管殼式換熱器課程設(shè)計

化工原理課程設(shè)計說明書目錄前言················································2第一部分，甲苯冷凝器的設(shè)計設(shè)計任務(wù)···········································4設(shè)計要求··········································4工藝結(jié)構(gòu)尺寸·······································6管徑和管內(nèi)流速·······························6管程數(shù)和傳熱管數(shù)·····························6平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)·····················6傳熱管的排列和分程數(shù)法·······················7殼體內(nèi)徑·····································7換熱器主要傳熱參數(shù)核算·····························8（1）計算管程對流傳熱系數(shù)··························8（2）計算殼程對流傳熱系數(shù)··························8（3）確定污垢熱阻··································9（4）總傳熱系數(shù)····································9第二部分，甲苯冷卻器的設(shè)計試算并初選換熱器規(guī)格·······························11流體流動途徑的確定···························11確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)，并選擇列管換熱器的型式·····································11計算總傳熱系數(shù)····································11計算熱負(fù)荷···································11冷卻水用量···································12計算平均傳熱溫度差···························12總傳熱系數(shù)K·································12估算換熱面積·································12工藝結(jié)構(gòu)尺寸·······································12管徑和管內(nèi)流速································12管程數(shù)和傳熱管數(shù)······························12平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)······················13傳熱管的排列和分程方法························14殼體內(nèi)徑······································14換熱器主要傳熱參數(shù)核算·····························15殼程對流傳熱系數(shù)·····························15管程對流傳熱系數(shù)·····························16基于管內(nèi)表面積的總傳熱系數(shù)···················16計算面積裕度·································17化工原理課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計任務(wù)題目＃＃．＃萬噸/年甲苯精餾塔冷凝冷卻(水冷)換熱系統(tǒng)工藝設(shè)計。任務(wù)給定條件熱流條件：流量為10500kg/h的甲苯蒸汽從120℃，0.14MPa(絕壓)冷凝到120℃，0.14MPa(絕壓)甲苯液，再冷卻到30℃；120℃甲苯汽相熱焓140Kcal/Kg，液相焓53Kcal/Kg，30℃甲苯液相焓13Kcal/Kg；定性溫度80℃時甲苯密度810Kg/m3,比熱0.446(Kcal/Kg.℃)絕對粘度0.32(cp)，比熱0.104(Kcal/(m.h.℃))冷流條件新鮮水初始溫度25℃，循環(huán)水初始溫度45℃，換熱后水溫升15℃。水的物性數(shù)據(jù)由化原上冊附錄查取。管殼式換熱器類型提示設(shè)計壓力1.6MPa，要求管程和殼程的壓降不大于30kPa，冷凝采用浮頭式，冷卻采用固定管板式管殼式換熱器。設(shè)計要求每個設(shè)計者必須提交設(shè)計說明書和冷凝冷卻系統(tǒng)工藝流程圖(A3)。1．設(shè)計說明書必須包括下述內(nèi)容：封面、目錄、設(shè)計任務(wù)書、設(shè)計計算書、設(shè)計結(jié)果匯總表、設(shè)計自評和符號說明、參考文獻(xiàn)等。2．設(shè)計計算書應(yīng)包括的主要內(nèi)容和設(shè)計計算的步驟:1)計算熱負(fù)荷、收集物性常數(shù)。根據(jù)設(shè)計任務(wù)作冷凝冷卻系統(tǒng)熱衡算確定流體放熱速率或冷流體吸熱速率，和新鮮水、循環(huán)水流率?？紤]了熱損失后即可確定換熱器應(yīng)達(dá)到的傳熱能力Q；按定性溫度確定已知條件℃甲苯的定性溫度：根據(jù)定性溫度查得的物性參數(shù)為：名稱密度ρKg/QUOTE定壓比熱CpKJ/(Kg·℃)導(dǎo)熱系λW/(m·℃)粘度μPa·s汽化熱rKJ/Kg120℃甲苯液體769.412.0390.3837354.6水986.854.1820.6465219.784計算熱負(fù)荷W5冷卻水耗量6計算有效平均溫度差120℃甲苯蒸汽T:120℃120℃循環(huán)水t:60℃45℃Δt60℃75℃7選取經(jīng)驗傳熱系數(shù)K值根據(jù)管程走水，殼程走甲苯汽，總傳熱系數(shù)，現(xiàn)暫取。8估算換熱面積三、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1、管徑和管內(nèi)流速選用?25×2.5mm較高級冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速ui=12、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)≈69（根）按單程管計算，所需的傳熱管長度為：=5.7（m）選定換熱器管長l=3m，則管程數(shù)Np為：Np=，取管程N(yùn)p=2，則總管數(shù)為：m=2×69=138根根據(jù)S=30.77m2,m=138根，Np=2，查表，選用固定管板式換熱器(JB/T4717-92)，其實際傳熱面積為44.9m2,有關(guān)參數(shù)如下：公稱直徑DN600mm公稱壓力PN1.6×106Pa傳熱面積S44.9管程數(shù)Np2管數(shù)m198管長l3m管子規(guī)格管心距32mm管子排列方式：正三角形換熱器的實際換熱面積該換熱器所要求的總傳熱系數(shù)3、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)依《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》P63，公式3-13a和3-13b，平均傳熱溫差校正系數(shù)平均傳熱溫差校正為△tm=×△tm’=27.05×0.91=24.62(℃)由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適4、傳熱管的排列和分程方法采用組合排列法，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。其中，每程內(nèi)的正三角形排列，其優(yōu)點(diǎn)為管板強(qiáng)度高，流體走短路的機(jī)會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高，相同的殼程內(nèi)可排列更多的管子。查《熱交換器原理與設(shè)計》P46，表2-3管間距，取管間距：t＝32mm。由《化工原理上冊》P278，公式4-123，得橫過管束中心線的管數(shù)為由《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》P67，公式3-16，隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+3=32/2+3=19mm取各程相鄰管的管心距為38mm。5、殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.7，由《流體力學(xué)與傳熱》P206，公式4-115，得殼體內(nèi)徑為Di=1.05t=1.05×32×=471.77mm,查閱《化工原理（上）》，附錄二十三：熱交換器，取Di=600mm。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=0.25×600=150mm，故可取h=110mm。取折流板間距B=0.6Di，則B=0.6×600=360mm。取板間距B＝350mm，則：折流板數(shù)NB=－1=－1=8塊折流板圓缺面水平裝配。四、核算總傳熱系數(shù)（1）計算管程對流傳熱系數(shù)（湍流）（2）計算殼程對流傳熱系數(shù)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(dāng)量直徑，由正三角形排列得AA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(zhǔn)數(shù)粘度校正（3）確定污垢熱阻（4）總傳熱系數(shù)所選換熱器的安全系數(shù)為表明該換熱器的傳熱面積裕度符合要求。求換熱器的臺數(shù)根據(jù)總傳熱系數(shù)，確定傳熱面積：求所需換熱管數(shù)：S流通=3.14×0.025×3=0.2355所需換熱器臺數(shù)：預(yù)留25%的預(yù)備管量以及預(yù)留多1臺做備用，故選取換熱器臺數(shù)為2臺。所以，根據(jù)題目要求所需，總共需要2臺浮頭式換熱器并聯(lián)對甲苯蒸汽進(jìn)行冷凝。換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見表參數(shù)管程殼程物料名稱循環(huán)水甲苯流率/（kg/h）59354.3810500進(jìn)/出溫度/℃45/60120/120換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)換熱器類型浮頭式換熱器殼體內(nèi)徑/mm600殼程數(shù)2管徑/mmф25×2.5管心距/mm32管長/mm3000管子排列正三角形管數(shù)目/根198管程2傳熱面積/m244.9傳熱系數(shù)554.6污垢阻力/（w/m2·K）0.0001740.000172熱流量/W1034250傳熱溫差/℃67.5安全系數(shù)/%13.3甲苯的冷卻一、試算并初選換熱器規(guī)格1.流體流動途徑的確定本換熱器處理的是兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，且均不易結(jié)垢，根據(jù)兩流體的情況，故選擇水走換熱器的管程，甲苯走殼程。2.確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)，并選擇列管換熱器的型式冷卻介質(zhì)為新鮮水，取入口溫度為：25℃，出口溫度為：（25＋15）℃甲苯的定性溫度：℃水的定性溫度：℃兩流體的溫差：℃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)。甲苯在75℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)冷卻水在32.5℃下的物性數(shù)據(jù)密度ρo=810kg/m3密度ρi=994.9kg/m3定壓比熱容cpo=1.888kJ/(kg·℃)定壓比熱容cpi=4.127kJ/(kg·℃)導(dǎo)熱系數(shù)λo=0.124W/(m·℃)導(dǎo)熱系數(shù)λi=0.6218W/(m·℃)粘度μo=0.000383Pa·s粘度μi=0.000763Pa·s由于兩流體溫差不大于50℃，故選用固定管板式管殼式換熱器。二、計算總傳熱系數(shù)1.計算熱負(fù)荷2.冷卻水用量兩流體的溫差，不需要熱補(bǔ)償。3.計算平均傳熱溫度差℃4、總傳熱系數(shù)K（1）管程傳熱系數(shù)（湍流）（2）選取經(jīng)驗傳熱系數(shù)K值根據(jù)管程走水，殼程走甲苯，總傳熱系數(shù)，現(xiàn)暫取。5.估算換熱面積三、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1、管徑和管內(nèi)流速選用?25×2.5mm較高級冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速ui=0.2、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)≈52（根）按單程管計算，所需的傳熱管長度為：=7.5（m）選定換熱器管長l=4.5m，則管程數(shù)Np為：Np=，取管程N(yùn)p=2，則總管數(shù)為：m=2×52=104根根據(jù)S=30.54m2,m=104根，Np=2，查表，選用固定管板式換熱器，其實際傳熱面積為28.8m2,有關(guān)參數(shù)如下：公稱直徑DN450mm公稱壓力PN2.5×106Pa傳熱面積S43.5管程數(shù)Np2管數(shù)m126管長l4.5m管子規(guī)格管心距32mm管子排列方式：正三角形換熱器的實際換熱面積該換熱器所要求的總傳熱系數(shù)3、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)依《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》P63，公式3-13a和3-13b，平均傳熱溫差校正系數(shù)平均傳熱溫差校正為△tm=×△tm’=27.05×0.91=24.62(℃)由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適4、傳熱管的排列和分程方法采用組合排列法，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。其中，每程內(nèi)的正三角形排列，其優(yōu)點(diǎn)為管板強(qiáng)度高，流體走短路的機(jī)會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高，相同的殼程內(nèi)可排列更多的管子。查《熱交換器原理與設(shè)計》P46，表2-3管間距，取管間距：t＝32mm。由《化工原理上冊》P278，公式4-123，得橫過管束中心線的管數(shù)為由《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》P67，公式3-16，隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+6=32/2+6=22取各程相鄰管的管心距為44mm。5、殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.7，由《流體力學(xué)與傳熱》P206，公式4-115，得殼體內(nèi)徑為Di=1.05t=1.05×32×=409.6mm,查閱《化工原理（上）》，附錄二十三：熱交換器，取Di=450mm。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=0.25×450=112.5mm，故可取h=110mm。取折流板間距B=0.6Di，則B=0.5×450=270mm。取板間距B＝250mm，則：折流板數(shù)NB=－1=－1=17塊折流板圓缺面水平裝配。四、換熱器主要傳熱參數(shù)核算1、熱量核算(1)殼程對流傳熱系數(shù)對于圓缺形折流板，可采用克恩公式。由《流體力學(xué)與傳熱》，公式4-60、4-61，得αo=其中：①當(dāng)水做冷卻劑時，粘度校正為=1.05②當(dāng)量直徑，管子為正三角形排列時，依《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》，公式3-22得de＝＝＝0.0202m③殼程流通截面積，由《流體力學(xué)與傳熱》P164，公式4-62，得So=BD(1－)=0.25×0.45×（1－）＝0.0246m2④殼程甲苯的流速及其雷諾數(shù)分別為uo＝=＝0.146m/sReo＝＝＝6237.21⑤普朗特準(zhǔn)數(shù)（<傳熱傳質(zhì)過程設(shè)備設(shè)計>P26，公式1-43）因此，殼程甲苯的傳熱膜系數(shù)αo為(2)管程對流傳熱系數(shù)由《流體力學(xué)與傳熱》，公式4-52a、4-52b，得αi=0.023Re0.8Pr0.3其中：程流通截面積Si==0.022××=0.0163m2程冷卻水的流速及其雷諾數(shù)分別為Ui＝=＝0.494m/sRei＝＝＝13011.68③普蘭特準(zhǔn)數(shù)因此，管程冷卻水的傳熱膜系數(shù)αi為αi=0.023×13011.680.8×5.060.3×=2275.41W/(m2·℃)(3)基于管內(nèi)表面積的總傳熱系數(shù)Ki污垢熱阻和管壁熱阻查有關(guān)文獻(xiàn)知可取：管外側(cè)污垢熱阻R0=0.000176m2·K/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻Ri=0.0002