數(shù)K154.5 傳熱面積安全系數(shù)154.6 壁溫的計算154. 7 偏轉(zhuǎn)角的計算. 15四設(shè)計結(jié)果概要表16五對設(shè)計的評價及問題的討論171.對設(shè)計的評價.172.問題的討論.17六參考文獻18七致謝八附錄：固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)圖、花板布置圖設(shè)計任務(wù)書一、 設(shè)計題目：列管式換熱器設(shè)計。二、 設(shè)計任務(wù)：將自選物料用河水冷卻或自選熱源加熱至生產(chǎn)工藝所要求的溫度。三、設(shè)計條件：1 處理能力G = 學(xué)生學(xué)號最后2位數(shù)300 t物料/d； 2 冷卻器用河水為冷卻介質(zhì)，考慮廣州地區(qū)可取進口水溫度為2030；加熱器用熱水或水蒸汽為熱源，條件自選。 3允許壓降：不大于105Pa；4傳熱面積安全系數(shù)515%；5每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行。四、設(shè)計要求：1.對確定的設(shè)計方案進行簡要論述； 2.物料衡算、熱量衡算； 3.確定列管式冷卻器的主要結(jié)構(gòu)尺寸；4.計算阻力；5.選擇適宜的列管換熱器并進行核算；6.用Autocad繪制列管式換熱器的結(jié)構(gòu)圖(3號圖紙)、花板布置圖(3號或4號圖紙)；7.編寫設(shè)計說明書(包括：封面；目錄；設(shè)計題目（任務(wù)書）；流程示意圖；流程及方案的說明和論證；設(shè)計計算及說明（包括校核）；主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖；設(shè)計結(jié)果概要表；對設(shè)計的評價及問題討論；參考文獻。)備注：參考文獻格式：期刊格式為：作者姓名.論文題目.刊物名稱, 出版年,卷號(期號)：起止頁碼專著格式為：作者姓名.專著書名.出版社名,出版年,起止頁碼例：潘繼紅等. 管殼式換熱器的分析與計算. 北京:科學(xué)出版社,1996,7090 陳之瑞,張志耘. 樺木科植物葉表皮的研究. 植物分類學(xué)報, 1991,29(2):127135前言酒精工業(yè)是十分重要的有機基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)之一,又是新興的能源工業(yè)之一 。酒精在食品 、 醫(yī)藥、 化工、 燃料和國防工業(yè)等方面都有著廣泛的用途。在酒精生產(chǎn)中 , 水的用量很大 , 根據(jù)各廠的管理水平 、 生產(chǎn)工藝、 設(shè)備選型及原料的不同, 每生產(chǎn)一噸酒精用水量從幾十噸到一百多噸不等 ?！?】在生產(chǎn)過程中,水除了部分用于工藝配料外,大部分是用于冷卻物料,如:糖化醪的冷卻;酒母、發(fā)酵醪的冷卻;酒精蒸餾的冷凝、冷卻等,可見在酒精生產(chǎn)中使用換熱器的工序、部位很多,在設(shè)計過程中,換熱器選型和設(shè)計將對酒精廠節(jié)約用水產(chǎn)生重要的影響。乙醇是一種重要的基礎(chǔ)化工原料，用于合成乙醛、乙醚、醋酸乙酯等基本有機原料，還是配制飲用酒和醫(yī)藥上的殺菌劑的原料。工業(yè)生產(chǎn)乙醇的主要原料是玉米、小麥或木薯等淀粉質(zhì)，通過催化分解為可發(fā)酵的糖類，然后發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇。燃料乙醇的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)是乙醇脫水。乙醇脫水傳統(tǒng)技術(shù)主要包括分子篩吸附工藝、環(huán)烷酸恒沸蒸餾技術(shù)，比較先進的技術(shù)包括溶鹽精餾技術(shù)和乙二醇萃取精餾技術(shù)等。乙醇的工業(yè)生產(chǎn)方法主要有兩種，即以糖類、淀粉和水解纖維素等碳水化合物為原料的發(fā)酵法和乙烯為原料的水化法。本工藝為以淀粉為原料的發(fā)酵法，經(jīng)過一系列的生產(chǎn)工藝后得到的乙醇液體溫度還接近于其沸點，且乙醇是易揮發(fā)液體。在相對高溫下不利于白酒的裝罐貯存，所以在蒸餾后冷凝和冷卻必不可少。又因為是流體的大生產(chǎn)量冷卻，故使用列管式換熱器將其進行冷卻以達到一定的貯存溫度。 化工原理課程設(shè)計是化工類專業(yè)學(xué)生運用自己已學(xué)課程的知識來解決常規(guī)化工設(shè)計中的問題的一次很好地、全面地鍛煉過程。通過設(shè)計可以不斷增強學(xué)生運用綜合知識的能力,解決工程實際問題的能力和全面分析問題的能力。換熱器是進行熱量傳遞的通用工藝設(shè)備，它在煉油、輕化工及其他一般化學(xué)工業(yè)中廣泛應(yīng)用著，例如冷卻、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等。隨著化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，各種換熱器發(fā)展很快，新型結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，以滿足各工業(yè)部門的需要。列管式換熱器是目前生產(chǎn)上應(yīng)用最廣泛的一種傳熱設(shè)備，由于不斷的改進，其結(jié)構(gòu)也較完善。換熱器按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中間壁式換熱器傳熱量大、應(yīng)用最為廣泛。本設(shè)計選用的是間壁式換熱器中傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊、堅固、傳熱效果好的列管式換熱器。列管式換熱器是化工生產(chǎn)中常用的一種換熱設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強；單位體積所具有的傳熱面積大并傳熱效果好；且種類多，型號全?！?】一. 工藝說明及流程示意圖1.工藝流程圖 1.1 酒精的工藝流程酒精制造的傳統(tǒng)工藝 【3】 我國酒精制造的傳統(tǒng)工藝分別是釀造工藝和水合工藝。釀造工藝的主要原料是以大米、小麥、紅薯等淀粉質(zhì)，主要方法是利用稻、麥、豆及紅薯、土豆等高淀粉含量的植物對其淀粉里的酶在水溶作用下經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)化合成為葡萄糖，對葡萄糖進一步進行化學(xué)反應(yīng)生成酒精。整個過程的實質(zhì)就是將原料粉碎、蒸煮、葡萄糖化和酵母發(fā)酵及蒸餾形成一個有機的整體。其具體的生產(chǎn)流程為:淀粉調(diào)漿蒸煮糖化酶糖化發(fā)酵酒精1.2 冷卻流程圖1.2.1白酒加工工藝流程淀粉原料粉碎拌料蒸煮（糊化）糖化（加糖化酶）冷卻發(fā)酵（加酵母菌種）蒸餾塔（蒸餾）精餾塔（精餾）95%乙醇淡化過濾白酒1.2.2 冷卻流程圖1乙醇冷卻示意圖2.工藝說明 2.1 流體流入空間的選擇固定管板式換熱器要求不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程，易于清潔；腐蝕性流體宜走管程，以免殼體和管外空間的其他零件受腐蝕；根據(jù)冷熱流體的特性，本設(shè)計選擇讓酒精走殼程而讓冷河水走管程。這是因為相比而言河水更易結(jié)垢而管內(nèi)便于清洗，走管程有助提高流速減少水垢；而作為熱流體讓白酒走殼程能增大與管壁接觸面積，易于散熱。2.2 進出口溫度的確定及成本計算酒精將由85冷卻到45 ，取冷卻河水入口溫度為25。對于列管換熱器的優(yōu)化設(shè)計,可以認為目標函數(shù)是指包括設(shè)備費用和操作費用在內(nèi)的總費用,其最少值就是所求。本實驗以河水為冷卻介質(zhì)，且河水的進口溫度一定，有傳熱速率方程可知，冷卻河水的出口溫度將影響熱溫差，從而影響傳熱器的傳熱面積和投資費用，存在一個使設(shè)備費用和操作費用之和為最小的最優(yōu)冷卻河水出口溫度。換熱器年總費用和水的出口溫度有以下函數(shù)關(guān)系：Q=G(TT)式中G換熱器熱介質(zhì)處理量,213001000/24/21.313105 kg/h;熱流體介質(zhì)比熱容, 2.784kJ/(kg);T，T熱流體的進出口溫度,。Q-換熱器的熱負荷，1.46107kJ/h=4.01106W根據(jù)流體物性確定總傳熱系數(shù)經(jīng)驗值290698 w/(m2),并結(jié)合本工藝實際可取K=450w/(m2)。把代入，結(jié)合工藝實際計算可得：優(yōu)化后的河水的出口溫度為35所以，無水乙醇的進出口溫度分別為850C、45；河水的進出口溫度分別是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; t2=35; t2+) a=(long double)t2; b=15/(90-a); c=log(b); d=a-75; e=4200*0.1*1221000*c/(1100*d); /*換熱器的年固定費用*/ f=3600*0.4*24*330*1221000/(4187*(a-20); /*換熱器的操作費用*/ g=e+f; /*換熱器的年總費用*/if (g0.8,所以可選用單殼程 此時tm=ttm=0.9032.74=29.46 t 1，t 2分別是換熱器兩端冷熱流體的溫差2.2 計算熱負荷和冷卻水流量根據(jù)設(shè)計的要求，換熱器的處理能力設(shè)為。因此無水乙醇的流量為：由于這個處理量比較大，選擇用兩個換熱器并聯(lián)在一起處理。所以，每一個換熱器的處理量為：2.625105/2=1.313105Kg/h熱負荷：Qi熱負荷，；Mi熱流體的流量，kg/h；ti熱流體的溫度差，c,i熱流體的比熱，kJ/kg。河水的流量為：97.22kg/s25)-(354.17400=D=tcQiWpc3.50105 kg/h1.4622107to冷流體的溫度差，cp,o冷流體熱容，kJ/kg2.3 傳熱面積根據(jù)流體物性確定總傳熱系數(shù)經(jīng)驗值290698 w/(m2),并結(jié)合本工藝實際可取 K=450w/(m2)。306.38m2 .360046.29450.tKQSmi=D=1.462210102.4 選擇管子尺寸考慮到無水乙醇與水的黏度接近，而河水與無水乙醇相比更易在管子中結(jié)垢，故采用直徑的管子較合理。2.5 計算管子數(shù)和管長,對管子進行排列,確定殼體直徑選用標準管長為l=6000mm的管子，取管內(nèi)流速0.6m/s單管程所需的管子數(shù)6.002.04/14.3.97.22/995.74220=udVNsp518根V管內(nèi)的流體流量,m/s管內(nèi)徑，mu管內(nèi)流速，m/s 單程管束長度L為：單程管長太長故采用多程，管程數(shù)np=L/l2管程，即設(shè)計采用雙管程以提高換熱器效率。總管數(shù)為NT=518x2=1036根殼體直徑：采用焊接法連接傳熱管和管板管心距取a=1.25 d0=1.2525=31.25 mm殼體內(nèi)徑應(yīng)等于或大于（在浮頭式換熱器中）管板的直徑，所以，以管板直徑的計算可以決定殼體的內(nèi)徑。通過按下式確定殼徑。D=a（b-1）+2e式中：D殼體內(nèi)徑，mm；a 管心距，mm；b 橫過管束中心線的管數(shù)，管子按正三角行排列：；管子按正方形排列：；n為換熱器的總管數(shù)；e管束中線上最外層管中心到殼體內(nèi)壁的距離，一般取。則D=a（b-1）+2e= =+25210361.1(31.25-1）1.51150.21151mm查表1-4得對應(yīng)最小壁厚為14mm。2.6 根據(jù)管長和殼體直徑的比值,確定管程數(shù)根據(jù)管長和殼體直徑的比值,確定換熱器放置方式L/D=6/1.151=5.2屬于立式的46規(guī)定范圍之間，故采用立式放置。管程數(shù)np=L/l2程，即設(shè)計采用雙管程以提高換熱器效率。3核算壓強降3.1 管程壓強降管程流體流通截面積22200162.051802.0m4nd4A=pp管程流體流速AWcu0.60m/s0.1627.99597.22000=r雷諾數(shù)P1、P2分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa；Ft結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，對于252.5mm管子，取為1.4。由Re=14916.8，取傳熱管相對粗糙度為0.01，查得=0.042，所以有:3.2 殼程壓強降P1流體橫過管束的壓強降，Pa；P2流體通過折流板缺口的壓強降，Pa；Fs殼程壓強降的結(jié)垢校正因數(shù)，無因次，取1。F管子排列方法對壓強降的校正因數(shù)，對正三角形排列F=0.5；fi殼程流體的摩擦系數(shù)，當Rei500時，fi=5.0 Rei-0.228；nc橫過管束中心線的管子數(shù)；NB折流擋板數(shù)；（塊）h折流擋板間距，m；h=0.6m其中有Ns=1，F(xiàn)s=1.15；流體流經(jīng)管束的阻力損失：151mm .0)025.036151.1(6.0)(dnDhAci=-=-=smAMuiiii/32.0151.07.765360010313.15=r500.6813.8000899.07.76532.0025.0Re=iiiidumr.0.67.6813.80.5Re 5.0228.0-0.228i=-if流體流過折流板缺口的阻力損失：計算表明，管程和殼程的壓強降都能滿足題目要求4 核算總傳熱面積4.1 管程對流傳熱系數(shù)0當Re0=14916.8時，流體流動狀態(tài)為湍流，所以：普蘭特數(shù)當Re10000，Pr=0.7120，L/d0=9.34/0.02=467.60時W/（m2） d0管內(nèi)徑，m；i熱流體黏度，PaS；i熱流體傳熱系數(shù)，w/mi管內(nèi)傳熱膜系數(shù)，W/(m2)4.2 殼程對流傳熱系數(shù)i因為管子為正三角形排列，則當量直徑為殼程流通截面積2302m2.0)0375.0025.01(151.10.6)1(adhDA=-=-=殼程流體流速smAMuii/18.02302.07.76536001.313105=r雷諾數(shù)為000899.07.76518.0037.0Re=iieudmr5672.5普蘭特數(shù)管內(nèi)水被加熱，故取=1.05，此時W/(m2) 4.3 污垢熱阻管外側(cè)污垢熱阻 Ri=0.00014m2K/w 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 R0=0.00021m2K/w 4.4 總傳熱系數(shù)K則,比值在1.151.25范圍內(nèi)，初步設(shè)計的換熱器合適.4.5 傳熱面積安全系數(shù)理論面積：實際面積：安全系數(shù)：可見此安全系數(shù)在515范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。4.6 壁溫的計算 a2=a0=3045W/(m2C) a1=ai=492.5W/(m2C) 所以 故理論上不需要設(shè)置溫差補償，但為了減少熱應(yīng)力，防止管子壓彎或管子從管板處 拉脫，可考慮添加補償圈。4.7 偏轉(zhuǎn)角計算 管外徑d0=25mm,管心距a=31.25，查表1-3得偏轉(zhuǎn)角=7四. 設(shè)計結(jié)果概要表表2 物料特性及設(shè)備參數(shù) 管程 殼程物料名稱無水乙醇河水流量,kg/h1.3131053.50105溫度， 進/出85/4525/35物性定性溫度6530密度kg/m3765.7995.7熱容kJ/（kg）2.7844174黏度Pas0.89910-30.80110-3傳熱系數(shù)w/m0.16960.6171普蘭特數(shù)14.75.42設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)類型固定管板式放置方法立式管程數(shù)2殼程數(shù)1管徑mm252.5管心距mm31.25管長mm6000管子排列正三角型管數(shù)目（根）1036折流板數(shù)（個）9傳熱面積m2487.9折流板間距mm600殼體內(nèi)徑mm1151材料碳鋼殼體壁厚mm14偏轉(zhuǎn)角7o主要計算結(jié)果管程殼程流速m/s0.600.18傳熱膜系數(shù)w/(m2K)3045492.5污垢熱阻(m2K)/w0.000140.00021阻力降Pa2258.2537.7傳熱量W4.01x106傳熱溫差29.46總傳熱系數(shù)w/m2350.55傳熱面積安全系數(shù)9.75%五. 對設(shè)計的評價及問題的討論1.對設(shè)計的評價：1.本設(shè)計對冷卻水的出口溫度采用了優(yōu)化設(shè)計,使換熱器的年固定費用和操作費用之和最小。2.創(chuàng)新方面:本實驗在優(yōu)化過程中應(yīng)用了Excel和C語言編程等進行結(jié)合計算。3.通過本次課程設(shè)計，使我們的獨立工作能力、設(shè)計能力、動手能力得到了極大的提高。在設(shè)計的過程中鍛煉了我們的統(tǒng)籌、創(chuàng)新、綜合運用知識的能力；在反復(fù)演算的過程中既鍛煉了我們的計算能力又鍛煉了耐性。4.本次課程設(shè)計提高了我們互相合作的精神，有誰的數(shù)據(jù)有問題找不出原因，大家都會一起研究，驗算；有誰畫圖有問題，互相指正，學(xué)習(xí)。最后要感謝老師在整個設(shè)計過程中對我們幫助和指導(dǎo)，使我們能以順利完成設(shè)計。5.本次課程設(shè)計我收獲了獨立工作能力、設(shè)計能力、動手能力，統(tǒng)籌、創(chuàng)新、綜合運用知識的能力，在反復(fù)演算的過程中鍛煉了耐性。令自己掌握如何有效查閱文獻資料、搜索有關(guān)數(shù)據(jù)，掌握了CAD工程制圖的技術(shù)，鞏固了自己對這門課程的認知，正確選用公式。增加了知識面，更好地掌握應(yīng)用所學(xué)的化工知識，加強了個人動手能力與獨立思考能力，增強了對換熱器的認識，為日后在實際生產(chǎn)中工作打下基礎(chǔ)。6.總之,化工生產(chǎn)本身是復(fù)雜的,影響因素很多。綜合平衡、全面考慮各種復(fù)雜的影響因素,是設(shè)計成功與否的關(guān)鍵。要獲得這方面的知識和能力,唯一的途徑是多次進行設(shè)計的實踐。本次設(shè)計當然也必然存在它的不足,但我相信,通過多次的設(shè)計訓(xùn)練,所設(shè)計出的成果將日趨完善。2.問題的討論：1.對于校核中的各項，實際流速、雷諾數(shù)、傳熱面積、安全系數(shù)等經(jīng)過了反復(fù)的重新演算，雖然存在誤差，但是反復(fù)演算下來還是得到了可以接受的數(shù)據(jù)。2.列管式換熱器具有處理能力大,適應(yīng)性強,可靠性高,設(shè)計和制造工藝成熟,生產(chǎn)成本低,清洗較為方便等優(yōu)點。是目前生產(chǎn)工具中廣泛應(yīng)用的一種換熱器。當然，這就要求這種換熱器在設(shè)計上要滿足：1) 換熱效率高；2) 流體流動阻力小，即壓力降??；3) 結(jié)構(gòu)可靠，制造成本低；4) 便于安裝，檢修。3.傳熱強化，就是指提高熱，冷流體間的傳熱速率。傳熱過程中，可從三個方面強化傳熱：1) 增大傳熱面積；2) 增大平均溫差；3) 增大總傳熱系數(shù)。4在整個設(shè)計的過程中，最大的困難就是不知道哪里有我需要的參數(shù)，我只能按照師兄師姐的指導(dǎo)下找到他們曾經(jīng)用過的文獻，但是這些參考文獻都比較久遠，這給運算帶來了極大的不確定性；查到圖書館有我需要的文獻，但是在所有的館內(nèi)都找不到原書，代借也借不到，給整個設(shè)計進程造成極大的困難；不同的參考