刘聪1988
2、设计方案的选择2．1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温度差来确定。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76℃，出口温度为45。冷却介质为水，入口温度为24℃，出口温度为36℃，两流体的温度差不是很大，再根据概述中各种类型的换热器的叙述，综合以上可以选用固定管板式换热器。2．2流体流速的选择 流体流速的选择涉及到传热系数、流动阻力及换热器结构等方面。增大流速，可加大对流传热系数，减少污垢的形成，使总传热系数增大；但同时使流动阻力加大，动力消耗增多；选择高流速，使管子的数目减小，对一定换热面积，不得不采用较长的管子或增加程数，管子太长不利于清洗，单程变为多程使平均传热温差下降。因此，一般需通过多方面权衡选择适宜的流速。表1至表3列出了常用的流速范围，可供设计时参考。选择流速时，应尽可能避免在层流下流动。 表1 管壳式换热器中常用的流速范围 流体的种类 一般流体 易结垢液体 气体流速，m/s 管程 0.5 ~3.0 > 1.0 5.0 ~30 壳程 0.2 ~1.5 > 0.5 3.0 ~15表2 管壳式换热器中不同粘度液体的常用流速 液体粘度，mPa·s > 1500 1500 ~500 500 ~100 100 ~35 35 ~ 1 < 1最大流速，m/s 0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 2.4表3 管壳式换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度 液体名称 乙醚、二硫化碳、苯 甲醇、乙醇、汽油 丙酮安全允许速度，m/s < 1 < 2 ~3 < 10 由于使用的冷却介质是井水，比较容易结垢，乙醇则不易结垢。水和乙醇的粘度都较小，参考以上三个表格数据可以初步选定管程流速为0.9m/s，壳程流速为7m/s。2．3流体出口温度的确定 冷却介质水的入口温度24℃，出口温度为36℃，故，可以求得水的定性温度为：Tm=30℃ 热流体乙醇在饱和温度下冷凝，故可以确定入口温度和出口温度相同，故乙醇的定性温度Tm=60.5℃。2．4管程数和壳程数的确定 当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时，就得排列较多的管子，为了提高流体在管内的流速，需将管束分程。但是程数过多，导致管程流动阻力加大，动力能耗增大，同时多程会使平均温差下降，设计时应权衡考虑。管壳式换热器系列标准中管程数有 1、2、4、6 四种。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。管程数N按下式计算： N=u/v式中 u——管程内流体的适宜流速； V——管程内流体的实际流速。第二章 工艺设计计算1确定物性数据 水的定性温度为Tm=(24+36)/2=30℃，乙醇的定性温度为Tm=(76+45)/2=60.5℃ 两流体在定性温度下的物性数据 物性流体 乙醇 60.5 757 0.6942 2.83 0.1774水 30 996 0.0.8 4.20 0.6172热负荷及传热面积的确定1、计算热负荷 冷凝量=3.51Kg/s 热负荷 Q1=r= 3.51×2.83×31=307.93kW 2、计算冷却水用量 换热器损失的热负荷：以总传热量的3%计； 则Q2=q/(1-0.03)=317.46kW 水的流量可由热量衡算求得,即 ==317460/4.2(36-24)=9.35kg/s3、计算有效平均温度差： 逆流温差℃。4、选取经验传热系数K值 根据管程走循环水，壳程走乙醇，总传热系数K现暂取： 5、估算换热面积 3换热器概略尺寸的确定管径和管内流速 选用Φ25×2.5mm较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速 u1=0.8m/s。管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 按双程管计算，所需的传热管长度为 按双程管设计，传热管适中，可以用双管程结构。根据本设计实际情况，现取传热管长l=4m，则该换热器的管程数为 传热管总根数 N=38×2=76(根）3、平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数有 : R=2.6 P=0.23 双壳程，双管程结构，查得 ε=0.923 平均传热温差 由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取双壳程合适。4、壳体内径 则横过管数中心线管的根数 在计算壳体内径时可用公式： D=t b取传热管外径，则： D=32（10-1）+50=338mm 按卷制壳体的进级档，可取D=350mm 卧式固定管板式换热器的规格如下： 公称直径D…………………………350mm 公称换热面积S……………………23.9m2 管程数……………………………2 管数n………………………………76 管长L………………………………4m 管子直径…………………………… 管子排列方式………………………正三角形5、折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20%，则切去的圆缺高度为h=0.20*250=75mm。 取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3*250=105mm，可取B=150mm。 折流板数 N=传热管长/折流板间距-1=8000/150-1=26（块）4面积与总传热系数核算1、壳程表面传热系数2、管内表面传热系数 有公式： 管程流体流通截面积 管程流体流速 普朗特数 Pr=5.446 则ai=2.23、污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻 所以管内侧污垢热阻 管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为50.29w/(m·K)。所以 4、传热系数K 依传热系数公式 5、传热面积裕度 可得所计算传热面积Ap为： 该换热器的实际传热面积为 该换热器的面积裕度为 5.压降校核1、计算管程压降 （结垢校正系数，管程数，壳程数） 取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm，则，而Rei=9700，于是对的管子有
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—— 管壳式换热器也称列管式换热器，是一种以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。管壳式换热器具有结构坚固、适应性强、选材广、易于制造及成本低等优点，在炼油、石油化工、医药、化工以及其他工业中广泛运用，他适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各方面［1］。本文通过对影响传热系数的因素－ 换热器结构、流体物理性质和污垢热阻等进行分析，以便在设计过程中合理调整结构参数使换热器提高化热性能，在换热器使用过程中合理维护防止换热性能恶化。 1· 传热系数 传热速率方程式［2］: Q = AKΔtm( 1) 式中: Q———传热速率( 冷、热负荷) ，W A———传热面积，m2 K———总传热系数，W· ( m2·℃) － 1 Δtm———平均温差，℃ 在传热量Q 和冷、热流体温差确Δtm的情况下，设法提高传热系数K 可减小传热面积A，即减小换热器的结构尺寸，这一点在工程应用上有重要经济意义。 在绝大部分的化工操作中，两个传热流体是不相互混合的，两流体间的传热是通过管壁进行的。热流体向冷流体传递热量需经过三个过程。即热量通过层流底层的传热过程，热量通过间壁传热的过程，以及热量通过冷流体的层流底层的传热过程［1］。在化工操作过程中，随着时间的推移，作为冷、热流体的介质往往会在传热间壁的两边结垢，这种污垢的存在会影响传热。由于污垢的厚度和导热系数难以获得，因此，在工程一般用一个系数( 污垢热阻) 来计污垢对传热的影响。故传热系数可以用下式计算: 2 ·传热系数的影响因素 Nusselt 准数关系式:对于一定的传热面和流动情况，当Re 和Pr 确定后，强制对流式的Nu 也就被决定。强制湍流下对流传热系数的准数关系式［2］:2. 1 列管换热器结构 对流传热是流体主体中的对流和层流底层中的热传导的复合现象。任何影响流体流动的因素( 引起流动的原因、流动型态和有无相变化等) 必然对对流传热系数有影响［2］。Reynolds准数表示惯性力和粘滞力之比，是表征流动状态的准数。 2. 1. 1 换热管规格 换热管可选择外径规格在Φ14 ～ Φ57 mm 之间标准管。由于小直径换热管具有单位体积传热面积大，换热器结构紧凑，金属耗量少，传热系数高的特点，在换热器结构设计中，对于管程介质清洁、不易结垢的介质，采用小管径管束能有效增加换热面积。在换热面积相同条件下，采用Φ19 mm 管束比采用Φ25 mm 管束提高流体流速约30%，从而增加了湍流程度。 2. 1. 2 管子布局 标准换热器设计规范中规定了四种排列角度。30°和60°排列紧凑，相同壳径下可获得较大传热面积，具有较高的换热系数，但压降较高，且不利于机械清洗。而45°和90°排列适用于需要机械清洗的场合，且压降较小。从传热效果及压降角度分析90° ＞ 45° ＞ 60° ＞ 30°，其中30°和45°使用较多，采用30°排列可以比45°多排列约17%的换热管［3］。根据换热器设计规范要求，管间距t( mm) 不应小于1. 25 倍管外径，常用的管间距有25 mm( Φ19) 和32 mm( Φ25) 。 2. 1. 3 管程数 为增加换热面积，必须增加换热管数量N，而介质在管束中的流速随着换热管的增加而下降，结果反而是流体的传热系数降低，故增加换热管不一定达到所需换热要求。因此要保持流体在换热管束中较大流速可将管束分成若干程数，使流体依次通过各程换热管，以增加流体流速，提高对流传热系数［4］。换热器常用推荐流速范围见表1。 2. 1. 4 壳程内径 换热器通常采用多管程结构，壳程内径可根据经验计算: 2. 1. 5 折流板 为增进对壳程流体的扰动、提高壳程流体的对流传热系数，同时支撑换热管束以防止其挠曲变形，在列管式换热器的壳程通常设置有折流挡板，常见有弓形折流板、矩形折流板和圆盘—圆环形折流板，其中以圆缺形( 又称单弓形) 的构造最简单、对壳程流体的扰动最剧烈、支撑效果最佳，标准列管换热器中多采用此种。国内换热器设计标准规定折流板间距B( mm)最小为1 /5 壳程直径，且不小于50 mm。建议切割部分高度在0. 2 ～ 0. 45 倍壳体内径，通常选择切割率为20% ～ 25%。 通过式( 8) 可以看出减小折流板间距B 和壳程内径D 可以减小壳程流通截面积So，即在流量一定的条件下提高壳程流速，加强扰动。 2. 1. 6 折流杆 传统的装有折流板的管壳式换热器存在着影响传热的死区，流体阻力大，且易发生换热管振动与破坏。为了解决传统折流板换热器中换热管的切割破坏和流体诱导振动，并且强化传热提高传热效率，近年来开发了一种新型的管束支承结构—折流杆支承结构。 2. 2 换热管材质及厚度 换热管常用材料常用的为碳钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金等。由于物质导热系数和物质的组成、结构、密度、压力和温度等有关，在工作压力、温度、介质腐蚀性等条件满足的情况下选择导热系数与壁厚比值较大者，即减小壁间传热导热热阻，提高传热系数。 2. 3 流体物理性质 导热系数、粘度、比热、密度等对对流传热系数α 的值影响也比较大。 Prandtle 准数表示速度边界层和热边界层相对厚度的一个参数，反映与传热有关的流体物理性质。 2. 4 污垢热阻 污垢热阻表示换热设备传热面上因沉积物而导致传热效率下降程度的数值，即换热面上沉积物所产生的传热阻力，又称污垢系数，指换热器换热表面上积有某种污垢( 如水垢、污泥、油污和烟灰等) 。污垢热阻的逐步形成，必将导致换热器传热系数的相应减小，促使换热器的传热性能日益恶化。对于容易结垢的介质，尽量提高流体流速，换热器间壁应定期清洗，以防止传热系数K 值的明显下降。 3 ·强化传热技术 对于管壳式换热器，强化传热［5 － 6］方法按是否消耗外加功率可分为有源技术( Active Technology ) 和无源技术( PassiveTechnology) ，前者消耗外加能量，后者不消耗能量。后者主要是使传热壁面的温度边界层减薄或调换传热壁面附近的流体。主要有2 种实施途径［7 － 10］: ( 1) 对传热表面的结构、形状适当加以处理与改造; ( 2) 在传热面或传热流路上设置湍流增进器，或在流体中加入添加剂，特别是加入适当的固体颗粒，不仅强化传热，还可以防垢和除垢。 4· 结论 ( 1) 合理设计换热器结构，对实现工艺过程、提高传热效率、节省能源及降低设备投资等方面有重要意义。因此，设计换热器时应反复计算，综合分析，不断调整优化换热器结构，从而进一步提高整体传热效果，以获得满足工艺要求的最优结果。 ( 2) 传热系数K 总是接近于α 小的流体的对流传热系数，且永远小于α 的值。因此传热系数K 受α 小的一侧控制。 ( 3) 如传热间壁上的污垢很厚时，污垢热阻会大大降低设备的传热效果。因此容易结垢的介质，换热间壁应定期经常清洗，以防止换热器换热效果恶化。
2、设计方案的选择2．1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
易超风格 3人参与回答 2023-12-10 我给你发过去了，剩下的自己看着画吧，你不能自己一点不动手，只能帮你到这了，不过提醒你下，你这个设计的有问题，自己看图就明白了
小妮子乖乖81 3人参与回答 2023-12-08 heat exchanger
农夫三下乡 5人参与回答 2023-12-10 某生产过程中，需将6000kg/h的油从140℃冷却至40℃，压力为0.3MPa；冷却介质采用循环水，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水入口温度30℃，出口
爱欧尼亚荒原 2人参与回答 2023-12-07 [1] 柴诚敬编著.化工原理课程设计.天津：天津科学技术出版社，2006.03.01[2] 夏 清、陈常贵主编.化工原理（上册）.天津：天津大学出版社，200
奔跑de小土豆 3人参与回答 2023-12-08 