化工原理換熱器設(shè)計(jì)

1、化工原理換熱器設(shè)計(jì)丁二烯蒸汽冷凝器的設(shè)計(jì)年級：2014級姓名:逄江華學(xué)號:2014094068班級：化學(xué)工程與工藝班前言一、換熱器的種類 固定管板式換熱器管板式換熱器 浮頭式換熱器填料涵式換熱器換熱器 套管式換熱器蛇形式換熱器二、換熱器的特點(diǎn)1.管殼式換熱器管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用，造價低廉，用材廣泛，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為以下幾種：固定管板式換熱器固定管板式換熱器兩端的管板與殼體連在一起，這類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于50且殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。

2、帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，其膨脹節(jié)的彈性變形可減小溫差應(yīng)力，這種補(bǔ)償方法適用于兩流體溫差小于70且殼方流體壓強(qiáng)不高于600Kpa的情況。浮頭式換熱器浮頭式換熱器的管板有一個不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)。浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清洗和檢修，適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱，應(yīng)用極為普遍，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。填料涵式換熱器填料涵式換熱器管束一端可以自由膨脹，與浮頭式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，但殼程流體有外漏的可能性，因此殼程不能處理易燃，易爆的流體。2.蛇管式換熱器蛇管式換熱器是管式換熱器中結(jié)構(gòu)最簡單，操作最方便的一種換熱設(shè)備，通常

3、按照換熱方式不同，將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。3.套管式換熱器套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管，其內(nèi)管用U型時管順次連接，外管與外管互相連接而成，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要增減，適當(dāng)?shù)剡x擇管內(nèi)、外徑，可使流體的流速增大，兩種流體呈逆流流動，有利于傳熱。此換熱器適用于高溫，高壓及小流量流體間的換熱。三、換熱器的發(fā)展趨勢70年代的世界能源危機(jī)，有力地促進(jìn)了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，要求開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設(shè)備。這是因?yàn)椋S著能源的短缺(從長遠(yuǎn)來看，這是世界的總趨勢)，可利用熱源的溫度越來越低，換熱允

4、許溫差將變得更小，當(dāng)然，對換熱技術(shù)的發(fā)展和換熱器性能的要求也就更高。所以，這些年來，換熱器的開發(fā)與研究成為人們關(guān)注的課題。最近，隨著工藝裝置的大型化和高效率化，換熱器也趨于大型化，并向低溫差設(shè)計(jì)和低壓力損失設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。同時，對其一方面要求成本適宜，另一方面要求高精度的設(shè)計(jì)技術(shù)。當(dāng)今換熱器技術(shù)的發(fā)展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成了一個高技術(shù)體系。近年來，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，強(qiáng)化傳熱元件的開發(fā)，使得新型高效換熱器的研究有了較大的發(fā)展，根據(jù)不同的工藝條件與換熱工況設(shè)計(jì)制造了不同結(jié)構(gòu)形式的新型換熱器，并已在化工、

5、煉油、石油化工、制冷、空分及制藥各行業(yè)得到應(yīng)用與推廣，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)計(jì)任務(wù)（一）設(shè)計(jì)題目：丁二烯蒸汽冷凝器的設(shè)計(jì)（二) 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 1：處理能力 7510kg/h飽和丁二烯蒸汽， 2：設(shè)備形式 立式列管冷凝器 3：操作條件（1） 飽和丁二烯蒸汽：（溫度40，冷凝潛熱為373kJ/kg），冷凝液于飽和溫度離開冷凝器（2） 冷卻介質(zhì)：水 入口溫度15，出口溫度35，流量：自己計(jì)算（3） 允許壓強(qiáng)降：不大于150kpa（4） 飽和丁二烯定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：自查（5） 每年按330天計(jì)，每天24h連續(xù)運(yùn)行(三）設(shè)計(jì)內(nèi)容：1、設(shè)計(jì)方案的選擇及流程說明2、工藝計(jì)算，及校核3、主要設(shè)備工

6、藝尺寸設(shè)計(jì) （1）立式列管冷凝器結(jié)構(gòu)尺寸的確定 （2）傳熱面積、兩側(cè)流體壓降校核 （3）接管尺寸的確定4、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總5、換熱器裝備圖及工藝流程圖（手工繪圖要求2號或3號；若計(jì)算機(jī)繪圖要求3號或4號）6、設(shè)計(jì)評述設(shè)計(jì)與選型的具體步驟一估算傳熱面積，初選換熱器型號1.查取冷熱流體在該定性溫度下的物性。2.根據(jù)換熱任務(wù)，計(jì)算傳熱量。3.確定流體在換熱器中的流動途徑。4.計(jì)算平均溫度差，并根據(jù)溫度差校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原則，確定殼程數(shù)。5.根據(jù)兩流體的溫度差和設(shè)計(jì)要求，確定換熱器的型號6.根據(jù)換熱流體的性質(zhì)及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選取總傳熱系數(shù)值K選7.根據(jù)總傳熱系數(shù)方程，初步計(jì)算傳熱面積S，并確定換熱器的

7、基本尺寸或按系列標(biāo)準(zhǔn)選設(shè)備規(guī)格。二計(jì)算管殼程壓力降1.殼程壓力降.2.管程壓力降。三核算總傳熱系數(shù)1殼程對流傳熱系數(shù)2.管程對流傳熱系數(shù)3.污垢熱阻4.總傳熱系數(shù)K5.K值與K選比較，若K/K選=1.151025，則初選換熱器合適，否則另選K選，重新計(jì)算，步驟同上。1、估算傳熱面積，初選換熱器型號 1.1基本物性數(shù)據(jù)的查取: 因?yàn)槭怯盟淠?,3-丁二烯，所以其溫度不變，其定性溫度為40此溫度下的丁二烯的物性參數(shù)：0=595kg/m3 Cp0=2.0kJ/(kg）p0=0.248W/(m） 0=0.000275Pas冷卻水的定性溫度：T= 15+302 =25（）此溫度下的水的物性參數(shù)：i=9

8、96.8kgm3 i=0.0008937Pa sCpi=4.179kJ(Kg) pi=0.6075W(m)2、計(jì)算冷凝量、熱負(fù)荷、水耗量、普蘭特準(zhǔn)數(shù)、平均傳熱溫差冷凝量W1=75103600=2.09kgs熱負(fù)荷Q=W1r=7510373=2801230kJh=778.1kJs水耗量Wi=QCpit2-t1=28012304.17（35-15）=33587.9kgh=9.33kgs普蘭特準(zhǔn)數(shù) Pr=Cpi ipi=4.1610000.00080.616=5.4平均傳熱溫差 t1=40-15=25（） t2=40-35=5()由t1t2=2552tm=t2-t1lnt2t1=5-25ln525=

9、12.43()由R、P值，查圖5-11（a）=1.0，因?yàn)?.8，選用單殼程可行。3、確定管徑和初選管速從腐蝕性、傳熱面積和價格三方面綜合考慮后，選用252.5mm無縫鋼管，此管的內(nèi)徑di=0.02m。 綜合考慮管內(nèi)Re,管程壓降p及單程管數(shù)三方面的因素，水的流速選為0.6 ms。4、估算總傳熱系數(shù)K有機(jī)物蒸汽-水系統(tǒng)冷凝操作的傳熱系數(shù)K值范圍為500-1500W/(m2)Re=diiuii=0.029960.60.0008937=13374i=0.023idi(diuiii)0.8(Cpiii)0.4=0.0230.60750.020(13374)0.8(4.1791030.00089370

10、.6075)0.4=2892.1W/(m2）殼程傳熱系數(shù)：假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)0=2500W/(m2）污垢熱阻Rsi=0.00058m2K/WRs0=0.000176m2K/W管壁的導(dǎo)熱系數(shù)=45W/(m）K=1doidi+Rsidodi+bdodm+Rso+10=10.0252892.10.020+0.000580.0250.020+0.00250.025450.020+0.000176+12500=554.8W/(m2)5、計(jì)算傳熱面積傳熱面積 S=QKtm=778.1103554.812.43=112.83(m2)6、確定換熱器工藝結(jié)構(gòu)尺寸6.1單程管數(shù)為：n=Wu4di2=49.330.

11、63.140.022996.8=49.750（根）6.2 單程管長為：l=Sndo=9.3503.140.025=2.4（m）6.3選定換熱器管長l=2m，則管程數(shù)Np為Np=2.42=1.2取Np=2程，則總管數(shù)為：n=2n=250=100（根）6.4初選換熱器根據(jù)S=112.83m2，n=100根，Np=2，選用G700-2-16-158.4列管換熱器，其實(shí)際傳熱面積為158.4m2，有關(guān)參數(shù)如下：公稱直徑DN 700mm 公稱壓力PN 1.6106Pa傳熱面積 158.4m2 管程數(shù)Np 管 數(shù) 342 管 長 2m管子規(guī)格 252.5mm 管心距 32mm管子排列方式 正三角形6.5管

12、程壓降的計(jì)算Rei=diiuii其中，ui為選定換熱器的實(shí)際操作流速，由下式計(jì)算ui=Vin4di2式中 Vi=W=9.33996.8=0.0093（m3/s)n=3422=171(根）所以 ui=0.009317140.022=0.17（m/s）故 Rei=0.020.17996.80.0008937=3792.2由于Rei=3792.2，根據(jù)傳熱管相對粗糙度0.0075，查莫狄圖得i=0.039W/（m），又取管程結(jié)垢校正系數(shù)Ft=1.5，故得管程壓降為pi=pildi+3FtNpiui22=0.03960.02+31.52996.80.1722=635.2N/m250故i=0.023id

13、i(diuiii)0.8(Cpiii)0.4=0.0230.60750.0237920.8(6.15)0.4=1054.1W/(m2）6.7 計(jì)算冷凝給熱系數(shù)o一般情況下，水平管的冷凝給熱系數(shù)大于垂直管的冷凝給熱系數(shù)，所以列管換熱器選用水平安裝方式。對于n根水平管束，可用下式計(jì)算冷凝給熱系數(shù)0=2.0232lnW=2.020.60.2483595263420.00027575103600=3280W/m26.8 計(jì)算K值K=1doidi+Rsidodi+bdodm+Rso+1o =10.0251054.100.02+0.000580.0250.020+0.00250.025450.0225+0

14、.000176+13280=408.2W/(m2)6.9 計(jì)算傳熱面積及安全系數(shù)S=QKtm=778.1103408.212.43=153.4（m2）實(shí)際換熱器的傳熱面積為158.4m2，故安全系數(shù)為158.4153.4=1.03有合適的傳熱面積裕度，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。6.10 計(jì)算管束與殼體溫差根據(jù)對流傳熱速率可得 Q=iS(tw-tw)故tw=QiS+tm=7781001054.1158.4+28.5=33.1而管束的平均溫度為tmg=tw+tw2=40+33.12=36.6()則殼體與管束的溫差為t=T-tmg=40-36.6=3.456.47以上各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果表明，所選型號的換熱

15、器合用。6.11. 計(jì)算接管殼程流體進(jìn)出接管：已知飽和丁二烯蒸汽的密度=2.453kg/m3,取丁二烯流速為25m/s，則丁二烯入口接管內(nèi)徑為：d=4Vu=4751036002.4533.1425=0.208（m）取標(biāo)準(zhǔn)管徑為207mm，取標(biāo)準(zhǔn)管2196mm取接管內(nèi)丁二烯流速為u=1.0m/s，則接管內(nèi)徑為d=4Vu=4751036005953.141.0=0.067（m）取標(biāo)準(zhǔn)管徑為70mm，取標(biāo)準(zhǔn)管763mm管程流體進(jìn)出接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為d=4280123036009963.141.5=0.81取標(biāo)準(zhǔn)管徑為150mm，取標(biāo)準(zhǔn)管1594.5mm6.12計(jì)算

16、折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為h=0.3700=210mm取折流板間距 B=0.3D,則B=0.3700=240mm,可取B為300mm。折流板數(shù) N=傳熱管長折流板間距-1=6000300=19塊折流板圓缺面水平裝配。7、換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表1冷熱流體物性數(shù)據(jù)表物料名稱操作壓操作溫度污垢系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)比熱流體密度粘度MPam2K/WW/(mK）kJ/kgKg/m3mPa/s冷卻水0.115/350.000580.60754.179996.80.0008937丁二烯0.1400.0001760.2482.05950.000275表2管程、殼程計(jì)算數(shù)據(jù)表名稱流量流速傳熱量總傳熱系數(shù)對流傳熱系數(shù)阻力降程數(shù)使用材料kg/ hm/sKWW/m2KW/m2KMPa管程33587.90.17778.1408.21054.1635.22無縫鋼管殼程751032801無縫鋼管表3 工藝設(shè)備尺寸表換熱器型式換熱面積/m2管子規(guī)格管數(shù)管長mm管間距mm排列方式折流板型式間距mm切口高度殼體內(nèi)徑mm固定管板式158.4252.5342200032三角形上下30025%70011