化工原理課程設(shè)計

TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1前言 2\o"CurrentDocument"1.1固定管板式換熱器 2\o"CurrentDocument"2列管式換熱器的工藝設(shè)計 3\o"CurrentDocument"試算和初選換熱器的規(guī)格 3計算熱負荷 3計算兩流體的平均溫度差 3初選換熱器規(guī)格 4\o"CurrentDocument"核算壓強降 4管程壓強降 4\o"CurrentDocument"核算總傳熱系數(shù) 6管程對流傳熱系數(shù)ai 6殼程對流傳熱系數(shù)ao 6污垢熱阻 7總傳熱系數(shù)KO 7列管式換熱器設(shè)計朱婉琴（新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)校烏魯木齊830091）摘要：本次課程設(shè)計是列管式換熱器的設(shè)計。列管式換熱器的設(shè)計和分析包括熱力設(shè)計、流動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及強度設(shè)計，其中以熱力設(shè)計最為重要。列管式的換熱器的設(shè)計內(nèi)容主要包括根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計方案，試算和初選換熱器的規(guī)格；核算管程、殼程壓強降；核算總傳熱系數(shù)。本組選擇的換熱器為G40040163型換熱器，計算結(jié)果為:K的估計值為450,K^q計算值是555，45H1.23,在1.15-1.25范圍內(nèi)，所選換熱器合適。K, 450關(guān)鍵詞：列管式換熱器；設(shè)計；計算；結(jié)論1前言換熱設(shè)備是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是在化工、石油、輕工、食品、動力、制藥、冶金等許多工業(yè)部門中廣泛應(yīng)用的一種工藝設(shè)備。在煉油、化工裝置中，換熱器占設(shè)備數(shù)量的40%左右，占總投資的30%-45%。隨著環(huán)境保護要求的提高，近年來，加氫裝置的要求越來越多，如加氫裂化，煤油加氫，汽油、柴油加氫和潤滑油加氫等，所需的高溫、高壓的換熱設(shè)備的數(shù)量隨之加大，在這些場合，換熱設(shè)備通常占總投資的50%以上。換熱設(shè)備也是回收余熱、廢熱，特別是地位熱能的有效裝置。列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì)可分別采用普通碳鋼、紫銅或不銹剛制作。在進行換熱時，一種流體由封頭的連接管處進入，在管內(nèi)流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱為管程；另一種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補償結(jié)構(gòu)來分，主要有以下幾種。1.1固定管板式換熱器這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清洗。此類換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩邊，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時，管子和管板于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(yīng)力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。為了克服溫差應(yīng)力，必須有溫差補償裝置。一般在管壁與殼壁溫度相差50℃以上時，為了安全起見，換熱器應(yīng)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℃和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6Mpa時，由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。

2列管式換熱器的工藝設(shè)計第四小組設(shè)計任務(wù)和設(shè)計條件某廠用冷卻水冷卻從反應(yīng)器出來的循環(huán)使用的有機液，操作條件及物性如下表：物料溫度/℃質(zhì)量流量/(kg/h)比熱/[kJ/(kg?℃)]密度/(kg/m3)導(dǎo)熱系數(shù)/[W/(m?℃)]黏度/Pa?s入口出口有機液6550400002.2619500.1720.742水25t2200004.18710000.6211試選用一臺適當型號的列管式換熱器。2.1試算和初選換熱器的規(guī)格本題為兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，根據(jù)兩流體的情況，因有機液為被冷卻流體，水易結(jié)垢，選擇水走換熱器的管程，有機液走殼程。2.1.1計算熱負荷Q=WCp(T-T)=40000x2.261x103x(65-50)=376833.33Whh1 2 36002.1.2計算兩流體的平均溫度差暫按單殼程、多管程進行計算。逆流時平均溫度差為376833.33 二16.2℃WCp 20000*4.178x10312=(+A376833.33 二16.2℃WCp 20000*4.178x10312=(+At=25+16.2=41.2℃At-At (50—25)—(65—41.2)—2 1?AtIn—2At1如(50-25)

n(65-41.2)=24.39℃t-tq ;T1-t1412—25 =0.40565-25T-T-4 t-t461—505二0.93由圖3-24查得甲八二0.93所以 At二甲八八tm=0.93x24.39=22.69℃2.1.3初選換熱器規(guī)格根據(jù)兩流體的情況，假設(shè)K=450W/(m??℃)S二-Q-

KAtm376833.S二-Q-

KAtm由于Tjm65+2525+41=24.4℃<50℃，因此不需考慮熱補償。殼徑/mm400管子尺寸/mm①25X2.5公稱壓強由于Tjm65+2525+41=24.4℃<50℃，因此不需考慮熱補償。殼徑/mm400管子尺寸/mm①25X2.5公稱壓強/atm16管長/m6公稱面積/m?40管子總數(shù)86管程數(shù)3管子排列方法正三角形據(jù)此，由換熱器系列標準(參見附錄中選定的G-400-40-16-3型換熱器)。有關(guān)參數(shù)如下：實際傳熱面積S=n兀dL=86x3.14x0.025x(6-0.1)=39.83^若采用此傳熱面積的換熱器，則要求過程中的總傳熱系數(shù)為K=450W/(m??℃)。2.2核算壓強降2.2.1管程壓強降工Ap=(Ap+Ap)FN式中F=1.4,N=3管程流通面積A=—d2?—=—x0.022x86=0.009m?i4iNp4V_ 20000了=3600x0.009x1000i=0.6173m/sRei（湍流）_dup_0.02x0.6173x1000_Rei（湍流）―R― 1x10-3 一設(shè)管壁粗糙度￡_0.1mm,__01_0.005，由九-Re關(guān)系圖中查得：九二0.038d20i所以AqLpu2八ccc6 1000x0.61732Ap_X——_0.038x——x _2172Pa1d2 0.02 21000x0.61731000x0.617322_571.6Pa則工Ap.=(Ap1+Ap2)FN_(2172+571.6)x1.4x3_11523.1Pa2.2.2殼程壓強降ZAp_(Ap'1+Ap'2)FNpu2其中F_1.15,N_1,Ap'_Ffn(N+1)1ocB 2管子為正三角形排列，F(xiàn)_0.5n_1.1,n_1.1x.v86_10c取折流擋板間距 h_0.3mNB=L-1NB=L-1殼程流通面積063-1_19A_h(D-nd)_0.3x(0.4-10x0.025)_0.045^400003600x400003600x950x0.045_0,2599m/s〉500Re_dyP_0.020x0.2599x950_〉500o― 0.742x10-3fO_5.0Re-0.228_5.0x6655-0.228_Pu2 950x0.25992 「所以 Ap'_Ffn(N+1)o_0.5xx10x(19+1)x _Paoc'b,2 2

950,以5992二⑵9Pa2950,以5992二⑵9PaAp,=N(3.5———)——J=19X(3.5- )義bd2 0.42Ap=(Ap;+Ap'2)FN=(+1219)x1.15x1=Pa計算表明，殼程和殼程壓強降都能滿足要求。2.3核算總傳熱系數(shù)管程對流傳熱系數(shù)aiRei=12346(湍流)Pr=

iCpPr=

iCpN 4.187x1x10-30.621=0.0067a=a=0.023—Re0.8Pr0.4=0.023x0621x123460.8x0.00670.4=id 0.02iW/(m2?℃)2.3.2殼程對流傳熱系數(shù)ao即九dupCpU1Na=0.36(—)(J-)0.55(Cpr.)3(上)0.14odU九u

e w取換熱器列管之中心距t=32mm。流體通過管間最大截面積為，"d，"d八…，”A=hD(1-—)=0.3x0.4x(1-t0.020.032)=0.045m2m/sV_40000—= m/sA0.045x950Re-du；P_0.02xx950e0―eN-0.742x10-3「CpU2.261x0.742x10-3o入 0.172殼程中油品被冷卻，取(立)0.14-1.04。U

w所以1x3x1.040.14-TOC\o"1-5"\h\z入du1x3x1.040.14-a-0.36(—)()0.55(—1_)3(一)0.14-0.36x x0.55odU九U 0.02

W/（^^℃）2.3.3污垢熱阻參見表3-16，管內(nèi)、外測污垢熱阻分別取為Rs=m2?℃/WRs=0.00026m??℃/W總傳熱系數(shù)KO管壁熱阻可忽略時，總傳熱系數(shù)KoK o-K o-K估計555450=1.23K