化工原理課程設(shè)計換熱器設(shè)計

化工原理課程設(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：1320103090QINGHAlUNIVERSIT-V目錄TOC\o"1-5"\h\z化工原理課程設(shè)計任務(wù)書2設(shè)計概述3\o"CurrentDocument"試算并初選換熱器規(guī)格6\o"CurrentDocument"1。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7\o"CurrentDocument"4。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10\o"CurrentDocument"核算總傳熱系數(shù)10核算壓強降13\o"CurrentDocument"設(shè)計結(jié)果一覽表16經(jīng)驗公式16\o"CurrentDocument"設(shè)備及工藝流程圖17\o"CurrentDocument"設(shè)計評述17參考文獻(xiàn)18QINGHABUNIVERSIT'V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80°C，出口溫度40°C。2、冷卻介質(zhì)：循環(huán)水,入口溫度32。5C。3、允許壓強降：不大于50kPa。4、每年按300天計，每天24小時連續(xù)運行。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.4、設(shè)備簡圖。(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：出口溫度40。5C殼體內(nèi)部空間利用率70%選定管程流速u(m/s)11。設(shè)殼程流體進(jìn)出口接管流體流速u1(m/s)1o11計概述熱量傳遞XOX管程流體進(jìn)出口接管流體流速u2(m/s)1。53QINGHAlUNIVERSIT-V的概念與意義1。1。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。1.1.2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.總之，無論是在能源，宇航，化工，動力，冶金，機械，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)的擴展。1.1。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。1.3.1熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱）物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動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。1.1.3。2熱對流（簡稱對流）流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流。熱對流僅發(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)點產(chǎn)生相對位移的自然對流；二是因泵或攪拌等外力所致的質(zhì)點強制運動的強制對流。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。1.1.3.3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。QINGHABUNIVERSITY熱輻射的特點是：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、意義及基本設(shè)計要求1。2。1換熱器的概念及意義：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。1。2.2換熱器設(shè)計要求：序號特別要求1對事故工況的校核2對管箱隔板強度的校核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的強度校核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3管殼式換熱器的簡介1。3.1概述：管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。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管殼式換熱器的承壓能力及操作運行的安全可靠性。1。3.2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，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。I-折M枝如2-管秉3-映卜經(jīng)隊5-檬象6淄板1.3。3主要技術(shù)特性：1、耐高溫高壓，堅固可靠耐用；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。2。試算并初選換熱器規(guī)格2.1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。2.2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QINGHABUNIVERSITY冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，入口溫度為：25°C，出口溫度為：33°C；苯的定性溫度:水的定性溫度：t=(25+33)/2=29C；m兩流體的溫差：Tm%=60—27.5=32.5C——兩流體溫差不大于50C，不考慮熱補償；故選用固定管板式列管換熱器.2.2.2物性數(shù)據(jù)"苯=0。381cp=0.381mPa-sH水=0.807cp=0。807mPa-s%苯=0=1.828KJ/(kg?oC)CP水=4.176KJ/(kg?oC)X=，，、苯0.151W/(m?oC)X水=0.613W/(m?oC)兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下：物性流體、密度kg/m3比熱KJ/(kg?°C)粘度mPa?s導(dǎo)熱系W/(m??苯836.61.8280。3810.151水995.74.1760。8070。6132。3計算熱負(fù)荷和冷卻水流量2.3.1熱流體流量：Wh=134000000/(300*24)=18611.11111kg/h2.3。2熱負(fù)荷:Q=Wh死苯*1000*(80-40)/3600=378012。3457W2。3。3冷流體的質(zhì)量流量:W「Q*3600/1000/C水/(32—25)=40753。60699kg/h2.4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：2.4。1平均溫度差QINGHAlUNIVERSIT-V△t'm=(At2-At1)/ln(At2/Atl)=[(80-33)-(40—25)]/ln[(80-33)/(40-25)]=28。02°C2.4.2溫度矯正系數(shù)P=(t2—t1)/(T2—T1)=(33—25)/(80—40)=0。145R=(T1—T2)/(t2—t1)=(80-40)/(33—25)=5由《化工原理》上冊P238頁查圖4—19可得：6At=0.92所以△tm=6At*At'm=0.92*28。02=25。77713598C不需要熱補償又因為0。92>0。8,故可選用單殼程的列管換熱器。2.5試算和初選換熱器的規(guī)格2。5。1初定K值：根據(jù)低溫流體為水，高溫流體為有機物(參見《化工原理》P355)有K值的范圍:430?850W/(m2??,假設(shè)K0=300W/(m2-C)2。5。2單管程的管子根數(shù):因為水走管程且初選祖25*2。5,L=6m的列管，所以設(shè)ui=1m/s兀1V=u—d2n可求得:V=40753。60699kg/h/(995。7*3600)=0.01137m"3n「4V/(3。14*0.02*0.02)=36。2取37根2.5.3傳熱面積：S=Q/(Atm*K0)=48。88m"202。5。4單管程管長：L=S0/(3。14大d*n.)=16。83m2.5.5管程數(shù)：Np=L/L=16.83/6=2。84初選管程為Np=3i2。5.6總管數(shù)：n=Np大n.=3大37=111根t=1。25大d=1。25大25=32mm02.5.8橫過管束中心線的管數(shù)：n=1。19大n”1/2=13根2.5.9計算殼徑：D=1。05*t*（111/0。7）”1/2=423mm取整：450mm2.5.10折流板：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=0。25*450=112.5mm,取h=110mm；折流板間距取B=150mm折流板數(shù):Nb=傳熱管長/折流板間距-1=6000/150-1=39塊折流板圓缺面水平裝配2。5。11接管:殼程流體進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)油品流速為u1=1m/s,則接管內(nèi)徑為d1=[4V/（3。14大u）廠1/2=[4大134000000/300/24/3600/836.6/3。14]"1/2=0.0887m取整d1=90mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u2=1。5m/s，則接管內(nèi)徑為d2=[4V/（3。14*u）]"1/2=[4*0。01137/3。14/1。5]"1/2=0.098m取整d2=100mm2.5。12將這些管子進(jìn)行排列有圖如下:/OO0OO\2.5.13初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸為:diNGMAIUNIVERSITY殼徑D450mm管子尺寸中25X2.5mm管程數(shù)Np3管長L6.0m管子總數(shù)n111管子排列方法正三角形2。5.14實際傳熱面積及總傳熱系數(shù):S1=3。14ndL=3.14*111*0.025*（6。0-0.1）=51。40965m"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:K1=Q/(S1*Atm)=285。2506706W/(m2?°C)3工藝核算3.1核算總傳熱系數(shù)3。1。1計算管程對流傳熱系數(shù)以】Ui二Vi/Ai=4*0。01137/（ni*3.14大d「2）二4*0。01137/（37*3.14/4*0.02^2）二0。979m/s與假設(shè)相一致合適Re二di*ui*995.7/（0。807*10"—3）=24359.7142湍流i圖殼程摩擦系數(shù)f0與Re0的關(guān)系所以ai=0。023*（%水/di）*（Re）0.8*Pri0.3二0。023*0.613/0.02*（24359。7142）"0.8*（5。8）"0。4=4507.304891（W/（皿-C）3.1。2計算殼程對流傳熱系數(shù)以0換熱器中心附近管排中流體流通截面積為：Ao二hD(1-d0/t)=0.15*0.45大(1—0.025/0。032)=0。014765625m2式中h折流擋板間距，取150mm；t——管中心距，對①25x2.5mm，t=32mm。因為Wh=18611.11111(kg/h)=18611。11111/(3600*836。6)=所以U0=Vs/A0=18611。11111/(3600*836。6)/0。014765625=0.418504475m/s由正三角形排列得：d=4(V3/2*t2—3。14/4*d02)/(3。14d0)=4*(?百/2*0.0322—3.14/4*0.0252)/(3.14*0.025)=0.027151936mRe0叩0P苯=0.05x0.22x836.6=24154Re0日0.381x10-3=0.027151936*0。418504475*836。6/(0。381*0。001)=25016.99652Pr0=4.6C日_1.828x103x0.381x10-3Pr0=4.6土0.151因為Re0在?1x106范圍內(nèi)且殼程中苯被冷卻，?。╱/uw）=0。915；人1氣=0.36x—（Re0）°-55（Pr0?中^e所以a。=799.570385W/(m*°C)QINGHAlUNIVERSIT'V3。1.3確定污垢熱阻管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為：Rsi=0.0002W/(E—c)Rso=0。00017W/(E?c)3。1.4總傳熱系數(shù)K2忽略管壁熱阻、總傳熱系數(shù)K2為：KK0-1+R+R此+里

以S。sid以d1111]=513.3472272W/(^-°C9)191+1.7x10-4+2.0x10-4x+1285.2506706W/(節(jié)0*?，2在傳熱任務(wù)所規(guī)定的流動條件下，計算出的為由前面計算部知，選用該型號換熱器時,1要求過3程X1總傳熱系數(shù)為513.3472272W/(E?c),其安全系數(shù)為：285.2506706W/(節(jié)0*?，2在傳熱任務(wù)所規(guī)定的流動條件下，計算出的為n=(513。3472272—285.2506706)/285。2506706*100%二79.96354787%故所選擇的換熱器是合適的。3。1.5回溯試算：安全系數(shù)過高，說明設(shè)計過程中材料浪費，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)。3。1。5。1回溯管程計算：Np=2：K1=427.876006(W/(皿-C)K2=513。3472272(W/(皿-C)n’二(513。3472272—427。876006)/427。876006*100%二19。97569858%符合條件Np=1：K1=855。7520119(W/(E?c)K2=513。3472272(W/(E?C)n〃二(513.3472272—855。7520119)/855.7520119*100%=—40.01215071%不符合條件QINGHABUNIVERSITY3。1。5。1總管數(shù)：=—40.01215071%不符合條件n=Np*ni=2*37=74根2管心距：t=1.25大d=1.25*25=32mm03。1。5。3橫過管束中心線的管數(shù)：n=1.19大n”1/2=11根3。1.5.4計算殼徑：D=1.05*t*(74/0.7)"1/2=345mm取整：450mm3.1。5.5折流板：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=0.25大450=112。5mm，取h=110mm；折流板間距取B=150mm折流板數(shù):Nb=傳熱管長/折流板間距一1=6000/150—1=39塊折流板圓缺面水平裝配3。1。5。6接管：殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品流速為u1=1m/s，則接管內(nèi)徑為d1=[4V/(3。14*u)]"1/2=[4*134000000/300/24/3600/836。6/3.14]"1/2=0。0887m取整d1=90mm管程流體進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)循環(huán)水流速u2=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為d2=[4V/(3.14*u)]"1/2=[4*0。01137/3.14/1.5]"1/2=0。098m取整d2=100mm3.1.5。7將這些管子進(jìn)行排列有圖如2。5。123。1。5.8初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸為：殼徑D450mm管子尺寸中25X2.5mm管程數(shù)Np2管長L6。0m管子總數(shù)n74管子排列方法正三角形3。1。5.9實際傳熱面積及總傳熱系數(shù)S1=3。14ndL=3。14*74*0.025*（6。0—0。1）=34.2731m"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:K1=Q/(S1*Atm)=427.876006(W/(m*°C)3。2計算管程壓強降zAP=(AP+AP)FNNsi12t前面已算出:ui=0.978596533取不銹鋼管壁粗糙度Rei=24359。7142s=0.1mm(湍流)則相對粗糙度e/di=0。005摩擦系數(shù)入=0.034所以:AP=Xi4.5LP"2—,i——0.033xd20.015i996.325x(0.925>x=4322PaAP=3土=3x996.325小92。=5115Pa222計算得：△P1=4863.019702Pa△P2=1430.299912Pa對于①25X2。5mm的管子Ft=1。4,Ns=1,Np=2E^Pi=17621.29492Pa〈50000Pa滿足要求3。3計算殼程壓強降管數(shù)由111根變?yōu)?4根，所以：流通面積：A°=0。029112123m"2殼體流體流速：u.=0。212264837m/s雷諾準(zhǔn)數(shù)：Re。=11682。9449〉500E^PO=(△P1/+^P2/)^Fs^Ns取Fs=1.15Ns=1其中：上孳QINGHABUNIVERSITYF=1.15,Ns=1,\P，=Ffn（N+1）^02s10cB2管子為正三角形排列，?。篎=0。5Nc=10.23676707根取11根NB=39f0=5.0Re0-0.228=5.0x8344-0.228=0.=0。59097359所以△P1‘=2280。367627△P2‘=2082。601873EAP.=5017。414926Pa〈50000Pa由上面計算可知，該換熱器管程與殼程的壓強均滿足題目要求，故所選換熱器合適。4設(shè)計結(jié)果一覽表項目管程（循環(huán)水）殼程（苯）流量，kg/s9.214.21溫度，°C（進(jìn)/出）32.5/40.580/40定性溫度,C36。560物密度,kg/m3994.0836。6性比熱，kJ/kgC4。1741.828粘度，Pa?s0。720X10-30。318X10—3導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/mC0。6280。151普蘭特數(shù)5.295.27結(jié)殼體外徑，mm500臺數(shù)1構(gòu)管徑，mm中25*2.5殼程數(shù)1參管長，m6管心距，mm32數(shù)管數(shù)150管子排列正方形斜轉(zhuǎn)45°傳熱面積,E69.47折流板數(shù)39折流板距,m0。15管程數(shù)5—材質(zhì)不銹鋼主要計算結(jié)果殼程管程流速，m/s0.30640。983污垢熱阻，（E?C）/W1。7*10"—42.0X10"-4傳熱系數(shù)，w/（e?c）799。5703854507.3048915經(jīng)驗公式5。1管程對流傳熱系數(shù)七一一迪特斯和貝爾特關(guān)聯(lián)式:以=0.023—Re0.8Pr0.3i5。2殼