化工原理課程設計列管式換熱器設計

/太原工業(yè)學院化工原理課程設計硝基苯冷卻器設計系:班級:姓名:學號：完成時間：2010年12月26日課程設計任務書設計一個換熱器，將硝基苯液體從１4０℃冷卻到80℃。硝基苯的流量為1×104kg/h。冷卻水的入口溫度為30℃，出口溫度為40℃。要求設計的換熱器的管程和殼程的壓降不大于40kPａ。設計要求(１)換熱器工藝設計計算（2）換熱器工藝流程圖（３)換熱器設備結(jié)構(gòu)圖（4）設計說明目錄一、前言································································3方案設計································································４確定設計方案·····························································4確定物性數(shù)據(jù)·····························································4計算總傳熱系數(shù)···························································４計算傳熱面積·····························································5工藝結(jié)構(gòu)尺寸·····························································５換熱器核算·······························································7設計結(jié)果一覽表··························································10對設計的評述····························································11附圖(主體設備設計條件圖）（詳情參見圖紙）·································參考文獻································································1２主要符號說明····························································12附圖··········································································一、方案簡介本設計任務是利用冷流體(水)給硝基苯降溫。利用熱傳遞過程中對流傳熱原則，制成換熱器，以供生產(chǎn)需要.下圖（圖1)是工業(yè)生產(chǎn)中用到的列管式換熱器．選擇換熱器時，要遵循經(jīng)濟，傳熱效果優(yōu)，方便清洗,復合實際需要等原則。換熱器分為幾大類：夾套式換熱器，沉浸式蛇管換熱器,噴淋式換熱器，套管式換熱器，螺旋板式換熱器，板翅式換熱器，熱管式換熱器,列管式換熱器等。不同的換熱器適用于不同的場合。而列管式換熱器在生產(chǎn)中被廣泛利用。它的結(jié)構(gòu)簡單、堅固、制造較容易、處理能力大、適應性大、操作彈性較大。尤其在高壓、高溫和大型裝置中使用更為普遍。所以首選列管式換熱器作為設計基礎.二、方案設計某廠在生產(chǎn)過程中，需將硝基苯液體從140℃冷卻到８0℃。硝基苯的流量為１×1０4kg/ｈ。冷卻水入口溫度30℃，出口溫度４０℃。要求換熱器的管程和殼程的壓降不大于40kPａ.試設計能完成上述任務的列管式換熱器。1．確定設計方案（1）選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度１４0℃,出口溫度80℃冷流體。冷流體進口溫度30℃，出口溫度40℃。從兩流體溫度來看，估計換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差不會很大，因此初步確定選用固定管板式換熱器.(2）流動空間及流速的確定由于硝基苯的粘度比水的大,因此冷卻水走管程，硝基苯走殼程。另外，這樣的選擇可以使硝基苯通過殼體壁面向空氣中散熱，提高冷卻效果.同時,在此選擇逆流。選用ф19×2ｍｍ的碳鋼管，管內(nèi)流速取ui=0.94m/s.２、確定物性數(shù)據(jù)定性溫度:可取流體進口溫度的平均值。殼程硝基苯的定性溫度為:管程流體的定性溫度為：根據(jù)定性溫度,分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。硝基苯在110℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度ρo＝１097。58kg/m3定壓比熱容cpo=１.78kJ／（ｋg·℃)導熱系數(shù)λo＝0。１38Ｗ/（m·℃）粘度μo＝0.00051Ｐa·s冷卻水在35℃下的物性數(shù)據(jù)：密度ρｉ＝９94。３ｋｇ／m3定壓比熱容cpi=4。174kJ/（ｋg·℃）導熱系數(shù)λi=0．6２65W/（m·℃)粘度μi＝0。00０742Pa·s3。計算總傳熱系數(shù)(1）熱流量Qo=Lcp1Δｔ1=1０000×１780×（14０—80)／３6０0＝2９６700kW(2）冷卻水用量qｍ2=Qo／cｐ２Δｔ2=2９6700/4１740×１０=25590kJ/h(3)平均傳熱溫差（４)初算傳熱面積假設Ｋ＝4０0W/m2。ｏC５、工藝結(jié)構(gòu)尺寸(1）管徑和管內(nèi)流速及管長選用ф1９×２mm傳熱管(碳鋼），取管內(nèi)流速ui=０。94ｍ/ｓ（2）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)按單管程計算,所需傳熱管長度為L=S估／（3.14d0Ns）=1０.28∕3.１4×0．0１9×43＝4。００72采用多管程結(jié)構(gòu)，現(xiàn)取傳熱管長度L＝2m,則該換熱器的管程數(shù)為（管程）傳熱管總根數(shù)Ｎ=８6（根）（3)平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)按單殼程,雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應查有關(guān)圖表?？傻闷骄鶄鳠釡夭睿ǎ矗﹤鳠峁芘帕泻头殖谭椒ú捎媒M合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列.取管心距ｔ=1.25d0，則t=1。２5×１9=２5（mｍ）隔板中心到離其最近一排管中心距離按式，計算Z=t÷2+6=18．5ｍm各程相鄰管的管心距為３7mm

橫過管束中心線的管數(shù)（5)殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.7,則殼體內(nèi)徑為圓整可取D＝325mm（6）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＝0.25×3２５＝8１。25mm，故可取h=82mm。取折流板間距B＝0.３Ｄ，則B＝0.3×３２5=9７．５ｍm，可取B為１00。折流板數(shù)ＮB=傳熱管長/折流板間距-1=2０00/100—１=19(塊)折流板圓缺面水平裝配。(7）接管殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)硝基苯流速為u＝１.。０ｍ/s,則接管內(nèi)徑為圓整后可取管內(nèi)徑為６0ｍm管程流體進出口接管:取接管內(nèi)冷卻水流速u＝2ｍ/s，則接管內(nèi)徑為圓整后可取管內(nèi)徑為７0mm6。換熱器核算（1）熱量核算①殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板,可采用凱恩公式當量直徑,由正三角形排列得殼程流通截面積殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普蘭特準數(shù)p＝6．４49粘度校正②管程對流傳熱系數(shù)管程流通截面積管程流體流速普蘭特準數(shù)③傳熱系數(shù)Ｋ④傳熱面積Ｓ該換熱器的實際傳熱面積Sp該換熱器的面積裕度為傳熱面積裕度合適,該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。（２）換熱器內(nèi)流體的壓力降①管程流動阻力∑ΔPi＝（ΔP1+ΔP2）FtＮsＮpNs=1，Np＝2，F(xiàn)ｔ=1.5由Rｅ＝18934,傳熱管相對粗糙度0.01/15=０．0067,查莫狄圖得λi=0．００28W／m·℃，流速ui=０。9４２m/s，ρ=９94.3kg/ｍ3，所以管程壓力降在允許范圍之內(nèi)。②殼程壓力降流體流經(jīng)管束的阻力流體流過折流板缺口的阻力殼程壓力降也比較適宜.三、設計結(jié)果一覽表換熱器形式：固定管板式換熱面積（m２）：1０.３工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱冷卻水硝基苯操作壓力,Ｐa未知未知操作溫度，℃3０/4014０/8０流量，kg/h２５590100０0流體密度,kg/ｍ３9９4。３109７。58流速,m／s０。94２0。３24傳熱量，kW296。7總傳熱系數(shù),W／ｍ2·K509傳熱系數(shù),W/(m2·℃)47959３6污垢系數(shù),ｍ2·K/W0。0０0３440．00０1７6阻力降，kＰa8。37．64程數(shù)21推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格Ф１9×2管數(shù)86管長mｍ:２00０管間距，ｍｍ25排列方式正三角形折流板型式上下間距，mm1００切口高度25％殼體內(nèi)徑,mm３25保溫層厚度，mｍ未知表格ＳＥQ表格\＊ＡRAＢIC１四、對設計的評述初次接觸化工原理課程設計,還荒謬地以為是像其他課程一樣是實驗類的，聽課的時候也一頭霧水，根本不知道該做什么，該怎么做,無從下手，只是覺得好難。有一段時間都在觀望。所以自己設計的時候只能是根據(jù)老師提供的模板,用新的數(shù)據(jù)代替舊的數(shù)據(jù),其他的公式完全照抄，花了一天時間，終于把計算部分完成了。裕度15％，在合理范圍內(nèi)，但是,一看壓力降，徹底崩潰了，１２多千帕,天啊,完全不合理。再細看模板和自己的設計的時候，發(fā)現(xiàn)了很多問題，我的設計根本是行不同,果真用這設計的話，也是謀財害命.所以我決定重新來過。這時離交作業(yè)還有三天，做出來的裕度居然一直都在５0%以上，重新分析計算的過程中也出現(xiàn)了幾次錯誤,由于急于求成，算出來后的結(jié)果偏離太多，檢查才發(fā)現(xiàn)部分數(shù)據(jù)出現(xiàn)了錯誤，而且老師給的模板里面也有一些錯誤,這樣照搬下去的一些公式就除了問題了，只好靜下來認真地理解和消化原有的一些公式，這樣又一次重新算過。因此，有花了一天的時間在計算上。那么接下來就是畫圖了,由于學過機械制圖，以為畫圖比較簡單,5個小時左右可以完成，誰知道,畫圖更難，這主要是因為在設計的時候,沒有兼顧考慮到畫圖,因此設計出來的管數(shù)很難安排,冥思苦想了好久,換了好多方案，查了好多資料,換了多種排列方法，還是行不通。最終，只好把管數(shù)安排成易于排列的數(shù)目，才解決了這個問題。其實,在整個過程中，雖然遇到了很多問題,也犯了不少錯誤，但是自己真的學到了很多東西,比如wｏrｄ文檔公式的運用，比如如何使自己的設計更加合理，這就要求自己在設計前要詳細的考慮各種可能出現(xiàn)的問題和解決辦法,才能達到事半功倍的效果。我覺得，如何查找數(shù)據(jù)也很重要，假如自己查不到數(shù)據(jù),接下來的工作完全沒辦法做，假如查的數(shù)據(jù)是錯誤的,那設計出來的東西也是錯誤的,而且很可能導致嚴重的后果。六、參考文獻《化工原理》，王志魁編，化學工業(yè)出版社，2００6.《化工設備設計》,潘國呂，郭慶豐編著,清華大學出版社,19９6。《化工物性算圖手冊》，劉光啟等編著,化學工業(yè)出版社，2０02．《生物工程專業(yè)課程設計》，尹亮，黃儒強編．《石油化工基礎數(shù)據(jù)手冊》《化學化工工具書》等．七、主要符號說明硝基苯