化工原理課程設計報告換熱器

1、化工原理課程設計任務書 （ 1）一、設計題目：設計一臺換熱器二、操作條件：1. 苯：入口溫度80C,出口溫度40C。2. 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度35 C。3. 允許壓強降：不大于 50kPa。4. 每年按 300 天計，每天 24 小時連續(xù)運行。三、設備型式：管殼式換熱器四、處理能力：1. 99000 噸/ 年苯五、設計要求：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工藝尺寸的設計。3. 設計結(jié)果概要或設計結(jié)果一覽表。4. 設備簡圖。（要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）5. 對本設計的評述及有關問題的討論。一、選定管殼式換熱器的種類和工藝流程1. 選定管殼式換熱

2、器的種類 管殼式換熱器是目前化工生產(chǎn)中應用最廣泛的傳熱設備。 與其他種類的換熱 器相比，其主要優(yōu)點是： 單位體積具有的傳熱面積較大以及傳熱效果較好； 此外， 結(jié)構(gòu)簡單， 制造的材料范圍較廣， 操作彈性也較大等。 因此在高壓高溫和大型裝 置上多采用管殼式換熱器。管殼式換熱器中， 由于兩流體的溫度不同， 管束和殼體的溫度也不相同， 因 此他們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體的溫度差較大（50C以上）時，就可能 由于熱應力而引起設備變形， 甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。 根據(jù)熱補償方法的不同，管殼式換熱器有下面幾種形式。（ 1） 固定管板式換熱器 這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價便

3、宜，但管外不能機械清洗。此 種換熱器管束連接在管板上， 管板分別焊在外殼兩端， 并在其上連接有頂蓋， 頂 蓋和殼體裝有流體進出口接管。 通常在管外裝置一些列垂直于管束的擋板。 同時 管子和管板與外殼的連接都是剛性的， 而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。 因此， 當管壁與殼壁溫差較大時， 由于兩者的熱膨脹不同， 產(chǎn)生了很大的溫差應力， 以 致管子扭彎或是管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50C以 上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節(jié)）只能用在 殼壁與管壁溫差低于60-70 C和殼程流體壓強不高的情況下。一般殼程壓強

4、超過 0.6MPa時，補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償作用，就要考慮其他結(jié)構(gòu)。 其結(jié)果如下圖所示：2） 浮頭式換熱器 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可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個頂蓋，稱 之為“浮頭” , 所以這種換熱器稱為浮頭式換熱器。其優(yōu)點是：管束可以拉 出，以便清洗；管束的膨脹不受殼體約束，因此當兩種換熱器介質(zhì)的溫差 大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應力。其缺點是結(jié) 構(gòu)復雜，造價高。其結(jié)構(gòu)如下：浮頭式換熱越1-ffWHi*. z 殼程B 浮頭(3) U型管換熱器這類換熱器只有一個管板，管程至少為兩程，管束可以抽出

5、清洗，管子 可以自由膨脹。其缺點是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的 管子少。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：(4)填料函式換熱器這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，造價也比浮 頭式低廉。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應處理一易揮發(fā)、易燃易 爆和有毒的介質(zhì)。其結(jié)構(gòu)如下：由設計書的要求進行分析：一般來說，設計時冷卻水兩端溫度差可取為 5°C 10°C。缺水地區(qū)選用較 大的溫度差，水資源豐富地區(qū)選用較小的溫度差。青海是“中華水塔” ，水資源 相對豐富，故選擇冷卻水較小的溫度差6C,即冷卻水的出口溫度為31 Co Tm-t =80+40_25+31=32 c <

6、;50C，且允許壓強降不大于50kPa,可選擇固定管板式換2 2熱器。2. 工藝流程圖主要說明：由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，所以選定循環(huán)水走管程， 苯走殼程。如圖所示，苯經(jīng)泵抽上來，經(jīng)加水器加熱后，再經(jīng)管道從接管C進入換熱器殼程；冷卻水則由泵抽上來經(jīng)管道從接管 A進入換熱器管程。兩物質(zhì)在換 熱器中進行換熱，苯從80C被冷卻至40C之后，由接管D流出；循環(huán)冷卻水則 從25C變?yōu)?1C，由接管B流出 二、管殼式換熱器的工藝計算和主要工藝尺寸的設計1.估算傳熱面積，初選換熱器型號(1)基本物理性質(zhì)數(shù)據(jù)的查取冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，取入口溫度為：35 C,出口溫度為：40 C苯的定性溫度：Tm8

7、04060 C2水的定性溫度：tm354037. 5 C2兩流體的溫差：Tmtm6037 522 5 C根據(jù)化學工程手冊件苯和水的物性為：.化工基礎數(shù)據(jù)化學工業(yè)出版社 分別查得在此條物性 流體v密度kg/m4. 174104030比熱容kJ /(kg C)粘度/Pas導熱系數(shù)W/(m C)苯829.31.9750.4540.127水993.24.1740.7050.628QWhCph TiT2990001033002436003. 819kg / s3.8191. 975103(80 40)301736W(2)熱負荷計算冷卻水流量30173614. 46 kg s 52048 kg h(3)

8、確定流體的流徑該設計任務的熱流體是苯，冷流體為水，本換熱器處理的是兩流體均不 發(fā)生相變的傳熱過程，為使苯通過殼壁面向空氣中散熱，提高冷卻效果，且水 易結(jié)垢，令苯走殼程，水走管程。(4) 計算平均溫差暫按單殼雙管程考慮，先求逆流時平均溫差。苯：冷卻水： t80404054035tmt2 Xt2In -80404035 小168C ,80 40In計算R和P:40 3580350.111T T2 t2 ti80 40840 35由R、P值，查教材圖4-19 (a), t 0. 85所以 tm t tm0.85 16 8 14.28C又因為0.85> 0.8，故可選用單殼程的列管換熱器(5)選

9、K值，估計傳熱面積。參考附錄相關資料，對于黏度低于 0.5x10-3 Pa - s和水體系，可取K=48CW/(m C)，則 SK tm301736 一 244 m48014. 28初選換熱器型號由于兩流體溫差<50C，可選固定管板式換熱器。由固定管板式換熱器的系 列標準，初選型號為公稱直徑/伽450管子尺寸/伽 25x2.5公稱壓強/MPa1.0管長/m4.5公稱面積/ m246.6管子總數(shù)135管程數(shù)1管子排列方法正方形斜轉(zhuǎn)45°中心排管數(shù)13管程流通面積0.0424實際傳熱面積 S n dL 135 3. 14 0.0254. 50. 146.6 m2采用此換熱器，則要求

10、過程的總傳熱系數(shù)為K S tm30176346. 6214.28453. 4W/( mC)2.核算壓強(1)管程壓強降PP2 FtNpNs其中 Ft= 1.4 ，Ns=1，Np=1。管程流通面積4di-0. 0224空 0. 0424m21管程流速:Ui993. 20. 04240. 343m/ s管內(nèi)雷諾數(shù)Redi Ui0. 020. 343993. 20. 705109664(湍流)取管壁粗糙度 0.1mm ,di0. 10. 005 ,查（夏清等.化工原理（上冊）天津：天津大學出版社,20052圖1-27,由Re關系圖中查得:入=0.036;所以Ldi2Ui20. 0364. 50?02

11、竺二 0.343473Pa2管程壓強降:P2993. 220. 3432175Pa4731751.4907Pa100000Pa符合工藝要求；（2）殼程壓強降R FsNs其中，F(xiàn)t 1.15Ns 1R FfnNB1)2流）管子為正三角形排列,nc取折流擋板間距Nb殼程流通面積:殼程流速:殼內(nèi)雷諾數(shù):殼程流體摩擦因數(shù)0.41.1 13513Re0. 07m4. 50. 07h(DVLA63ncd)0.07(0.45 140. 025)0. 007m23. 819829. 30.0070. 52m/s0. 0250. 52829. 310 30.45423746 > 500 (湍f。0.228

12、5. 0 Rq5. 023746 0.2280.5所以Pl0.4 0.5 1363 1829.30.522218657PaP2NB 3. 52h02 uo 2633. 520.070. 45829. 30. 52222525PaP018657 22525 1.1547359Pa50000Pa計算表明，管程和殼程的壓強降都能滿足設計的要求3. 核算總傳熱系數(shù)（1）管程對流傳熱系數(shù)iRe 9664(湍流)PriCp4.1741030.705 X 10 34.690. 6280. 023 di0.8Re Pri0.40. 023 0-628 (9664)0.8(4.69 產(chǎn)40. 022067W/(

13、 m2殼程對流傳熱系數(shù)由式deUx 0.14省0.36(孑)(一)()(一)計算dew取換熱器列管之中心距t 32mm。則流體通過管間最大截面積為hD(1)0.070.45(10. 0069m2t0.032U0Vs.A4. 6829. 30. 00690.8 m/ sde4(0. 03220. 0252)二0. 027m0. 025RedeU0.0270.8829.30. 45410 339455Prcp1.9751030. 454103-7.06殼程中的苯被冷卻，取(一)0.140. 99。所以w0 1270.36(39455)0.55(7. 06)1/30.991084W/( m2 C)0

14、. 027參考教材附錄管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為& 20 104mf C/W R。1.7 104mf C/W(3)總傳熱系數(shù)。忽略管壁熱阻時,RsoRsd i_110 840. 000170 . 00020 . 0250. 020. 02520670. 0251 3.5 W / m2C由前面的計算可知，選用該型號換熱器時要求過程的總傳熱系數(shù)為453. 4W/ m2C，在規(guī)定的流動條件下，計算出的Ke為513.5W (m2 C)，故所選擇的換熱器是合適的安全系數(shù)為:513.5453. 4453. 4100%13.3 %(滿足要求，即在范圍之內(nèi)：10%- 25%三、設計結(jié)果一覽表參數(shù)管程（

15、冷卻水）殼程（苯）流量 /(kg/s)14.463.819進/出口溫度/r35r 40 r80r 40 r壓強降MPa50kPa<=物 性定性溫度/r37.560密度 / (kg/m3)993.2829.3定壓比熱容/kJ/ (kg? C )4.1741.975黏度/ (Pa? s)0.705 X 10 30.454 X 10 3導熱系數(shù)/ (w/m? c )0.6280.127設備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定管板式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/ mm450臺數(shù)1管徑/ m25X 2.5管心距/32管長/ m4500管子排列正三角形管子總數(shù)/根135管程數(shù)1傳熱面積/ m246.6材質(zhì)不銹鋼主要計算結(jié)果管程殼程

16、流速/ （ m/s）0.3430. 66表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/ （卅? C ）137765135污垢熱阻/ （卅? C/W）0.000200.00017壓強降/Pa90747359熱流量/W301736傳熱系數(shù)/W/ （卅? K）513.5安全系數(shù)/%13.3四、設備簡圖五、對本設計的評述及有關問題的討論經(jīng)過連續(xù)一周的奮戰(zhàn)，化工原理課程設計終于告一段落。對這次化工原理課程設計，我充分認識到實踐來自理論，又高于理論。 這次專業(yè)性較強的課程設計，讓我認識到：課堂上理論知識掌握的再好， 沒有落實到實處，是遠遠不夠的。換熱器的設計，從課本上簡單的理論計 算，到根據(jù)需求滿足一定條件的切實地進行設計，不再僅僅

17、包括呆板單調(diào) 的計算，還要根據(jù)具體要求選擇、區(qū)分和確定所設計的換熱器的每一個細 節(jié)，我覺得這是最大的一個挑戰(zhàn)。我對換熱器的結(jié)構(gòu)、性能都有了一定的了解，同時，在設計過程中， 我也掌握了一定的工藝計算方法。換熱器是化工廠中重要的化工設備之一，而且種類繁多，特點不一，因此，選擇合適的換熱器是相當重要的。在本次設計中，我發(fā)現(xiàn)進行換熱器的選擇和設計是要通過反復計算，對各項結(jié)果進行比較后，從中確定出比較合適的或最優(yōu)的設計，為此，設計時應考慮很多方面的因素。首先要滿足傳熱的要求，本次設計時，由于初選總傳熱系數(shù)的計算結(jié)果 與初設值的比值不在要求范圍內(nèi)，因此，經(jīng)過多次計算，才選擇到合適的 K 值為4534W/

18、m2 C，計算結(jié)果為5135W/ * C，安全系數(shù)為13.3%,滿足要 求。其次，在滿足工藝條件的前提下選擇合適的換熱器類型，通過分析操作 要求及計算，本次設計選用換熱器為上述計算結(jié)果。再次，從壓強降來看，管程約為 907Pa,殼程約為77166PQ都低于要求值（50kPa）,因此，可適當加大流速，從而加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低污垢熱阻，然而，流速增加，流動阻力也會 隨之增大，動力消耗就增多，因此，作出經(jīng)濟衡算在確定流速時是相當重要 的。此外，其他因素（如加熱和冷卻介質(zhì)用量，換熱器的檢修和操作等） ，在 設計時也是不可忽略的。根據(jù)操作要求。在檢修和操作方面， 固定管板式換熱器由于兩端管板和殼體連接成一體， 因此不便于清洗和檢修。本次設計中，在滿足傳熱要求的前提下，考慮了其他各項問題，但它們 之間是相互矛盾的。如：若設計換熱器的總傳熱系數(shù)較大，將導致流體通過 換熱器的壓強降（