化工原理課程設(shè)計--用水冷卻乙酸甲酯列管式換熱器設(shè)計

1、.課程設(shè)計說明書（論文）題目 用水冷卻乙酸甲酯列管式換熱器設(shè)計任務(wù)書 課 程 名 稱 化工原理 院 (系、部、中心) 資環(huán)學(xué)院 專 業(yè) 生物工程 目錄1 符號說明1.1物理量（英文字母）.11.2物理量（希臘字母）.12 設(shè)計目的 .13 設(shè)計實例 .24 確定設(shè)計方案 .24.1.1選擇換熱器的類型 .34.1.流動空間及流速的測定. 3五確定物性數(shù)據(jù) . .3六計算總傳熱系數(shù) 6.1.熱流量.4 6.2. 平均傳熱溫差4 6.3 .冷卻水用量.4 6.4.總傳熱系數(shù)K.4七計算傳熱面積 .5八. 工藝結(jié)構(gòu)尺寸.55.1.1 管徑和管內(nèi)流速 .55.1.2 殼程數(shù)和傳熱殼數(shù) .65.1.3

2、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) .65.1.4 傳熱管排列和分程方法 .65.1.5 殼體內(nèi)徑 .85.1.6 折流板 .85.1.7 接管 .8九換熱器核算 .96.1.1 熱量核算 .96.1.2換熱器內(nèi)流體的流動阻力 .11十設(shè)計結(jié)果一覽表.12十一.總結(jié).13一、符號說明：1.1物理量（英文字母）B 折流板間間距，m n 指數(shù)Cp 定壓比熱容，kJ/(kg·） N 管數(shù)d 管徑，m S 傳熱面積，m2D 換熱器內(nèi)徑，m t 管心距，mf 摩擦因數(shù) u 流速，m/sF 系數(shù)G 重力加速度，m/s2P 壓力，pa；1.2 物理量（希臘字母） 對流傳熱系數(shù)，W/(m2·） 密度

3、，Kg/m3 導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·） 有限差值 粘度 Pa·s下標(biāo) 管外 m 平均2、 設(shè)計目的通過課題設(shè)計進一步鞏固課程所學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生運用理論知識進行化工單元過程設(shè)計的能力，使學(xué)生能夠系統(tǒng)的運用知識。通過本次設(shè)計，學(xué)生應(yīng)該了解設(shè)計的內(nèi)容，方法及步驟，使學(xué)生具有調(diào)研技術(shù)資料，自行確定設(shè)計方案，獨自設(shè)計計算，準(zhǔn)確繪制圖樣，編寫設(shè)計說明。 （三）設(shè)計實例操作條件：1、處理能力：二萬噸/年乙酸甲酯。2、熱流體：入口溫度88，出口溫度42。3、冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度28 ，出口溫度36。4、允許壓強降：不大于10kPa。殼程總壓力降小于5kpa, 管程總壓力降小于10kp

4、a一年的工作日一般300340天?？梢宰孕羞x定。5、每天24h連續(xù)運行。（每年按 300天計）（四）確定設(shè)計方案1 選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體（乙酸甲酯）進口溫度88，出口溫度42；冷流體（循環(huán)水）進口溫度28，出口溫度36。改換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時進口溫度會降低，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較小，因此初步確定選用不帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。2 流動空間及流速的測定管內(nèi)流體流態(tài)最好完全湍流。Re>10000，d=0.02，=0.001，=1000，故ui0.5m/由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，熱水（乙酸甲酯）走殼程。選用25

5、×2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取ui=0.5m/s。（五）確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。 殼程乙酸甲酯的定性溫度為： 管程流體的定性溫度為： 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)。乙酸甲酯在65下的物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水在32下的物性數(shù)據(jù)密度o=873 kg/m3密度i=995.7 kg/m3定壓比熱容cpo=1.97kj/(kg·K)定壓比熱容cpi=4.174kJ/(kg·K)導(dǎo)熱系數(shù)i=0.1234W/(m·K)導(dǎo)熱系數(shù)i=0.621 W/(m·K)粘度o=0.0002435Pa·s粘度i=0.0008

6、 Pa·s（六）計算總傳熱系數(shù)1.熱流量 Wo=1×20000×1000÷300÷242777.78kg/hQo=Wocpoto=2777.78×1.97×(88-42)=251722.22 kJ/h=69.923 kW2. 平均傳熱溫差 熱 冷3 .冷卻水用量 88 36 42 284. 總傳熱系數(shù)K 管程傳熱系數(shù) 殼程傳熱系數(shù) 假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)o=290 W/(m2·)； 污垢熱阻Rsi=0.000344 m2·/W , Rso=0.000172 m2·/W管壁的導(dǎo)熱系數(shù)=45 W/(m&

7、#183;)初選總傳熱系數(shù)395K W/(m2·）（七）、計算傳熱面積 考慮 15的面積裕度，S=1.15×S''=1.15×6.11=7.03m2（八）、工藝結(jié)構(gòu)尺寸 （1）管徑和管內(nèi)流速及管長 選用25mm×2.5mm傳熱管(碳鋼)，取管內(nèi)流速ui=0.5m/s，選用管長為L=6m表3-1 換熱器常用流速的范圍流速 介質(zhì) 循環(huán)水 新鮮水一般液體易結(jié)垢液體低黏度油高黏度油氣體管程流速，m/s1.02.00.81.50.53>1.00.81.80.51.5530殼程流速，m/s0.51.50.51.50.21.5>0.50.4

8、1.00.30.8215（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) 按單程管計算其流速為按單管程設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多殼管程結(jié)構(gòu)。先取傳熱管長L=6m，則該換熱器殼程數(shù)為 (管程)傳熱管總根數(shù)N=15*1=15（根）（3）平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均傳熱溫差校正系數(shù) 按單殼程，單管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表?？傻闷骄鶄鳠釡夭睿?）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。取管心距t=1.25 d0，則 t=1.25×25=31.2532(mm)橫過管束中心線的管數(shù) 中心管束排列4根管，即正六邊形可排2層，按照

9、管心束5計算：扣除4根拉管，因為是單程所以不用除去中心管束，即：1+（1+2）×6=19， 19-4=15根。六邊形中的管數(shù)為15根，再加上非正式排管1根所以實際需要16根管子· 轉(zhuǎn)熱管排列方式正方形直列（5）殼體內(nèi)徑 采用單管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，則殼體內(nèi)徑為 精確公式D=t（Nc-1）+3do=32*（4-1）+3*25=171mm圓整可取D200mm GB15189鋼制管殼式換熱器(以下簡稱GB151)中的3.9.3.2條規(guī)定：“折流板的最小間距應(yīng)不小于圓筒內(nèi)直徑的五分之一，且不小于50mm。最大間距應(yīng)不大于圓筒內(nèi)直徑，且滿足表322的要求”。表322mm 換

10、熱管外徑d1014192532384557最大無支撐距8001100150019002200250028003200（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h0.25×20050mm，故可取h100mm。 取折流板間距B0.3D，則B0.3×20060mm，可取B為100mm。 折流板數(shù) NB=傳熱管長/折流板間距-1=6000/100-1=59(塊)折流板圓缺面水平裝配。 （7）接管 殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)乙酸甲酯流速為 u1m/s，則接管內(nèi)徑為 取標(biāo)準(zhǔn)管管徑為30mm。 管程流體進出口接管：取接管內(nèi)冷卻水流速 u1.5

11、 m/s，則接管內(nèi)徑為 取標(biāo)準(zhǔn)管管徑為40mm。（九）、換熱器核算 （1） 熱量核算 圖 殼程摩擦系數(shù)f與Re的關(guān)系殼程對流傳熱系數(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 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 管程對流傳熱系數(shù) 管程流通截面積管程流體流速 普蘭特準(zhǔn)數(shù)傳熱系數(shù)K傳熱面積S該換熱器的實際傳熱面積Sp該換熱器的面積裕度為 要求在10%-30%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。 （2）換熱器內(nèi)流體的壓力降 管程流動阻力 Pi=(P1+P2)FtNsNpNs=1, Np=1, Ft=1.4由Re10455，傳熱管相對粗糙度0.

12、01/200.0005，查莫狄圖得i0.0375W/m·， 流速ui0.420m/s，995.7 kg/m3，所以 管程壓力降在允許范圍之內(nèi)。殼程壓力降流體流經(jīng)管束的阻力 流體流過折流板缺口的阻力 殼程壓力降也在合理壓力降范圍內(nèi)。 十、設(shè)計結(jié)果一覽表表格 1換熱器形式：固定管板式換熱面積（m2）:6.41工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水乙酸甲酯操作壓力，Pa0.3Mpa0.5Mpa操作溫度，28/3688/42流量， kg/h7538.402777.78流體密度，kg/m3995.7873流速，m/s0.2200.420傳熱量，kW69.923總傳熱系數(shù)，W/m2·K39

13、2.34傳熱系數(shù)，W/（m2·）2303745污垢系數(shù)，m2·K/W0.0003440.000172阻力降，Pa1766.14865程數(shù)11推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格mm25mm×2.5mm管數(shù)15管長mm:6000管間距，mm32排列方式正三角形折流板型式上下間距，mm100切口高度25%殼體內(nèi)徑，mm200保溫層厚度，mm未知十一、總結(jié)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，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

14、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。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。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)計時也是不可忽略的。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)計中，在滿足傳熱要求的前提下，考慮了其他各項問題，但它們之間是相互矛盾的。如：若設(shè)計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降（阻力）增大，相應(yīng)地增加了動力費用；若增加換熱器的表面積，可能使總傳熱系數(shù)或壓強降減小，但卻又受到換熱器所能允許的尺寸限制，且換熱器的造價也提高了。因此，只能綜合考慮來