1、 目 錄1緒 論11.1換熱器簡介11.2換熱器分類11.3設計的背景和目的12工藝設計及計算22.1設計的主要參數22.2物性參數22.3換熱器型式的選擇32.4估計傳熱面積，初選換熱器型號32.4.1溫度的有關計算32.4.2乙醇、正丙純混合物物性參數計算42.4.3估計傳熱面積42.5換熱器的核算82.5.1核算壓降82.5.2核算總傳熱系數103換熱器設計結果124結 論14參考文獻14致 謝161 緒 論換熱器是化工生產中的重要環節，因此它的研究和發展得到各國的重視，至今技術已經比較成熟。1.1 換熱器簡介將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備稱為換熱器，又稱做熱交換器。換熱器是化工、

2、石油、動力、食品及其它許多工業生產過程中熱量交換和傳遞不可缺少的通用設備，在生產中占有重要地位。在化工生產中換熱器常用作加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等，應用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。1.2 換熱器分類混合式換熱器：利用冷熱流體直接接觸而進行傳熱的交換器。這種傳熱方式避免了傳熱間壁及兩側的污垢熱阻，只要流體間的接觸良好就有較大的傳熱速率。蓄熱式換熱器：用于進行蓄熱式換熱的設備。內裝固體填充物，用以貯蓄熱量。蓄熱式換熱器換熱分兩個階段，一、熱量傳遞給蓄熱裝置蓄熱；二、冷流體通過蓄熱設備帶走熱量。這兩個過程交替

3、進行達到換熱目的。間壁式換熱器：兩種不同溫度的流體在固定的傳熱面相隔的空間里流動，通過傳熱面的導熱和傳熱面表面的對流對流換熱進行熱量傳遞，有稱表面換熱器。間壁式換熱器根據傳熱面的結構不同可分為管式、板面式和其他型式。其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設計的換熱器，如刮面式換熱器、轉盤式換熱器和空氣冷卻器等2。 1.3 設計的背景和目的換熱器是化工、石油、制藥、及能源等行業中應用相當廣泛的單元設備之一。據統計，現代化學工業中所用換熱器的投資大約占總設備投資的30%，在煉油廠中換熱器占全部工業設備的40%左右，海水淡化工業裝置則幾乎全部是有換熱器組成的，上個世紀70年代初發生的世界性能源危機，有

4、力地促進了傳熱強化技術的發展。為了技能降耗，提高工業生產的經濟效益，要求開發使用不同工業過程要求的高效能換熱設備。因此幾十年來，換熱器的開發與研究始終是人們關注的課題，國內外先后推出了一系列新型高效的換熱器3。2 工藝設計及計算2.1 設計的主要參數表1 設計參數項目參數裝置設計年產量100000噸。設備運行時間330天/年進料組成乙醇98.8%正丙醇1.2%進料溫度70出料溫度30冷卻水入口溫度25冷卻水出口溫度282.2 物性參數設計涉及到的各主要物質物性如表2、表3：表2 物質的物理性質物質沸點（760mmhg）（）熔點（）折光率乙醇78.4-114.31.3614正丙醇83.0-103

5、.51.4465表3 換熱器的基本設計條件物料流量q(kg/h)進口溫度t（）出口溫度t（）乙醇、正丙醇混合物12626.37030冷卻水49477.725282.3 換熱器型式的選擇在乙醇精餾過程中塔頂一般采用的換熱器為列管式換熱器，故初步選定在此次設計中的換熱器為列管式換熱器。列管式換熱器的型式主要依據換熱器管程與殼程流體的文圖差來確定。在乙醇精餾的過程中乙醇是在常壓飽和溫度下冷凝，進口溫度為70，出口溫度為30。冷卻介質為水，入口 溫度為25，出口溫度為28，兩流體的溫度差不是很大，再根據各類型換熱器的敘述，綜合以上可以選用固定管板式換熱器。2.4 估計傳熱面積，初選換熱器型號2.4.1

6、 溫度的有關計算(1) 兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度70,出口溫度30，冷流體進口溫度25，出口溫度28，該換熱器用循環冷卻水冷卻，估計該換熱器的管壁溫和殼體溫之差較大，因此初步確定選用帶膨脹節的固定管板式換熱器。由于與乙醇、正丙純相比，水易結垢，且對流傳熱系數一般較大，所以冷水走換熱器的管程；被冷卻的流體易走殼程，這樣可以利用殼程的對外散熱作用，增強冷卻效果，因此選定乙醇、正丙純混合物走殼程4。(2) 定性溫度：乙醇、正丙純的定性溫度：冷卻水的定性溫度：=26.5根據定性溫度，分別查取管程和殼程流體的物性參數如下表4所示：表4 管程和殼程流體的物性參數4組分黏度 ()熱導率(w/m）密

7、度( )比定壓熱容 乙醇0.70750.1174776.81.223正丙純1.13450.1533780.41.558冷卻水0.86410.6106996.064.1742.4.2 乙醇、正丙純混合物物性參數計算(1) 乙醇、正丙純混合物密度計算776.84 (2) 乙醇、正丙純混合物比熱容計算(3) 乙醇、正丙純混合物導熱系數計算0.1178 w/m(4) 乙醇、正丙純混合物黏度計算0.8918乙醇、正丙純混合物黏度：表5己醇、正丙純和冷卻水的主要物理參數組分黏度()熱導率(w/m)密度()比定壓熱容乙醇、正丙純混合物3.20.118776.80.1227冷卻水0.7690.622994.8

8、4.1742.4.3 估計傳熱面積(1) 熱負荷計算1 乙醇、正丙純混合物質量流量2 熱流量3 冷卻水耗量若忽略換熱器的熱損失，水的流量可由熱量衡算求得，即(2) 確定流體的流徑該設計任務的熱流體為乙醇、正丙純混合物，冷流體為水，為使乙醇、正丙純通過壁面向空氣中散熱，這樣利用殼程的對外散熱作用，增強冷卻效果，因此先選定乙醇、正丙純混合物走殼程，水走管程5。(3) 計算平均溫度差暫按單殼程，雙殼程考慮，先按逆流時計算對數平均溫度差，乙醇、正丙純混合物 7030 oc冷卻水 28 25 oct 42oc5oc17.4由于加折流擋板或多管程等因素，冷熱兩流體并非純對流，以上溫度需校正，其校正因數ft

9、按以下步驟求得,計算 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，查圖可得對數平均溫度差校正系數值，因選用單殼程可行。由于，故可以選用固定管板式換熱器。(4) 選k值，估計傳熱面積根據冷熱流體在換熱器中有無相變化及其物性等。參照有關數據選取k=300 w/（m2oc）(5) 排管和管殼設計：1 管程熱流體體積流量：2 管徑和管內流速目前我國管殼式換熱器系列標準中，所所采用的無縫鋼管規格多為和兩種。在此選用高級冷拔傳熱管（碳鋼）1，考慮到主要熱阻在管間油側，故管內

10、冷卻水取較低的流速，u1=0.45m/s。管內流速u=0.5m/s,則單程管所需管子根數n3 按單管程計算,所需換熱管長度為4 按單管程計算,傳熱管過長,宜采用多管程結構。工程上常用的有：1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m，現取管束長度為：l=6m。換熱管程數為：故應選取管程數為1則傳熱管總根數為 (6) 熱管排列和分程方法換熱管在管板上可按正三角形、正方形直列和正方形錯列排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動程度大，傳熱系數大；正方形列管外清潔方便。本管換熱器管子采用正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列1。取管中心距t=1.25do，即得：管子為正三角形排列f=0.5根據公式得橫過

11、管束中心線的管數(7) 殼體內徑按照多管程的結構進行設計，殼體內徑按下式計算：其中是管板利用率，對于三角形排列四管程為0.6-0.8.圓整可以選取殼體內徑為。(8) 折流擋板常用的折流擋板有弓形和圓盤-圓環形兩種，在本次設計過程中，采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為折流擋板的間距在允許的壓力降范圍內希望盡可能小,在系列標準中有如下幾種6：150、300、450和600mm,本換熱器使用150折流板數實取折流板數根據計算可知，折流板圓缺面水平裝配.(9) 初選結果根據上述計算數據，通過查jb/t4715-92固定管板式換熱器與基本參照的對照，初選出適合的換

12、熱器類型，結果如下表6所示8。表6 初選換熱器型號及參數外殼直徑/mm400管子尺寸工稱壓力/ 0.6管長/m6公稱面積8.72管子總數98管中心距/mm32管子排列方式正三角形管程數1管程流通面積/m0.03242.5 換熱器的核算2.5.1 核算壓降(1) 管程壓降管程壓降計算的通式為： （2-1）其中:為圓直管摩擦阻力引起的壓降，為回彎阻力引起的壓降，為管程結垢校正系數，對的管子，為串聯的殼程數,，為管程數管程流通截面積管程流速對于碳鋼管，取管壁粗糙度為則相對粗糙度：由相對粗糙度-re關系圖中查得7(2) 殼程壓降 （2-2）其中 其中：f-管子排列方式對壓降的校正系數，管子為正三角形排

13、列取 殼程流體的摩擦系數，時，取橫過管束中心線的管子數折流擋板數取折流擋板間距殼程流通截面積殼程流速所以計算結果表明，管程和殼程的壓力降均能滿足設計條件,故所選換熱器合適。2.5.2 核算總傳熱系數(1) 管程對流傳熱系數該型號換熱器總管數為88，由于是單管程，所以管程流通截面積為 這樣，冷卻水的實際流速為雷諾數：普朗特準數：,則,液體被加熱n取0.4.故對流傳熱系數為：(2) 殼程對流傳熱系數（kern法）對圓缺形折流擋板，可采用克恩公式，壁面溫度下流體的粘度校正 （2-3）管子為正三角形排列，則得當量直徑殼程流通截面積式中折流擋板間距，取管中心距，對于的管中心距為.殼程流體流速及其雷諾數分

14、別為： 普蘭特準數因為殼程中乙醇被冷卻，取(3) 確定污垢熱阻查相關數據可知管內、外側污垢熱阻分別取為(4) 核算換熱面積管壁熱阻不可忽略，管壁的導熱系數為該型號換熱器的實際傳熱面積因為單管程實際傳熱面積小于理論傳熱面積故應選用雙管程即該換熱器的面積裕度：傳熱面積裕度=（實際傳熱面積理論傳熱面積）/理論傳熱面積傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務，故所選換熱器合適。(5) 計算總傳熱系數k由(5)可知，在實際傳熱面積的情況下，要求此換熱器的總傳熱系數為（總傳熱系數，然后與，若，則初選換熱器合適，否則另選值。10）所選換熱器是合適的，安全系數為，符合要求。3 換熱器設計結果表7 物性相關參

15、數表1,9參數名稱殼程管程流率kg/h12626.349477.7進/出口溫度/oc70/3025/28定性溫度/oc5026.5密度/（kg/m3）776.8994.8定壓比熱容/kj/（kgk）0.12274.174粘度/（pas）0.00320.000769熱導率（w/mk）0.1180.622普朗特數5.163.33表8 換熱器主要結構尺寸表設備結構參數數據結果形式固定管板式殼體內徑/400管徑/25管長/6000管數目/根98傳熱面積/35.8管程數2殼程數1臺數1管心距/32管子排列折流板數/個19折流板間距/150表9換熱器主要計算結果表名稱管程殼程流速/（m/s）0.500.3

16、47表面傳熱系數/4660.4148.6污垢熱阻/0.0003440.000172熱流量/172.1傳熱系數/130.5裕度/%12.14 結 論課程設計是理論聯系實際的橋梁，是我們學習化工設計基礎的初步嘗試。通過課程設計，使我們能綜合運用所學的知識，進行融會貫通，和獨立思考。在規定的時間內完成指定的化工設計任務，通過課程設計，使我們加深了對工程設計基本內容的進一步了解，掌握化工設計的程序和方法，培養了我們分析和解決工程實際問題的能力。通過本次課程設計，提高了我很多方面的能力，一方面提高了我查閱文獻資料，搜索有關數據，并且正確運用公式的能力；另一方面，在兼顧技術上先進性，可行性，經濟上合理性的

17、前提下，綜合分析設計任務要求，確定化工工藝流程，進行設備選型，并提出保證過程正常，安全運行所需的檢測和計量參數的能力；同時，還提高了我準確迅速地進行過程計算主要設備的工藝設計計算以及用精煉的語言，簡潔的文字，清晰的圖標來表達自己的設計思想的計算結果的能力。參考文獻1 王炎森. 化工原理m. 北京: 高等教育出版社, 2005, 215276.2 黃璐, 王保國. 化工設計m. 北京: 化學工業出版社, 2001, 2: 227238.3 李定航. 化工工藝設計手冊. 北京: 化學工業出版社, 2003, 2: 725760.4 董寶春. 管殼式換熱器的工藝設計m. 蘭州: 蘭州航天出版社, 1

18、998, 4: 2560.5 賈紹義, 柴誠敬. 化工原理課程設計m. 天津: 天津大學出版社, 2002, 3771, 101133.6 秦叔經, 葉文邦. 化工設備設計全書m. 北京: 化學工業出版社, 2002, 6264.7 劉積文. 石油化工設備及制造概論. 哈爾濱: 哈爾濱船舶工程學院出版社, 1989, 94106.8 劉光啟, 馬連湘, 等.化學化工物性數據手冊m. 北京: 化學工藝出版社, 2002, 274330.9 朱有庭, 曲文海. 化工設備設計手冊m. 北京: 化學工業出版社, 2005, 7684.10 柴誠敬. 化工原理2版.北京: 高等教育出版社, 2010, (5): 264268.致 謝大學生生活轉眼就要結束，完成這次畢業設計離開母校，是人生的一個終點，又是一個新的起點。在本論文的寫作過程中，也使我們的同學關