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食品工程原理
课 程 设 计 任 务 书
指导教师：李春海
1.题目：双酶法一水α-口服葡萄糖液化液冷却换热器设计
2.学生完成全部任务期限:
2013
年
1
月
15
日
3.设计数据说明
（1）液化液处理量：100000吨/年 ＋10000吨/年 ＋ 学号×100吨/年
(如15号的同学，其设计的处理量为：100000+10000+15×100=111500吨/年)
（2）年开工时：8000小时。
（3）性质数据： 液化液密度1076kg/m3、比热容1.8KJ/(kg.℃)、
粘度1.42×10-3Pa.s、导热系数0.15KJ/(m.℃)；
34℃时循环水密度994.3㎏/m3、定压比热容4.174KJ/(kg.℃)、
导热系数0.624W/(m.℃)、粘度0.742×10-3Pa.s。
4.课程设计条件
（1）液化液进口温度95℃（经自然冷却），出口温度60℃；
（2）采取循环水冷却，循环水进出口温度34℃和42℃；
（3）换热器的管程和壳程压强降不大于30Kpa；
（4）假设管壁热阻和热损失可以忽略。
（5）其他参数查资料自选。

5.课程设计要求:
（1）资料充分、完整，计算正确。
（2）设计说明书书写符合规范,图表书写符合标准。
（3）说明书语句通顺，层次分明，文字简练，说明透彻。
（4）按时提交设计说明书。
（5）绘制装置图，包括设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏。
广东石油化工学院
课 程 设 计 说 明 书

课程名称：
食品工程原理课程设计

题 目：
双酶法一水α-口服葡萄糖液化冷却换热器设计

学 生：
陈芳玲
学 号：
10114050101

班 别：
食品10—1班
专 业：
食品科学与工程

指导教师：
李 春 海（副教授）

日 期：
2012年12月---2013年1月

目 录

封面 课程设计任务书 1矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
1 设计题目 1
2 设计完成期限 1
3设计数据说明 1
4设计条件 1
5设计要求 1
1 绪论 4
1.1 课程设计的目的、意义 4
1.2 综述 4
2 工艺流程及方案说明 6
2.1 方案说明 6
2.1.1 流体流入空间的选择 6
2.1.2 流速的选择 6
2.1.3载热体的选择 6
2.1.4 选择换热器的类型 6
2.2 工艺流程示意图 6
3 设计计算及说明 8
3.1估算传热面积，初步确定换热器的类型和尺寸 8聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
3.1.1 查取物性数据 8
3.1.2 热负荷计算 8
3.1.3 计算平均温度差 9
3.1.4 选择管子尺寸 9
3.1.5 计算管子数和管长,对管子进行排列,确定壳体直径 10残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
3.1.6 壳体直径的计算 10
3.1.7 其他附件尺寸的选择 11酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
3.2 核算压强降 12彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
3.2.1 管程压强降 12謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
3.2.2 壳程压强降 12厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
3.3 核算总传热面积 13茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
3.3.1 管程对流传热系数 13鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
3.3.2 壳程对流传热系数 13籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
3.3.3 污垢热阻 14預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
3.3.4 总传热系数 14渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
3.3.5 传热面积安全系数 14铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
3.3.6壁温计算 14
4 主体设备结构图(见附图) 16擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
5 设计结果概要表 16
6 对设计及问题的讨论 17
7 参考文献 18
附录：主体设备结构图 19

第一章 绪论
1.1 课程设计的目的、意义
《食品工程原理课程设计》主要目的是培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，在整个教学计划中它也起着培养学生独立工作能力的重要作用，通过课程设计就以下几个方面要求学生加强锻炼： 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
1). 查阅资料选用公式和搜集数据的能力；
2). 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想指导下去分析和解决实际问题的能力；坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
3).迅速准确地进行工程计算的能力；
4).用简洁的文字清晰的图表来表达自己设计思想的能力。
2.2综述
换热器概述
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广泛应用着，例如冷却、加热、蒸发和废热回收等。通常在化工厂的建设中，换热器约占总投资的10％——20%；在炼油厂中，换热器约占全部工艺设备投资的35％——40％。所以换热器自身性能的优劣及在运行中性能是否充分得以发挥，不仅直接影响到产品质量问题，而且对能源的高效利用性及节能也起着至关重要的作用。因此，对换热器的研究一直是人们研究的重点和关键，具有重要的理论意义和现实意义。随着化学工业的迅速发展，各种换热器发展很快，新型结构不断出现，以满足各工业部门的需要。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。换热器的分类比较广泛：反应釜　压力容器　冷凝器　反应锅　螺旋板式换热器　波纹管换热器　列管换热器　板式换热器　螺旋板换热器管壳式换热器　容积式换热器　浮头式换热器　管式换热器　热管换热器　汽水换热器　换热机组　石墨换热器　空气换热器　钛换热器　换热设备，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最为广泛。据统计,这类换热器占总用量的99%。间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类,其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验,其设计资料比较齐全,在许多国家都有了系列化标准。近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
列管式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型，由于不断的改进，其结构、类型也较完善。本设计选用的是间壁式换热器中的列管式换热器。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。

固定管板式换热 U型管换热器

浮头式换热器

第二章 工艺流程及方案说明
2.1 方案说明
2.1.1 流体流入空间的选择
本设计选用的是间壁式换热器中的列管式换热器，不洁净和易结垢的流体宜走管程，以便于机械清洗；被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果。此次以液化液为热流体，循环水为冷流体，循环水的热垢阻比苯的大，为了便于清洗且使液化液能通过壳壁面向空气散热，令液化液走壳程，循环水走管程，提高冷却效果。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
2.1.2 流速的选择
水属于普通液体，所以不妨取水在管程的流速为1.0m/s
2.1.3载热体的选择
载热体用量的多少和本身的价格，涉及到投资费用的问题，所以选用一种适当的载热体，也是传热过程中的一个重要问题。在这个设计中，选用了循环水，是考虑到一下几个原则：猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
（1）满足工艺上的要求达到冷却温度，而且温度易于调节。
（2）加热过程不会分解，对设备腐蚀性小。
（3）价格低廉，来源充分。
2.1.4 选择换热器的类型
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，本设计的是液化液由95 ℃降温到60 ℃；采用循环水冷却。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，因为其结构比较简单、紧凑、重量轻、造价低廉等优点。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
2.2 工艺流程示意图

双酶法一水α-口服葡萄糖液化工艺流程示意图

工艺流程示意图
参考资料中的管壳式换热设备的自控流程作出以上流程图
冷却水的出口温度需要调节，因此安装旁路切断阀
热流温差大于冷流温差时，热流体流量的变化将会引起冷流体出口温度的显著变化，调节热流体效果较好（见上图）構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
第三章 设计计算及说明
3.1估算传热面积，初步确定换热器的类型和尺寸
3.1.1 查取物性数据
定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。
故壳程液化液的定性温度为
T= =77.5℃
管程流体的定性温度为
t=℃
查得循环水与液化液的物性数据如下：

介质
密度
kg/m
比热容
℃)
黏度

导热系数
KJ/(m.℃)
液化液
1076
1.8
0.00142
0.15
循环水水（34℃）
994.3
4.174
0.000742
0.624

3.1.2 热负荷计算
根据设计的要求，换热器的处理能力设为110100吨/年。因此液化液的流量为：
Wh =110100t/年=

液化液的热负荷为：
13762.5×1.8×1000×(95-60)÷3600=240843.75W
循环水的流量为：

3.1.3 计算平均温度差
按逆流计算时的平均温度差为：
苯 95℃ 60℃
河水 42℃ 34℃
△t （95-42） （60-34）
综合以上分析，℃

按单壳程，双管程结构，查课本图4-19得

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，故取单壳程合适。
3.1.4 选K值，估算传热面积
由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=370W/(㎡k)则估算的传热面积为
故
3.1.4 选择管子尺寸
因为管程结垢不很严重和允许压力降较高，所以选用直径的管子比较合理。，取管内流速u2=1.0 m/s。

3.1.5 计算管子数和管长,对管子进行排列,确定壳体直径
单管程所需的管子数：
单程管束长度L为： 取13m
估算出壳体直径D
此时 ＞10，所以需对管束分程
考虑到管材的合理利用，选用标准管长为3米的管子。所分的程数为13/3=5程,共需管5*23=115。
3.1.6 壳体直径的计算
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。輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
D=a（b-1）+2e
式中 D—壳体内径，单位：mm；
a— 管心距，单位：mm；
b— 横过管束中心线的管数，管子按正三角行排列：；
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。
取换热器的总管数n=115，那么

取管心距a=1.4=1.425=35 mm；则D=35（11.80-1）+230=438mm
由于壳径的计算值应圆整到最接近颁布标准尺寸，所以取壳体直径D=500mm。此时壳壁厚S取10mm。
3.1.7 其他附件尺寸的选择
管板厚度=3d/4=0.75*25=18.75mm
管子与管板的连接 胀接法
折流板 采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则 切去的圆缺高度 H=0.25×290=72.5mm，故可取h=75mm 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
取折流板间距 B=0.3D，则 B=131.4mm取140mm
折流板数目
折流板圆缺面水平装配
折流板厚度5mm
折流板高度 70*D=320mm
拉杆直径 12
最小拉杆数 4
支撑板厚度8mm 折流板的选取与排列

管子排列方式：正三角形排列方式可在同样的管板面积上排列最多的管数,且本设计中的两中流体的热垢阻也较少,所以按正三角形排列。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
管心距为35mm，考虑到预留分程隔板的位置，在各程相邻管心距为44mm
接管
壳程流体进出口接管：取接管内液化液流速为u1=0.6m/s，则接管内径为
m
圆整后可取管内径为100mm。
管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=1.0m/s，则接管内径为

圆整后去管内径为100mm

3.2 核算压强降
3.2.1 管程压强降

管程流通面积为

3.2.2 壳程压强降

管按正三角形排列F=0.5 ,
取折流板的间距为h=0.14m
壳程流通面积

计算表明，管程和壳程的压强降都能满足题目要求
3.3 核算总传热面积
3.3.1 管程对流传热系数

3.3.2 壳程对流传热系数

换热器列管中心距 t=35mm
流体通过管间最大面积为

=

普朗特数：

℃)
3.3.3 污垢热阻
参考课本附录，根据流体的一些物理性质，可取：
管外侧污垢热阻
管内侧污垢热阻
管壁热阻可忽略不计，所以
3.3.4 总传热系数
=℃）
K/Ki=370/372=0.99
3.3.5 传热面积安全系数
理论面积：
实际面积：
安全系数：
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务
3.3.6壁温计算
因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式3-42计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为15℃，出口温度为39℃计算传热管壁温。另外，由于传凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是，按式恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。

式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为
(34+42)/2=38℃
(95+60)/2=77.5℃
2289w/㎡·k
1597w/㎡·k
传热管平均壁温
壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=77.5℃。壳体壁温和传热管壁温之差为
该温差较大，故需要设温度补偿装置。由于换热器壳程压力较大，因此，需选用浮头式换热器较为适宜。

第四章 主体设备结构图(见附图)

第五章 设计结果概要表
设计结果概要表
项目
指标
项目
指标
换热器类型
固定管板式换热器
管子与管板连接方法
胀接法
管子排列方式
正三角形排列
水进口温度
35℃
物料进口温度
95℃
水出口温度
42℃
物料出口温度
60℃
热负荷
2420843.75W
管板壁厚
18.75mm
单位处理量
13762.5kg/h
传热温差
23.63K
传热系数
372 W/（㎡•K）
折流板间距
75mm
管外流速
0.4m/s
管内流速
1.0m/s
管内流速
0.4m/s
折流板厚度
5mm
管程Re
10720
管子尺寸
ø25mm×2.5mm
冷却水用量
8.11kg/s
总管数
115
安全系数
27.12%
管程
5
折流板高度
320mm
管长
3m
拉杆直径
12mm
管心距
35mm
换热器内径
500mm
最小拉杆数
4
换热器壁厚
10mm
折流板数目
21
接管(物料)直径
0.01m
接管(水)直径
0.10m
材质
不锈钢

管程
壳程

表面传热系数
2289 W/（㎡•k）
1597 W/（㎡•k）

污垢热阻
0.0009 ㎡•k/W
0.0006 ㎡•k/W

阻力
11358.9 Pa
16324 Pa

第六章 对设计及问题的讨论
在设计计算中，要特别注意对管、壳程压降，总传热系数K，面积进行核算，如果合算结果不在合理范围内，必须调整相应设计。即换热器的管程和壳程压强降不大于30Kpa，总传热系数K与假设K0必须满足K/K0=1.15——1.25之间，而换热器的面积裕度大于15%~20%，这是都是考虑到生产安全的问题，如果不设计好，对生产过程中可能会带来一定的危险性。所以，在换热器设计时要综合考虑到这三方面最核心的问题，也是最麻烦的问题。实际设计是要求设计者反复计算，对各次结果进行比较后，从中定出较适宜的或者最优的设计。为此，设计中对考虑传热的要求、成本、设备的尺寸和压强降等是至关重要的。鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
通常，进行换热器的选择和设计时，应满足传热要求的前提下，再考虑其他各项的问题。它们之间往往是相互矛盾的。例如，若设计换热器的总传热系数比较大，将导致流体通过换热器的压强降增大，相应地增加了动力费用；若增加换热器的表面积，可能使总传热系数或压强降减少，但却又要受到换热器所能允许的尺寸的限制，且换热器的造价也提高了。此外，其他因素（如加热介质和冷却质用量、换热器的操作和检修等）也是不可忽略的。总之，设计者应综合分析考虑上述因素，给予细心的判断，以便作出一个适宜的设计。硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
在整个设计的过程中，最大的困难就是参考资料不够，很难查到需要的数据。并且不同的参考资料的参数也有一些差别，这使我们很难做出正确的选择，必须查阅更多的资料，才能得到比较正确、实际的数据。因此在制图的时候相对较难，要查阅大量相关的资料和请教老师和同学最后才完成，但是由于我们没有学习CAD软件与制图，可能绘图方面出现误差较大，而且绘图也相对简单，未能达到要求。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
通过本次课程设计，使我们的独立工作能力、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、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。而且锻炼了我们互相合作的精神，在完成的过程中相互学习，一起想办法、找资料解决不懂的问题。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。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。

第七章 参考文献
【1】夏清等编著《化工原理》天津大学出版社2007.8
【2】贾绍义等编著 《化工原理及实验》高等教育出版社2004.6
【3】连之伟等编著 《热质交换原理与设备》 中国建筑工业出版社 2001.9
【4】陈志平等编著 《过程设备设计与选型基础》 浙江大学出版社 2005.9
【5】李雁、宋贤良 《化工原理课程设计指导书》高等教育出版社 2006.8
【6】管国锋等主编 《化工原理》化学工业出版社2003.7
【7】尹先清主编 《化工设计》石油工业出版社 2006.7
【8】史美中主编 《热交换器原理与设计》南京东南大学出版社 2003.8
【9】匡国柱、史启才主编 《化工单元过程及设备课程设计》化学工业出版社教2002.1
【10】杨裕根、诸世敏主编 《现代工程图学》北京邮电大学出版社 2008.4
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