課程設(shè)計-李娜.

1、華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計化工原理課程設(shè)計說明書學(xué)生班級： 2008 級 1 班專業(yè)：應(yīng)用化學(xué)學(xué)生姓名：李娜學(xué)號： 20080810030102指導(dǎo)教師：周枚花基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院學(xué)院2011年6 月29日1華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計主要符號說明P壓力， Pa ;Q傳熱速率， W；R熱阻，· K/W；Re雷諾準(zhǔn)數(shù)；S傳熱面積，；t冷流體溫度，；T熱流體溫度，；u流速， m/s；qm 質(zhì)量流速，/h ；h 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) W/(·K)； 導(dǎo) 熱 系 數(shù) ， W/(m· K) ； 粘 度 ， Pa · s; 密 度， /m3 ；校正系數(shù)；A實(shí)際傳熱面積，

2、m 2 ；Pr普郎特系數(shù)；NB板數(shù)，塊 ；K總傳熱系數(shù)， W/( ·K)；Nt 管 數(shù) ， 根 ；Np 管 程 數(shù) ；l 管長， m ；K傳熱系數(shù)， W/(m·K)；Ct m平均傳熱溫差，2華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計目錄第一章概述與設(shè)計方案的選擇 .51.1 概述 .51.1.1換熱器簡介 .51.1.2換熱器的種類及特點(diǎn) .51.2 設(shè)計方案的選擇 .61.2.1換熱器型式的選擇 .61.2.2流體流動空間的選擇 .71.2.3流體流速的選擇 .71.2.4流體出口溫度的確定 .91.2.5管程數(shù)和殼程數(shù)的確定 .9第二章工藝設(shè)計計算 .102.1 確定物性數(shù)據(jù) .

3、102.2 估算傳熱面積 .102.2.1計算熱流量 .102.2.2計算有效平均溫度差： .102.2.3估算傳熱面積 .112.2.4計算冷卻水用量 .112.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 .112.3.1管徑和管內(nèi)流速 .112.3.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) .112.3.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) .122.3.4傳熱管排列和分程方法 .122.3.5殼體內(nèi)徑 .132.3.6折流板 .132.3.7其他附件 .142.3.8接管 .142.4 換熱器核算 .142.4.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) .142.4.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) .152.4.3污垢熱阻和管壁熱阻 .162.4.4傳熱系數(shù) K C .173華

4、東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計2.4.5傳熱面積裕度 .172.4.6壁溫核算 .182.5 壓降校核 .182.5.1 管程流體壓降 .182.5.2殼程流體壓降 .19第三章計算結(jié)果總匯表 .21第四章課設(shè)感想 .22第五章參考文獻(xiàn) .234華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計第一章概述與設(shè)計方案的選擇1.1 概述1.1.1 換熱器簡介換熱器就是用于存在溫度差的流體間的熱交換設(shè)備，換熱器中至少有兩種流體，溫度較高則放出熱量，反之則吸收熱量。工藝流體之間的熱量傳遞是大多數(shù)化工過程中的一個重要組成部分，在化工過程和有關(guān)工業(yè)中使用換熱器的主要類型如下： （ 1）套管式換熱器：最簡單的類型，用于冷卻和

5、加熱； （ 2）列管式換熱器：用于各種用途；（ 3）板框式換熱器（板式換熱器） ：用于加熱及冷卻；（4）空氣冷卻器：用于冷卻和冷凝； （5）直接接觸式冷卻器：冷卻和急冷。列管式和板式，各有優(yōu)點(diǎn)，列管式是一種傳統(tǒng)的換熱器，廣泛應(yīng)用于化工、石油、能源等設(shè)備 ; 板式則以其高效、緊湊的特點(diǎn)大量應(yīng)用于工業(yè)當(dāng)中。其中列管式換熱器又可以分為固定板式換熱器、 浮頭式換熱器、填料函式換熱器、 U 型管式換熱器、釜式換熱器。1.1.2 換熱器的種類及特點(diǎn)1. 管殼式換熱器管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用，造價低廉，用材廣泛，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。

6、管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為以下幾種：（1） 固定管板式換熱器5華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計固定管板式換熱器它由殼體、管束、封頭、管板、折流擋板、接管等部件組成。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，兩端的管板與殼體連在一起，管束兩端固定在管板上，這類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，價格低廉，每根換熱管都可以進(jìn)行更換，且管內(nèi)清洗方便，但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于 50且殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，其膨脹節(jié)的彈性變形可減小溫差應(yīng)力，這種補(bǔ)償方法適用于兩流體溫差小于70且殼方流體壓強(qiáng)不高于600Kpa的情況。（2） 浮頭式換熱器浮頭式換熱器的管板有一個不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管束

7、連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)。浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清洗和檢修，適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱，應(yīng)用極為普遍，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。1.2 設(shè)計方案的選擇1.2.1 換熱器型式的選擇在甲苯精餾過程中塔頂一般采用的換熱器為列管式換熱器，故初步選定在此次設(shè)計中的換熱器為列管式換熱器。列管式換熱器的型式主要依據(jù)換熱器管程與殼程流體的溫度差來確定。被冷卻為甲苯， 入口溫度為 82，出口溫度為 47；冷卻介質(zhì)為水，入口溫度為 24，出口溫度為 40，兩流體的溫度差不是很大，再根據(jù)概述中各種類型的換熱器的敘述， 綜合以上可以選用固定管板式換熱器。6華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計

8、1.2.2 流體流動空間的選擇在列管式換熱器中，哪一種流體流經(jīng)管程，哪一種流體流經(jīng)殼程，取決于多種因素。 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程，因?yàn)楣艹糖逑幢容^方便。 腐蝕性的流體宜走管程， 以免時管子和殼體同被腐蝕，且管程便于檢修與更換 。 壓力高的流體宜走管程，以免殼體受壓，可節(jié)省殼體金屬消耗量。 被冷卻的流體宜走殼程， 可利用殼體對外的散熱作用， 增強(qiáng)冷卻效果。 飽和蒸汽宜走殼程，以便于及時排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，一般不需清洗 有毒易污染的流體宜走管程，以減少泄漏量。 流量小或粘度大的流體宜走殼程，因流體在有折流擋板的殼程中流動，由于流速和流向的不斷改變，在低 Re（Re>100）下即可

9、達(dá)到湍流，以提高傳熱系數(shù)。若兩流體溫差較大， 宜使對流傳熱系數(shù)大的流體走殼程， 因壁面溫度與 大的流體接近，以減小管壁與殼壁的溫差，減小溫差應(yīng)力。綜合以上的選擇原則可以確定水走管程，甲苯走殼程比較適宜。1.2.3 流體流速的選擇流體流速的選擇涉及到傳熱系數(shù)、流動阻力及換熱器結(jié)構(gòu)等方面。增大流速，可加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢的形成，使總傳熱系數(shù)增大；但同時使流動阻力加大，動力消耗增多；選擇高流速，使管子的數(shù)目減小，對一定換熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數(shù)，管子太長不7華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計利于清洗，單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶄鳠釡夭钕陆?。因此，一般需通過多方面權(quán)衡選擇適宜的流速。表1 至

10、表 3 列出了常用的流速范圍，可供設(shè)計時參考。選擇流速時，應(yīng)盡可能避免在層流下流動。表 1管殼式換熱器中常用的流速范圍流體的種類一般流體易結(jié)垢液體氣體流速管程0.5 -3.0> 1.05.0 -30m/s殼程0.2 -1.5> 0.53.0 -15表 2管殼式換熱器中不同粘度液體的常用流速液體粘度，> 1500150050010035-1< 1mPa·s-500-100-35最大流速，0.60.751.11.51.82.4m/s表 3管殼式換熱器中易燃、易爆液體的安全允許速度乙醚、二硫化碳、 甲醇、乙醇、液體名稱丙酮苯汽油安全允許速<2-3< 10

11、< 1度， m/s由于使用的冷卻介質(zhì)是水，比較容易結(jié)垢，甲苯則不易結(jié)垢。水和8華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計甲苯的粘度都較小，參考以上三個表格數(shù)據(jù)可以初步選定管程流速為0.9m/s ，殼程流速為 1.5m/s 。1.2.4 流體出口溫度的確定冷卻介質(zhì)水的入口溫度24，出口溫度為 40，故，可以求得水的定性溫度為： tm =(24+40)/2=32 熱流體甲苯的入口溫度82，出口溫度為 47，故，可以求得甲苯的定性溫度為： Tm=(82+47)/2=64.51.2.5 管程數(shù)和殼程數(shù)的確定當(dāng)換熱器的換熱面積較大而管子又不能很長時，就得排列較多的管子，為了提高流體在管內(nèi)的流速，需將管束分程

12、。但是程數(shù)過多，導(dǎo)致管程流動阻力加大，動力能耗增大，同時多程會使平均溫差下降，設(shè)計時應(yīng)權(quán)衡考慮。管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有1 、2、4、6 四種。采用多程時，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)相等。管程數(shù) N按下式計算：N=u/v式中u管程內(nèi)流體的適宜流速；V 管程內(nèi)流體的實(shí)際流速。9華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計第二章工藝設(shè)計計算2.1 確定物性數(shù)據(jù)水的定性溫度為 tm =(24+40)/2=32 ；確定水在該定性溫度下的物性：密度 i =995.7kg/m3比熱容Cpi=4.174 kJ/(kg.K)導(dǎo)熱系數(shù) i =0.618 W/(m.K)粘度 i =0.8015*10 -3 Pa.s甲苯的定性

13、溫度為 Tm=(82+47)/2=64.5；確定甲苯在該定性溫度下的物性：密度13 =825kg/m比熱容Cpc=1.82 kJ/(kg.K)導(dǎo)熱系數(shù) =0.126 W/(m.K)1粘度1-3Pa.s =0.4*102.2 估算傳熱面積2.2.1 計算熱流量已知甲苯的處理量m1=8*104 t/ 年=2.81Kg/sQ1=m1 Cpc(T 1-T 2)= 2.81*1.82*(82-47)=179.0kJ/s2.2.2 計算有效平均溫度差：逆流溫差t m,逆 =31.55 10華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計2.2.3 估算傳熱面積2由于殼程液體的黏度小于0.5mpa.s ，查表可假設(shè) K=4

14、00W/m.k則估算的傳熱面積為A pQ Kt m179.0103 40031.5514.18m22.2.4 計算冷卻水用量水的流量可由熱量衡算求得,即qm 2Q2 Cp2t179.0 4.174 （40 - 24） 2.68kg s2.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸2.3.1 管徑和管內(nèi)流速選 用 25 × 2.5mm 較高級 冷拔 傳熱管（碳鋼 ），取 管內(nèi) 流速u1 =1.0m/s 。2.3.2 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)V2.68995.7( 根）ns = 3.14 20.785 0.0221.08.6 9ud i4按單程管計算，所需的傳熱管長度為11華東交通大

15、學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計L=Ap14.18 3.140.0025920.1m3.14d0 ns按單程管設(shè)計，傳熱管適中，可以用單管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計實(shí)際情況，現(xiàn)取傳熱管長l=9m，則該換熱器的管程數(shù)為N p =L20.1 9 2l傳熱管總根數(shù)NT=9×2=18 ( 根）2.3.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均溫差校正系數(shù)有T1T282- 47R2.19t 2 - t 140- 24t 2- t140-24Pt 10.28T182- 24查圖得對于單殼程，二管程結(jié)構(gòu)有=0.98平均傳熱溫差t m t0.9831.5530.92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

16、取單殼程合適。2.3.4 傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用矩形排列。12華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計取管心距 t1.25d0 ，則t1.252531.2532 （mm）隔板中心到離其最近一排管中心距離的計算t6 22 （mm）s2各程相鄰管的管心距為44mm。每程各有傳熱管8 根2.3.5 殼體內(nèi)徑a橫過管數(shù)中心線管的根數(shù)nc1.1 N1.1184.75（根）b采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按下列公式計算。取管板利用率0.7，則殼體內(nèi)徑為D 1.05t N T1.05 32 180.7170.4(mm)按卷制殼體的進(jìn)級檔，可取D=213mm2.3.6 折

17、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 h0.2521353.25 （ mm）取折流板間距 B=0.6D，則B 0.6 213 127.8 (mm) ，按標(biāo)準(zhǔn)尺寸可取 B=140mm。折流板數(shù) N= 傳熱管長 / 折流板間距 -1=9000/140-1=64 （塊）13華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計2.3.7 其他附件本換熱器傳熱管外徑為25mm，查表得其拉桿直徑為16mm，共有 4 根拉桿。殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板。2.3.8 接管a殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速為u10.9 m s ，則接管內(nèi)徑為4q V142.81D18250.069mu

18、13.14 0.9圓整后取管內(nèi)徑為70mmb管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速為u 21.5 m sD14q V242.68995.70.048 (m)u 23.141.5圓整后取管內(nèi)徑為50mm2.4 換熱器核算2.4.1 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計算0.140.36 1Re00 .551oPr 3d ew當(dāng)量直徑求算14華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計43 t 2 -d0243 0.0322 - 0.7850.0252de2420.020 （m）d03.14 0.025殼程流通截面積，按下式計算S0BD 1d00.140.0252t0.213 10.00656 （m）0.032殼程流體流

19、速及其雷諾數(shù)分別為q m04u08250.519 m s0 S00.00656di u0 00.020.519 825Re021408.750.0004普朗特數(shù)Cp1.86103400106Pr0.1265.780.14黏度校正0.95w00.360.12621408 .750.555.7830.95 931.41W m 2 K10.022.4.2 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有公式：i0.023 iRe0.8 Pr0. 4di管程流體流通截面積15華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計Si 0.785 0.022 180.002826（ m2）2管程流體流速2.68i 995.7 0.952 m/s0.002

20、8260.020.952995.723653 .31Rei1030.8015普朗特數(shù)4.1741030.801510 3Pr0.6185.41i0.0230.61823653.310.85.410 .44406.35W /( m2 K )0.022.4.3 污垢熱阻和管壁熱阻查表可取管外側(cè)污垢熱阻R00.000172m2 K / W在江西地區(qū)靠近贛江，地下水和河水的性質(zhì)相近，井水的污垢熱阻可取河水值。查表可取管內(nèi)側(cè)污垢熱阻Ri0.00058 2K/ Wm管壁熱阻計算，查表碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50w/(m·K) 。所以Rwb0.00250.00005 m 2k / ww 5016華

21、東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計2.4.4 傳熱系數(shù) K C依傳熱系數(shù)公式K C1(d0Ri d0Rwd 0R01 )i d i id idm010.0250.000580.0250.000050.0251(0.0200.0200.000176)4406.350.0225931.41532.17W / m2K2.4.5 傳熱面積裕度可得所計算傳熱面積AC 為：ACQ 2179.010 310.88m2K tm532.1730.92該換熱器的實(shí)際傳熱面積為 AA d0 LN T3.140.025 9 1812.72m2該換熱器的面積裕度為A -AC12.7210.8815%H16.91%AC10.

22、88傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。17華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計2.4.6 壁溫核算t wTmct mh11ch式中液體的平均溫度t m 和 Tm 分別按下式計算為t m0.4t 20.6t10.440 0.62430.4Tm0.4T10.6T20.4 82 0.6 4761Ci4406 .35W / m 2 Kh0931.41W / m 2 K傳熱管平均壁溫6130.4t4406.35931.4135.74（）114406.35931.41殼體壁溫可近似取為殼程流體的平均溫度，即TTm 61.0 殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為：t T - t61.0 - 35.74 25.2

23、6 該溫差較小，無需溫度補(bǔ)償裝置。由于殼程換熱器流體壓力較小，因此，選用固定管板式換熱器較適宜。2.5 壓降校核2.5.1 管程流體壓降按下列各式計算ptpip r N s N p Ft （ Ft 結(jié)垢校正系數(shù)， N p 管程數(shù)， N s 殼程數(shù)）取碳鋼的管壁絕對粗糙度為0.2mm，由 Rei23653.31 ，相對粗糙度18華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計0.01 ，查狄莫圖得 i0.04，流速 u 1.0ms ，995.7 kg m3dL29.0995.71.02piiPadi20.0428961.30.0202995.71.02Pti99.57 Pa20.22對 252.5mm 的管子有

24、 Ft 1.5,且N p2, N s 1pt (pip f ) Ft N p N s(8961.3 99.75)1.52127182.61Pa 105 Pa故,管程壓降在允許范圍之內(nèi)。2.5.2 殼程流體壓降按下列各式計算ps( popi )Fs Ns ,N s1 ,Fs1.15流體流經(jīng)管束的壓降2uopoFf o N TC ( N B1)2F=0.5f o521408.75-0.2280.5147NTC 1.1NT0. 51.1180.50.5147NB 64u 00.519m spo 0.5 ×0.5147 ×4.67 ×(64+1) × 8250.

25、519 2=8679.87Pa219華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計流體流過折流板缺口的阻力pi N B (3.52Buo 2, B=0.14m , D=0.213m)2DPi20.148250.519 264(3.5 -)15540.99Pa0.2132總壓降ps8679.87+ 15540.99 =24220.86Pa<105 Pa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。20華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院化工課程設(shè)計第三章計算結(jié)果總匯表換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果列表如下：參 數(shù)管 程殼程流量 /(kg/h)9628.0510101.01進(jìn)/出溫度/24/4047/8

26、2壓力 /Pa定性溫度 / 3264.5密度 /(kg/m 3)995.7825物定壓比熱容4.1741.82/(kJ/(kg.K)0.8015x10 -30.400x10 -3粘度 /(Pa.s)性熱導(dǎo)率0.6180.126/W/(m.K)普朗特數(shù)5.415.78形式固定板臺數(shù)1設(shè)殼體內(nèi)徑 /mm213殼程數(shù)1備管徑 /mm 25×2.5管心距 /mm32結(jié)管長 /mm9000管子排列正三角形構(gòu)管數(shù)目/根9折流板數(shù)64參傳熱面積 /m212.72折流板數(shù)間距 /mm140數(shù)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)0.9520.519表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)4406.35931.41/W/(m 2.K)污垢熱阻 /(m 2.K/W)0.000580.000176阻力 /MPa0.0270.024熱流量 /kW179.0傳熱溫度 /