化工原理课程设计
1. 确定设计方案
1.1 选择列管换热器的类型
在本次设计任务中,两流体温度变化情况为热流体为乙醇蒸汽，进口温度75℃，出口温度75℃，冷流体(井水)进口温度25℃，出口温度37℃。该换热器用水厂给水作为冷却介质，受环境影响，进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差不大（<50℃），因此初步确定选用固定管板式换热器。
1.2 选择冷却剂的类型和进出口温度 1.2.1冷却剂的类型
水（河水、井水、水厂给水)，使用温度范围：15～25℃， 15～35℃ 特点：来源广，价格便宜，冷却效果好，但水温受季节和气候影响大。 空气：<35 ℃
特点:缺水地区宜用，但对流传热系数小，温度受季节和气候影响大。 冷冻盐水：0～?15℃
特点：用于低温冷却，成本高。 液氨：～?33℃
特点：利用液态氨的挥发制冷。
从以上得出，兰州地区水资源较为丰富，且空气传热效果不好，受温度影响大，因此不选用空气，冷冻盐水温度不符合温度范围，并且成本高，液氨也不适用，因此选用井水。
1.2.2进出口温度：
表1 兰州地区气候数据
月份
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 6
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极端最高温度℃ 极端最低温度℃
根据表格得兰州地区 ：最高温度为39.8℃，所以冷却水进口温度设为25℃，出口温17.1 21.0 26.0 34.6 34.7 36.8 39.8 37.3 34.4 27.4 20.3 14.0 -17.7 -17.6 -11.6 -5.7 -0.1 5.7 9.8 8.6 1.6 -7.1 -12.3 -19.7 度设为30℃。
查得：兰州地区海拔高度为1517m,兰州大气压为8.68m水柱。 （1atm?101325pa?10.33m水柱） 换算得p?8.68?10132510.33?85140pa
1.3 查阅介质的物性数据 1.3.1 水的物性数据
t2t=37<2 所以用算术平均温度作为定性温度， 125 水的平均温度：t?25?372?31℃，查85.14kpa，31℃下水的物性数据如下： 密度：??995.3360/kgm3
粘度：??0.7807mpa?s 导热系数：??0.6171WmK
比热：cp?4.1797kJkg?K
1.3.2 乙醇的物性数据
校正公式：Y=A0?A1X?A2X2?A3X3?A4X4?A55X
A0?3.27574 A1?0.09631 A2?0.0001 A3?0.00009
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A4?1.0308?10?6 A5?1.663?10?9 Y（KPa） X(?C)
经校正可知，符合兰州地区建厂规则，故乙醇蒸汽只发生75℃下的相变 乙醇的平均的温度： T? 密度：??748.1500kgm375?75 ?75℃，查85.14kpa，75℃下乙醇的物性数据下：
2
粘度??0.5215mpa?s 导热系数：??0.1652W 比热：cp?2.9633kJmK
kg?K
乙醇蒸汽密度：???1.3976kg/m3
表2 乙醇和水的物性数据【1】
物性 流体 乙醇 井水 温度T (℃) 75 31 748.1500 995.3360 0.5215 0.7807 密度? kg/m3 粘度? MPa·s 比热容Cp kJ/(Kg·℃) 2.9633 4.1797 热导系 数λ W/(m·℃) 0.1652 0.6171 液化潜热
r/(kJ/kg) 849.7826 2426.72
1.4 选择冷热流体流动的空间及流速 1.4.1 冷热流体流动空间的选择：
（1）不洁净和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗管子；
（2）腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，而且管内也便于检修和清洗； （3）高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节省壳体金属的消耗量；
（4）饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排出冷凝液，且蒸汽较洁净，不易污染壳程； （5）被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果； （6）有毒流体宜走管程，以减少流体泄漏；
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粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，由于流体流向和流速不断改变，在很低的雷诺数（Re<100）下即可达到湍流，可提高对流传热系数。但是有时在动力设备允许的条件下，将上述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数。
由于兰州地区水质较硬易结垢，并且考虑到乙醇可通过壳体向外界散热增加冷却效果，确定为水走管程而乙醇走壳程，管材选普通?25mm?2.5mm的碳钢管。
1.4.2冷热流体流动的流速：
换热器内适宜的流速应通过经济核算选择，一般流体尽可能使Re>104,粘度高的流体常按滞流设计。下面列出一些工业上常用的流速范围，供设计时参考。 表3 列管式换热器内常用的流速范围 流体种类 一般液体 易结垢液体 气体 流速/m/s 管 程 0.5~3 >1 5~30 壳 程 0.2~1.5 >0.5 3~15 表4 不同粘度液体的流速（以普通钢壁为例）
液体粘度?×10/N?s/m >1500 1500~500 500~100 100~35 35~1 <1 32
最大流速/m/s 0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 2.4
根据以上可以得出：因流体在有折流板的壳程流动时，由于流体流向和流速不断改变，在很低的雷诺数（Re<100）下即可达到湍流，可提高对流传热系数。
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2. 估算换热器的传热面积S
2.1 计算热负荷Q，按管内塔顶产品计算，即：
Ms1=1.5×104×103/(330×24)=1894kg/h=0.526kg/s
Q=Ms1×r=0.526kg/s×849.7826kJ/kg=446.99kw=1.61?106kJ/h 由于换热器损失为热流体热负荷的3.5%
? Q?=(1-?)Q??1-3.5%??1.61?106?1.55?106kJ/h=430.56kw 水的流量可由热量恒算求得 Ms2?Cp2??t2?t1??Q?
?Ms2=1.55?10/(4.1803×(37-25))=3.09?104kg/h=8.58kg/s
62.2 计算平均温度，并确定壳程数。
逆流：
热流体： T1=75℃ ? T2=75℃ 冷流体： t1=25℃ ? t2=37℃ ?t： 50℃ 38℃ 所以 ?tm??t1??t250-38?=43.72℃ ?t150lnln?t238 温度校正： P=
t2?t137?25?=0.24 T1?t175?25R?T1?T2?0 t2?t1由P和R查对数平均温差校正系数图【2】得：此时??t?1，大于0.8，所以选用单壳程的列管式换热器。
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