化工原理課程設(shè)計換熱器設(shè)計

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1、 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：1320103090 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6 1. 流體流動途徑的確定6 2. 物性參數(shù)及其選型6 3. 計算熱負(fù)荷及冷卻水流量7 4. 計算兩流體的平均溫度差7 5. 初選換熱器的規(guī)格7 工藝計算10 1. 核算總傳熱系數(shù)10 2. 核算壓強(qiáng)降13 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1

2、7 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80℃，出口溫度40℃。 2、冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度32.5℃。 3、允許壓強(qiáng)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。 出口溫度 40.5℃ 殼體內(nèi)部空間利用率 70%

3、選定管程流速u（m/s） 1 殼程流體進(jìn)出口接管流體流速u1（m/s） 1 管程流體進(jìn)出口接管流體流速u2（m/s） 1.5 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： 1.設(shè)計概述 1.1熱量傳遞的概念與意義 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

4、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(jī)理和傳熱的快慢，它僅研究物質(zhì)的

5、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。 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

6、拌等外力所致的質(zhì)點強(qiáng)制運動的強(qiáng)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。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)

7、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(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，使管板兼作

8、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 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，

9、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。 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

10、；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 2.2.1定性溫度 冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，入口溫度為：25 ℃，出口溫度為：33 ℃； 苯的定性溫度： ℃； 水的定性溫度：tm=（25+33）/2=29℃； 兩流體的溫差： ℃——兩流體溫差不大于50℃，不考慮熱補(bǔ)償；故選用固定管板式列管換熱器。 2.2.2物性數(shù)據(jù)

11、0.381=0.381mPas 0.807=0.807mPas 0=1.828KJ/(㎏oC) 4.176KJ/(㎏oC) 0.151W/(moC) =0.613W/(moC) 兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下: 物性 流體 密度 ㎏/m3 比熱KJ/(㎏oC) 粘度 mPas 導(dǎo)熱系W/(moC) 苯 836.6 1.828 0.381 0.151 水 995.7 4.176 0.807 0.

12、613 2.3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/h 2.3.2熱負(fù)荷：Q= Wh *C苯*1000*（80-40）/3600= 378012.3457W 2.3.3冷流體的質(zhì)量流量:Wc=Q*3600/1000/C水/(32-25)= 40753.60699 kg/h 2.4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 △t′m=（△t2—△t1）/ln(△t2/△t1) =[(80-33)-(40-25)]/ln[(80-33)/(40-

13、25)]= 28.02℃ 2.4.2溫度矯正系數(shù) P=(t2-t1)/(T2-T1)=(33-25)/(80-40)=0.145 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: φ△t=0.92 所以△tm=φ△t *△t′m=0.92*28.02= 25.77713598℃ 不需要熱補(bǔ)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(jī)物（參見《化工原理

14、》P355）有K值的范圍：430～850W/(oC）, 假設(shè)K0=300W/(m2℃) 2.5.2單管程的管子根數(shù)： 因為水走管程且初選φ25*2.5，L= 6m的列管，所以設(shè)ui=1m/s 由 可求得： V=40753.60699 kg/h /(995.7*3600)=0.01137m^3 ni=4V/(3.14*0.02*0.02)=36.2 取37根 2.5.3傳熱面積： S0=Q/(△tm*K0)=48.88m^2 2.5.4單管程管長：

15、 Li=S0/(3.14*do*ni)=16.83m 2.5.5管程數(shù)： Np=Li/L=16.83/6=2.84 初選管程為Np=3 2.5.6總管數(shù)： n=Np*ni=3*37=111根 2.5.7管心距： t=1.25*d0=1.25*25=32mm 2.5.8橫過管束中心線的管數(shù)： nc=1.19*n^1/2=13根 2.5.9計算殼徑： D=1.05*t*（111/0.7）^1/2=423mm 取整：450mm

16、2.5.10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*u)]^1/2=[4*134000000/300/24/3600/836.6/3.14]^1/2=0.0887m

17、 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=100mm 2.5.12將這些管子進(jìn)行排列有圖如下： 2.5.13初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸為： 殼 徑 D 450㎜ 管 子 尺 寸 Φ252.5mm 管 程 數(shù)Np 3 管 長L 6.0 m 管子總數(shù) n 111 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=3.14n

18、dL=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*△tm)= 285.2506706 W/(m2℃) 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) Ui=Vi/Ai=4*0.01137/(ni*3.14*di^2) =4*0.01137/(37*3.14/4*0.02^2)=0.979m/s 與假設(shè)相一致 合適 Rei=di*ui*995.7/(

19、0.807*10^-3)= 24359.7142 湍流 Pri=C水*(0.852*10^-3)/0.613=5.406735751 圖 殼程摩擦系數(shù)f與Re的關(guān)系 所以 αi =0.023*(/di)*（Re）0.8*Pri0.3 =0.023*0.613/0.02*(24359.7142)^0.8*(5.8)^0.4 =4507.304891(W/(㎡℃) 3.1.2計算殼程對流傳熱系數(shù) 換熱器中心附近管排中流體流通截面積為：

20、 Ao=hD(1-d0/t)=0.15*0.45*(1-0.025/0.032)= 0.014765625m2 式中 折流擋板間距，取150mm； 管中心距，對，。 因為 Wh= 18611.11111(kg/h) =18611.11111/(3600*836.6)= 所以 u0=Vs/A0=18611.11111/(3600*836.6)/0.014765625 =0.418504475 m/s 由正三角形排列得： de=4(/2 *t2—3.14/4 *d02)/(

21、3.14 d0) =4*(/2 *0.0322—3.14/4 *0.0252)/(3.14*0.025)= 0.027151936m =0.027151936*0.418504475*836.6/(0.381*0.001)= 25016.99652 因為 Re0在～范圍內(nèi)且殼程中苯被冷卻，取 (μ/μw)= 0.915； 所以 α。= 799.570385 W/(㎡℃) 3.1.3確定污垢熱

22、阻 管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為： Rsi= 0.0002 W/(㎡℃) Rso= 0.00017 W/(㎡℃) 3.1.4總傳熱系數(shù)K2 忽略管壁熱阻、總傳熱系數(shù)K2為： K2 = 513.3472272W/(㎡℃) 由前面計算可知，選用該型號換熱器時，要求過程的總傳熱系數(shù)為285.2506706 W/(㎡℃)，在傳熱任務(wù)所規(guī)定的流動條件下，計算出的為513.3472272W/(㎡℃)，其安全系數(shù)為： η=（513.3472272

23、—285.2506706）/285.2506706*100%=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/(㎡℃) K2=513.3472272 (W/(㎡℃) η’=(513.3472272-427.876006)/ 427.876006*100% =19.97569858% 符合條件 Np=1： K1=855.7520119(W/(㎡℃) K

24、2=513.3472272(W/(㎡℃) η”=(513.3472272-855.7520119)/ 855.7520119*100% =-40.01215071% 不符合條件 3.1.5.1總管數(shù)： n=Np*ni=2*37=74根 3.1.5.2管心距： t=1.25*d0=1.25*25=32mm 3.1.5.3橫過管束中心線的管數(shù)： nc=1.19*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：4

25、50mm 3.1.5.5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*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 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

26、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=100mm 3.1.5.7將這些管子進(jìn)行排列有圖如2.5.12 3.1.5.8初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸為： 殼 徑 D 450㎜ 管 子 尺 寸 Φ252.5mm 管 程 數(shù)Np 2 管 長L 6.0 m 管子總數(shù) n 74 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.

27、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*△tm)= 427.876006 (W/(㎡℃) 3.2計算管程壓強(qiáng)降 前面已算出： ui= 0.978596533 Rei=24359.7142 （湍流） 取不銹鋼管壁粗糙度 則相對粗糙度 ε／di= 0.005 摩擦系數(shù) λ=0.034 所以： 計算得： △P1=48

28、63.019702 Pa △P2=1430.299912 Pa 對于Φ252.5mm的管子 Ft= 1.4，Ns=1，Np=2 ∑△Ｐi= 17621.29492 Pa<50000Pa 滿足要求 3.3計算殼程壓強(qiáng)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>500 ∑△Ｐ。=(△P1′＋△P2′)*Fs*Ns 取Fs= 1.15 Ns= 1

29、 其中： 管子為正三角形排列， ?。? F=0.5 Nc=10.23676707根 取11根 NB=39 =0.59097359 所以 △P1′= 2280.367627 △P2′= 2082.601873 ∑△P。= 5017.414926 Pa<50000Pa 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。

30、 4設(shè)計結(jié)果一覽表 項 目 管程（循環(huán)水） 殼程（苯） 流量，㎏/s 9.21 4.21 溫度，℃（進(jìn)/出） 32.5/40.5 80/40 物 性 定性溫度，℃ 36.5 60 密度，㎏/m3 994.0 836.6 比熱，kJ/㎏℃ 4.174 1.828 粘度，Pas 0.72010-3 0.31810-3 導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/m℃ 0.628 0.151 普蘭特數(shù) 5.29 5.27 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 殼體外徑， 500 臺數(shù) 1 管徑， Ф25*2.5 殼程數(shù) 1 管長，m 6

31、 管心距，㎜ 32 管數(shù) 150 管子排列 正方形斜轉(zhuǎn)45 傳熱面積，㎡ 69.47 折流板數(shù) 39 管程數(shù) 5 折流板距，m 0.15 材質(zhì) 不銹鋼 主要計算結(jié)果 殼程 管程 流速，m/s 0.3064 0.983 污垢熱阻,(㎡℃)/W 1.7*10^-4 2.010^-4 傳熱系數(shù)，W/（㎡℃） 799.570385 4507.304891 5經(jīng)驗公式 5.1管程對流傳熱系數(shù)——迪特斯和貝爾特關(guān)聯(lián)式： 5.2殼程對流傳熱系數(shù)，可用關(guān)聯(lián)式計算： 5.3管

32、程壓強(qiáng)降、： 5.4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，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(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

33、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17621.29492 Pa，殼程約為5017.414926Pa，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當(dāng)重要的。 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。然而在本次設(shè)計中由于經(jīng)驗不足，知識有限，還是存在著很多問題。比如在設(shè)計中未考慮對成本進(jìn)行核算，僅在滿足操作要求下進(jìn)行設(shè)計，在經(jīng)濟(jì)上是否合理還有待分析。在設(shè)計的過程中我發(fā)現(xiàn)板式換熱器采用同一板片組成不同幾何尺寸和形狀的流道（非對稱流道）解決了兩側(cè)水流量不等的問題，同時與對稱結(jié)構(gòu)相比具有相同的耐壓性和使用壽命?？傊?，通過本次設(shè)計，我發(fā)現(xiàn)自己需要繼學(xué)習(xí)的知識還很多，我將會認(rèn)真請教老師，不斷提高自己的知識水平，擴(kuò)展自己的知識面。