化工設(shè)計(jì)-換熱器設(shè)計(jì)方案書(shū)

1、閩江學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)題 目年處理量6萬(wàn)噸的乙苯冷卻器的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 張 攀 學(xué) 號(hào) 3131202102 系 別 化學(xué)與化學(xué)工程系 年 級(jí) 2013 級(jí) 專(zhuān) 業(yè) 應(yīng)用化學(xué) 指導(dǎo)教師 張燕杰 完成日期 2016年6月15日 目 錄一 前言31.1 換熱器分類(lèi)31.2 換熱器材質(zhì)的選擇5二 換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)5三 設(shè)計(jì)過(guò)程6 3.1設(shè)計(jì)方案的確定6 3.2 確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)并選擇管殼換熱器的型式7 3.3工藝計(jì)算及主體設(shè)備設(shè)計(jì)7 3.4換熱器核算10 3.5換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力核算：11四 換熱器設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表13五 對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述13六 附圖14七 參考文獻(xiàn)14八 主要符號(hào)說(shuō)明14

2、15一 前言 換熱器是化工、煉油工業(yè)中普遍應(yīng)用的典型的工藝設(shè)備。在化工廠，換熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用的10%20%，在煉油廠約占總費(fèi)用35%40%。換熱器在其他部門(mén)如動(dòng)力、原子能、冶金、食品、交通、環(huán)保、家電等也有著廣泛的應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)和選擇得到使用、高效的換熱器對(duì)降低設(shè)備的造價(jià)和操作費(fèi)用具有十分重要的作用。在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱(chēng)為熱交換器，即簡(jiǎn)稱(chēng)換熱器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備。1.1 換熱器分類(lèi)換熱器的類(lèi)型按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣泛，如表2-1所示。表2-1 傳熱器的結(jié)構(gòu)分類(lèi)類(lèi)型特點(diǎn)間壁式管殼式列管式固定管式剛性結(jié)構(gòu)用

3、于管殼溫差較小的情況（一般50），管間不能清洗帶膨脹節(jié)有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受低壓力浮頭式管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場(chǎng)合U型管式管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難填料函式外填料函管間容易泄露，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質(zhì)內(nèi)填料函密封性能差，只能用于壓差較小的場(chǎng)合釜式殼體上部有個(gè)蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮雙套管式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場(chǎng)合和固定床反應(yīng)器中套管式能逆流操作，用于傳熱面積較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器螺旋管式沉浸式用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱噴淋式只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝板面式板式拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱螺旋

4、板式可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流操作，有自潔的作用，可用做回收低溫?zé)崮軅惆迨浇Y(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈板殼式板束類(lèi)似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高混合式適用于允許換熱流體之間直接接觸蓄熱式換熱過(guò)程分階段交替進(jìn)行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場(chǎng)合1.管殼式換熱器管殼式換熱器又稱(chēng)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(jiǎn)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(lèi)換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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

5、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(chēng)為浮頭，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無(wú)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(jiǎn)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

6、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)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(lèi)。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(jiǎn)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。1.2 換熱器材質(zhì)的選擇 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(lái)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(mǎn)足

7、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(lái)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(wèn)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。 （1）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，在無(wú)耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。（2） 不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti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

8、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(guó)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。 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(guó)換熱器系列中，固定管板式多采正三角形排列；浮頭式則以正方形錯(cuò)列排列居多，也有正三角形排列。二 換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2.1設(shè)計(jì)題目： 設(shè)計(jì)一臺(tái)乙苯冷卻器2.2操作條件：2.2.1乙苯：入口溫度100 ，出口溫度70 。2.2.2冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度20 ，出口溫度40 2.2.3允許壓強(qiáng)降：不大于0.1 MPa。2.2.4每

9、年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。2.3設(shè)備型式：自選一種列管式換熱器2.4處理能力：處理能力6萬(wàn)噸/年三 設(shè)計(jì)過(guò)程3.1 設(shè)計(jì)方案的確定3.1.1選擇換熱器的類(lèi)型兩流體溫度變化情況： 熱流體進(jìn)口溫度T1=100，出口溫度T2=70 冷流體進(jìn)口溫度t1=20，出口溫度t2=40?？紤]到冷熱流體間溫差較小T1 - t2=100-40=60 < 70。采用固定管板式換熱器。3.1.2流程安排 與乙苯相比，水易于結(jié)垢，如果其走殼程，流速太小，會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度使換熱器傳熱速率下降。乙苯被冷卻，走殼程便于散熱。因此，冷卻水走管程，乙苯走殼程。3.1.3工藝流程草圖及說(shuō)明循環(huán)水乙苯離心泵換熱器

10、ABCD圖1 工藝流程草圖說(shuō)明：如圖，乙苯經(jīng)離心泵抽入管道，并從接管A進(jìn)入換熱殼程；循環(huán)冷卻水則由離心泵抽入管道，并從接管C進(jìn)入換熱器管程。兩物質(zhì)在換熱器中進(jìn)行熱交換后，乙苯從100被冷卻到70之后，由接管B流出；循環(huán)冷卻水則從20被加熱到40，由接管D流出。3.2 確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)并選擇管殼換熱器的型式3.2.1定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。殼程流體的定性溫度為：T= 管程流體的定性溫度為：t= 管程冷卻水的定性溫度為t=30°C 殼程有機(jī)物的定性溫度為T(mén)=85°C 3.2.2物性參數(shù)：根據(jù)物質(zhì)的定性溫度，分別查詢(xún)殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。介質(zhì)性質(zhì)

11、密度Kg/m3比熱KJ/(kg.)粘度Pa·s熱導(dǎo)率W/(m·)乙苯熱流體813.61.9340.3541030.1167水冷流體995.74.1780.801510-30.61733.3 工藝計(jì)算及主體設(shè)備設(shè)計(jì)3.3.1估算傳熱面積熱負(fù)荷：=4.4105KJ/h=122.2KW逆流時(shí)T1=T1-t2 T2=T2-t1平均傳熱溫差： Tm=（T1-T2）/（T1/T2）= 查表預(yù)設(shè)K=346W/(m2·)則估算的傳熱面積為:S= 考慮到外界因素的影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取傳熱面積為估算值的1.15倍（裕度15%），則傳熱面積為：S=1.15S=7.41m2水用量

12、3.3.2工藝結(jié)構(gòu)尺寸管徑和管內(nèi)流速：考慮到管內(nèi)流體為循環(huán)水水，易結(jié)垢，選用25×2.5的換熱管（碳 鋼），取管內(nèi)流速u(mài)i=1.2m/s。 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)： 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為：按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用標(biāo)準(zhǔn)管設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng) L = 6 m，則該換熱器的管程數(shù)為： 傳熱管總根數(shù)：N = 4×4 = 16（根）平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均溫差校正系數(shù)： 按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查圖得：由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。平均傳熱溫差：傳熱管排

13、列和分程方法 采用正三角形排列。取管心距t=1.25d0，則 t=1.25×25=31.2532mm隔板中心到離其最近一排管中心距離： S=t/2+6=32/2+6=22mm各程相鄰管的管心距為：S×2=44mm殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.80，則殼體內(nèi)徑為可圓整到標(biāo)準(zhǔn)尺寸325 mm折流擋板采用弓形折流板,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=0.25×325=81 mm取折流板間距h=0.3D，則 h=0.3×325=97.5 mm 故可取h=100 mm 折流板數(shù)目：接管：殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體流速

14、為u1=2 m/s，則接管內(nèi)徑為管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速u(mài)2=2.4 m/s，則接管內(nèi)徑為3.4 換熱器核算熱量核算3.4.1殼程對(duì)流傳熱系數(shù)：對(duì)圓缺形折流板，可采用凱恩公式（教材P194）計(jì)算：當(dāng)量直徑：殼程流通截面積：殼程流體流速：雷諾數(shù)： 普朗特?cái)?shù)：粘度校正：3.4.2管程對(duì)流傳熱系數(shù)：管程流體流通截面積：管程流體流速：雷諾數(shù)：普朗特?cái)?shù)：3.4.3污垢熱阻管外側(cè)污垢熱阻：管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：總傳熱系數(shù)（以管外表面積為基準(zhǔn)）3.4.4傳熱面積裕度 計(jì)算傳熱面積為：換熱器的實(shí)際傳熱面積為：傳熱面積裕度: 傳熱面積裕度合適（1030%左右），該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。3.5 換熱器內(nèi)流

15、體的流動(dòng)阻力核算：3.5.1管程流體阻力 由Rei=28821，傳熱管相對(duì)粗糙度為0. 1/20=0.005，查莫狄圖，得=0.03 W/(m·K)，流速u(mài)i=1.16 m/s，i=995.7 kg/m3，所以：管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。3.5.2殼程阻力 流體流經(jīng)管束的阻力 殼程流通面積：、 h=0.1m D=0.325m殼程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。 四 換熱器設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表參數(shù)殼程管程流量kg/h7575.85256進(jìn)出口溫度/100/7020/40壓力/pa0.1Mpa0.1Mpa物性定性溫度/8530密度/（kg/m3）813.6995.7比熱容/KJ/(kg.)1.934

16、4.178粘度/pa.s0.3540.8015熱導(dǎo)率/W/(m·)0.11670.6173普朗特?cái)?shù)5.86665.42設(shè)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/mm325臺(tái)數(shù)1管徑/mm.5管心距/mm44管長(zhǎng)/mm6000管子排列正三角管數(shù)目/根16折流板數(shù)/個(gè)59傳熱面積/m27.54折流板間距/mm100管程數(shù)4材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/m/s0.361.16對(duì)流傳熱系數(shù)/752.54357污垢熱阻0.0001760.00058阻力/pa熱流量/KW122.2傳熱溫差/k54.9總傳熱系數(shù)w387裕度27%五 對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述本次課程設(shè)計(jì)，在張燕杰老師的細(xì)心指導(dǎo)下，同時(shí)

17、也我們準(zhǔn)備了很多相關(guān)的資料的前提下，讓我們?cè)诰唧w設(shè)計(jì)過(guò)程中輕松了許多，將理論知識(shí)用于具體實(shí)踐的能力也得到一定的提升，課程設(shè)計(jì)不同于平時(shí)的作業(yè)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要我們自己做出決策，即自己確定方案，選擇工藝參數(shù)和條件，查閱資料，進(jìn)行過(guò)程和設(shè)備計(jì)算，并要對(duì)自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過(guò)反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選擇最理想的方案和最合理的設(shè)計(jì)。所以這對(duì)培養(yǎng)我們獨(dú)立工作的能力有很大幫助。在“列管換熱器的工藝設(shè)計(jì)和選用”的設(shè)計(jì)過(guò)程中，感覺(jué)到理論和實(shí)踐能力都有一定的提升。主要有以下幾點(diǎn)：（1）查找資料，選用公式和收集數(shù)據(jù)的能力。設(shè)計(jì)任務(wù)數(shù)給出后，有許多數(shù)據(jù)需要由我們自己取收集，有些物性參數(shù)要查去或估算，計(jì)算公式也要

18、求我們自己選擇，這就要求我們運(yùn)用各方面的知識(shí)，通過(guò)詳細(xì)全面的考慮才能選定。（2）準(zhǔn)確、迅速地進(jìn)行工程計(jì)算的能力。設(shè)計(jì)計(jì)算是一個(gè)反復(fù)試算的過(guò)程，計(jì)算工作量大，這就要求我們需要有準(zhǔn)確迅速的能力。（3）綜合分析問(wèn)題的能力。課程設(shè)計(jì)不僅要求計(jì)算正確，還要求從各方面考慮各種因素，分析設(shè)計(jì)方案的可行性、合理性、從總體上得到最佳結(jié)果。六 附圖（主體設(shè)備設(shè)計(jì)圖、管板布置圖）七 參考文獻(xiàn)1 陳英南，劉玉蘭常用化工單元設(shè)備的設(shè)計(jì).華東理工大學(xué)出版社.20052 上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院編化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版).化學(xué)工業(yè)出版社.19963 江體乾等化工工藝手冊(cè)上海科學(xué)技術(shù)出版社.19924 茅曉東，李建偉典型化工設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)華東理工大學(xué)出版社19