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  二、设计任务：将自选物料用河水冷却或自选热源加热至生产的基本工艺所要求的温度。

  6.用Autocad绘制列管式换热器的结构图(3号图纸)、花板布置图(3号

  期刊格式为：作者姓名.论文题目.刊物名称, 出版年,卷号(期号)：起止页码

  例：潘继红等. 管壳式换热器的分析与计算. 北京:科学出版社,1996,70~90

  酒精工业是十分重要的有机基础化学工业之一,又是新兴的能源工业之一。酒精在食品、医药、化工、燃料和国防工业等方面都存在广泛的用途。在酒精生产中, 水的用量很大, 根据各厂的管理上的水准、生产的基本工艺、设备选型及原料的不同, 每生产一吨酒精用水量从几十吨到一百多吨不等。【1】在生产的全部过程中,水除了部分用于工艺配料外,大部分是用于冷却物料,如:糖化醪的冷却;酒母、发酵醪的冷却;酒精蒸馏的冷凝、冷却等,可见在酒精生产中使用换热器的工序、部位很多,在设计过程中,换热器选型和设计将对酒精厂节约用水产生重要的影响。

  乙醇是一种重要的基础化工原料，用于合成乙醛、、醋酸乙酯等基本有机原料，还是配制饮用酒和医药上的杀菌剂的原料。工业生产乙醇的主要的组成原材料是玉米、小麦或木薯等淀粉质，通过催化分解为可发酵的糖类，然后发酵转化为乙醇。燃料乙醇的关键生产技术是乙醇脱水。乙醇脱水传统技术最重要的包含分子筛吸附工艺、环烷酸恒沸蒸馏技术，比较先进的技术包括溶盐精馏技术和乙二醇萃取精馏技术等。

  乙醇的工业生产方法主要有两种，即以糖类、淀粉和水解纤维素等碳水化合物为原料的发酵法和乙烯为原料的水化法。本工艺为以淀粉为原料的发酵法，经过一系列的生产的基本工艺后得到的乙醇液体温度还接近于其沸点，且乙醇是易挥发液体。在相对高温下不利于白酒的装罐贮存，所以在蒸馏后冷凝和冷却必不可少。又因为是流体的大生产量冷却，故使用列管式换热器将其进行冷却以达到一定的贮存温度。

  化工原理课程设计是化工类专业学生运用自己已学课程的知识来解决常规化工设计中的问题的一次很好地、全面地锻炼过程。通过设计可以慢慢地加强学生运用综合知识的能力,解决工程实际问题的能力和全面分析问题的能力。

  换热器是进行热量传递的通用工艺设备，它在炼油、轻化工及其他一般化学工业中大范围的应用着，例如冷却、加热、蒸发和废热回收等。随着化学工业的迅速发展，各种换热器发展非常迅速，新型结构不断出现，以满足各工业部门的需要。列管式换热器是目前生产上应用最广泛的一种传热设备，由于不断的改进，其结构也较完善。

  换热器按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器传热量大、应用最为广泛。本设计选用的是间壁式换热器中传热面积大，结构紧密相连、坚固、传热效果好的列管式换热器。列管式换热器是化工生产中常用的一种换热设备，结构相对比较简单，适应能力强；单位体积所具有的传热面积大并传热效果好；且种类多，型号全。【2】

  我国酒精制造的传统工艺分别是酿造工艺和水合工艺。酿造工艺的主要的组成原材料是以大米、小麦、红薯等淀粉质，主要方法是利用稻、麦、豆及红薯、土豆等高淀粉含量的植物对其淀粉里的酶在水溶作用下经过一系列的化学反应化合成为葡萄糖，对葡萄糖进一步进行化学反应生成酒精。整一个完整的过程的实质就是将原料粉碎、蒸煮、葡萄糖化和酵母发酵及蒸馏形成一个有机的整体。其具体的生产流程为:

  淀粉原料——粉碎——拌料——蒸煮（糊化）——糖化（加糖化酶）——冷却——发酵（加酵母菌种）——蒸馏塔（蒸馏）——精馏塔（精馏）——95%乙醇——淡化——过滤——白酒

  固定管板式换热器要求不洁净和易结垢的流体宜走管程，易于清洁；腐蚀性流体宜走管程，以免壳体和管外空间的其他零件受腐蚀；根据冷热流体的特性，本设计选择让酒精走壳程而让冷河水走管程。这是因为相比而言河水更易结垢而管内便于清洗，走管程有助提高流速减少水垢；而作为热流体让白酒走壳程能增大与管壁接触面积，易于散热。

  酒精将由85℃冷却到45℃，取冷却河水入口温度为25℃。对于列管换热器的优化设计,可以认为目标函数是指包括设备费用和操作费用在内的总费用,其最少值就是所求。本实验以河水为冷却介质，且河水的进口温度一定，有传热速率方程可知，冷却河水的出口温度将影响热温差，进而影响传热器的传热面积和投资费用，存在一个使设备费用和操作费用之和为最小的最优冷却河水出口温度。 换热器年总费用和水的出口温度有以下函数关系：

  根据流体物性确定总传热系数经验值290~698 w/(m2·℃),并结合本工艺实际可取K=450w/(m2·℃)。

  所以，无水乙醇的进出口温度分别为850C 、45℃；河水的进出口温度分别是250C 、35℃。 源程序如下:

  换热器内的流速增加，传热膜系数增大，同时亦减小了污垢在管子表面沉积的可能性，降低了垢层阻力，从而使总传热系数提高，所需传热面积减少，设备投资费减少。但随着流速的增加，流动阻力也相应增加，动力消耗增大，使操作费用增加。因此，选择适宜的流速是十分重要的。经查阅有关的资料，经过经济核算，可设定河水在管内的流速为0.6m/s 。

  4) 按纯逆流计算平均传热温差，然后按单壳程多管程计算温度校正，如果温差校正系

  7) 确定两流体流经管程或壳程，选定管程流体速度，由流速和流量估算单程管的管子

  根数，由管子根数和估算的传热面积，估算管子长度和直径，再由系列标准选用适当型号换热器。

  9) 计算壳体内径和折流板间距、折流板数； 10) 计算壳程流体传热膜系数；

  11) 计算管程流体流速，若结果与前面设定的流速不接近，则要从头在设定一个速度，

  14) 壁温核算，结果如果大于50℃，要设置温差补偿装置；如果超过105Pa ，则要从头

  开始再设数据算，直到结果不大于105Pa 为止。 15) 计算壳程接管内径，选取壳程流体进出口接管规格； 16) 计算管程接管内径，选取管程流体进出口接管规格；

  17) 计算传热面积安全系数，一定要满足5％－15％的安全度，若不在此范围内，则要再

  无水乙醇的进出口温度分别为85℃、45℃； 河水的进出口温度分别是250℃、35℃。 2.3 确定流程

  由于无水乙醇是被冷却的流体，黏度大，在有折流板的壳程流动时容易达到湍流，同时，为便于清洗污垢，热流酒精应该走壳程；河水应走管程。 2.4 换热器类型的选择

  对于列管式换热器，一般要根据换热流体的腐蚀性及其他特性来选择结构与材料，根据材料的加工性能，流体的压力与温度，本设计的是无水乙醇由85℃降温到45℃；采用河水冷却。再根据几种列管式换热器类型的比较，选固定板管式换热器，因为其结构最简单、紧凑、重量轻、造价低廉等优点。

  无水乙醇的定性温度为：Tm=(85+45)/2=65℃ 2．初步确定换热器的类型和尺寸 2.1 计算两流体的平均温度差 按逆流计算时的平均温度差为：

  根据P ，R 值，查温差校正系数图，εΔt ＝0.90>

  0.8,所以可选用单壳程 此时△tm=εΔt △tm ’=0.90×32.74=29.46℃ ?t 1，?t 2——分别是换热器两端冷热流体的温差 2.2 计算热负荷和冷却水流量

  根据设计的要求，换热器的解决能力设为d t /630030021=?。因此无水乙醇的流量为：

  由于这个处理量比较大，选择用两个换热器并联在一起处理。 所以，每一个换热器的处理量为：

  M i ——热流体的流量，kg/h ； ?t i ——热流体的温度差，℃

  ?t o ——冷流体的温度差，℃ c p,o ——冷流体热容，kJ/kg ·℃ 2.3 传热面积

  根据流体物性确定总传热系数经验值290~698 w/(m2·℃),并结合本工艺实际可取 K=450w/(m2·℃)。

  考虑到无水乙醇与水的黏度接近，而河水与无水乙醇相比更易在管子中结垢，故采

  2.5 计算管子数和管长,对管子进行排列,确定壳体直径 选用标准管长为l=6000mm 的管子，取管内流速0.6m/s 单管程所需的管子数

  壳体内径应等于或大于（在浮头式换热器中）管板的直径，所以，以管板直径的计算可以决定壳体的内径。通过按下式确定壳径。

  管子按正方形排列：；n 为换热器的总管数； e —管束中线上最外层管中心到壳体内壁的距离，一般取。 则D=a （b-1）+2e=

  根据管长和壳体直径的比值,确定换热器放置方式 L/D=6/1.151=5.2

  管程数np=L/l ≈2程，即设计采用双管程以提高换热器效率。 3．核算压强降 3.1 管程压强降

  ΔP1、ΔP2——分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa ； Ft ——结垢校正系数，无因次，对于ф25×2.5mm 管子，取为1.4。 由Re=14916.8，取传热管相对粗糙度为0.01，查得λ=0.042， 所以有:

  ΔP 2——流体通过折流板缺口的压强降，Pa ； Fs ——壳程压强降的结垢校正因数，无因次，取1。

  h ——折流挡板间距，m ；h=0.6m 其中有Ns=1，Fs=1.15； 流体流经管束的阻力损失：

  μi ——热流体黏度，Pa ·S ； λi ——热流体传热系数，w/m ·℃ ɑi ——管内传热膜系数，W/(m 2·℃) 4.2 壳程对流传热系数αi

  故理论上不需要设置温差补偿，但为减少热应力，防止管子压弯或管子从管板处 拉脱，可考虑添加补偿圈。

  1.本设计对冷却水的出口温度采用了优化设计,使换热器的年固定费用和操作费用之和最小。

  2.创新方面:本实验在优化过程中应用了Excel和C语言编程等进行结合计算。

  3.通过本次课程设计，使我们的独立工作上的能力、设计能力、动手能力得到了极大的提高。在设计的过程中锻炼了我们的统筹、创新、综合运用知识的能力；在反复演算的过程中既锻炼了我们的计算能力又锻炼了耐性。

  4.本次课程设计提高了我们互相合作的精神，有谁的数据有问题找不出原因，大家都会一起研究，验算；有谁画图有问题，互相指正，学习。最后要感谢老师在整个设计过程中对我们帮助和指导，使我们能以顺利完成设计。

  5.本次课程设计我收获了独立工作上的能力、设计能力、动手能力，统筹、创新、综合运用知识的能力，在反复演算的过程中锻炼了耐性。令自己掌握如何有效查阅文献资料、搜索有关数据，掌握了CAD工程制图的技术，巩固了自己对这门课程的认知，正确选用公式。增加了知识面，更好地掌握应用所学的化工知识，加强了个人动手能力与独立思考能力，增强了对换热器的认识，为日后在实际生产中工作打下基础。

  6.总之,化工生产本身是复杂的,影响因素很多。综合平衡、全面考虑各种复杂的影响因素,是设计成功与否的关键。要获得这方面的知识和能力,唯一的途径是多次进行设计的实践。本次设计当然也必然存在它的不足,但我相信,通过多次的设计训练,所设计出的成果将日趋完善。

  1.对于校核中的各项，实际流速、雷诺数、传热面积、安全系数等经过了反复的重新演算，虽然存在误差，但是反复演算下来还是得到了可接受的数据。

  2.列管式换热器具有解决能力大,适应能力强,可靠性高,设计和制造工艺成熟,,生产所带来的成本低,清洗较为方便等优点。是目前生产工具中大范围的应用的一种换热器。当然，这就要求这种换热器在设计上要满足：

  3.传热强化，就是指提高热，冷流体间的传热速率。传热过程中，可从三个方面强化传热：

  4．在整个设计的过程中，最大的困难就是不知道哪里有我需要的参数，我只能按照师兄师姐的指导下找到他们曾经用过的文献，但是这些参考文献都比较久远，这给运算带来了极大的不确定性；查到图书馆有我需要的文献，但是在所有的馆内都找不到原书，代借也借不到，给整个设计进程造成极大的困难；不同的参考资料的对同一个参数也有差别，这使无经验的我们很难做出正确的选择。

  [1]曹静.谈酒精生产中换热器的选择及应用[J].中国酿造第五期.2000， 29~30.

  [2]赵汝博，管国锋，徐南平.化工原理第三版.南京工业大学.2008，136~186.

  [3]孙文达，牛国静.论如何优化酒精的生产的基本工艺[J]. 科技论坛.2013，12~13.

  [7]林慧珠.列管式换热器管子与管板连接方式[J]. 化学工业与工程技术,2001,(03).

  [8]徐元敏.列管式换热器设计的几个问题[J].贵州化工第四期.1997,34~37

  [9]范梅梅，马喜成.换热器应用案例选型分析[J].广东化工第十二期.2016，153~155

  [10]杨成业.探究列管式换热器设计时的问题及措施[J].河南科技.2013,141

  在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。感谢李璐老师在课程设计上给予我的指导以及对我设计初稿提出的建议；感谢师姐提供给我的指导、支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的根本原因，更重要的是她帮我解决了许多技术上的难题；感谢丁非同学指导我完成CAD制图。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。当然，我也要感谢其他帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。

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