丁二烯蒸汽冷凝器的設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、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)與操作條件某廠需用冷卻水將丁二烯蒸汽冷凝。已知丁二烯蒸汽的冷凝溫度為40，冷凝潛熱為373kJ/kg。水側(cè)和蒸汽側(cè)的污垢熱阻分別可取5.8×10-4m2.K/W和1.76×10-4m2.K/W。冷卻水溫度和生產(chǎn)能力見下表：學(xué)號(hào)生產(chǎn)能力(kg/h)冷卻水進(jìn)口溫度冷卻水出口溫、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、查閱文獻(xiàn)資料，了解換熱設(shè)備的相關(guān)知識(shí)，熟悉換熱器設(shè)計(jì)的方法和步驟；2、根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書給定的生產(chǎn)任務(wù)和操作條件，進(jìn)行換熱器工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算；3、根據(jù)換熱器工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算的結(jié)果，進(jìn)行換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4、以換

2、熱器工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算為基礎(chǔ)，結(jié)合換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果，繪制換熱器裝配圖；5、編寫設(shè)計(jì)說明書對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行書面總結(jié)，設(shè)計(jì)說明書應(yīng)當(dāng)用簡潔的文字和清晰的圖表表達(dá)設(shè)計(jì)思想、計(jì)算過程和設(shè)計(jì)結(jié)果。四、進(jìn)度安排1、搜集資料、閱讀教材，擬定設(shè)計(jì)方案 0.6周2、換熱器工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算 1.0周3、換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 0.8周4、繪制換熱器裝配圖 0.8周5、編寫設(shè)計(jì)說明書 0.8周五、完成后應(yīng)上交的材料1、設(shè)計(jì)說明書 1份2、換熱器裝配圖（A1，手工） 1張3、換熱流程圖（A4，CAD） 1張六、推薦參考資料1、化工原理上冊(cè) 2、換熱器設(shè)計(jì) 3、化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)3、壓力容器手冊(cè) 4、鋼制石油化工壓力容器手冊(cè)

3、5、化工管路手冊(cè) 化工原理課程設(shè)計(jì)要求一、換熱器設(shè)計(jì)說明書的主要內(nèi)容1、前言 主要介紹換熱器的種類、特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)。2、確定設(shè)計(jì)方案。包括換熱器類型、材料的選擇、流動(dòng)空間和流速的確定等。3、確定物性數(shù)據(jù)4、計(jì)算總傳熱系數(shù)K5、計(jì)算傳熱面積6、確定換熱器工藝結(jié)構(gòu)尺寸（1）確定傳熱管管徑和管內(nèi)流速（2）確定管程數(shù)和傳熱管數(shù)（3）確定殼程數(shù)（4）確定傳熱管排列（5）確定殼體內(nèi)徑（6）確定折流板（7）確定接管7、換熱器核算（1）熱量核算（2）換熱器內(nèi)流體流動(dòng)阻力核算8、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果匯總（用三線表）9、參考文獻(xiàn)10、設(shè)計(jì)自評(píng)二、圖紙要求：一張A1圖紙（手繪），為換熱器的裝配圖。 一張A4

4、圖紙，由電腦繪制，為換熱流程圖。目錄1.前言（8） 1.1 換熱器的種類（8） 1.2 換熱器的特點(diǎn)（8） 1.3 換熱器的發(fā)展趨勢(shì)(10)2.確定設(shè)計(jì)方案(11) 2.1 換熱器的類型（11） 2.2 材料的選擇（11） 2.3 流動(dòng)空間的確定（12） 2.4 流速的確定（13）3.確定物性數(shù)據(jù)（13）4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（13）5.確定管徑和初選管速(14)6估算總傳熱系數(shù)K(14)7.計(jì)算傳熱面積(15)8確定換熱器工藝結(jié)構(gòu)尺寸(15) 8.1 單程管數(shù) 8.2 單程管長 8.3 選定換熱器管長l=6m，則管程數(shù)Np8.4 初選換熱器8.5管程壓降的計(jì)算

5、8.6 計(jì)算管內(nèi)給熱系數(shù)i8.7 計(jì)算冷凝給熱系數(shù)o8.8 計(jì)算K值8.9 計(jì)算傳熱面積及安全系數(shù)8.10 計(jì)算管束與殼體溫差8.11. 計(jì)算接管8.12計(jì)算折流板9換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果匯總（用三線表）(19)10.附表（21）11參考文獻(xiàn)（24）12CAD流程圖（25）13設(shè)計(jì)自評(píng)（26）1、前言1.1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1.2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(jià)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

6、器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為以下幾種：（1） 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(jià)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。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。（2） 浮頭式換熱器浮頭式換熱器的管板有一個(gè)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(jià)高。（3） 填料涵式換熱器填料

7、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(jià)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(shí)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(dòng)，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。1.3換熱器的發(fā)展趨勢(shì)70年代的世界

8、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)?，隨著能源的短缺(從長遠(yuǎn)來看，這是世界的總趨勢(shì))，可利用熱源的溫度越來越低，換熱允許溫差將變得更小，當(dāng)然，對(duì)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(shí)，對(duì)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)、

9、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成了一個(gè)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、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。2、確定設(shè)計(jì)方案2.1換熱器的類型 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(jià)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。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600

10、Kpa的情況。2.2材料的選擇（1）換熱器在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器各種零、部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度。流體的腐蝕性能以及對(duì)材料的制造工藝性能等的要求來選取。當(dāng)然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟(jì)合理性。一般為了滿足設(shè)備的操作壓力和操作溫度，即從設(shè)備的強(qiáng)度或剛度的角度來考慮，是比較容易達(dá)到的，但材料的耐腐蝕性能，有時(shí)往往成為一個(gè)復(fù)雜的問題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會(huì)影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。 一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 碳鋼 價(jià)格低，強(qiáng)度較高，對(duì)堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，

11、在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。如一般換熱器用的普通無縫鋼管，其常用的材料為10號(hào)和20號(hào)碳鋼。 不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1Cr18Ni9Ti為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的18-8奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯(cuò)列排列居多，也有正三角形排列。（2）管板管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。管板與管子的連接可脹接或焊接。脹接法是利用脹管器將管子擴(kuò)脹，產(chǎn)生顯著的塑性變形，靠管子

12、與管板間的擠壓力達(dá)到密封緊固的目的。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力不超過4 MPa，設(shè)計(jì)溫度不超過 350的場(chǎng)合。（3）封頭和管箱 封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。封頭 當(dāng)殼體直徑較小時(shí)常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。 管箱 換熱器管內(nèi)流體進(jìn)出口的空間稱為管箱,殼徑較大的換熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。由于清洗、檢修管子時(shí)需拆下管箱，因此管箱結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝拆。分程隔板 當(dāng)需要的換熱面很大時(shí)，可采用多管程換熱器。對(duì)于多管程換熱器，在管箱內(nèi)應(yīng)設(shè)分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數(shù)目

13、大致相等。這樣可提高介質(zhì)流速，增強(qiáng)傳熱。管程多者可達(dá)16程，常用的有2、4、6程。在布置時(shí)應(yīng)盡量使管程流體與殼程流體成逆流布置，以增強(qiáng)傳熱，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)防分程隔板的泄漏，以防止流體的短路2.3流動(dòng)空間的確定換熱器內(nèi)冷熱流體通道的選擇：a 不潔或易結(jié)垢的物料應(yīng)走易于清洗的一側(cè)，如冷卻水走管內(nèi)；b 需提高流速以增大傳熱膜系數(shù)的流體應(yīng)走管內(nèi)，因管程比殼程易增加流速；c 有腐蝕性或高壓流體多走管內(nèi)，以減少設(shè)備腐蝕或降低殼體受壓；d 飽和蒸汽一般走殼程，因蒸汽較清潔，且冷凝液排出方便；e 被冷卻流體一般選殼程，便于散熱；f 若兩流體溫差較大，對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將傳熱膜系數(shù)大的流體通入殼程，以減少溫差應(yīng)

14、力；g 流量小而溫差大的液體一般走殼程為宜，因在殼程Re>100即可達(dá)到湍流。但這并不是絕對(duì)，若流動(dòng)阻力允許，將該種流體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，反而能得到更高的傳熱膜系數(shù)。丁二烯沒有腐蝕性，碳鋼的價(jià)格低，強(qiáng)度較高所以換熱器的材料選擇碳鋼。由于流速對(duì)蒸氣冷凝系數(shù)的影響較小，并且為了使冷凝液易于排出，選擇丁二烯蒸氣在管外冷凝，水流經(jīng)管內(nèi)。2.4流速的確定換熱器內(nèi)適宜的流速應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)核算選擇3、確定物性數(shù)據(jù)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·

15、） 0=0.000275Pa·s冷卻水的定性溫度：T=25+322=28.5()此溫度下的水的物性參數(shù)：i=996kg/m3 Cpi=4.08kJ/(kg·）pi=0.615W/(m·K） i=0.000827Pa·s4、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=78003600=2.17kg/s熱負(fù)荷Q=W1r=7800×373=2909400kJ/h=808.2kJ/s水耗量Wi=QCpi(t2-t1)=29094004.08×(32-25)=11870kg/h=28.3kg/s普蘭特準(zhǔn)數(shù) Pr=Cpi ip

16、i=4.16×1000×0.00080.616=5.4平均傳熱溫差 t1=40-25=15（） t2=40-32=8()由t1t2=158<2tm=t1+t22=15+82=11.5()5、確定管徑和初選管速從腐蝕性、傳熱面積和價(jià)格三方面綜合考慮后，選用25×2.5mm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0.5 ms。6、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=0.02×996×0.60.0

17、00827=14452i=0.023idi(diuiii)0.8(Cpiii)0.4=0.023×0.6150.020(14452)0.8(4.08×103×0.0008270.615)0.4=2973W/(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=0.00058m2·K/WRs0=0.000176m2·K/W管壁的導(dǎo)熱系數(shù)=45W/(m·）K=1doidi+Rsidodi+bdodm+Rso+10=10.0252570×0.020+0.00058×0.0

18、250.020+0.0025×0.02545×0.020+0.000176+12500=561W/(m2·)7、計(jì)算傳熱面積傳熱面積 S'=QKtm=808.2×103561×11.5=125.3(m2)8、確定換熱器工藝結(jié)構(gòu)尺寸8.1單程管數(shù)為：n'=Wu·4·di2·=4×28.30.6×3.14×0.022×996=150.8151（根）8.2 單程管長為：l'=Sndo=28.3151×3.14×0.025=10.6（m）8

19、.3選定換熱器管長l=6m，則管程數(shù)Np為Np=10.66=1.8取Np=2程，則總管數(shù)為：n=2n=2×151=302（根）8.4初選換熱器根據(jù)S'=125.3m2，n=302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 1.6×106Pa傳熱面積S 158.4m2 管程數(shù)Np 2管 數(shù)n 342 管 長l 6m管子規(guī)格 25×2.5mm 管心距t 32mm管子排列方式 正三角形圖表見附錄一8.5管程壓降的計(jì)算Rei=diiuii其中，ui為選定換熱器的實(shí)

20、際操作流速，由下式計(jì)算ui=Vin''·4·di2式中 Vi=W=28.3996=0.02841（m3/s)n''=3422=171(根）所以 ui=0.02841171×4×0.022=0.53（m/s）故 Rei=0.02×0.53×9960.000827=12745由于Rei=12766，根據(jù)傳熱管相對(duì)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+3Ft·Np·iui22=0.039

21、5;60.02+3×1.5×2×996×0.5322=6169N/m2<9.8×103(Pa) 因此，壓降滿足要求.8.6計(jì)算管內(nèi)給熱系數(shù)i因?yàn)镽e=12766，而且ldi=60.02=300>50故i=0.023idi(diuiii)0.8(Cpiii)0.4=0.0230.6150.02127660.8(5.49)0.4=2693W/(m2·）8.7 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(duì)于n根水平管束，可用下式計(jì)算冷凝給熱系數(shù)0=2.0232ln

22、W=2.02×0.6×0.24835952×6×3420.000275×78003600=3211W/m2·8.8 計(jì)算K值K=1doidi+Rsidodi+bdodm+Rso+1o =10.0252693×0.02+0.00058×0.0250.020+0.0025×0.02545×0.0225+0.000176+13211=575.3W/(m2·)8.9 計(jì)算傳熱面積及安全系數(shù)S=QKtm=808.2×103570×11.5=123.4（m2）實(shí)際換熱器的傳熱面

23、積為158.4m2，故安全系數(shù)為158.4123.4=1.28有合適的傳熱面積裕度，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。8.10 計(jì)算管束與殼體溫差根據(jù)對(duì)流傳熱速率可得 Q=iS(tw'-tw)故tw'=QiS+tm=8082002693×158.4+28.5=30.4而管束的平均溫度為tmg=tw+tw'2=40+30.42=35.2()則殼體與管束的溫差為t=T-tmg=40-35.2=4.8<6.47以上各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果表明，所選型號(hào)的換熱器合用。8.11. 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

24、二烯入口接管內(nèi)徑為：d=4Vu=4×78003600×2.4533.14×25=0.212（m）取標(biāo)準(zhǔn)管徑為207mm，取標(biāo)準(zhǔn)管219×6mm取接管內(nèi)丁二烯流速為u=1.0m/s，則接管內(nèi)徑為d=4Vu=4×78003600×5953.14×1.0=0.068（m）取標(biāo)準(zhǔn)管徑為70mm，取標(biāo)準(zhǔn)管76×3mm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=4×29094003600×9963.14×1.5=0.155取標(biāo)準(zhǔn)管徑為150mm，取標(biāo)準(zhǔn)管159×

25、4.5mm8.12計(jì)算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=0.3×700=210mm取折流板間距 B=0.3D,則B=0.3×700=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。9、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MPam2·K/WW/(m·K）kJ/kgKg/m3mPa/s冷卻水0.125/320.000580.6154.089960.000827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(duì)流傳熱系數(shù)阻力降程數(shù)使用材料kg/ hm/sKWW/m2·KW/m2·KMPa管程118700.53808.2575.3269361692無縫鋼管殼程780032111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)