甲苯預(yù)熱器的選型設(shè)計(jì)講解

安徽理工大學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)項(xiàng)目：甲苯預(yù)熱器的選型設(shè)計(jì)學(xué)院名稱(chēng)： 化學(xué)工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 化工10-3班學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名：設(shè)計(jì)組序： 第八組指導(dǎo)教師： 張洪流二○一三年元月七日1目錄化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 3前言 4設(shè)計(jì)內(nèi)容 71.確定基本數(shù)據(jù) 72．流徑的選擇 73．熱負(fù)荷及熱空氣用量計(jì)算 74．傳熱平均溫度差計(jì)算 75．估算傳熱面積 86．初選換熱器型號(hào) 87．核算傳熱系數(shù) 8設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 9換熱器展示 10結(jié)束語(yǔ) 10參考文獻(xiàn)： 11安徽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)?cè)u(píng)定表 132化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)同學(xué)：威名化工廠(chǎng)擬采用一列管換熱器以?xún)艋蟮臒峥諝饧訜峒妆?。已知：原料質(zhì)量流量為 5500 kg/h，初始溫度為20℃，要求加熱至 50 ℃；空氣進(jìn)口溫度為 155 ℃，出口溫度比進(jìn)口溫度低20℃。試根據(jù)工藝要求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)列管式換熱器的選型設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)間：（校歷20周）指導(dǎo)教師：張洪流二○一三年元月七日3前言本次化工原理課程設(shè)計(jì)短短幾天，是學(xué)習(xí)化工原理以來(lái)第一次獨(dú)立的工業(yè)設(shè)計(jì)?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生化工設(shè)計(jì)能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)課程設(shè)計(jì)使我們初步掌握化工設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)、設(shè)計(jì)原則及方法；學(xué)會(huì)各種手冊(cè)的使用方法及物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的查找方法和技巧；掌握各種結(jié)果的校核，能畫(huà)出工藝流程等圖形；理解計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過(guò)程，利用編程使計(jì)算效率提高。在設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產(chǎn)上的安全性和經(jīng)濟(jì)合理性。化工原理主要研究化工單元操作過(guò)程中的動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的基本理論與規(guī)律，以及實(shí)現(xiàn)這些傳遞過(guò)程的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)。整個(gè)課程體系分為：立理論教學(xué)、實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)四個(gè)相互獨(dú)而又緊密聯(lián)系的部分，課程設(shè)計(jì)則是上述課程的總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，是進(jìn)一步鞏固、深化和具體應(yīng)用課程理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)技能的重要過(guò)程，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)完成化工設(shè)計(jì)任務(wù)的全面訓(xùn)練。屆此，威名化工廠(chǎng)擬采用一列管換熱器以?xún)艋蟮臒峥諝饧訜峒妆竭M(jìn)行的專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)。眾所周知，甲苯是重要的化工原料，以?xún)艋蟮臒峥諝饧訜峒妆揭恢笔且粋€(gè)重要的課題。如何獲得較大的生產(chǎn)率，較大的經(jīng)濟(jì)效益，較高的安全系數(shù)和設(shè)計(jì)方案的較強(qiáng)可操作性仍然是技術(shù)難題。本設(shè)計(jì)正是以?xún)?yōu)化的理念進(jìn)行估算設(shè)計(jì)核算力求達(dá)到較高要求而進(jìn)行的方案設(shè)計(jì)。以?xún)艋蟮臒峥諝饧訜峒妆降脑?操作時(shí)甲苯由封頭的接管進(jìn)入器內(nèi),經(jīng)封頭與管板間的空間分配至各管內(nèi)，流過(guò)管束后，由另一端封頭上的接管流出換熱器。而熱空氣由殼體上的接管流入，殼體內(nèi)裝有若干塊折流擋板以改善殼程的傳熱，流體在殼體內(nèi)沿折流擋板作折流運(yùn)動(dòng)，從殼體上的接管流出換熱器。兩流體在換熱器內(nèi)隔著管壁進(jìn)行換熱。而對(duì)于換熱器而言，換熱器是石油、化工、輕工等行業(yè)的常用設(shè)備，在工藝流程中起到為化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和物理操作過(guò)程創(chuàng)造必要條件、 提高熱量綜合利用和回收余熱的作用。在化工建設(shè)投資中，換熱器約占總投資的11％。在煉油廠(chǎng)的常、減壓蒸餾裝置中，換熱器約占總投資的20%。若按工藝設(shè)備重量統(tǒng)計(jì)，換熱器在石油化工裝置中約占40%左右，由此可見(jiàn)換熱設(shè)備在化工設(shè)備中的地位。工業(yè)換熱器的種類(lèi)繁多，其中以列管式技術(shù)最為成熟，同時(shí)具有適用范圍廣、耐壓性能好、便于強(qiáng)化傳熱等優(yōu)點(diǎn)，故迄今為止仍以列管式換熱器占絕大多數(shù)。列管換熱器的工藝設(shè)計(jì)包括標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的選型設(shè)計(jì)和非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)兩類(lèi)。由于有了系列標(biāo)準(zhǔn)，為便利和降低成本，原則上應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。只有在實(shí)際要求與標(biāo)準(zhǔn)系列相差較大時(shí)，方需自行設(shè)計(jì)。列管式換熱器又稱(chēng)管殼式換熱器，是一種通用標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備。雖然在換熱效率、緊湊性、材料消耗等方面不及新型換熱器，但由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固耐用、適應(yīng)性強(qiáng)、操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)，故在石化、輕工等行業(yè)工業(yè)換熱設(shè)備中仍占主導(dǎo)地位。列管式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為多種類(lèi)別。甲苯是重要的化工原料，然而甲苯在進(jìn)入反應(yīng)設(shè)備中參加反應(yīng)時(shí)，往往會(huì)對(duì)甲苯的溫度有一定的要求。因此，甲苯的加熱設(shè)備換熱器的設(shè)計(jì)一直是一個(gè)重要的課題。如何獲得較大的加熱效率，較大的經(jīng)濟(jì)效益，較高的安全系數(shù)和換熱器的較強(qiáng)可操作性仍是技術(shù)難題。本設(shè)計(jì)正是以?xún)?yōu)化換熱器的換熱效率和安全操作的理念進(jìn)行的方案設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)加熱劑為熱空氣，選用熱空氣具有易于調(diào)節(jié)，冷凝潛熱大，熱利用率高等優(yōu)點(diǎn)。流動(dòng)空間選擇是指換熱器管程和殼程各走什么介質(zhì)，此問(wèn)題受多方因素4制約，通常確定原則如下：（1）不潔凈或易結(jié)垢的流體宜走管程；因?yàn)楣艹糖逑摧^方便。（2）有腐蝕性的流體宜走管程；以免管子和殼體同時(shí)被腐蝕，且管子便于維修和更換。（3）有毒害的流體宜走管程；以減少直接泄漏，提高生產(chǎn)的安全性。（4）高壓流體宜走管程；以節(jié)省材料消耗、降低人員傷亡事故發(fā)生率。（5）高溫加熱劑與低溫冷卻劑宜走管程； 以減少設(shè)備的熱量或冷量的損失。（6）有相變流體宜走殼程；如冷凝傳熱過(guò)程，管壁面冷凝液厚度即傳熱膜的厚度，讓蒸汽走殼程有利于及時(shí)排除冷凝液，從而提高冷凝傳熱膜系數(shù)。（7）被冷卻流體宜走殼程；以便散熱，增強(qiáng)冷卻效果。（8）高粘度或低流量流體宜走殼程；流體在有折流擋板的殼程中流動(dòng)時(shí)，因流速與流向不斷改變，在Re>100的情況下即可達(dá)到湍流，有利于提高此類(lèi)流體的傳熱效果。（9）若兩流體溫差較大時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)較大的流體宜走殼程；因管壁溫度接近于較大的流體，讓較大的流體走殼程可以減小管子與殼體的溫差，從而減小溫差應(yīng)力。上述原則往往不能同時(shí)兼顧，在選擇流動(dòng)路徑時(shí)，應(yīng)視具體情況抓住主要矛盾。一般優(yōu)先考慮操作壓強(qiáng)、防腐及清洗等方面的要求。該設(shè)計(jì)中由于甲苯具有毒性，為避免泄露引發(fā)安全事故，我們采用甲苯走管程，熱空氣走殼程本次設(shè)計(jì)中我們經(jīng)過(guò)一系列科學(xué)而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算采用了U型管式換熱器。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：管子折成U形后固定在同一管板上，管束末端也可以自由伸縮，具有自熱補(bǔ)償功能，管程數(shù)也為偶數(shù)。U型管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，一般化工廠(chǎng)的附屬機(jī)修車(chē)間就能自制；只有一個(gè)管板，密封面少，耐壓性能好，運(yùn)行可靠；管間清洗較方便。其缺點(diǎn)是：因管束存在回彎部分，易阻塞，故管程清洗較困難；可排管子數(shù)目較少，其管束最內(nèi)層管間距大，殼程流體易走短路，一般用于管、殼程溫差較大且管程介質(zhì)不易結(jié)垢的場(chǎng)合。為確保設(shè)計(jì)的合理性，在本設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員采用了最新化工工程標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)中賦予了一定的裕度，因此在一定程度上物料的進(jìn)料流量及換熱器內(nèi)的氣液兩相流量均具有一定的可調(diào)性，大大減少化工生產(chǎn)過(guò)程中事故發(fā)生的概率，減少由于事故發(fā)生所造成的損失。此外，設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足工藝要求的前提下力求降低生產(chǎn)成本，以確保系統(tǒng)的最優(yōu)化，設(shè)計(jì)方案的可操作性強(qiáng)本設(shè)計(jì)是武寧、汪龍、李小丹、王?；鄯止?:武寧、汪龍負(fù)責(zé)計(jì)算參數(shù)，校核比對(duì)。包括：（一）初選換熱器：a）.基本數(shù)據(jù)的查取，b)流徑的選擇，c)熱負(fù)荷的計(jì)算，d)傳熱溫度差計(jì)算，e)選K值，估算傳熱面積，f)初選換熱器型號(hào)；（二）換熱器性能校核:g)核算壓降,h）核算傳熱系數(shù)。（三）校驗(yàn)換熱器是否滿(mǎn)足要求，若不能做相應(yīng)的管徑調(diào)整，重復(fù)（一）（二）步驟，直至滿(mǎn)足要求為止。王?；圬?fù)責(zé)查閱數(shù)據(jù)，核實(shí)記錄。李小丹負(fù)責(zé)組織協(xié)調(diào)，歸納匯總，并整理出最后結(jié)果。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，我們還發(fā)現(xiàn)由于沒(méi)有及時(shí)將所得結(jié)果總結(jié)，以致在后面的計(jì)算中不停地來(lái)回翻查數(shù)據(jù)，這會(huì)浪費(fèi)了大量時(shí)間。由此，我們?cè)诿空鹿?jié)后及時(shí)地列出數(shù)據(jù)表，方便自己計(jì)算也方便讀者查找。在一些應(yīng)用問(wèn)題上，我們直接套用了書(shū)上的公式或過(guò)程，并沒(méi)有徹底了解各個(gè)公式的出處及用途，對(duì)于一些工業(yè)數(shù)據(jù)的選取，也只是根據(jù)范圍自己選擇的，并不一定符合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。因此，一5些計(jì)算數(shù)據(jù)有時(shí)并不是十分準(zhǔn)確的，只是擁有一個(gè)正確的范圍及趨勢(shì)，而并沒(méi)有更細(xì)地追究下去，因而可能存在一定的誤差，影響后面具體設(shè)備的選型。由于時(shí)間倉(cāng)促，加之設(shè)計(jì)人員的水平有限，另在換熱器的裝配圖中少部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失及諸多不可預(yù)見(jiàn)性因素，難免有設(shè)計(jì)的缺陷和不足之處，衷心希望各位專(zhuān)家老師的批評(píng)指正，使設(shè)計(jì)更趨完美。這次專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的課程設(shè)計(jì)，讓我認(rèn)識(shí)到：課堂上理論知識(shí)掌握的再好，沒(méi)有落實(shí)到實(shí)處，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。換熱器的設(shè)計(jì)，從課本上簡(jiǎn)單的理論計(jì)算，到根據(jù)需求滿(mǎn)足一定條件的切實(shí)地進(jìn)行設(shè)計(jì)，不再僅僅包括呆板單調(diào)的計(jì)算，還要根據(jù)具體要求選擇、區(qū)分和確定所設(shè)計(jì)的換熱器的每一個(gè)細(xì)節(jié)，我覺(jué)得這是最大的一個(gè)挑戰(zhàn)。鳴謝：此次課程設(shè)計(jì)在威名化工廠(chǎng)與安徽理工大學(xué)的合作下開(kāi)展的。我們?cè)O(shè)計(jì)小組在張洪流老師的帶領(lǐng)與指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)多次修改和完善，最終圓滿(mǎn)完了本次設(shè)計(jì)任務(wù)。在此感謝我們的張洪流老師.老師嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；老師循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪；這次設(shè)計(jì)的每個(gè)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和每個(gè)數(shù)據(jù)，都離不開(kāi)老師您的細(xì)心指導(dǎo)。而您開(kāi)朗的個(gè)性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很順利的完成了這次課程設(shè)計(jì)。同時(shí)感謝對(duì)我們幫助過(guò)的同學(xué)們，謝謝你們對(duì)我們的幫助和支持，讓我們感受到同學(xué)的友誼。由于本小組組員的設(shè)計(jì)能力有限，在設(shè)計(jì)過(guò)程中難免出現(xiàn)錯(cuò)誤，懇請(qǐng)老師們多多指教,我十分樂(lè)意接受你們的批評(píng)與指正，本人將萬(wàn)分感謝。感謝可愛(ài)的組員們,我們一起經(jīng)歷過(guò)的聚散喜悲，一起走過(guò)的每一段路，友情的無(wú)私為我們的大學(xué)時(shí)光重重地寫(xiě)下了無(wú)悔。小組成員：武寧、汪龍、王?；?、李小丹6設(shè)計(jì)內(nèi)容項(xiàng)目名稱(chēng)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程1.確定基本1.確定基本數(shù)據(jù)2050數(shù)據(jù)甲苯的定性溫度35℃2查教材附錄得甲苯在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)為：＝860kg/m3， =0.63×10-3Pa?s，Cp=1.80kJ/kg?℃， =0.147W/m?℃。2．流徑的選擇．熱負(fù)荷及熱空氣用量計(jì)算4．傳熱平均溫度差計(jì)算

熱空氣出口溫度比進(jìn)口溫度低 20℃，則其出口溫度為 155-20=135℃。155 135 145℃熱空氣的定性溫度 2查教材附錄得空氣在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)為：＝0.844kg/m3，＝23.9×10-6Pa?s，Cp＝1.014kJ/kg?℃，＝0.03299W/m?℃， Pr=0.683。2．流徑的選擇因?yàn)榧妆绞怯卸玖黧w，減少泄露量，提高生產(chǎn)的安全性，甲苯走管程，熱空氣走殼程。3．熱負(fù)荷及熱空氣用量計(jì)算由于是加熱過(guò)程，故熱負(fù)荷按冷流體甲苯計(jì)算。又因?yàn)閷?duì)該過(guò)程而言，熱損失越小越有利于加熱，所以在確定熱負(fù)荷及熱空氣用量時(shí)可不考慮熱損失。也即熱負(fù)荷Q/Qcqm,cCc(t2t1)55001.80(5020)82.5kW3600熱空氣用量Q/82.5qm,h4.068kg/sCh(T1T2)1.014(155135)4．傳熱平均溫度差計(jì)算先求逆流時(shí)的傳熱平均溫度差：tm't1t2(13520)(15550)109.9℃lnt1ln13520t215550傳熱溫差大于50℃，表明該換熱過(guò)程需要考慮熱補(bǔ)償。選用U型管式換熱器。為提高傳熱效果，擬選用單殼程、偶數(shù)管程結(jié)構(gòu)。故需核算溫差校正系數(shù)：T1T2155135Rt1500.67t220t2t15020Pt11550.222T120由R和P的值，查化工原理教材傳熱章中的t算圖得：t＝0.98>0.875．估算傳熱面積6．初選換熱器型號(hào)．核算傳熱系數(shù)

也即，選用單殼程、偶數(shù)管程可行。實(shí)際傳熱平均溫度差為：tm= t tm＝0.98×109.9＝107.7℃5．估算傳熱面積參照表2-12，取K估=800W/m2?℃。則有：/82.5103S估＝Q51.07m2K估tm15107.76．初選換熱器型號(hào)根據(jù)換熱器的實(shí)際計(jì)算傳熱面積接近估算傳熱面積的原則，查JB/T4715-92固定管板式換熱器規(guī)格表?？紤]到操作接近常壓，故管、殼程設(shè)計(jì)壓力均取為1.0MPa，以節(jié)省鋼材消耗，降低設(shè)備費(fèi)用。換熱管選用19×2mm普通碳素鋼冷拔鋼管，以便管程的清洗。因直徑超過(guò)450mm，故需采用封頭管箱。初選換熱器型號(hào)為：BIU6001.063.93II419主要參數(shù)如下表：600mm公稱(chēng)壓力(自選)1.0MPa殼體內(nèi)徑計(jì)算傳熱面積63.9m2中心排管數(shù)12管子規(guī)格Φ19×2mm管長(zhǎng)3000mm管子數(shù)184管程數(shù)4管子排列方式正三角形管程流通面積0.0163m2管間距25mm折流擋板間距(自選)200mm7．核算傳熱系數(shù)采用此換熱器，則要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為K需＝Q/82.510314.72S實(shí)tm52.1W/m?℃107.7（1）管程對(duì)流傳熱系數(shù)i0.023Re0.8Prn0.0230.147205785.710.87.7140.4di0.0159090.713W/m2?℃（2）殼程對(duì)流傳熱系數(shù)（凱恩法）Ao=L/(D－ncdo)=0.2×(0.6－12×0.019)＝0.0744m2故殼程流速u(mài)o4.06864.78m/s0.8440.0744deu)0.55(cp)13o0.36(wdo由于換熱管采用正三角形排列，故4(3t2do2)4(30.025240.0192)de2420.017mdo0.019deu0.01764.780.84438889.682.391058cp1.0142.391050.0007350.03299w=1.05管程甲苯被加熱，取0.0329938889.680.550.000735131.05=22.68W/m2o0.36?0.017℃（3）污垢熱阻參照表2-13，分別取管內(nèi)外污垢熱阻為Rsi=1.72×10－4m2?℃/W Rso=3.0×10－4m2?℃/W4）總傳熱系數(shù)因壁面熱阻通常很小，可忽略。故總傳熱系數(shù)為1K計(jì)doRsido1Rsoididio122.35W/m2?℃0.0191.721040.0193.010419090.7130.0150.01522.68K計(jì)/K需＝22.35/14.7=1.52表明所選換熱器能滿(mǎn)足傳熱要求。故選用型號(hào)為BIU6001.063.934II的換熱器是合適的。19設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表：9殼體內(nèi)徑600mm公稱(chēng)壓力1.0MPa計(jì)算傳熱面積63.9mm中心排管數(shù)12管子規(guī)格Φ19×2mm管長(zhǎng)3000mm管子數(shù)184管程數(shù)4管子排列方式正三角形管程流通面積20.0163m管間距25mm折流擋板間距200mm換熱器展示：型管式換熱器正三角形排列結(jié)束語(yǔ)10小組成員：武寧、汪龍、李小丹、王希慧武寧、汪龍負(fù)責(zé)計(jì)算參數(shù)，校核比對(duì)。王?；圬?fù)責(zé)查閱數(shù)據(jù)，核實(shí)記錄。李小丹負(fù)責(zé)組織協(xié)調(diào)，歸納匯總，并整理出最后結(jié)果。在短短的幾天里，從開(kāi)始的一頭霧水，到同學(xué)討論，再進(jìn)行整個(gè)流程的計(jì)算，再到對(duì)工業(yè)材料上的選取論證和后期的程序的編寫(xiě)以及流程圖的繪制等過(guò)程的培養(yǎng)，我真切感受到了理論與實(shí)踐相結(jié)合中的種種困難，也體會(huì)到了利