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文檔簡介
1、一設(shè)計任務(wù)和設(shè)計條件某生產(chǎn)過程的流程如圖所示,反應(yīng)器的混合氣體經(jīng)與進料物流患熱后,用循環(huán)冷卻水將其從110進一步冷卻至60之后,進入吸收塔吸收其中的可溶組分。已知混和氣體的流量為227301/h,壓力為6.9MPa ,循環(huán)冷卻水的壓力為0.4MPa ,循環(huán)水的入口溫度為29,出口溫度為39 ,試設(shè)計一臺列管式換熱器,完成該生產(chǎn)任務(wù)。物性特征:混和氣體在35下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下(來自生產(chǎn)中的實測值): 密度 定壓比熱容 =3.297kj/kg 熱導(dǎo)率 =0.0279w/m粘度 循環(huán)水在34 下的物性數(shù)據(jù): 密度=994.3/m3定壓比熱容=4.174kj/kg 熱導(dǎo)率 =0.624w/m粘度 二
2、 確定設(shè)計方案1 選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況:熱流體進口溫度110 出口溫度60;冷流體進口溫度29,出口溫度為39,該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻,冬季操作時,其進口溫度會降低,考慮到這一因素,估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大,因此初步確定選用浮頭式換熱器。2 管程安排 從兩物流的操作壓力看,應(yīng)使混合氣體走管程,循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢,若其流速太低,將會加快污垢增長速度,使換熱器的熱流量下賤,所以從總體考慮,應(yīng)使循環(huán)水走管程,混和氣體走殼程。三 確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度:對于一般氣體和水等低黏度流體,其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故殼程混和氣體的定性溫度為
3、 T= =85 管程流體的定性溫度為t= 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)。對混合氣體來說,最可靠的無形數(shù)據(jù)是實測值。若不具備此條件,則應(yīng)分別查取混合無辜組分的有關(guān)物性數(shù)據(jù),然后按照相應(yīng)的加和方法求出混和氣體的物性數(shù)據(jù)。 混和氣體在35下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下(來自生產(chǎn)中的實測值): 密度 定壓比熱容 =3.297kj/kg 熱導(dǎo)率 =0.0279w/m粘度 =1.510-5Pas循環(huán)水在34 下的物性數(shù)據(jù): 密度=994.3/m3 定壓比熱容=4.174kj/kg 熱導(dǎo)率 =0.624w/m粘度 =0.74210-3Pas四 估算傳熱面積1 熱流量 Q1=2273013.297
4、(110-60)=3.75107kj/h =10416.66kw2.平均傳熱溫差 先按照純逆流計算,得 =3.傳熱面積 由于殼程氣體的壓力較高,故可選取較大的K值。假設(shè)K=320W/(k)則估算的傳熱面積為 Ap=4.冷卻水用量 m=五 工藝結(jié)構(gòu)尺寸1管徑和管內(nèi)流速 選用252.5較高級冷拔傳熱管(碳鋼),取管內(nèi)流速u1=1.3m/s。2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) Ns=按單程管計算,所需的傳熱管長度為 L=按單程管設(shè)計,傳熱管過長,宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計實際情況,采用非標(biāo)設(shè)計,現(xiàn)取傳熱管長l=7m,則該換熱器的管程數(shù)為 Np=傳熱管總根數(shù) Nt=6122=
5、12243.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均溫差校正系數(shù)按式(3-13a)和式(3-13b)有 R= P=按單殼程,雙管程結(jié)構(gòu),查圖3-9得 平均傳熱溫差 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。見圖3-13。 取管心距t=1.25d0,則 t=1.2525=31.2532隔板中心到離其最.近一排管中心距離按式(3-16)計算 S=t/2+6=32/2+6=22各程相鄰管的管心距為44。管數(shù)的分成方法,每程各有傳熱管612根,其前后關(guān)鄉(xiāng)中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按圖3-1
6、4選取。5殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu),殼體內(nèi)徑可按式(3-19)估算。取管板利用率=0.75 ,則殼體內(nèi)徑為 D=1.05t按卷制殼體的進級檔,可取D=1400mm6折流板 采用弓形折流板,去弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%,則切去的圓缺高度為 H=0.251400=350m,故可取h=350mm取折流板間距B=0.3D,則 B=0.31400=420mm,可取B為450mm。折流板數(shù)目NB=折流板圓缺面水平裝配,見圖3-15。7其他附件 拉桿數(shù)量與直徑按表3-9選取,本換熱器殼體內(nèi)徑為1400mm,故其拉桿直徑為12拉桿數(shù)量不得少于10。殼程入口處,應(yīng)設(shè)置防沖擋板,如圖3-17所示。8接管
7、殼程流體進出口接管:取接管內(nèi)氣體流速為u1=10m/s,則接管內(nèi)徑為圓整后可取管內(nèi)徑為300mm。管程流體進出口接管:取接管內(nèi)液體流速u2=2.5m/s,則接管內(nèi)徑為圓整后去管內(nèi)徑為360mm六 換熱器核算1 熱流量核算(1)殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計算,見式(3-22) 當(dāng)量直徑,依式(3-23b)得 =殼程流通截面積,依式3-25 得 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 普朗特數(shù) 粘度校正 (2)管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 按式3-32和式3-33有 管程流體流通截面積管程流體流速 普朗特數(shù) (3)污垢熱阻和管壁熱阻 按表3-10,可取管外側(cè)污垢熱阻 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻管壁熱阻按式3-34計算,依表3-14
8、,碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50w/(mK)。所以(4) 傳熱系數(shù)依式3-21有 (5)傳熱面積裕度 依式3-35可得所計算傳熱面積Ac為該換熱器的實際傳熱面積為Ap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(wù)。2 壁溫計算 因為管壁很薄,而且壁熱阻很小,故管壁溫度可按式3-42計算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻,冬季操作時,循環(huán)水的進口溫度將會降低。為確??煽浚⊙h(huán)冷卻水進口溫度為15,出口溫度為39計算傳熱管壁溫。另外,由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大,會使傳熱管壁溫升高,降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期,污垢熱阻較小,殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中,應(yīng)該按最不利的操
9、作條件考慮,因此,取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是,按式4-42有 式中液體的平均溫度和氣體的平均溫度分別計算為 0.439+0.615=24.6 (110+60)/2=85 5887w/k 925.5w/k傳熱管平均壁溫 殼體壁溫,可近似取為殼程流體的平均溫度,即T=85。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 。 該溫差較大,故需要設(shè)溫度補償裝置。由于換熱器殼程壓力較大,因此,需選用浮頭式換熱器較為適宜。3換熱器內(nèi)流體的流動阻力(1)管程流體阻力 , , 由Re=35002,傳熱管對粗糙度0.01,查莫狄圖得,流速u=1.306m/s,所以, 管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。(2)殼程阻力 按式計算
10、 , , 流體流經(jīng)管束的阻力 F=0.5 0.50.241938.5(14+1)=75468Pa流體流過折流板缺口的阻力 , B=0.45m , D=1.4mPa總阻力75468+43218=1.19Pa由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高,所以殼程流體的阻力也比較適宜。(3)換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表:參數(shù)管程殼程流率898560227301進/出口溫度/29/39110/60壓力/MPa0.46.9物性定性溫度/3485密度/(kg/m3)994.390定壓比熱容/kj/(kgk)4.1743.297粘度/(Pas)0.7421.5熱導(dǎo)率(W/mk) 0.6240.0279普朗特數(shù)4.961.773設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/1400臺數(shù)1管徑/252.5管心距/32管長/7000管子排列管數(shù)目/根1224折流板數(shù)/個14傳熱面積/673折流板間距/450管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果管程殼程流速/(m/s)1.3064.9表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/(k)5887925.5污垢熱阻/(k/W)0.00060.0004阻力/ MPa0.043250.119熱流量/KW10417傳熱溫差/K48.3傳熱系數(shù)/W/(K)400裕度/% 24.9%七 參考文獻:1 劉積文主編,石油化工設(shè)備及制造概論,哈爾濱;
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