水蒸汽加熱苯甲苯混合液臥式列管換熱器的設(shè)計(jì)

1、學(xué) 號(hào) 35課程設(shè)計(jì) 題 目水蒸汽加熱苯-甲苯混合液臥式列管換熱器的設(shè)計(jì) 學(xué) 院 化學(xué)工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 制藥0903 姓 名 指導(dǎo)老師 2011年 8月課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 劉麗娜 專業(yè)班級(jí)： 制藥0903班 指導(dǎo)教師： 工作單位： 化學(xué)工程學(xué)院 題 目: 水蒸汽加熱苯-甲苯混合液臥式列管換熱器的設(shè)計(jì) 初始條件：設(shè)計(jì)一臺(tái)臥式列管換熱器，將質(zhì)量流量為80噸/小時(shí)的苯-甲苯（X1=0.4）混合液從20加熱到94，加熱介質(zhì)采用300kPa絕壓的飽和水蒸汽，冷凝液在飽和溫度下排出，要求換熱器的管程壓降小于70kPa。要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書撰寫等具體要求

2、）1、合理的參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2、工藝計(jì)算，包括傳熱計(jì)算和壓降計(jì)算等；3、主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計(jì)。時(shí)間安排：設(shè) 計(jì) 內(nèi) 容所用時(shí)間1、根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)方案；1天2、初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸； 1天3、核算換熱器的傳熱面積和流體阻力；1天4、確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)；1天5、寫出設(shè)計(jì)說(shuō)明書。1天指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄設(shè)計(jì)任務(wù)書2緒論4符號(hào)說(shuō)明7工藝計(jì)算8 確定物性數(shù)據(jù)8 確定計(jì)劃方案9 計(jì)算總傳熱面積9 工藝結(jié)構(gòu)尺寸10 換熱器核算10設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果一覽表15結(jié)束語(yǔ)16參考文獻(xiàn)17緒論一、列管式換熱器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)管殼式換熱器(shell a

3、nd tube heat exchanger)又稱列管式換熱器。是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型。 根據(jù)冷熱流體換熱方式的不同可將換熱器分為混合式換熱器、蓄熱式換熱器和間壁式換熱器。其中以間壁式換熱器應(yīng)用最為廣泛，型式也最為多樣。按換熱器傳熱面形狀和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，間壁式換熱器又可分為管式換熱器、板式換熱器和特殊式換熱器三類。列管式換熱器是化工生產(chǎn)中常用的一種換熱設(shè)備, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 適應(yīng)性強(qiáng); 單位體積所具有的傳熱面積大并傳熱效果好; 而且種類多, 型號(hào)全。列管換熱

4、器主要特點(diǎn)： 1、耐腐蝕性：聚丙烯具有優(yōu)良的耐化學(xué)品性，對(duì)于無(wú)機(jī)化合物，不論酸，堿、鹽溶液，除強(qiáng)氧化性物料外，幾乎直到100都對(duì)其無(wú)破壞作用，對(duì)幾乎所有溶劑在室溫下均不溶解，一般烷、徑、醇、酚、醛、酮類等介質(zhì)上均可使用。2、耐溫性：聚丙烯塑料熔點(diǎn)為164-174，因此一般使用溫度可達(dá)110-125。3、無(wú)毒性：不結(jié)垢，不污染介質(zhì)，也可用于食品工業(yè)。4、重量輕：對(duì)設(shè)備安裝維修極為方便。二、管殼式換熱器的選用和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟1、浮頭式換熱器結(jié)構(gòu) 換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個(gè)頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做

5、浮頭式換熱器。其優(yōu)點(diǎn)是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時(shí)，不會(huì)因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。浮頭式換熱器，管束一端的管板可自由浮動(dòng)，完全消除了熱應(yīng)力;且整個(gè)管束可從殼體中抽出,便于機(jī)械清洗和檢修。浮頭式換熱器的應(yīng)用較廣，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價(jià)較高。 浮頭式換熱器2、試算初步選設(shè)備規(guī)格確定流體在換熱器中的流動(dòng)途徑。附表一附表一 列管式換熱器易燃、易爆液體和氣體允許的安全流速液體名稱乙醚、二氧化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮?dú)錃獍踩魉?，m/s123108根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷Q。確定流體在換熱器兩端的溫度，選擇管殼式

6、換熱器的類型；計(jì)算定性溫度，并確定在定性溫度下的物體物性。計(jì)算平均溫度差，并根據(jù)溫度校正系數(shù)不小于0.8的原則，決定殼程數(shù)。依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍，選定總傳熱系數(shù)K。由初步算出S，并確定換熱器基本尺寸。 換熱管規(guī)格和排列選擇換熱管直徑越小，換熱器單位容積的傳熱面積越大。因此對(duì)于潔凈的流體可完管徑可取得小些。但對(duì)于不潔凈或易結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)取的大些，以免堵塞。為了制造和維修的方便，我國(guó)目前試行的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用f192mm和f252.5mm兩種規(guī)格，管長(zhǎng)有1.5、2.0、3.0、6.0m，排列方式：正三角形、正方形直列和錯(cuò)列排列，見下圖。各種排列方式的優(yōu)點(diǎn)：3、計(jì)算管程，殼程壓強(qiáng)降 初步計(jì)

7、算管程，殼程流體的流速和壓強(qiáng)降，檢查結(jié)果是否合理，滿足工藝要求。若壓強(qiáng)降不符合要求，再確定管程數(shù)或折流板間距，或重新調(diào)整流速，再確定各種尺寸，直到壓降滿足要求為止。4、核算中傳熱系數(shù)根據(jù)流體性質(zhì)選擇適當(dāng)?shù)墓笇訜嶙鑂，由R、和計(jì)算，再由傳熱基本方程計(jì)算。當(dāng)小于初選換熱器實(shí)際所具有的傳熱面積，則計(jì)算可行。考慮到所用換熱器計(jì)算式的準(zhǔn)確度及其他未可預(yù)料的因素，應(yīng)使選用換熱器面積有15%25%的裕度，即=1.151.25，否則應(yīng)重新估計(jì)一個(gè)，重復(fù)以上計(jì)算。 符號(hào)說(shuō)明英文字母B折流板間距，m;C系數(shù)，無(wú)量綱；d管徑，m；D換熱器外殼內(nèi)徑，m；f摩擦系數(shù)；F系數(shù)；h圓缺高度；K總傳熱系數(shù)，W/（m2）；L管

8、長(zhǎng)，m；m程數(shù)；n指數(shù)； 管數(shù)； 程數(shù)；N管數(shù)； 程數(shù)；NB折流板數(shù)；Nu努賽爾準(zhǔn)數(shù)；P壓力，Pa； 因數(shù)；Pr普蘭特準(zhǔn)數(shù)；q熱通量，W/m2；Q傳熱速率，W；r半徑，m； 氣化熱，kJ/kgR熱阻，m2/W 因數(shù)；Re雷諾準(zhǔn)數(shù)；S傳熱面積，m2；t冷流體溫度，； 管心距，m；T熱流體溫度，；u流速，m/s；W質(zhì)量流量，kg/s。希臘字母對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m)有限差值；導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)；粘度，Pas；密度，kg/m3；校正系數(shù)。下標(biāo)i管內(nèi)；m平均；o管外；s污垢。工藝計(jì)算一、確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值殼程水蒸汽溫度的定性溫度為（300kPa絕壓下的水蒸汽T=133.

9、3）管程流體的定性溫度為=根據(jù)定性溫度，分別查取有關(guān)物性數(shù)據(jù)水蒸汽在133.3下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下密度 =1.651 kg/m3定壓比熱容 =1.9735 kJ/(kg)導(dǎo)熱系數(shù) =0. W/(m)黏度 =1.33105 PaS液化熱 =2168.1kJ/kg苯-甲苯混合液（X1=0.4）在57下的物性數(shù)據(jù)如下密度 =834. kg/m3定壓比熱容 =1.686 kJ/(kg)導(dǎo)熱系數(shù) =0. W/(m)黏度 =3.93104 Pas二、確定計(jì)劃方案選擇換熱器類型 兩流體溫度變化情況：熱流體（水蒸汽）進(jìn)口溫度133.3，出口溫度133.3；冷流體（苯-甲苯）進(jìn)口溫度20，出口溫度94。估計(jì)管壁

10、溫和殼壁溫之差較大，再加上所受壓力較大，因此選用浮頭式換熱器。流動(dòng)空間及流速的確定由于飽和蒸汽宜走殼程，飽和蒸汽比較清潔，而且冷凝液容易排出；苯-甲苯混合液走管程。三、估計(jì)總傳熱面積熱流量水蒸汽流量平均傳熱溫度傳熱面積，根據(jù)流體情況，假設(shè)四、工藝結(jié)構(gòu)尺寸由浮頭式（內(nèi)導(dǎo)流）換熱器的基本參數(shù)表*查得殼徑/mm700管子尺寸/mmf252.5mm公稱壓強(qiáng)/mPa2.5管長(zhǎng)/m4.5公稱面積92.1管子總數(shù)268管程數(shù)2管子排列方法正方形斜轉(zhuǎn)45若選用該型號(hào)換熱器，則要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為五、換熱器核算1、核算壓強(qiáng)降管程流動(dòng)阻力管程阻力等于流體流經(jīng)傳熱管直管阻力和管程局部阻力之和。即 為管程結(jié)垢校正系

11、數(shù)，量綱為1，對(duì)f252.5mm的管子可近似取1.4。*化工原理上冊(cè)，2）浮頭式（內(nèi)導(dǎo)流）換熱器的基本參數(shù)，天津大學(xué)出版社2005年版，第367頁(yè)。管程流體通截面積管程流體流速設(shè)管壁粗糙度，查圖*得所以 管程流動(dòng)阻力小于70kPa，符合設(shè)計(jì)條件。 2、熱流量核算殼程對(duì)流傳熱系數(shù)蒸汽在水平管束外冷凝，可采用凱恩（Kern）估算式，根據(jù)兩流體溫度與傳熱系數(shù)，假設(shè)tw=115管程對(duì)流傳熱系數(shù)*化工原理上冊(cè)，圖1-27 摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)及相對(duì)粗糙度的關(guān)系，天津大學(xué)出版社2005年版，第54頁(yè)。普蘭特準(zhǔn)數(shù)傳熱系數(shù)K查表*知污垢熱阻，管壁導(dǎo)熱系數(shù) 故此換熱器合適。*化工原理上冊(cè)，壁面污垢的熱阻（污垢系數(shù)

12、），天津大學(xué)出版社2005年版，第354頁(yè)。傳熱面積裕度傳熱面積該換熱器的實(shí)際傳熱面積A 則該換熱器的面積裕度按式/在1.151.25范圍內(nèi)，傳熱面積裕度合適，該換熱器能完成生產(chǎn)任務(wù)。故該換熱器合適。3、壁溫核算因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故壁溫可按式 計(jì)算。由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較小。計(jì)算中應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)熱。于是上式變?yōu)?氣體平均溫度液體平均溫度（端流）帶入計(jì)算得 與凱恩式中假設(shè)相差不大，故假設(shè)合適。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果一覽表參數(shù)管程殼程流量（kg/h）900

13、00進(jìn)/出口溫度（）20/94133.3/133.3壓力（kpa）常壓300（絕壓）物性參數(shù)定性溫度（）57密度（kg/m3）834.53935.3302定壓比熱容（J/(kg)）1686.13541973.5粘度（PaS）0.0.熱導(dǎo)率（W/(m)）0.0.6862普朗特?cái)?shù)5.36設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式臺(tái)數(shù)1管體內(nèi)徑（mm）20殼程數(shù)1管徑（mm)25管子排列正方形斜轉(zhuǎn)45管長(zhǎng)（mm）4500材質(zhì)碳鋼管數(shù)目（根）268傳熱面積（m2）484.568管程數(shù)2污垢熱阻(m2k)/w)1.7210-48.6010-5主要計(jì)算結(jié)果流速（m/s）0.7116表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(w/(m2k)1067.446

14、48.6阻力(kpa)6892.54傳熱量（W）傳熱溫差（K）69傳熱系數(shù)(w/(m2k)573.36裕度15.79%結(jié) 論課程設(shè)計(jì)是化工原理課程的一個(gè)總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識(shí)去解決某一設(shè)計(jì)任務(wù)的一次訓(xùn)練。課程設(shè)計(jì)不同于平時(shí)的作業(yè)，在設(shè)計(jì)中需要自己做出決策，即自己確定方案，選擇流程，查取資料，進(jìn)行過(guò)程和設(shè)備計(jì)算，并要對(duì)自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過(guò)反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計(jì)。 通過(guò)課程設(shè)計(jì),我以下幾個(gè)方面的能力得到了提升 (1)查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻(xiàn)中和從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中搜集)的能力； (2)樹立既考慮技術(shù)上

15、的先進(jìn)性與可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意到操作時(shí)的勞動(dòng)條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計(jì)思想，在這種設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下去分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力； (3)迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算的能力； (4)用簡(jiǎn)潔的文字，清晰的圖表來(lái)表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)計(jì)算，以及相關(guān)的核算過(guò)程?？梢员容^出所設(shè)計(jì)的換熱器大致能滿足生產(chǎn)要求。其中設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算值K=500W/(m2k)，Tw=115，與校核所得的K=484.56 W/(m2)，Tw=117都相差不大，且換熱器的換熱面積92.12m2也有15.8%的裕量，以及最后流動(dòng)阻力的計(jì)算結(jié)果都在生產(chǎn)工藝要求的范圍之內(nèi)。說(shuō)明這次的換熱器的設(shè)計(jì)是可以實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)的。通過(guò)這次設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，我們需要耐心地計(jì)算好每一步，需要學(xué)會(huì)在不斷地演算中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并通過(guò)查閱資料和聯(lián)系實(shí)際來(lái)解決這些問(wèn)題，。要能夠善于前后聯(lián)系，整體上把握好設(shè)計(jì)的方向?？偟膩?lái)說(shuō)，這次的設(shè)計(jì)還是比較