化工原理課程設(shè)計換熱器設(shè)計

1、程設(shè)計設(shè)計任務(wù)：換熱器班級：13 級化學(xué)工程與工藝（ 3）班姓名：魏苗苗學(xué)號：90目錄化工原理課程設(shè)計任務(wù)書 2設(shè)計概述3試算并初選換熱器規(guī)格61.流體流動途徑的確定62.物性參數(shù)及其選型63. 計算熱負(fù)荷及冷卻水流量74. 計算兩流體的平均溫度差75. 初選換熱器的規(guī)格7工藝計算101.核算總傳熱系數(shù)10132. 核算壓強(qiáng)降設(shè)計結(jié)果一覽表 16經(jīng)驗公式16設(shè)備及工藝流程圖 17設(shè)計評述17參考文獻(xiàn)18 化工原理課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目：設(shè)計一臺換熱器二、 操作條件：1、苯：入口溫度80C，出口溫度40C。2、冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度C。3、允許壓強(qiáng)降：不大于 50kPa。4、每年按300

2、天計，每天24小時連續(xù)運(yùn)行三、 設(shè)備型式：管殼式換熱器四、 處理能力：109000噸/年苯五、設(shè)計要求：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算和主要的工藝尺寸的設(shè)計3、設(shè)計結(jié)果概要或設(shè)計結(jié)果一覽表。出口溫度C殼體內(nèi)部空間利用率70%選疋管程流速u( m/s)1殼程流體進(jìn)出口接管流體流速u1 (m/s)14、設(shè)備簡管程流體進(jìn)出口接管流體流速u2 （m/s）圖。（要求 按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）5、對本設(shè)計的評述及有關(guān)問題的討論。六、附表：1.設(shè)計概述熱量傳遞的概念與意義熱量傳遞是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，簡稱傳熱。由熱力學(xué)第二定 律可知，在自然界中凡是有溫差存在時，熱

3、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?；瘜W(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。這是因為化工生產(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?？傊?，無論是在能源，宇航，化工，動力，冶金，機(jī)械，建筑等工業(yè)部 門，還是在農(nóng)業(yè)，環(huán)境等

4、部門中都涉及到許多有關(guān)傳熱的冋題。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)由一個平衡狀態(tài) 變成另一個平衡狀態(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)是熱力學(xué)的擴(kuò)展。根據(jù)載熱介質(zhì)的不同，熱傳遞有三種基本方式：此外，流體流過固體表面時發(fā)生的對流和熱傳導(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，通常稱為對流傳熱。換熱器的概念、意義及基本設(shè)計要求在化工生產(chǎn)中為了實現(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

5、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，有時作為一 個單獨(dú)的化工設(shè)備，有時作為某一工藝設(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，無論是國內(nèi)還是國外，它在生產(chǎn)中都占有主導(dǎo)地位換熱器設(shè)計要求：序號特別要求1對事故工況的校核2對官相隔板強(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

6、，使管板兼作試壓法蘭時的強(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11封頭熱壓成形時，終壓溫度的檢測12殼體直線度的檢測13氫工況的判別及材料要求1. 3 管殼式換熱器的簡介它包括：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。另一個對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

7、管殼式換熱器的承壓能力及操作運(yùn)行的安全可靠性。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，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，溫度較高的流體被冷卻，溫度較低的流體 被加熱，進(jìn)而實現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。2.試算并初選換熱器規(guī)格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，且水易結(jié)垢，根據(jù)兩流體的情況，故選擇循環(huán)水走換熱器的管程，苯走殼程。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，入口溫度為：25 C，出口溫度為：33 C；苯

8、的定性溫度:Tm 叮 602C;水的定性溫度:t m= (25+33) /2=29 C；兩流體的溫差:Tm tm 60 27.5 32.5 C兩流體溫差不大于50C，不考慮熱補(bǔ)償；故選用固定管板式列管換熱器。cp= S水=cp= sCp苯二 0=( kg. oC)Cp水=(kg. oC)苯=(m C)水=(m- C)苯水計算熱負(fù)荷和冷卻水流量Q= W*C 苯*1000* (80-40 ) /3600=Wc=Q*3600/1000/C 水/(32-25)= kg/h計算兩流體的平均溫度差按單殼程、多管程進(jìn)行計算，逆流時平均溫度差為： t =( t2 t1 ) /ln( t2/ t1)=(80-3

9、3)-(40-25)/l n (80-33)/(40-25)=CP=(t2-t1)/(T2-T1)=(33-25)/(80-40)=R=(T1-T2)/(t2-t1)=(80-40)/(33-25)=5由化工原理上冊 P238頁查圖4 19可得：t=所以 tm=A t * t C不需要熱補(bǔ)償又因為，故可選用單殼程的列管換熱器。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:2430850W/(m C), 假設(shè) K0=300W/(rh C ) 因為水走管程且初選 25* , L= 6m的列管，所以設(shè)U=1m/sV Ui di2 ni由4可求得：V=

10、kg/h /*3600)=A3 ni=4V/*=取 37 根S0=Q/( tm*K0)=A2Li =S0/*d *nj=初選管程為Np=3Np=L/L=6=n=Np* n =3*37=111 根 t=*d 0=*25=32mmc=*nA1/2=13 根取整：450mmD=*t* (111/) Ai/2=423mm采用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=*450=,取 h=110mm折流板間距取B=150mm折流板數(shù)：皆傳熱管長/折流板間距-1=6000/150-仁39塊折流板圓缺面水平裝配殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品流速為u仁1m/s,貝U接管內(nèi)徑為取整d仁90mm管

11、程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u2=s,則接管內(nèi)徑為d2=4V/*u)A1/2=4*A1/2=取整 d2=100mm殼 徑D450 mm管子尺寸25X管程數(shù)Np3管長Lm管子總數(shù)n111管子排列方法正三角形S1=*111* () =A2若采用此傳熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為:K仁Q/(S1* tm)= W/(m 2C )3工藝核算核算總傳熱系數(shù)Ui=Vi/Ai=4*( ni*diA2)=4*(37*4*a2)=s與假設(shè)相一致合適Rei=di*ui*10A-3)=湍流Pri =C*圖殼程摩擦系數(shù)f0與Re0的關(guān)系所以a i =*(水 /di)*( Re) *=(W/( 卅.C

12、)換熱器中心附近管排中流體流通截面積為:式中h折流擋板間距，取150mmt管中心距，對25 2.5mm， t 32mm因為Wh= (kg/h) =(3600*=所以Uo=Vs/Ao由正三角形排列得：de=4( .3/2 *t 2 4 *d o2)/ d o)=4*(,3/2 * 4因為6Reo在1 10范圍內(nèi)且殼程中苯被冷卻，取（卩/卩w）=；所以a。= W/（卅C ）管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為:Rsi= W/（卅 c ）Rso= W/（卅 c ）忽略管壁熱阻、總傳熱系數(shù) K2為:K2 K。doidi-RsoRsi-d00di1由前面計算可知41919要求過程的總傳熱系數(shù)為2，其安全W/（曠C

13、），在傳熱任務(wù)所規(guī)定的流動條件下，計算出的為 （m2C ）系數(shù)為：n = () /*100%=%故所選擇的換熱器是合適的。安全系數(shù)過高，說明設(shè)計過程中材料浪費(fèi)，管數(shù)是主要影響因素之一，可控制其它條件不變，適當(dāng)降低管程數(shù)，減少總管數(shù)。Np=2O= (W/(卅c )K2= (W/(卅C )n = *100%=%符合條件Np=1:K1=(W/(卅C )K2=(W/(卅C )n” = *100%=% 不符合條件n=Np*ni=2*37=74 根t=*d 0=*25=32mmnc=* nM/2=11 根D=*t* (74/) A1/2=345mm取整：450mm采用弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%則

14、切去的圓缺高度為h=*450=，取 h=110mm折流板間距取B=150mm折流板數(shù)：比=傳熱管長/折流板間距-1=6000/150-仁39塊折流板圓缺面水平裝配殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品流速為u1=1m/s,貝U接管內(nèi)徑為 d1= 4V/*u)F1/2取整d仁90mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u2=s,則接管內(nèi)徑為d2=4V/*u)A1/2=4*A1/2= 取整 d2=100mm殼 徑D450 mm管子尺寸25X管程數(shù)Np2管長Lm管子總數(shù)n74管子排列方法正三角形s仁=*74*() 2若采用此傳熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為：K仁Q/(S1* tm)= (W/(

15、卅c )計算管程壓強(qiáng)降前面已算出：Rei= (湍流)取不銹鋼管壁粗糙度 0.1mm 則相對粗糙度/ di=摩擦系數(shù)入=所以：計算得： P1= Pa P2= Pa 對于25 X的管子Ft= ，Ns=1，Np=2P i= Pa500Po =( P1+A P2 )*Fs*Ns取 Fs= Ns=1 其中：管子為正三角形排列，取：F=Nc=根取11根NB=39所以 P1= P2=p0 =Pa50000Pa由上面計算可知，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。4設(shè)計結(jié)果一覽表5經(jīng)項目管程（循環(huán)水）殼程（苯）驗公流量，kg /s_ 式溫度,C（進(jìn)/出）80/40-管程-傳熱對流物定性溫

16、度，C60性密度，kg /m3系數(shù)比熱，kJ/ kgCi 迪粘度，Pa-sx 10-3x 10-3特斯和貝關(guān)聯(lián)導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/m C爾特式：普蘭特數(shù)殼程對流結(jié)殼體外徑，mm500臺數(shù)1傳熱系數(shù)構(gòu)管徑，mm25*殼程數(shù)10可用參管長，m6管心距，mm32關(guān)聯(lián)式計數(shù)管數(shù)150管子排列正方形斜轉(zhuǎn)算：45管程壓強(qiáng)傳熱面積，卅折流板數(shù)39管程數(shù)5折流板距，m材質(zhì)不銹鋼主要計算結(jié)果殼程管程流速，m/s污垢熱阻,（m2C ）/W*10A-4x 10A-4傳熱系數(shù)，W/3C）降、：殼程壓強(qiáng)降埃索法：6 設(shè)備及工藝流程圖7 設(shè)計評述通過本次課程設(shè)計，我對換熱器的結(jié)構(gòu)、性能都有了一定的了解，同時，在設(shè)計過程 中，

17、我也掌握了一定的工藝計算方法。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)計中，我發(fā)現(xiàn)進(jìn)行換熱器的選擇和設(shè)計是要通過反復(fù)計 算，對各項結(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，為此，設(shè)計時應(yīng)考慮 很多方面的因素。首先要滿足傳熱的要求，本次設(shè)計時，由于初選總傳熱系數(shù)不合適，使 規(guī)定條件下的計算結(jié)果與初設(shè)值的比值不在要求范圍內(nèi)，因此，經(jīng)過多次計算，才選擇到 合適的 K 值為，計算結(jié)果為，安全系數(shù)為，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，通過分析操作要求及計算，本次 設(shè)計選用換熱器為上述計算結(jié)果。再次，從壓強(qiáng)降來看，管程約為 Pa，殼程約為，都遠(yuǎn)低于要求值（100kPa），因此, 可適當(dāng)加大流速，從而加大對流傳熱系數(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，流動阻力也會隨之增大，動力消耗就增多，因此，作出經(jīng)濟(jì) 衡算在確定流速時是相