化工原理課程設計換熱器設計

1、化工原理計設計任務：換熱器班級：13 級化學工程與工藝（ 3）班姓名：魏苗苗學號：1320103090目錄化工原理課程設計任務書設計概述3試算并初選換熱器規(guī)格61. 流體流動途徑的確定62. 物性參數及其選型63. 計算熱負荷及冷卻水流量 74. 計算兩流體的平均溫度差75. 初選換熱器的規(guī)格7工藝計算101. 核算總傳熱系數102. 核算壓強降13設計結果一覽表 16經驗公式16設備及工藝流程圖 17設計評述17參考文獻18化工原理課程設計任務書、設計題目:設計一臺換熱器操作條件:1、苯：入口溫度80C，出口溫度40C。2、冷卻介質：循環(huán)水，入口溫度 32.5 C。3、允許壓強降：不大于50

2、kPa。4、每年按300天計，每天24小時連續(xù)運行三、設備型式:四、處理能力:五、設計要求:管殼式換熱器109000噸/年苯1、選定管殼式換熱器的種類和工藝流程。2、管殼式換熱器的工藝計算和主要的工藝尺寸的設計 3、設計結果概要或設計結果一覽表。4、設備簡圖。(要求按比例畫出主要結構及尺寸)5、對本設計的評述及有關問題的討論。六、附表：出口溫度殼體內部空間利用率1 設選定管程流速u (m/s)1.1 殼程流體進出口接管流的概念體流速u1 (m/s);管程流體進出口接管流J 體流速u2 (m/s)40.5 C70%計概述熱量傳遞與意義1.5熱量傳遞是指由于溫度差引起的能量轉移，簡稱傳熱。由熱力學

3、第二定 律可知，在自然界中凡是有溫差存在時，熱就必然從高溫處傳遞到低溫處， 因此傳熱是自然界和工程技術領域中極普遍的一種傳遞現象。1.1.2 化學工業(yè)與熱傳遞的關系化學工業(yè)與傳熱的關系密切。這是因為化工生產中的很多過程和單元操 作，多需要進行加熱和冷卻，例如：化學反應通常要在一定的溫度進行，為 了達到并保持一定溫度，就需要向反應器輸入或輸出熱量；又如在蒸發(fā)、蒸 餾、干燥等單元操作中，都要向這些設備輸入或輸出熱量。此外，化工設備 的保溫，生產過程中熱能的合理利用以及廢熱的回收利用等都涉及到傳熱的 問題，由此可見；傳熱過程普遍的存在于化工生產中，且具有極其重要的作 用?？傊?，無論是在能源，宇航，化

4、工，動力，冶金，機械，建筑等工業(yè)部 門，還是在農業(yè)，環(huán)境等部門中都涉及到許多有關傳熱的問題。應予指出，熱力學和傳熱學既有區(qū)別又有聯系。熱力學不研究引起傳熱 的機理和傳熱的快慢，它僅研究物質的平衡狀態(tài)，確定系統由一個平衡狀態(tài) 變成另一個平衡狀態(tài)所需的總能量；而傳熱學研究能量的傳遞速率，因此可 以認為傳熱學是熱力學的擴展。1.1.3 傳熱的基本方式根據載熱介質的不同，熱傳遞有三種基本方式：1.1.3.1 熱傳導（又稱導熱） 物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分 子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導。熱 傳導的條件是系統兩部分之間存在溫度差。1.1.3.2 熱對流（簡稱對流

5、） 流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱 傳遞過程稱為熱對流。熱對流僅發(fā)生在流體中，產生原因有二：一是因流體 中各處溫度不同而引起密度的差別，使流體質點產生相對位移的自然對流； 二是因泵或攪拌等外力所致的質點強制運動的強制對流。此外，流體流過固體表面時發(fā)生的對流和熱傳導聯合作用的傳熱過程， 即是熱由流體傳到固體表面（或反之）的過程，通常稱為對流傳熱。1.1.3.3 熱輻射 因熱的原因而產生的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射的特點是：不僅有能量的傳遞，而且還有能量的轉移。1.2換熱器的概念、意義及基本設計要求換熱器的概念及意義：在化工生產中為了實現物料之間能量傳遞過程需要一種傳熱設備。這種設

6、備統稱為換熱器。在化工生產中，為了工藝流程的需要， 往往進行著各種不同 的換熱過程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝。換熱器就是用來進行這些熱傳遞 過程的設備，通過這種設備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞到溫度較低 的流體，以滿足工藝上的需要。它是化工煉油，動力，原子能和其他許多工 業(yè)部門廣泛應用的一種通用工藝設備，對于迅速發(fā)展的化工煉油等工業(yè)生產來說，換熱器尤為重要。換熱器在化工生產中， 有時作為一個單獨的化工設 備，有時作為某一工藝設備的組成部分，因此換熱器在化工生產中應用是十分廣泛的。任何化工生產中，無論是國內還是國外， 它在生產中都占有主導 地位。換熱器設計要求:序號特別要求1對事故工況的校核

7、2對管箱隔板強度的校核3各部件吊耳安裝位置的校核4浮頭式和U形管束固定管板外徑延伸，使管板兼作試壓法蘭時的強度校核5管板的剛度校核6風載荷和地震載荷的校核7進出口接管承受管線載荷的校核8疊裝換熱器中，底下那臺換熱器的校核9鞍式支座的校核10外表油漆干膜厚度的檢測11封頭熱壓成形時，終壓溫度的檢測12殼體直線度的檢測13氫工況的判別及材料要求1. 3管殼式換熱器的簡介 板式換熱器、U型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。管殼式換熱器由管箱、殼體、管束等主要元件構成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為 導熱元件，決定換熱器的熱力性能。另一個對換熱器熱力

8、性能有較大 影響的基本元件是折流板（或折流桿）。管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能力及操作運行的安全可靠性。工作原理：管殼式換熱器和螺旋板式換熱器、板式換熱器一樣屬于間壁式換熱器，其換熱管內構成的流體通道稱為管程，換熱管外構成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過兩不同溫度的流體時，溫度較高的流體通過換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，溫度較高的流體被冷卻，溫度較低的流體被加熱，進而實現兩流體換熱工藝目的。主要技術特性：1、耐高溫高壓，堅固可靠耐用；2、制造應用歷史悠久,制造工藝及操作維檢技術成熟；3、選材廣泛，適用范圍大。2.試算并初選換熱器規(guī)格2.1流體流動途徑的確定本換熱器處理的是兩

9、流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，且水易結垢，根據兩流體的情況，故選擇循環(huán)水走換熱器的管程，苯走殼程。2.2確定流體的定性溫度、物性數據，并選擇列管換熱器的型式定性溫度冷卻介質為循環(huán)水，入口溫度為：25 C,出口溫度為：33 C；80 40 Tm60苯的定性溫度：2C；水的定性溫度：tF (25+33) /2=29 C；兩流體的溫差：Tm tm60 27.5 32.5 C兩流體溫差不大于50C,不考慮熱補償；故選用固定管板式列管換熱器。2.2.2 物性數據苯二 0.381 cp=0.381mPa s水二 0.807 cp=0.807mPa sCP苯二 0=1.828KJ/(C)Cp水二 4.176K

10、J/( kk C) 苯二 0.151W/(m- C) 水=0.613W/(m C)兩流體在定性溫度下的物性數據如下：物性流體密度 k /m3比熱KJ/(oC)粘度mPas導熱系W/(m- oC)苯836.61.8280.3810.151水995.74.1760.8070.6132.3計算熱負荷和冷卻水流量2.3.1 熱流體流量：W=134000000/(300*24)= 18611.11111kg/h2.3.2 熱負荷：Q= W*C 苯*1000* (80-40) /3600= 378012.3457W2.3.3 冷流體的質量流量：W=Q*3600/1000/C 水/(32-25)= 4075

11、3.60699 kg/h2.4計算兩流體的平均溫度差按單殼程、多管程進行計算，逆流時平均溫度差為：平均溫度差 t =( t2 t1 ) /ln( t2/ t1)=(80-33)-(40-25)/l n (80-33)/(40-25)= 28.02242溫度矯正系數P=(t2-t1)/(T2-T1)=(33-25)/(80-40)=0.145R=(T1-T2)/(t2-t1)=(80-40)/(33-25)=5由化工原理上冊 P238頁查圖4 19可得：t=0.92所以 tm=A t * t C 不需要熱補償 又因為0.920.8，故可選用單殼程的列管換熱器。2.5試算和初選換熱器的規(guī)格2.5.

12、1 初定K值：根據低溫流體為水，高溫流體為有機物(參見化工原理P355)有K值的范圍:2 o 2430 850W/( m C), 假設 K0=300W/(m C )2.5.2 單管程的管子根數：因為水走管程且初選025*2.5 , L= 6m的列管，所以設 Ui=1m/sVuidi2 nj由4可求得：V=40753.60699 kg/h /(995.7*3600)=0.01137mA3ni 取 37 根傳熱面積：S=Q/( tm*K0)=48.88mA2單管程管長：Li=S/(3.14*d o*n i)=16.83m管程數：Np=L/L=16.83/6=2.84初選管程為 Np=3總管數：n=

13、Np* ni =3*37=111 根管心距：t=1.25*d 0=1.25*25=32mm計算殼徑：D=1.05*t* (111/0.7 ) A1/2=423mm取整：450mm折流板：采用弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%則切去的圓缺高度為h=0.25*450=112.5mm，取 h=110mm折流板間距取B=150mm折流板數：2=傳熱管長/折流板間距-1=6000/150-仁39塊折流板圓缺面水平裝配接管：殼程流體進出口接管：取接管內油品流速為u1=1m/s，則接管內徑為d仁4V/(3.14*u)A1/2=4*134000000/300/24/3600/836.6/3.14A1/2=0

14、.0887m取整d仁 90mm管程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速 u2=1.5m/s,則接管內徑為d2=4V/(3.14*u)A1/2=4*0.01137/3.14/1.5A1/2=0.098m取整 d2=100mm將這些管子進行排列有圖如下： 6)電初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸為:殼 徑D450伽管子尺寸 25 x 2.5mm管程數Np3管長L6.0 m管子總數n111管子排列方法正三角形S仁 (6.0-0.1 ) =51.40965mA2若采用此傳熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數為：K1= Q/(S1*A tm)= 285.2506706 W/(m 2C )3工藝核算3.1核算總

15、傳熱系數3.1.1 計算管程對流傳熱系數Ui=Vi/Ai=4*0.01137/( ni*3.14*diA2)=4*0.01137/(37*3.14/4*0.02A2)=0.979m/s與假設相一致合適Re=di*ui*995.7/(0.807*10A-3)= 24359.7142湍流Pri =C 水 *(0.852*10A-3)/0.613=5.406735751圖 殼程摩擦系數f 0與Re0的關系所以0 80 3a i =0.023*( 水 /di)*(Re) . *Pri .=4507.304891(W/(m2C )計算殼程對流傳熱系數0換熱器中心附近管排中流體流通截面積為：式中h 折流擋

16、板間距，取150mmt管中心距，對25 2.5mm , t 32mm。因為W= 18611.11111(kg/h) =18611.11111/(3600*836.6)=所以Uo=Vs/Ao=18611.11111/(36OO*836.6)/O.O14765625=0.418504475 m/s由正三角形排列得:de=4(、. 3/2 *t 23.14/4 *d。2)/(3.14 d。)=4*(3 /2*0.032 2 3.14/4*0.025 20.027151936mRe0deU。苯0.05 0.22 83660.381 1024154/25016.99652Pr。也828 13 .381

17、134.60.151因為6R）在1 10范圍內且殼程中苯被冷卻，?。ㄚ?卩w）= 0.915 ;0.550.36 Re 0Pr0de所以=799.570385 W/( m2 C)3.1.3 確定污垢熱阻管內、外側污垢熱阻分別取為:Rsi= 0.0002 W/( C)總傳熱系數K2K20d dRsidiidi=513.3472272W/(19由前面計算 可8知,選7用該0型號2換熱1器時,要 求過3程的5總專熱系數為2285.2506706 W/（器0叫在傳熱任務所規(guī)定的流動條件下，計算出的為 513.3472272W/( m2-C )，其安全系數為:n =( 513.3472272285.25

18、06706)/285.2506706*100%=79.96354787%故所選擇的換熱器是合適的。回溯試算：管數是主要影響因素之一,可控安全系數過高，說明設計過程中材料浪費, 制其它條件不變，適當降低管程數，減少總管數?；厮莨艹逃嬎悖篘p=2K1=427.876006 (W/( mC )K2=513.3472272 (W/( m2-C )n =(513.3472272-427.876006)/427.876006*100%=19.97569858%符合條件Np=1：K1=855.7520119(W/( m2-C )K2=513.3472272(W/( m2-C )n” =(513.347227

19、2-855.7520119)/ 855.7520119*100%=-40.01215071% 不符合條件3.1.5.1 總管數：n=Np*ni=2*37=74 根3.1.5.2 管心距：t=1.25*d 0=1.25*25=32mmnc=1.19* n1/2=11 根計算殼徑：D=1.05*t*(74/0.7 ) A1/2=345mm 取整：450mm折流板：采用弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%則切去的圓缺高度為h=0.25*450=112.5mm，取 h=110mm折流板間距取B=150mm折流板數：2=傳熱管長/折流板間距-1=6000/150-仁39塊折流板圓缺面水平裝配接管：殼程流

20、體進出口接管：取接管內油品流速為u1=1m/s，則接管內徑為 d1= 4V/(3.14*u)F1/2=4*134000000/300/24/3600/836.6/3.14A1/2=0.0887m取整d仁90mm管程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速 u2=1.5m/s,則接管內徑為 d2=4V/(3.14*u)A1/2=4*0.01137/3.14/1.5A1/2=0.098m取整 d2=100mm將這些管子進行排列有圖如初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸為：殼 徑D450伽管子尺寸 25 x 2.5mm管程數Np2管長L6.0 m管子總數n74管子排列方法正三角形實際傳熱面積及總傳熱系數( 6.0

21、-0.1 )=34.2731口八2若采用此傳熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數為：K仁Q/(S1* tm)= 427.876006(W/(卅c )3.2計算管程壓強降R RP2 FtNpNs前面已算出：ui= 0.978596533Rei=24359.7142(湍流)則相對粗糙度&/ di= 0.005摩擦系數入=0.034所以:L Ui2di 20.0334.5996.3250.925 20.0154322RaP22Ui3-32996.3250.9255115Pa計算得: P仁4863.019702 Pa P2=1430.299912 Pa對于 25 x 2.5mm的管子Ft= 1.4

22、, Ns=1, Np=2P i= 17621.29492Pa500Po =( P1+A P2 )*Fs*Ns取 Fs= 1.15Ns= 1其中：2Fs1.15, Ns 1, R，Ff。nc Nb 1 2管子為正三角形排列，?。篎=0.5Nc=10.23676707 根取 11 根NB=39f05.0 Re00.2285.0 83440.2280.=0.59097359所以 P1 =2280.367627 P2 =2082.601873P。=5017.414926 Pa50000Pa由上面計算可知，該換熱器管程與殼程的壓強均滿足題目要求，故所選換熱器合適。4設計結果一覽表項目管程（循環(huán)水）殼程（

23、苯）流量，kg /s9.214.21溫度，C（進/出）32.5/40.580/40物性定性溫度，C36.560密度，kg /m3994.0836.6比熱，kJ/ kgC4.1741.828粘度，Pa-s30.720 X 10-30.318 X 10-導熱系數，kJ/m C0.6280.151普蘭特數5.295.27結構參數殼體外徑，mm500臺數1管徑，mm 25*2.5殼程數1管長，m6管心距，伽32管數150管子排列正方形斜轉45傳熱面積，m269.47折流板數39管程數5折流板距，m0.15材質不銹鋼主要計算結果殼程管程流速，m/s0.30640.983污垢熱阻,()/W1.7*10A-42.0 X 10A-4傳熱系數，W/(C)799.5703854507.3048915經驗公式5.1管程對流傳熱系數i 迪特斯和貝爾特關聯式:i 0.023Re0-8 Pri03di5.2殼程對流傳熱系數0，可用關聯式計算00.36deRe。0.5-Pr 35.3管程壓強降、:PPP2RNpNs5.4殼程壓強降一一埃索法:6設備及工藝流程圖彊