化工原理課程設(shè)計(jì)管殼式換熱器

1、設(shè)計(jì)一臺(tái)換熱器目錄化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)概述 試算并初選換熱器規(guī)格 1. 流體流動(dòng)途徑的確定 2. 物性參數(shù)及其選型 3. 計(jì)算熱負(fù)荷及冷卻水流量 4. 計(jì)算兩流體的平均溫度差 5. 初選換熱器的規(guī)格 工藝計(jì)算 1. 核算總傳熱系數(shù) 2. 核算壓強(qiáng)降 經(jīng)驗(yàn)公式 設(shè)備及工藝流程圖 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 設(shè)計(jì)評(píng)述 參考文獻(xiàn) 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)一臺(tái)換熱器二、操作條件：1、苯：入口溫度80，出口溫度40。2、冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度35。3、允許壓強(qiáng)降：不大于50kpa。4、每年按300天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。三、設(shè)備型式：管殼式換熱器四、處理能力：99000噸/年苯五、設(shè)

2、計(jì)要求：1、選定管殼式換熱器的種類和工藝流程。2、管殼式換熱器的工藝計(jì)算和主要的工藝尺寸的設(shè)計(jì)。3、設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表。4、設(shè)備簡(jiǎn)圖。（要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）5、對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述及有關(guān)問題的討論。1.設(shè)計(jì)概述 1.1熱量傳遞的概念與意義1.熱量傳遞的概念熱量傳遞是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，簡(jiǎn)稱傳熱。由熱力學(xué)第二定律可知，在自然界中凡是有溫差存在時(shí)，熱就必然從高溫處傳遞到低溫處，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。2. 化學(xué)工業(yè)與熱傳遞的關(guān)系化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系密切。這是因?yàn)榛どa(chǎn)中的很多過程和單元操作，多需要進(jìn)行加熱和冷卻，例如：化學(xué)反應(yīng)通常要在一定的溫度

3、進(jìn)行，為了達(dá)到并保持一定溫度，就需要向反應(yīng)器輸入或輸出熱量；又如在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，都要向這些設(shè)備輸入或輸出熱量。此外，化工設(shè)備的保溫，生產(chǎn)過程中熱能的合理利用以及廢熱的回收利用等都涉及到傳熱的問題，由此可見；傳熱過程普遍的存在于化工生產(chǎn)中，且具有極其重要的作用。總之，無論是在能源，宇航，化工，動(dòng)力，冶金，機(jī)械，建筑等工業(yè)部門，還是在農(nóng)業(yè)，環(huán)境等部門中都涉及到許多有關(guān)傳熱的問題。應(yīng)予指出，熱力學(xué)和傳熱學(xué)既有區(qū)別又有聯(lián)系。熱力學(xué)不研究引起傳熱的機(jī)理和傳熱的快慢，它僅研究物質(zhì)的平衡狀態(tài)，確定系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)變成另一個(gè)平衡狀態(tài)所需的總能量；而傳熱學(xué)研究能量的傳遞速率，因此可以認(rèn)為傳熱學(xué)

4、士熱力學(xué)的擴(kuò)展。3.傳熱的基本方式根據(jù)載熱介質(zhì)的不同，熱傳遞有三種基本方式：（1）熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱） 物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。（2）熱對(duì)流（簡(jiǎn)稱對(duì)流） 流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對(duì)流。熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中，產(chǎn)生原因有二：一是因流體中各處溫度不同而引起密度的差別，使流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)位移的自然對(duì)流；二是因泵或攪拌等外力所致的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)制對(duì)流。此外，流體流過固體表面時(shí)發(fā)生的對(duì)流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程，即是熱由流體傳到固體表面（或反之）的過程，通常稱為對(duì)

5、流傳熱。（3）熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射的特點(diǎn)是：不僅有能量的傳遞，而且還有能量的轉(zhuǎn)移。1.2換熱器的概念及意義在化工生產(chǎn)中為了實(shí)現(xiàn)物料之間能量傳遞過程需要一種傳熱設(shè)備。這種設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器。在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要，往往進(jìn)行著各種不同的換熱過程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝。換熱器就是用來進(jìn)行這些熱傳遞過程的設(shè)備，通過這種設(shè)備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞到溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。它是化工煉油，動(dòng)力，原子能和其他許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備，對(duì)于迅速發(fā)展的化工煉油等工業(yè)生產(chǎn)來說，換熱器尤為重要。換熱器在化工生產(chǎn)中，有時(shí)作為一個(gè)單

6、獨(dú)的化工設(shè)備，有時(shí)作為某一工藝設(shè)備的組成部分，因此換熱器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用是十分廣泛的。任何化工生產(chǎn)中，無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，它在生產(chǎn)中都占有主導(dǎo)地位?！颈怼繐Q熱器設(shè)計(jì)要求序號(hào)特別要求1對(duì)事故工況的校核2對(duì)管箱隔板強(qiáng)度的校核3各部件吊耳安裝位置的校核4浮頭式和u形管束固定管板外徑延伸，使管板兼作試壓法蘭時(shí)的強(qiáng)度校核5管板的剛度校核6風(fēng)載荷和地震載荷的校核7進(jìn)出口接管承受管線載荷的校核8疊裝換熱器中，底下那臺(tái)換熱器的校核9鞍式支座的校核10外表油漆干膜厚度的檢測(cè)11封頭熱壓成形時(shí)，終壓溫度的檢測(cè)12殼體直線度的檢測(cè)13氫工況的判別及材料要求 3、管殼式換熱器的簡(jiǎn)介管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種

7、換熱器。它包括:固定管板式換熱器、u型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。管殼式換熱器由管箱、殼體、管束等主要元件構(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導(dǎo)熱元件，決定換熱器的熱力性能。另一個(gè)對(duì)換熱器熱力性能有較大影響的基本元件是折流板（或折流桿）。管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能力及操作運(yùn)行的安全可靠性。1）工作原理：管殼式換熱器和螺旋板式換熱器、板式換熱器一樣屬于間壁式換熱器，其換熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通道稱為管程，換熱管外構(gòu)成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過兩不同溫度的流體時(shí)，溫度較高的流體通過換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，溫度較

8、高的流體被冷卻，溫度較低的流體被加熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。2）主要技術(shù)特性：一般管殼式換熱器與其它類型的換熱器比較有以下主要技術(shù)特性：1、耐高溫高壓，堅(jiān)固可靠耐用；2、制造應(yīng)用歷史悠久，制造工藝及操作維檢技術(shù)成熟；3、選材廣泛，適用范圍大。二 試算并初選換熱器規(guī)格1.流體流動(dòng)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，故選擇苯走換熱器的管程，循環(huán)水走殼程。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)為循環(huán)水，取入口溫度為：25 ，出口溫度為：（25510） 苯的定性溫度： 水的定性溫度： 兩流體的溫差： 由于兩流體溫差不大

9、于50，故選用固定管板式列管換熱器.查化學(xué)工程手冊(cè)化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 化學(xué)工業(yè)出版社p265圖421表433 可有： 0.381=0.381mpas 0.825=0.825mpasp238圖415表416 可有： 0=1.828kj/(oc) 4.176kj/(oc)p274圖428(2)液體導(dǎo)熱系數(shù) 可有： 0.151w/(moc) =0.613w/(moc)查化工手冊(cè)上卷 山東科學(xué)技術(shù)出版社兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下: 物性流體密度 /m3比熱kj/(oc)粘度 mpas導(dǎo)熱系w/(moc)苯836.61.8280.3810.151水996.354.1760.8520.6133計(jì)算熱負(fù)荷和

10、冷卻水流量4計(jì)算兩流體的平均溫度差暫按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算，逆流時(shí)平均溫度差為： 而 由化工原理上冊(cè)頁查圖419可得: 所以 又因?yàn)?.96，故可選用單殼程的列管換熱器。5試算和初選換熱器的規(guī)格 根據(jù)低溫流體為水，高溫流體為有機(jī)物（參見化工原理p355）有k值的范圍：430850w/(oc）, 假設(shè) 又因?yàn)楸阶吖艹糖页踹x，l= 4.5m的列管，所以設(shè) 由 可求得：?jiǎn)喂艹痰墓茏痈鶖?shù)： 管程數(shù)： 所以 將這些管子進(jìn)行排列有圖如下： 據(jù)此初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸為：殼 徑 d600管 子 尺 寸192mm管 程 數(shù) 4管 長(zhǎng)l4.5 m管子總數(shù) n108管子排列方法正三角形 實(shí)際傳熱面積 若采

11、用此傳熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為： ）三 工藝計(jì)算 1. 核算總傳熱系數(shù) ）計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù) （與假設(shè)相一致 合適） 圖 殼程摩擦系數(shù)f與re的關(guān)系所以2）計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 換熱器中心附近管排中流體流通截面積為： 式中 折流擋板間距，取300； 管中心距，對(duì)，。 因?yàn)?所以 由正三角形排列得： 因?yàn)?在范圍內(nèi)，故可用下式計(jì)算 殼程中水被加熱，取 ， 所以 ）確定污垢熱阻 管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為：）總傳熱系數(shù) 因?yàn)楸綖橛袡C(jī)物，管子材料選用不銹鋼，取其導(dǎo)熱系數(shù)為(moc)，總傳熱系數(shù)為： 由前面計(jì)算可知，選用該型號(hào)換熱器時(shí)，要求過程的總傳熱系數(shù)為，在傳熱任務(wù)所規(guī)定的流動(dòng)條

12、件下，計(jì)算出的為，其安全系數(shù)為：故所選擇的換熱器是合適的。2. 核算壓強(qiáng)降 ）計(jì)算管程壓強(qiáng)降 前面已算出：， （湍流）取不銹鋼管壁粗糙度 則，由化工原理上冊(cè)第一章p54的關(guān)系圖中查得： 8所以 對(duì)于的管子 4，ns=1 ）計(jì)算殼程壓強(qiáng)降 其中 管子為正三角形排列，取f=0.4 取折流擋板間距 折流擋板數(shù)： 殼程流通面積 所以 由上面計(jì)算可知，該換熱器管程與殼程的壓強(qiáng)均滿足題目要求，故所選換熱器合適。四. 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表項(xiàng) 目殼程（循環(huán)水）管程（苯）流量，/s15.49.25溫度，（進(jìn)/出）25/3080/40物性定性溫度，27.560密度，/m3996.325836.6比熱，kj/4.1761

13、.828粘度，pas0.82510-30.31810-3導(dǎo)熱系數(shù)，kj/m0.6130.151普蘭特?cái)?shù)5.295.27結(jié)構(gòu)參數(shù)殼體外徑，600臺(tái)數(shù)1管徑，192殼程數(shù)1管長(zhǎng)，m4.5管心距，32管數(shù)108管子排列正三角形排列傳熱面積，108.4折流板數(shù)29管程數(shù)4折流板距，m0.3材質(zhì)不銹鋼主要計(jì)算結(jié)果殼程管程流速，m/s0.9250.22污垢熱阻,()/w2.01.7傳熱系數(shù)，w/（）104014432五經(jīng)驗(yàn)公式 1.管程對(duì)流傳熱系數(shù)，可用迪特斯和貝爾特關(guān)聯(lián)式： 2.殼程對(duì)流傳熱系數(shù)，可用關(guān)聯(lián)式計(jì)算： 3.管程壓強(qiáng)降可用： 4.殼程壓強(qiáng)降可用埃索法： 六設(shè)備及工藝流程圖七設(shè)計(jì)評(píng)述通過本次課程

14、設(shè)計(jì)，我對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)、性能都有了一定的了解，同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中，我也掌握了一定的工藝計(jì)算方法。換熱器是化工廠中重要的化工設(shè)備之一，而且種類繁多，特點(diǎn)不一，因此，選擇合適的換熱器是相當(dāng)重要的。在本次設(shè)計(jì)中，我發(fā)現(xiàn)進(jìn)行換熱器的選擇和設(shè)計(jì)是要通過反復(fù)計(jì)算，對(duì)各項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行比較后，從中確定出比較合適的或最優(yōu)的設(shè)計(jì)，為此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮很多方面的因素。首先要滿足傳熱的要求，本次設(shè)計(jì)時(shí)，由于初選總傳熱系數(shù)不合適，使規(guī)定條件下的計(jì)算結(jié)果與初設(shè)值的比值不在要求范圍內(nèi)，因此，經(jīng)過多次計(jì)算，才選擇到合適的k值為，計(jì)算結(jié)果為，安全系數(shù)為16.8%，滿足要求。其次，在滿足工藝條件的前提下選擇合適的換熱器類型，通過分析操

15、作要求及計(jì)算，本次設(shè)計(jì)選用換熱器為上述計(jì)算結(jié)果。再次，從壓強(qiáng)降來看，管程約為10401pa，殼程約為4432pa，都低于要求值（50kpa），因此，可適當(dāng)加大流速，從而加大對(duì)流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低污垢熱阻，然而，流速增加，流動(dòng)阻力也會(huì)隨之增大，動(dòng)力消耗就增多，因此，作出經(jīng)濟(jì)衡算在確定流速時(shí)是相當(dāng)重要的。此外，其他因素（如加熱和冷卻介質(zhì)用量，換熱器的檢修和操作等），在設(shè)計(jì)時(shí)也是不可忽略的。根據(jù)操作要求。在檢修和操作方面，固定管板式換熱器由于兩端管板和殼體連接成一體，因此不便于清洗和檢修。本次設(shè)計(jì)中，在滿足傳熱要求的前提下，考慮了其他各項(xiàng)問題，但它們之間是相互矛盾的。如：若設(shè)計(jì)換熱器的總傳熱系數(shù)較大，將導(dǎo)致流體通過換熱器的壓強(qiáng)降（阻力）增大，相應(yīng)地增加了動(dòng)力費(fèi)用；若增加換熱器的表面積，可能使總傳熱系數(shù)或壓強(qiáng)降減小，但卻又受到換熱器所能允許的尺寸限制，且換熱器的造價(jià)也提高了。因此，只能綜合考慮來選擇相對(duì)合適的換熱器。然而在本次設(shè)計(jì)中由于經(jīng)驗(yàn)不足，知識(shí)有限，還是存在著很多問題。比如在設(shè)計(jì)中未考慮對(duì)成本進(jìn)行核算，僅在滿足操