甲苯加熱器設(shè)計(jì)(浮頭列管式)

1、甲苯加熱器的設(shè)計(jì) 蹇木強(qiáng)摘 要換熱器是目前許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè)備,其結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,在相同的管數(shù)情況下其殼體內(nèi)徑最小,管程分程方便。此次設(shè)計(jì)是根據(jù)甲苯加熱過程相關(guān)技術(shù)要求為依據(jù)，以安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益為考量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)要求，選定浮頭式列管換熱器，經(jīng)過計(jì)算選用的換熱器的公稱直徑為700 mm，管數(shù)為292根，管程為4，公稱面積為135 m2。初選總傳熱系數(shù)，經(jīng)過計(jì)算得到實(shí)際總傳熱系數(shù)。經(jīng)過面積核算、壁溫檢驗(yàn)、壓降驗(yàn)算等方法，可以發(fā)現(xiàn)，所選用的換熱器符合生產(chǎn)要求，能夠完成任務(wù)。關(guān)鍵詞：浮頭式換熱器：工藝計(jì)算；對流傳熱系數(shù)；壁溫校核；壓強(qiáng)降目 錄1 問題重述41.1設(shè)計(jì)題目41.2 基礎(chǔ)

2、數(shù)據(jù)41.2.1處理能力41.2.2 設(shè)備型式41.2.3 操作條件41.3設(shè)計(jì)范圍52 問題背景53 初選換熱器的類型53.1確定流體通入的空間53.2換熱器類型的選擇64 換熱器的工藝計(jì)算74.1 基本物性數(shù)據(jù)74.2 熱負(fù)荷的計(jì)算74.3 平均溫度差84.4 估算傳熱面積84.5 試選換熱器型號(hào)84.6 換熱器其他附件計(jì)算94.6.1 折流擋板的計(jì)算94.6.2 管束中心線的管數(shù)計(jì)算95 換熱器核算105.1 管程對流傳熱系數(shù)105.2 殼程對流傳熱系數(shù)（一）105.3 總對流傳熱系數(shù)（一）115.4 壁溫校核（一）135.5 殼程對流傳熱系數(shù)（二）135.6 總程對流傳熱系數(shù)（二）14

3、5.7 壁溫校核（二）145.8 核算管壓降155.8.1管程壓強(qiáng)降155.8.2直管壓強(qiáng)降155.8.3 回彎管的壓強(qiáng)降155.8.4 殼程壓強(qiáng)降166 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和工藝設(shè)計(jì)167 設(shè)計(jì)結(jié)果評價(jià)178 結(jié)束語189 參考文獻(xiàn)2010 附表2010.1 水的物性數(shù)據(jù)2010.2 水蒸汽的物性數(shù)據(jù)2110.3 絕對粗糙度數(shù)據(jù)2110.4 列管換熱器內(nèi)常用的流速范圍22甲苯加熱器的設(shè)計(jì)1 問題重述1.1設(shè)計(jì)題目甲苯加熱器的設(shè)計(jì)1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)1.2.1處理能力流量為的甲苯。1.2.2 設(shè)備型式臥式列管換熱器1.2.3 操作條件 1.2.3.1 甲苯 入口溫度為20 ，出口溫度為100 。

4、 1.2.3.2 加熱介質(zhì) 200 Kpa絕壓的飽和水蒸氣，冷凝液在飽和溫度下排出。 1.2.3.3 允許壓強(qiáng)降 要求換熱器的管程壓強(qiáng)降小于70 kpa。 1.2.3.4 物性數(shù)據(jù) 甲苯在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下：表1 甲苯定性溫度下的物性數(shù)據(jù)物理量密度（）黏度（ ·）比熱容（）導(dǎo)熱系數(shù)（）數(shù)據(jù)8301.820.1271.3設(shè)計(jì)范圍1） 選擇適宜的列管式換熱器并進(jìn)行核算；2） 確定列管式換熱器結(jié)構(gòu)及工藝尺寸。2 問題背景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1。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋

5、板等組成。所需材質(zhì) ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進(jìn)行換熱時(shí)，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管流動(dòng)，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程列管式換熱器。列管式換熱器是在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛, 尤其是在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中的應(yīng)用。因此掌握它的設(shè)計(jì)計(jì)算, 對于強(qiáng)化傳熱過程，了解工業(yè)換熱設(shè)備，有著很重要的意義。 本設(shè)計(jì)為甲苯加熱的換熱器，通過相關(guān)數(shù)據(jù)的核算，選擇合適的換熱器裝置，并確定此換熱器的結(jié)構(gòu)和工藝尺寸。3 初選換熱器的類型3.1確定流體通入的空間 在列管式換熱器中，哪一種流體流經(jīng)管程，哪一種流經(jīng)殼程，取決

6、于多種因素，主要從以下三個(gè)方面考慮。1 傳熱效果1） 黏度大的流體貨流量小的流體，宜在管間流過。2） 待冷卻的流體走殼程好，便于散熱。3） 兩流體溫差較大時(shí)。宜將對流傳熱系數(shù)大的流體走殼程，以減小管壁與殼體的溫差，減小熱應(yīng)力。 2 設(shè)備結(jié)構(gòu)1）高壓的流體、腐蝕性的流體宜在管內(nèi)流過。這樣，管子采用耐高壓或耐腐蝕的材料，殼體采用一般材料。2）有毒的氣體宜走管內(nèi)，防止泄露直接進(jìn)入大氣。3 清洗方便1） 不潔凈或易結(jié)垢的流體宜在管內(nèi)流過，以便于清洗管子。2） 飽和蒸汽一般通入殼程，以便于及時(shí)排出冷凝液，且蒸汽較潔凈，殼程不必清洗。 根據(jù)以上選擇原則，結(jié)合具體情況，為使水蒸汽的冷凝液及時(shí)排出，且減少殼程

7、不必要的清洗次數(shù)，因此，選擇水蒸汽走殼程，甲苯走管程。3.2換熱器類型的選擇兩流體的溫度變化情況如下：（1） 甲苯：入口溫度=20 ，出口溫度=100 。（2） 飽和水蒸汽：入口溫度=出口溫度=120.2 。 因此，甲苯的平均溫度為飽和水蒸汽的平均溫度為兩流體的溫度差為 因此，此次設(shè)計(jì)采用浮頭式列管換熱器，基本結(jié)構(gòu)如如下圖所示。圖1 浮頭式換熱器其主要優(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。4 換熱器的工藝計(jì)算4.1 基本物性數(shù)據(jù)定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平

8、均值。管程流體（甲苯）的定性溫度為：殼程流體（水蒸汽）的定性溫度為：在定性溫度下，管程流體甲苯的有關(guān)物性數(shù)據(jù)見表1，殼程流體水蒸汽如下：表2 飽和水蒸汽的部分物性數(shù)據(jù)（絕壓200kPa）物理量溫 度（）蒸汽密度（）比汽化焓（）數(shù) 據(jù) 120.21.1274.2熱負(fù)荷的計(jì)算熱負(fù)荷的計(jì)算（不計(jì)熱損失）式中： 熱負(fù)荷； 甲苯的質(zhì)量流量； 甲苯的比熱容； ， 甲苯的入口與出口溫度。4.3 平均溫度差因?yàn)闅こ讨兴羝臏囟炔蛔?，采用并流和逆流的平均溫度差是相同的。采用逆流方式，甲?水蒸汽 因此，平均溫度差為4.4 估算傳熱面積結(jié)合表2-5與表4-72，輕質(zhì)有機(jī)物的總傳熱系數(shù)K值的范圍為580-1190

9、，選總傳熱系數(shù)。4.5 試選換熱器型號(hào)選傳熱管，內(nèi)徑為，外徑為。材料為碳鋼。選取公稱直徑，公稱面積為，管長為，管數(shù)為292根，管程為4的FB系列的浮頭式換熱器。因此，每管程的管數(shù)根，管的中心距為，正方形錯(cuò)列，如下圖所示。圖2 正方形錯(cuò)列的管子排列方式示意圖此時(shí)，實(shí)際面積為因此，4.6 換熱器其他附件計(jì)算4.6.1 折流擋板的計(jì)算折流擋板的主要作用是引導(dǎo)殼程流體反復(fù)的改變方向，以加大殼程流體流速和湍動(dòng)速度，致使殼程對流傳熱系數(shù)提高。折流板間距折流板數(shù) 塊采用弓形折流板，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4.6.2 管束中心線的管數(shù)計(jì)算橫過管束中心線的管數(shù)為： 根5 換熱器核

10、算5.1 管程對流傳熱系數(shù)管內(nèi)甲苯的流速雷諾數(shù)為普朗特?cái)?shù)為由上面數(shù)據(jù)可知， ， ，。所以，符合下式：甲苯是被加熱的，因此，取。則另外，可以求得管程流體流通截面積S為5.2 殼程對流傳熱系數(shù)（一）首先需要假設(shè)壁溫，根據(jù)相關(guān)知識(shí)，壁溫應(yīng)接近對流傳熱系數(shù)大的流體溫度，故可假設(shè)壁溫為。此時(shí)，式中，為飽和蒸汽的溫度。定性溫度為在定性溫度下，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)2，利用插值法得到蒸汽和冷凝液的部分物性數(shù)據(jù)如下：表3 蒸汽和冷凝液的部分物性數(shù)據(jù)（）物理量比汽化熱(蒸汽)r()水的密度（）水的熱導(dǎo)率（）水的黏度（）數(shù)據(jù)9510.685假設(shè)蒸汽在水平管外冷凝，采用下面的公式。式中，為橫過管束中心線的管數(shù)，在4.6中已求

11、出。特征尺寸取外徑。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，解得：5.3 總對流傳熱系數(shù)（一）下表為部分流體的污垢熱阻的經(jīng)驗(yàn)值，結(jié)合表2-6和表4-62，選取甲苯的污垢熱阻為，水蒸汽的污垢熱阻為。碳鋼的熱導(dǎo)率選為。表4 部分流體污垢熱阻經(jīng)驗(yàn)值（單位：）總傳熱系數(shù)的求取采用下面的公式。其中，為管壁外徑與內(nèi)徑的平均直徑，以對數(shù)平均值表示。因此，下面進(jìn)行換熱器的安全系數(shù)計(jì)算。安全系數(shù)P不符合1025%的安全范圍。5.4 壁溫校核（一）下面對假設(shè)的壁溫進(jìn)行驗(yàn)算，看是否符合計(jì)算結(jié)果。使用下面的公式。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可以求出的值。利用，可以求出，利用，可以求出，與假設(shè)壁溫相差較大，假設(shè)不成立。采用公式，也存在較大誤差，所以重新假設(shè)壁

12、溫計(jì)算總傳熱系數(shù)。5.5殼程對流傳熱系數(shù)（二）重新假設(shè)壁溫，此次使壁溫更加接近與水蒸汽的溫度。因此，設(shè)壁溫為。從而可以得出，溫差為定性溫度為此溫度下，冷凝液的物性數(shù)據(jù)如下： 表5 水的部分物性數(shù)據(jù)（）物理量密度（）熱導(dǎo)率（）黏度（）數(shù)據(jù)944.70.6858表中數(shù)據(jù)是根據(jù)110 和120 相關(guān)數(shù)據(jù)利用插值法得到，同樣的方法可以得到此溫度下飽和蒸汽的比汽化焓。根據(jù)以上數(shù)據(jù)和蒸汽在水平管外冷凝的對流傳熱系數(shù)公式，可以求得5.6 總程對流傳熱系數(shù)（二）5.3中選取的相關(guān)污垢熱阻，在這里同樣可以使用，即選取甲苯的污垢熱阻為，水蒸汽的污垢熱阻為。碳鋼的熱導(dǎo)率選為。下面進(jìn)行換熱器的安全系數(shù)計(jì)算。安全系數(shù)P

13、符合1025%的安全范圍。5.7 壁溫校核（二）（1）根據(jù)以下公式進(jìn)行檢驗(yàn)壁溫。因此，傳熱面積為因此，可以求得所以與假設(shè)的壁溫基本相同，假設(shè)正確。（2）利用另一種檢驗(yàn)方法，公式與5.4中相同，即 代入相關(guān)數(shù)據(jù)，解得與假設(shè)的壁溫相差不大，可以認(rèn)為在誤差允許的范圍之內(nèi)，符合條件。5.8 核算管壓降5.8.1管程壓強(qiáng)降對于多程列管換熱器，管程壓強(qiáng)降的計(jì)算式為：式中， ， 分別為直管和回彎管中摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降，； 結(jié)垢校正因子，無因次。對于的管子取值為1.4，對于的管子取值為1.5； 管程數(shù)； 串聯(lián)的殼程數(shù)。5.8.2直管壓強(qiáng)降由前面可知，因此流體的流態(tài)為湍流。選取碳鋼的絕對粗糙度為3，則其相對粗

14、糙度可以求得，。結(jié)合圖1-28，可以得出摩擦系數(shù)為。因此，直管壓強(qiáng)降為5.8.3 回彎管的壓強(qiáng)降回彎管的壓強(qiáng)降采用如下的經(jīng)驗(yàn)公式。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，解得因此，管程壓強(qiáng)降為5.8.4 殼程壓強(qiáng)降殼程中是水蒸汽，壓強(qiáng)降可按流體沿直管流動(dòng)的的壓強(qiáng)降計(jì)算，但是要用當(dāng)量直徑代替內(nèi)徑。計(jì)算方法可以采用克恩法等。根據(jù)相關(guān)知識(shí)可知，水蒸汽的壓強(qiáng)降是比較小的，可以忽略不計(jì)。所以，流體流經(jīng)換熱器因流動(dòng)阻力所引起的壓強(qiáng)降為符合壓強(qiáng)降條件，換熱器選擇能夠滿足需求。6 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和工藝設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過利用換熱器設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行了運(yùn)算和檢驗(yàn)，從而得到了滿足要求的浮頭式列管換熱器，換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸、工藝設(shè)

15、計(jì)以及計(jì)算結(jié)果如下表所示。表6.1換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和工藝設(shè)計(jì)換熱器型式：浮頭式列管換熱器換熱器面積（）：135（公稱面積），97.2（估算面積）工 藝 參 數(shù)項(xiàng) 目管程殼程物料名稱甲苯水蒸汽操作壓力無200 kPa(絕壓)操作溫度（入口/出口）20/100120.2/120.2流量5940流體密度8301.127流速1.3未計(jì)算傳熱量總傳熱系數(shù)860對流傳熱系數(shù)17939715污垢系數(shù)壓強(qiáng)降忽略不計(jì)程 數(shù)41使用材料碳 鋼管子規(guī)格管數(shù)292管心距32排列方式正方形錯(cuò)列殼體內(nèi)徑700折流擋板型式弓形折流板數(shù)29擋板間距210表6.2換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和工藝設(shè)計(jì)項(xiàng) 目數(shù) 據(jù)項(xiàng) 目數(shù)據(jù)殼徑D7

16、00管尺寸管程數(shù)4殼程數(shù)1管 數(shù)n292管排列方式正方形錯(cuò)列中心排管數(shù)21管心距32mm管程流通面積0.023傳熱面積（）137.57 設(shè)計(jì)結(jié)果評價(jià)（1）通過分析計(jì)算，選取浮頭式列管換熱器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過分析得到，而，因此安全系數(shù)為，符合安全系數(shù)范圍，符合要求。流體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為，小于要求值。另外，本設(shè)計(jì)通過對面積校核、壁溫校核等計(jì)算可知均滿足要求，完全滿足生產(chǎn)任務(wù)，設(shè)計(jì)的換熱器較為合理。（2）通過分析浮頭式換熱器管程和殼程傳熱與阻力性能特點(diǎn),采用能量系數(shù)來評價(jià)強(qiáng)化傳熱,以利于提高其換熱性能。本設(shè)計(jì)中： ，滿足要求，性能良好。（3）效益評價(jià)：生命周期方法是一種針對產(chǎn)品或生產(chǎn)工藝對環(huán)境影

17、響進(jìn)行評價(jià)的過程4,它通過對能量和物質(zhì)消耗以及由此造成的廢棄物排放進(jìn)行辨識(shí)和量化,來評估能量和物質(zhì)利用對環(huán)境的影響,以尋求對產(chǎn)品或工藝改善的途徑。這種評價(jià)貫穿于產(chǎn)品生產(chǎn)、工藝活動(dòng)的整個(gè)生命周期,包括原材料的開采和加工、產(chǎn)品制造、運(yùn)輸、銷售、產(chǎn)品使用與再利用、維護(hù)、再循環(huán)及最終處置。本設(shè)計(jì)中使用水作加熱介質(zhì)，無污染，耗資少，無有害氣體產(chǎn)生，整個(gè)過程簡單，易操作，環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益良好，并且甲苯流速不是很高，有效地保證了操作的安全性。（4）本設(shè)計(jì)中面積、總傳熱系數(shù)、壓強(qiáng)降等均有比較好的裕度保證，即使生產(chǎn)使用中出現(xiàn)比較大的誤差，設(shè)備結(jié)構(gòu)也能保證不出現(xiàn)大的安全損傷的事故，具有良好可靠的安全保證。8 結(jié)束語

18、化工原理課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)個(gè)人綜合運(yùn)用化工課程相關(guān)知識(shí)及有關(guān)選修課程的基本知識(shí)去解決設(shè)計(jì)任務(wù)的一次訓(xùn)練，既深化了學(xué)生的理論知識(shí)，又鍛煉了學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際生產(chǎn)任務(wù)，而且也在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考、獨(dú)立工作能力。在換熱器的設(shè)計(jì)過程中,我完全獨(dú)立地完成了此次設(shè)計(jì)任務(wù)，所學(xué)的理論知識(shí)在運(yùn)用于實(shí)際的過程中得到了加深和強(qiáng)化，自己的獨(dú)立思考和理論聯(lián)系實(shí)際的能力得到了提升，主要有以下幾點(diǎn)： (1)掌握了查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)的能力，并且鍛煉了自己在較短時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)和領(lǐng)悟新知識(shí)的能力，培養(yǎng)了迅速準(zhǔn)確地進(jìn)行工程計(jì)算的能力；(2)樹立了既考慮技術(shù)上的先進(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)

19、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)際問題的能力；(3)學(xué)會(huì)了用簡潔的文字，清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力，鍛煉了自己在論文寫作方面的能力。9 參考文獻(xiàn)1 呂利霞. 列管式換熱器的設(shè)計(jì)J. 內(nèi)蒙古石油化工, 2001(27): 136-137.2 王志魁. 化工原理M. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009, 165.3 陳鳳, 余漢成, 孫在蓉. 管道內(nèi)壁粗糙度的確定J. 天然氣與石油, 2007, 25(6): 9-11.4 朱曉峰, 生命周期方法論J. 科學(xué)學(xué)研究, 2004, 22(6): 566-571.10 附表10.1 水的物性數(shù)據(jù)表7 水的部分物性數(shù)據(jù)溫度t 密度kg/m³比熱容cpkJ/(kgK)熱導(dǎo)率W/(mK)動(dòng)力黏度Pas普朗特?cái)?shù)Pr108933.74.1560.6730.0002542911.57109942.44.1950.6790.0002566451.59110951.04.2330.6850.0002591.60111950.24.2350.6850.000256841.59112949.44.2360.6850.000254681.57113948.64.2380.6850.000252521.56114947.84.2400.6850.0