化工原理课程设计 换热器的设计

摘要
换热器的应用贯彻化工生产过程的始终，换热器换热效果的好坏直接影响化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。

既然换热器在化工生产中扮演如此重要的角色，那么如何设计出换热效果好，设备健全合理，三废排放量更低，能源利用率更高，经济效益高的换热器是我们从事化工行业工作人员刻不容缓的职责。

为了完成年产 2.8万吨酒精的生产任务，设计换热器的总体思路：在正常的生产过程中，利用塔底的釜残液作为加热介质在塔底冷却器中进行第一次预热，然后用少量的水蒸汽便可在预热器中使原料液达到预期的温度进入精馏塔中。

塔顶酒精蒸汽经过全凝器，利用循环冷却水作为冷却介质使酒精蒸汽转为液体。

最后，在塔顶冷却器中再次用冷却水使其降到25。

C输送到储装罐中。

关键词：冷却器；再沸器；全凝器；对流传热系数；压降；列管式换热器；
离心泵。

目录
第一章换热器的设计..............................................
1.1概述 .............................................................
1.1.1流程方案的确定..............................................
1.1.2 加热介质、冷却介质的选择 ...................................
1.1.3 换热器类型的选择 ...........................................
1.1.4 流体流动空间的选择 .........................................
1.1.5 流体流速的确定 .............................................
1.1.6换热器材质的选择............................................
1.1.7换热器壁厚的确定............................................
1.2.固定管板式换热器的结构...........................................
1.2.1管程结构....................................................
1.2.2壳程结构....................................................
1.3 列管换热器的设计计算.............................................
1.3.1 换热器的设计步骤 ...........................................
1.3.2 计算所涉及的主要公式 ....................................... 第二章设计的工艺计算 ............................................
2.1 全塔物料恒算.....................................................
2.2 原料预热器的设计和计算...........................................
2.2.1 确定设计方案 ...............................................
2.2.2 根据定性温度确定物性参数 ...................................
2.2.3换热器的选择................................................
2.3塔顶全凝器的设计和计算 ...........................................
2.3.1确定设计方案................................................
2.3.2 根据定性温度确定物性参数 ...................................
2.2.3 换热器的选择 ...............................................
2.4 塔顶冷却器的设计.................................................
2.4.1 确定设计方案 ...............................................
2.4.2 根据定性温度确定物性参数 ...................................
2.4.3 换热器的选择 ...............................................
2.5 塔底冷却器的设计.................................................
2.5.1 确定设计方案 ...............................................
2.5.2 根据定性温度确定物性参数 ...................................
2.5.3 换热器的选择 ...............................................
2.6 再沸器的设计.....................................................
2.6.1 确定设计方案 ...............................................
2.6.2 根据定性温度确定物性参数 ...................................
2.6.3再沸器的工艺计算............................................ 第三章附录 .....................................................................................................................................
符号说明............................................................. 第四章设计感想..................................................................................................................... 参考文献............................................................
第一章换热器的设计
1.1概述
工业生产过程，两种物料之间的热交换一般是通过热交换器完成的，所以换热器的设计就显的尤为重要。

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且根据实际流体
的腐蚀性确定换热器的材料，根据换热器内的压力来确定其壁厚。

1.1.1流程方案的确定
换热器设计的第一步是确定换热系统的流程。

为了节约能源，提高热量的利用率，采用原料液冷却塔底釜液，这样不仅冷却了釜液又加热了原料液，既可以减少预热原
料所需要的热量，又可减少冷却水的消耗。

从冷却器出来的釜液直接储存，从冷却器
出来的原料液再通往原料预热器预热到所需的温度。

塔顶蒸出的乙醇蒸汽通入塔顶全
凝器进行冷凝，冷凝完的液体进入液体再分派器，其中的1/2回流到精馏塔内，另
1/2进入冷却器中进行冷却，流出冷却器的液体直接储存作为产品。

1.1.2 选择加热介质、冷却介质
在换热过程中加热介质和冷却介质的选用应根据实际情况而定。

除应满足加热和冷却温度外，还应考虑来源方面，价格低廉，使用安全。

我们本次课程设计所用的加热介质是120℃的水蒸气，冷却介质是选择水。

1.1.3 换热器类型的选择
列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广，历史悠久，设计资料完善，并已有系列化标准，特别是在高温、高压和大型换热设备中占绝对优势。

所以本次设计过程中的换热器都选用列管式换热器。

由于本次设计过程中所涉及的换热器的中冷热流体温差不大（小于70℃）,各个换热器的工作压力在1.6MP以下，都属于低压容器，因固定管板式换热器两端管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单、价格低廉、管子里面易清洗，所以可选择列管式换热器中的固定管板式换热器。

1.1.4 流体流动空间的选择
哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参
考(以固定管板式换热器为例)。

(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。

(2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。

(3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。

(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。

(5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。

(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。

(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。

在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便作出较恰当的选择。

1.1.5 流体流速的确定
流体的流速对传热来说非常的重要，因为在滞留层的传热是一热传导为主，热传导的传热速率小于对流传热。

所以如果流速太小它形成的滞留层会很厚，会大大减小传热速率，又因如果流速太小杂质会在壁面沉积也会导致传热速率的下降，提高流体在换热器中的流速，可以增大对流体传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增加，所需要传热面积减少，设备费用降低。

但是流速增加，流体阻力将相应加大，使操作费用增加。

所选择流速时应该综合考虑。

1.1.6换热器材质的选择
在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。

流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。

当然，最后还要考虑材料的经济合理性。

碳钢价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，
在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。

如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用
的材料为10号和20号碳钢。

在本次设计中所涉及的换热器中的流体都是乙醇或水，不存在腐蚀性。

所以本次
设计中的换热器的管材和壳材都选用碳钢。

1.1.7换热器壁厚的确定
一般内压容器厚度由应满足刚度和压力的要求，本次设计中所用到的换热器内部
压降都不太大，都属于常压容器，所以换热器的壁厚只要满足刚度要求即可。

1.2.固定管板式换热器的结构
固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构使壳侧清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。

当管子和壳体的壁温差大于50℃时，应在壳体上设置温差补偿——膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应力。

膨胀节的形式较多，常见的有U形、平板形和Ω形等几种。

由于U形膨胀节的挠性与强度都比较好，所以使用得最为普遍。

当管子和壳体的壁温差大于60℃和壳程压强超过0.6MPa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。

由此可见，这种换热器比较适合用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。

1.2.1管程结构
1.2.1.1 换热管布置和排列间距
常用换热管规格有ф19×2 mm,ф25×2.5 mm(碳钢10)。

小直径的管子可以承受
更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位
体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。

所以，在管程结垢不很严重以
及允许压力降较高的情况下，采用ф19mm×2mm直径的管子更为合理。

如果管程走的
是易结垢的流体，则应常用较大直径的管子，有时采用ф38mm×2.5mm或更大直径的
管子。

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ф25×2.5
mm和ф19mm×2mm碳钢管。

1.2.1.2管子与管板的连接方式的选择
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。

管板与管子的连接可胀接，焊接和胀焊并用。

胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生
显着的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。

胀接法一般用在管
子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过350℃
的场合。

焊接法在高温高压条件下更能保证接头的严密性。

这次用到的换热器内流体温度不高，压力不大，所以选择胀接的方式连接管子和管板。

1.2.2壳程结构
壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。

由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程内对各种元件的设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。

如当壳程走的是蒸汽时不安装折流板。

这次设计中的原料预热器和塔顶全凝器的壳程走的是蒸汽所以不安装折流板。

介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。

如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。

1.3 列管换热器的设计计算
1.3.1 换热器的设计步骤
1.了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能。

2.由热平衡计算传热量的大小，并确定第二种换热流体的用量。

3.决定流体通入的空间。

4.计算流体的定性温度，以确定流体的物性数据。

5.初算有效平均温差,一般先按逆流计算，然后再校核,并根据温度差校正系数不应小于0.8的原则，决定壳程数。

6.选取经验的传热系数K值, 计算传热面积。

7.由系列标准选取换热器的基本参数。

所选换热器面积应为计算出的面积的1.1-1.25倍。

8.核算压强降，校核传热系数，包括管程、壳程对流传热系数的计算。

假如核算的K值与原选的经验值比值在1.10～1.30之间，就不再进行校核；如果相不在这个范围，则需重新假设K值并重复上述6以下步骤。

1.3.2 计算所涉及的主要公式
Q=KSΔtm
式中 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；
Δtm——平均温度差，℃。

1. 热负荷(传热速率)Q
无相变传热
Q ＝WhCph(T 1-T 2)＝WcCpc(t 2-t 1)
相变传热(蒸汽冷凝且冷凝液在饱和温度下离开换热器)
Q ＝Whr ＝WcCpc(t 2一t 1)
式中W ——流体的质量流量，kg ／h ；
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，kJ ／kg 。

下标h 和c 分别表示热流体和冷流体，下标1和2分别表示换热器的进口和出口。

2 .平均温度差Δtm
一侧恒温 ,逆流与并流的平均温差相等
3. 总传热系数K
初选换热器时，应根据所要设计的换热器的具体操作物流选取K 的经验数值，选定的K 的经验值为K 选。

确定了选用的换热器后，需要对换热器的总传热系数K 进行核算，总传热系数K 的计算按下列公式：
式中 K 。

——基于换热器外表面积的总传热系数，w ／((m 2
．℃)；
h o 、h i ——分别为管外及管内的对流传热系数，w ／(m 2·℃)；
R so 、R si —一分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，(m 2．℃)／w;
d o 、d i 、d m ——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 ·℃)。

4 .对流传热系数
(1)对于低粘度流体(μ小于或等于2倍常温水的粘度)
当流体被加热时，n ＝0.4
当流体被冷却时，n ＝0.3
式中：
ρ、μ——分别为流体的密度和粘度，kg ／m 3、Pa ·s ；
k 、Cp ——分别为流体的导热系数和比热容,w/(m ·℃)、J/kg?℃; 1
212ln t t t t t m ∆∆∆-∆=∆
u——管内流速．m／s；
——列管内径，m。

d
i
应用范围：Re＞l0000，Pr＝0.7-160，管长与管径之比L/d＞60，若L/d＜60可将1-10式算出的α乘以（1+ （d/L）0.7）
特征尺寸：管内径d
定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。

(2)蒸汽在水平管束上冷凝时的冷凝传热系数
若蒸汽在水平管束上冷凝，用下式计算冷凝传热系数：
式中：
k—冷凝液的导热系数，w／(m·℃)；
ρ——冷凝液的密度，kg／m3。

；
μ——冷凝液的粘度，Pa·s；
γ——饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg；
Δt——蒸汽的饱和温度与壁温之差，Δt＝t s-t w
5．流体压力降的计算式
（1）管程压力降
P直管中因摩擦阻力引起的压力降Pa；
∆
-
-
1
P回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa；
∆
-
-
2
F结垢校正系数，无因次，φ25×2.5mm的换热管取1.4；φ19×2mm的换-
-
t
热管取1.5；
-
N串联的壳程数；
-
S
-
-
N管程数。

p
ξ——阻力系数，列管换热器管内ξ=3
（2）壳程压力降
P流体横过管束的压力降Pa；
∆'
-
-
1
P流体流过折流挡板缺口的压力降Pa；
∆'
-
-
2
F结垢校正系数，无因次，对液体，取1.15；对气体，取1.0；
-
-
s
F—管子排列方式对压力降的校正系数：三角形排列F=0.5；正方形排列F=0.3；
正方形错列F=0.4；
f壳程流体的摩擦系数；
-
-
o
n横过管束中心线的管数
-
-
c
z——折流挡板间距，m；
D——壳体直径，m；
N折流挡板数目；
-
-
B
--o u 按壳程流通面积S o 计算的流速，m/s 。

一般说来，流经列管式换热器允许的压强降，液体为10—100 kPa ，气体为 1—10 kPa 左右。

第二章 设计的工艺计算
2.1 全塔物料恒算
根据设计要求可知：塔顶产品乙醇的质量D=2.8万吨，乙醇的质量分数92.0=D a ,精馏原料粗乙醇的质量分数5.0=F a ,塔底残液乙醇的质量分数5.0=w a ,乙醇的摩尔质量M A =46kg/kmol,水的摩尔质量M B =18kg/kmol 。

,
由W D F +=
求得 F=247.57kmol/h
W=163.03kmol/h
2.2 原料预热器的设计和计算
2.2.1 确定设计方案
1．选择换热器的类型
预热器是把经塔底冷却器加热到51.59℃的原料液预热到泡点81.9℃，采用0.2MPa 压力下120℃的饱和蒸汽进行加热。

热流体的进出口温度都是120℃，原料液的进口温度是51.59℃，出口温度为81.9℃。

换热器中两流体温度差不大，壳程压力较小，故可选择固定管板式换热器。

2．流动空间和管材的选用
设计任务的热流体为水蒸汽，冷流体为原料液乙醇，为使原料液出口温度达到泡点，令蒸汽走壳程，原料液走管程。

2.2.2 根据定性温度确定物性参数 冷流体的定性温度为.7662
9.819.551=+=t ℃ 热流体的定性温度为T=120℃。

混合液体的物性参数计算式：
B B A A m a a ρρρ+=1
, i i m k a k ⋅∑=
9.0，i i m x μμlg lg ∑=，i
p i m p c a c ⋅∑
= 含乙醇50%的乙醇液体在66.7℃下的物性参数如下： 2.2.3换热器的选择
附录
D —————换热器外壳直径
z —————折流板间距
f —————摩擦系数
k —————导热系数
φ—————校正系数
ρ—————密度
r —————汽化潜热
d —————管径
ε—————粗糙度
b —————壁厚
μ—————粘度
ξ—————阻力系数
L —————管长
下标：
c —————冷流体
h —————热流体
i —————管内
K —————总传热系数
P —————压力
u —————流体速度
h —————对流传热系数
h —————圆缺高度
N—————折流板数
B
R—————雷诺数
e
P—————普兰特准数
r
N—————怒赛尔特准数
u
N —————程数
s —————污垢
m —————平均
o —————管
S —————传热面积
设计感想
生命的每一次绽放，都会开出美丽的花朵；生活的每一次努力，都会有意想不到的收获，恰似这次化工原理课程设计，设计了大概两个周。

时间是那么的短，收获却是那么的多。

课程设计这个名词是我们第一次接触与听说，所以，开始的时候，它的一切对于我们而言都是那么的陌生和神秘。

在老师的循循善诱和细心指导下，我们第一次掀起了它的面纱，并且和它开始了相依为命的两个周的旅程。

在本次旅程中，我们有17个人设计的题目是乙醇生产过程中，精馏系统换热器的设计，虽然题目相同，但是每组同学都因乙醇年产量的不同而不同。

我们组是由五个人组成的一个集体，我们五个人的起点相同，终点却会各不相同的。

在最初的几天，我们设计的进程很慢，而且问题不断出现，屡屡碰壁。

我们在一种山重水复疑无路的状态理摸索。

为了找到一个正确而高效的设计途径，我们一起查阅资料，利用一切可以利用的渠道，如：图书馆、百度、海川论坛、小木虫、等。

大家实在无法解决的问题，一起向老师寻求帮助。

在智老师的指导过程中，我发现智老师更像一个指路标而不是一个引路人，关于智老师的这种与众不同的表现风格，我由衷的表示理解和支持，毕竟路是要我们去一步步行走的，只有我们亲自的一边走一边看一边思考，才能深刻的收获属于自己的知识。

当我们的前面是一个引路人的时候，我们的注意力就会过多的聚集在他的思想里而无心汲取自己脚下知识的土地。

在这次特殊的旅程中，我们前一个周好比在走夜路，后一个周却像在阳光下行进。

经过前一个周准备和奋斗，后一周时间就会有一种柳暗花明又一村的势头。

虽然有时我们的设计理念不谋而合，但是在很多细节中每个人都有自己的独特见解。

这次旅程给我们提供了一次锻炼自己独立思考问题的机会，使我们学会了设计计算的基本过程，为以后从事本专业打下了基础。

在此次旅程中我发现自己有很多不足，不仅仅是对知识掌握的不够扎实和对知识理解的程度不够深入，而是缺少一种创造性的思维和实践能力。

有时还有一种浮夸的纸上谈兵的学习习惯。

我想这是我以后一定要谨记和勤改的。

这次课程设计的旅程中让我的感受颇多，在我看来：态度才是二十一世纪最昂贵的东西，丰腴的物质生活已经很难培育出智力上的傻子了，但是如果一个人态度不端正，不去做。

那么天才也会成为傻子的。

付出才有回报是个硬道理，如果不付出，那么拥有的也会丧失。

课程设计这次别样的旅程是我们在校大学生必须经过的一个过程，通过课程设计
的锻炼，可以为我们的下一次旅程---毕业设计打下坚实的基础。

此次旅程中智老师的要求比较严格，但是只要你确实按照老师的要求做了，那么就一定会收获和成长的。

这次旅程让我成长了不少，我很快乐。

参考文献
[1] 贾绍义、柴诚敬·化工原理课程设计?天津大学出版社·2002.8
[2] 柴诚敬、张国亮?化工流体与流动传热?北京：化学工业出版社?2007.7
[3] 贾绍义、柴诚敬?化工传质与分离过程?北京：化学工业出版社?2001.1
[4] 柴诚敬、张国亮?化工流体与流动传热?北京：化学工业出版社?2000
[5] 魏崇关、郑晓梅?化工工程制图?北京：化学工业出版社?1992
[6] 朱孝钦?过程装备基础?北京：化学工业出版社?2006.7
[7] 海川论坛
[8] 百度百科。