化工原理课程设计--管壳式换热器.docx

设计一台换热器书目化工原理课程设计任务书设计概述,;.;.试算并初选换热器规格.;1.流体流淌途径的确定.i.；2 .物性参数及其选型,.；3 .计算热负荷及冷却水流量.4 .计算两流体的平均温度差5 .初选换热器的规格；工艺计算.1 .核算总传热系数.；.；.；.2 .核算压强降阅历公式.设备及工艺流程图.；.；设计结果一览表.；.设计评述.“参考文献化工原理课程设计任务书一、设计题目I设计一台换热器二、操作条件I1、笨：入口温度80C,出口温度40T.2、冷却介质：循环水，入口温度35七。3、允许压强降：不大于50kPa4、每年按300天计，每天24小时连续运行。三、设备型式：管壳式换热器四、处理实力：99000吨/年苯五、设计要求：1、选定管壳式换热器的种类和工艺流程。2、管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸的设计.3、设计结果概要或设计结果一览表。4、设备简图.要求按比例画出主要结构及尺寸）5、对本设计的评述及有关问题的探讨。1 .设计概述1.1 热*传递的概念与意义1 .热收传递的概念热地传递是指由于海度差引起的能俄转移，简称传热.由热力学其次定律可知,在自然界中凡是有温差存在时,热就必定从高温处传递到低温处,因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象，2 .化学工业与热传递的关系化学工业与传热的关系亲密。这是因为化工生产中的很多过程和单元操作，多须要进行加热和冷却，例如：化学反应通常要在肯定的没度进行,为了达到并保持泞定温度，就须要向反应器输入或怆出热讣：又如在蒸发、蒸馈、干块等唯元操作中.林要向这些设备怆入或怆出热量.此外，化工设i的保温，生产过程中热能的合理利用以及废热的回收利用等都涉及到传热的问鹿,田此可见：传热过程普遍的存在于化工生产中.且具有极其重要的作用.总之,无论是在能源.宇航，化工,动力,冶金，机械,建筑等工业部门,还是在农业,环境等部门中都涉及到很多有关传热的问勒.应予指出，热力学和传热学既白区分又有联系.热力学不探讨引起传热的机理和传热的快微，它仅探讨物质的平衡状态，确定系统由个平衡状态变成丹一个平衡状态所瘠的总能业；而传热学探讨能量的传递速率,因此可以认为传热学士热力学的扩展.3 .传热的范本方式依据我热介质的不同，热传递有三种基本方式：（I）热传导（又称冷热）物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热愤传递称为热传导，热传导的条件是系统两部分之间存在海度差.（2）热对流（简称对流）流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流.热对流仅发生在流体中，产生缘由有二，一是因流体中各处温度不同而引起密度的差别，使流体质点产生相对位移的自然对流：二是因泉或粕拌等外力所致的防点强制运动的强制对流.此外,流体流过同体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程.即是热由流体传到固体表面（或反之）的过程，通常称为对流传热,（3）热羯射因热的缘田而产生的电梭波在空间的传递称为热辐射.热辐射的特点是：不仅有能收的传递，而且还有能衣的转移.1.2 换焦卷的概念及戢义在化，生产中为了实现物料之间能Iii传递过程须要一种传热设备,这种设备统称为换热器.在化工生产中，为了工艺流程的须要，往往进行希各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝.换热得就是用来进行这些热传递过程的设备.通过这种设符,以便使热量从温度较高的流体传递到温度较低的流体，以满意工艺上的须要，它是化工炼油，动力，原子能和其他很多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备,对于快速发展的化工炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。换热器在化工生产中,有时作为一个单独的化工设备,有时作为某一工艺谀备的组成部分，因此换热器在化工生产中应用是非'荒广泛的。任何化工生产中，无论是国内还是国外，它在生产中都占有主导地位.【表】换热器设计要求序号特殊要求1对步故工况的校核2对管箱隔板强度的校核3各部件用耳安装位置的校核1浮头式和I形管束固定管板外径延长，使管桢兼作试压法兰时的强度校核5管板的刚度校核6风载荷和地震载荷的校核7进山口接管承受管线致荷的校核8在装换热器中，成下JE台换热器的校核9鞍式支座的校核10外表油漆干根厚度的检测11时头热压成形时，终压温度的检测12光体直.线度的检测13氮工况的判别及材料要求3、管壳式换焦器的简介管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热器.它包括:固定管板式换热器、U型管克式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。管光式换热器由管箱、光体、管束等主要元件构成.管束是管光式换热器的核心.其中换热管作为导热元件.确定换热器的热力性前.另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折液板（或折流杆）.管箱和壳体主要确定管光式换热器的承压实力及操作运行的平安车律性。1）工作原理：管壳式换热器和螺旋板式换热罂、板式换热器一样弼于间械式换热器，其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外何成的流体通道称为光程。管理和光程分别通过两不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热愤传递给ifi度较低的流体，温度较制的流体被冷却，ifi度较低的液体被加热,进而实现两流体换热工2目的.折流挡板;2-管束;3-壳体;4-打头;5-接管；6-管板图4-36固定管板式换热器2）主要技术特性：一般管壳式换热器与其它类型的换热耦比较有以卜主要技术特性:1 .耐高淑高压,坚实牢黛耐用：2、制造应用历史悠久，制造工艺及悚作维检技术成熟：3、选材广泛，适用范圉大。二试算并初选换热器规格1 .流体流淌途径的确定本换热处理的是两流体均不发生相变的传热过程,且均不易结垢.依据两流体的状况,故选择笨走换热器的管程循环水走光程.2 .确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管换热器的型式冷却介质为循环水,取入11温度为：25IC.出口淑度为：（25+510）C笨的定性温度:水的定性温度:两流体的温差：Tiv+h=6O-27.5=32.5C由于两流体海差不大于50.故选用固定管板式列管换热涔.&"匕学工程手册化工基础数据化学工业出版社P265图421表4-33可有:t=0.381CP-0.38ImPasff=0.825Cp=0.825(nPasP238图4-15表4-16可有:0,.=0=1.828KJ(kgC)Cp,ii=A.176KJ<kg'C)P274图4-28(2)液体导热系数可有：s=0.151W(m,C)=0.6137(m,C)322000×3600=15.4kg/h杳打匕工手册3上卷山东科学技术出版社两流体在定性温度下的物性数据如下：物性流体、X密度kgm5比热KJ/(kg,C)粘度mPaS导热系W(m'C)笨836.61.8280.3810.151水996.354.1760.8520.6133.计算热负荷和冷却水流量Q(2-4.1.76×IO-(3O-25)Q=WACm(Z-T2)=X1.828XIO,(80-40)/3600=3.22XIO5W4 .计算两流体的平均温度差笆按单壳程、多管程诳行计以，逆流时平均温度差为:w,M-(80T)_(4O25)(80130).A，、In-In(40-25)=29.07C0.091-f,=3<)-25Ti-Ti8()-25X=3=8t2-t.30-25由化工原理上册鸟j2页/图4-19可得：a,=0.82所以v=rm=0.96x29.07=27.9'C又因为0.96>O.8.故可选用单光程的列管换热器，5 .试算和初选换热叁的规格依据低温流体为水，高温流体为有机物(参见/匕工原理P355)有K值的范国：口。850f(Wi2-oC),假设K=4(X)W/(m2C)又因为茶走管程且初选192j""j,1.=(5"的歹IJ管，所以设a,=0.9m/5由V=u1.-drn1.可求得:4单管程的管子根数；n1.115369x4300×24×3600×O.OI52×3.14×0.9=28根S1.q更m=28.85/°KM4×27.91.'=3.I4×,×39=3482管程数：N,=)=61.6所以=A1X叫=4x28=108根将这些管子进行排列有图如K：据此初选因定管板式换热器规格尺寸为:克径D600fm管子尺寸19×211m管程数Np1管氏1.4.5n管子总数11108管子排列方法正三角形实际传热面积S=n11J1.=108×3.14×0.()15×4.5=22.892并采纳此传热面枳的换热器，则要求过程的总传热系数为：3.221.O'22.89x32.5=433W/(/C)三工艺计算1.核算总传跳系数I）计算管程对流传热系数区4n11,2=4x7×j=1()8X11X0.0152、4×4-=0.(XM77m-V,114(XXXXX)At0.(XM11X300X24X3600XVJ6.325=。如硒。假设相一样合道）.6225x1.4(j)0.852XIO'Re0.05X0.925X996.325_CPM4.176×IO,×().852×IO-,F=5.8图光程摩擦系数f0与Re。的关系所以,=O.O234ReoPr,Q'(苯被加热)=O.O23XX(1.6225×104)os×(5.8)04=4432WC)2)计算光程对流传热系数a”换热潴中心旁边管持中流体淹通政面积为：A=力/彳1一)=0.15X0.4X(1)=0.0244/式中万一一折流挡板间距.取3(X)，m：t一一管中心即，对252.5""",t=32/tun.因为Wc=TSAkgIh所以V ,114000000.=0.22m/s°A,3600×300×24×863.6×0.0244由正三角形排列加：4x(22x0.0322-×O.OI92)3.I4×O.OI9=0.05/?dfunp0.()5x0.22x836.6Re0=：=241540.381X10因为R在2x】0'7x1.(y范圉内，故可用下式计%a”QQ=O浇今&严俯JaX=竽J828x%nxK)；6壳程中水被加热，取a=.05,所以a0=0.36XX(241S1)ass(4.6)1.05=484W(w2-C)0.053)确定污垢热阻管内、外AM污垢热阻分别取为：R,=O.(XX)2m2，CW(有机液体)，Rw=O.(XX)17>nz,C/W(井水)4)总传热系数K(I因为笨为有机物，管子材料选用不锈钢，取其存热系数为4=16.5W(m1>C),总传热系数Kn为:484=36(MV(m21.C)154432x15Kn=IHz/>=(>÷vX其中F1=1.15,NS=1.M=WNa+1)等管子为正三角形排列，取F=04/Jr=1.19n=1.1×108=12取折流挡板间距h=O.5m折流挡板数：NE=一1=9-1=29h().15壳程流通面枳Ai1.=(D-n,d1.,)=0.15(0.4-12×0.019)=0.025m2VI IIXXXXX),，111.1.=02/sAi1.3600×300X24X836.6x0,025=缈9X02X喀6=可>5000.381×IO3fti=5.OReu38=5.0×8344o-x=0.64所以A斤=0.4x0.64X12×(29+1.)x836,60'2=7710PaM=4.5制=29x,*=I334P”ZM=(7710+1.334)X1.15×1=由上面计算可知，该换热器管程与克程的压强均满意遨目要求,故所选换热器合适，四,设计结果一览表项目光程（循环水）管程（*）流量，kg/s15.49.25温度，'C（进/出）25/3080/40物性定性温度，c27.560密度，kgm1996.325836.6比热，kJkgC4.1761.828粘度,Pa-S0.825×10s0.318×10,导热系数,kjrar0.6130.151普兰特数5.295.27结构参数壳体外径，mm600台数I管径，mm19×2壳程数I管长，m4.5管心距，三32管数108管子排列正三角形排列传热而积，m,108.4折流板数29管程数4折流板距，m0.3材顺不锈钢主要计算结果S管程流速，m/s0.9250.22污垢热阻JnvC）W2.0×IO"1.7×IoT传热系数，W/（m,C）104014432五.阅历公式1 .管程对流传热系数勺，可用迪特斯和贝尔特关联式:a,=0.023Rc,>RPr/3d.2 .光程对流传热系数0,可用关联式计獴:o=0.36×y-（Re1.1.）°j5（Pr1.1.）,3,管程压强降可用：ZM=（M+A鸟）RN,1 .光程压覆降可用以索法：ZM,=（m+a6）EN,六.设备及工艺流程图七.设计评述通过本次课程设计，我对换热器的结构、性能都有r肯定的j'解，同时，在设计过程中，我也驾驭了肯定的工艺冲卯方法。换热器是化工厂中重要的化工设备之一，而且种类繁多，特点不一，因此，选择合适的换热器是相当重要的。在本次设计中，我发觉进行换热器的选择和设计是要通过反女计算，对各项结果进行比较后，从中确定出比较合适的或最优的设计，为此，设计时应考虑很多方面的因素。首先要满意传热的要求，本次设计时，由于初选总传热系数不合适，使规定条件卜.的计算结果与初设值的比值不在要求范围内,因此，经过多次计豌，才选择到合适的K值为443W"C,计算结果为360Ww=C平安系数为16.8%满意要求.其次，在满意工艺条件的前提卜选择合适的换热器类型，通过分析操作要求及计算,本次设计选用换热器为上述计算结果。再次，从压强降来看，管程约为104OIPa.壳程约为4432Pa,都低于耍求值（5OkPa）.因此，可适当加大流速，从而加大对流传热系数，削减污垢在管子表面上沉积的可能性,即降低污垢热阻，然而，流速增加，流淌阻力也会随之增大，动力消耗就增多，因此，作出经济衡算在确定流速时是相当重要的。此外，其他因素（如加热和冷却介脑用量，换热罂的检修和操作等），在设计时也是不行忽视的。依据操作要求.在检修和操作方面，固定管板式换热器由于两端管板和壳体连接成一体，因此不便于清洗和检修。本次设计中，在满意传热要求的前提下，考虑其他各项问题，但它们之间是相互冲突的。如：若设计换热器的总传热系数较大，将导致流体通过换热器的压强降（限力）增大，相应地增加了动力费用：若增加换热器的表面枳，可能使总传热系数或压强降减小，但却乂受到换热器所能允许的尺寸限制，且换热落的造价也提高了。因此，只能综合考虑来选择相对合适的换热器.然而在本次设计中由于阅历不足,学问有限.还是存在着很多何题,比如在设计中未考虑对成本进行核算，仅在满意操作要求下进行设计，在经济上是否合理还有待分析.在设计的过程中我发觉板式换热涔采纳I可一板片殂成不同几何尺寸和形态的流道（非对称流道）解决了两则水流疑不等的问鹿，同时与对称结构相比具有相同的耐压性和运用好命.总之，通过本次设汁，我发觉自己须要第学习的学问还很多，我招会仔细请教老师.不断提荒百己的学何水平.扩展自己的学问向.八.参考文献1：柴i敬嫔著.化工原理课程设计.天津：关津科学技术出版社，2006.03.012 清、陈常贵主编.化工胤理上册.天津：天津高校出版社，2005.011IQIQ+1.7×10-4+2.0×1.0-4×-+由前而计算可知,选用该型号换热器时,要求过程的总传热系数为443W(a'C).在传热任务所规定的流涌条件卜，计尊出的K0为526W(“/'C),其平安系数为:443*360xI00=20.2360故所选择的换热渊是合适的.核算压强降i)计以管程压强降ZM=(M+A)EN,前面已算出：M1=0.925w,Re,=1.6225x10'湍流f0I取不锈钢管歌粗松度=0.1wwKH-1.=0.0067,由£化I原理上册第依P54ai15的义-Re关系图中查得：=0.0338ni1.1.1.p1.2八,vji4.5996.325x(0.925)2所以AR=41.-1.-=0.033×Xi-=4322P"d,2().0152,P996325X(0.925)2.1.c_tPi=3,7=3XK-=5115Pa对于1.9X2mm的管子4.Ns=IZM=(4322+51.I5)×1.4×4I=52847Pa2>计翼光程压程降