化工原理課程設(shè)計(jì)--列管式換熱器

化工原理課程設(shè)計(jì) -換熱器的設(shè)計(jì) 學(xué)院： 班級(jí)： 化工 班 姓名： 學(xué)號(hào)： 成績(jī)： - 1 - 換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) . - 2 - 工藝計(jì)算 . - 3 - 方案一 . - 3 - 方案二 . - 7 - 計(jì)算結(jié)果匯總 . - 13 - 分析與討論 . - 14 - 符號(hào)表 . - 16 - 換熱器工藝流程圖 . - 18 - - 2 - 換熱器設(shè)計(jì)任 務(wù)書(shū) 一、設(shè)計(jì)任務(wù)：選一臺(tái)適當(dāng)型號(hào)的列管式換熱器，完成 冷卻水冷卻己烷 任務(wù) 二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件： 冷卻水 己烷 處理量 t/d 1450 密度 kg/m3 994 625 比熱 kJ/kg. 4.174 2.428 導(dǎo)熱系數(shù) W/m. 0.625 0.1047 粘度 mPa.s 0.74 0.23 換熱器入口溫度 30 68 換熱器出口溫度 38 44 污垢熱阻 m2. / W 1.76 10-4 1.76 10-4 允許壓強(qiáng)降 kPa 30 30 三、 要求： 通過(guò)多種方案計(jì)算，并分析比較（至少兩種），確定 （ 1）管程流體和殼程流體分別是那種流體 （ 2）換熱器的適宜型號(hào)，臺(tái)數(shù)，組合方式（串聯(lián)或并聯(lián)） （ 3）比較不同方案的優(yōu)劣 - 3 - 工藝計(jì)算 本題為兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過(guò)程，因水的對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大，且易結(jié)垢，故選擇冷卻水走換熱器的管程， 己烷 走殼程。 方案一 （ 1） 計(jì)算和初選換熱器 的規(guī)格 1 計(jì)算熱負(fù)荷和 己烷 流量 126 0 4 1 6 . 6 7 2 4 2 8 ( 6 8 4 4 )( ) 9 7 7 9 4 4 . 4 53600h p hQ W C T T W 3219 7 7 9 4 4 . 4 5 3 6 0 0 1 0 5 1 0 5 . 0 9 /4 . 1 8 7 1 0 ( 3 8 3 0 )C PCQW k g hC t t 2 計(jì)算兩流體的平均溫度差。 暫按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算。逆流時(shí)平均溫度差為 1212( 6 8 3 0 ) ( 4 4 3 0 )2 0 . 9 9 76 8 3 0lnln4 4 3 0mttttt 2 1 1 21 1 2 13 8 3 0 6 8 4 40 . 2 1 36 8 3 0 3 8 3 0t t T TPRT t t t ， ，由圖 4-19 查得：t 0 .9 4 所以 ： 0 . 9 2 5 2 0 . 9 9 7 1 9 . 4 2tm t 3 初選換熱器規(guī)格 根據(jù) 流體的情況， 假設(shè) 24 7 0 /K W m 故 2m1 0 7 . 2 5 mtQSK由于 2 2 5 0mmTt ，- 4 - 無(wú)須考慮熱補(bǔ)償。據(jù)此 可由換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)選定 管殼式 換熱器 。 有關(guān)參數(shù)如下表 : 殼徑 /mm 600 管子尺寸 /mm 25 2.5 公稱壓強(qiáng) /MPa 2.50 管長(zhǎng) /m 6 公稱面積 / 2m 108 管子總數(shù) 232 管程數(shù) 2 管子排列方式 正方形斜 45 實(shí)際傳熱面積 ： 21 0 7 . 5oS n d L m 若選擇該型號(hào)換熱器，則要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為： 029 7 7 9 4 4 . 4 5 4 6 8 . 4 4 /1 0 7 . 5 1 9 . 4 2moQK W mSt （ 2） 核算壓強(qiáng)降 1 管程壓強(qiáng)降 ： 12i t p sP P P F N N 其中tF=1.5 PN=4 管程流通面積 ： 2 2 23 . 1 4 2 3 20 . 0 2 0 . 0 3 6 44 4 2ii pNnA d m 1 0 5 1 0 5 . 0 9 0 . 8 1 /3 6 0 0 9 9 4 0 . 0 3 6 4siiVu m sA 39 9 4 0 . 0 2 0 . 8 1R e 2 1 7 6 0 . 5 40 . 7 4 1 0iii du 湍 流 設(shè)管壁粗糙度 =0.1mm, 3i0 . 1 5 1 0d 2 0 ,查 -Re關(guān)系圖得： =0.034，所以 - 5 - 221iu 6 9 9 4 0 . 8 10 . 0 3 4 3 3 2 6 . 0 3 ad 2 0 . 0 2 2LPP 222u 9 9 43 3 0 . 8 1 9 7 8 . 2 5 p a22P 則 i 3 3 2 6 . 0 3 9 7 8 . 2 5 2 1 . 4 1 2 0 5 1 . 9 8 a 3 0 k aP P P 2 殼程壓強(qiáng)降 0 12 ssp p p F N 其中 Fs=1.15， Ns=1，管子為正方形斜轉(zhuǎn) 45排列， F=0.4。 n 1 . 1 9 n 1 . 1 9 2 3 2 1 8 h 0 . 3 mc ， 取 折 流 擋 板 間 距 ， 261 1 1 9 h 0 . 3 0 . 6 1 8 0 . 0 2 5 0 . 0 4 5h 0 . 3B c oLN A D n d m ，6 0 4 1 6 . 6 7 0 . 6 0 /3 6 0 0 6 2 5 0 . 0 4 5ou m s000 36 2 5 0 . 6 0 0 . 0 2 5R e 4 0 7 6 0 5 0 00 . 2 3 1 0du 00 0 . 2 2 85 . 0 R e 0 . 4 4f 0 221 6 2 5 0 . 6 1 0 . 4 0 . 4 4 1 8 1 9 6 7 7 1 . 6 0Bc up F f N n P a 222 3 . 5 1 9 - = 5 3 4 3 . 7 522oBuhp N P aD 22 0 . 3 6 2 5 0 . 6（ 3.5 ）0.6 01 . 1 5 , 1 ,6 7 7 1 . 6 0 5 3 4 3 . 7 5 1 . 1 5 1 3 9 3 2 . 6 2 3 0 k assFNp P a P - 6 - 計(jì)算表明，管程和殼程壓強(qiáng)降都能滿足題設(shè)的要求。 （ 3） 核算總傳熱系數(shù) 1 管程對(duì)流傳熱系數(shù) eR 2 1 7 6 0 . 2 6i 湍 流33pri4 . 1 8 7 1 0 0 . 7 4 1 0 4 . 9 60 . 6 2 5CP 0 . 8 0 . 4 20 . 6 2 50 . 0 2 3 2 1 7 6 0 . 7 6 4 . 9 6 4 0 2 6 . 3 3 /0 . 0 2i Wm 2 殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 1 0 . 1 40 . 5 5 30 0 . 3 6peowCdude 取換熱器列管之中心距 t=32mm。則流體通過(guò)管間最大截面積為 2od 0 . 0 2 5h D 1 0 . 3 0 . 6 1 0 . 0 3 6 4 mt 0 . 0 3 2A so6 0 4 1 6 . 6 7u 0 . 7 4 m / s0 . 0 3 6 4 3 6 0 0 6 2 5VA 2222eo3 . 1 444 t d 4 0 . 0 3 2 0 . 0 2 54d 0 . 0 2 7 md 3 . 1 4 0 . 0 2 5o （ ）eoeo -3du 6 2 5 0 . 0 2 7 0 . 7 4R 5 4 2 9 3 . 4 8 5 0 00 . 2 3 1 0 - 7 - 33pr 2 . 4 2 8 1 0 0 . 2 3 1 0 5 . 3 30 . 1 0 4 7oCP 殼層中己烷被冷卻，取 0 . 1 4w0 . 9 5 ，所以 130 . 5 5o0 . 1 0 4 70 . 3 6 5 4 2 9 3 . 4 8 5 . 3 3 0 . 9 5 9 2 5 . 8 50 . 0 2 7 3 污垢熱阻 參考任務(wù)書(shū)，管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為 421 . 7 6 1 0 / ,siR m W 4 2so 1 . 7 6 1 0 m /RW 4 總傳熱系數(shù) 管壁熱阻可忽略時(shí)，總傳熱系數(shù)為 01k1oos i s oi i i oddRRdd 20441 5 5 9 . 9 1 /2 5 2 5 11 . 7 6 1 0 1 . 7 6 1 02 0 4 0 2 6 . 3 3 2 0 9 2 5 . 8 5k W m 5 5 9 . 9 1 4 6 8 . 4 4 1 9 . 5 3 %4 6 8 . 4 4安 全 系 數(shù) 方案二 （一）計(jì)算和初選換熱器的規(guī)格 1 計(jì)算熱負(fù)荷和有機(jī)液流量 - 8 - 126 0 4 1 6 . 6 7 2 4 2 8 ( 6 8 4 4 )( ) 9 7 7 9 4 4 . 4 53600h p hQ W C T T W 3219 7 7 9 4 4 . 4 5 3 6 0 0 1 0 5 1 0 5 . 0 9 /4 . 1 8 7 1 0 ( 3 8 3 0 )C PCQW k g hC t t 2 計(jì)算兩流體的平均溫度差。 暫按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算。逆流時(shí)平均溫度差為 2121( 6 8 3 0 ) ( 4 4 3 0 )2 0 . 9 9 76 8 3 0lnln4 4 3 0mttttt 2 1 1 21 1 2 13 8 3 0 6 8 4 40 . 2 1 36 8 3 0 3 8 3 0t t T TPRT t t t ， ，由圖 4-19 查得：t 0 .9 4 所以： 0 . 9 2 5 2 0 . 9 9 7 1 9 . 4 2tmt 3 初選換熱器規(guī)格 根據(jù) 流體的情況， 假設(shè) 24 5 0 /K W m 故 2m1 1 2 . 0 2 mtQSK由于 2 2 5 0mmTt ，無(wú)須考慮熱補(bǔ)償。據(jù)此可由換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)選 定 型 浮頭式 型換熱器。 有關(guān)參數(shù)如下表 : 殼徑 /mm 600 管子尺寸 /mm 19 2 公稱壓強(qiáng) /MPa 2.50 管長(zhǎng) /m 6 公稱面積 / 2m 114 管子總數(shù) 324 管程數(shù) 2 管子排列方式 正方形斜 45 - 9 - 實(shí)際傳熱面積： 21 1 3 . 9oS n d L m 若選擇該型號(hào)換熱器，則要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為： 209 7 7 9 4 4 . 4 5 4 4 2 . 1 2 /1 1 3 . 9 1 9 . 4 2omQK W mSt （二） 核算壓強(qiáng)降 1管程壓強(qiáng)降： 1 2i t p sP P P F N N 其中tF=1.5 PN=4 管程流通面積： 2 2 23 . 1 4 3 2 40 . 0 1 5 0 . 0 2 8 64 4 2iinA d mn p 1 0 5 1 0 5 . 0 9 1 . 0 3 /3 6 0 0 9 9 4 0 . 0 2 8 6i isVu m sA 39 9 4 0 . 0 1 5 1 . 0 3R e 1 6 6 0 2 . 4 90 . 7 4 1 0iii du 湍 流 設(shè)管壁粗糙度 =0.1mm, i0 . 1 0 . 0 6 7d 1 5 ,查 -Re關(guān)系圖得： =0.036，所以 122iu 9 9 4 1 . 0 30 . 0 3 6 7 5 9 . 2 6 ad 2 0 . 0 1 5 26LPP 222u 9 9 43 3 1 . 0 3 1 5 8 1 . 8 0 p a22P 則 i 7 5 9 . 2 6 1 5 8 1 . 8 0 2 1 . 5 7 0 3 2 . 1 8 a 3 0 k aP P P 2 殼程壓強(qiáng)降 - 10 - 0 1 2 ssp p p F N 其中 Fs=1.15， Ns=1，管子為正方形斜轉(zhuǎn) 45排列， F=0.4。 cn 1 . 1 9 n 1 . 1 9 2 1 h 0 . 3 m324 ， 取 折 流 擋 板 間 距 ， 21 1 1 9 h 0 . 3 0 . 6 2 1 0 . 0 1 9 0 . 0 6h 0 . 36B coLN A D n d m ，6 0 4 1 6 . 6 7 0 . 4 5 /3 6 0 0 6 2 5 0 . 0 6ou m s0006 2 5 0 . 4 5 0 . 0 1 9R e 2 3 2 3 3 5 0 030 . 2 3 1 0du 00 0 . 2 2 85 . 0 R e 0 . 5 1f 01 22 6 2 5 0 . 4 5 1 0 . 4 0 . 5 1 2 1 2 0 5 4 2 1 . 9 4cB up F f N n P a 222 3 . 5 1 9 - = 3 0 0 5 . 8 622oBuhp N P aD 22 0 . 3 6 2 5 0 . 4 5（ 3.5 ）0.6 01 . 1 5 , 1 ,5 4 2 1 . 9 4 3 0 0 5 . 8 6 1 . 1 5 9 6 9 1 . 9 7 3 0 k assFNp P a P 計(jì)算表明，管程和殼程壓強(qiáng)降都能滿足題設(shè)的要求。 （三） 核算總傳熱系數(shù) 1 管程對(duì)流傳熱系數(shù) R e 1 6 6 0 2 . 4 9i 湍 流 - 11 - 33pri4 . 1 8 7 1 0 0 . 7 4 1 0 4 . 9 60 . 6 2 5CP 0 . 8 0 . 4 20 . 6 2 50 . 0 2 3 1 6 6 0 2 . 4 9 4 . 9 6 4 3 1 6 . 6 4 /0 . 0 1 5i Wm 2 殼程 對(duì)流傳熱系數(shù) 01 0 . 1 40 . 5 5 30 . 3 6 peoewCdud 取換熱器列管之中心距 t=32mm。則流體通過(guò)管間最大截面積為 2od 0 . 0 1 9h D 1 0 . 3 0 . 6 1 0 . 0 7 3 mt 0 . 0 3 2A os 6 0 4 1 6 . 6 7u 0 . 3 7 m / s0 . 0 7 3 3 6 0 0 6 2 5VA oe2222o3 . 1 444 t d 4 0 . 0 2 5 0 . 0 1 94d 0 . 0 2 3 md 3 . 1 4 0 . 0 1 9 （ ）eoo -3du 6 2 5 0 . 0 2 3 0 . 3 7R e 2 3 1 2 5 5 0 00 . 2 3 1 0 33p 2 . 4 2 8 1 0 0 . 2 3 1 0r 5 . 3 30 . 1 0 4 7oCP 殼層中己烷被冷卻，取 0 . 1 4w0 . 9 5 ，所以 - 12 - 130 . 5 5o0 . 1 0 4 70 . 3 6 2 3 1 2 5 5 . 3 3 0 . 9 5 8 2 6 . 9 20 . 0 1 9 3 污垢熱阻 參考任務(wù)書(shū)，管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為 421 . 7 6 1 0 / ,siR m W 42so 1 . 7 6 1 0 m /RW 4 總傳熱系數(shù) 管壁熱阻可忽略時(shí)，總傳熱系數(shù)為 01k1oos i s oi i i oddRRdd 20441 5 2 6 . 0 4 /1 9 1 9 11 . 7 6 1 0 1 . 7 6 1 01 5 4 3 1 6 . 6 4 1 5 8 2 6 . 9 2k W m 5 2 6 . 0 4 4 4 2 . 1 2 1 8 . 9 8 %4 4 2 . 1 2安 全 系 數(shù) - 13 - 計(jì)算結(jié)果匯總 方案一 方案二 換熱器型號(hào) G600 -2.5-107.5 F600 -2.5-113.9 換熱器臺(tái)數(shù) 1 1 殼徑 /mm 600 600 公稱壓力 /MPa 2.50 2.50 公稱面積 / 2m 107.5 113.9 管程數(shù) 2 2 管長(zhǎng) /m 6 6 管子尺寸 /mm 25 2.5 19 2.0 中心排管數(shù) 18 21 管子總數(shù) 232 324 管子排列方法 正方形斜轉(zhuǎn) 45 正方形斜轉(zhuǎn) 45 折流擋板間距 /m 0.3 0.3 己烷處理量 /kg/h 60416.67 60416.67 冷卻水處理量 /kg/h 105105.09 105105.09 熱負(fù)荷 /W 977944.45 977944.45 平均溫差 /C 19.42 19.42 管程壓力降 /Pa 12051.98 7032.18 殼程壓力降 /Pa 13932.62 9691.97 管程對(duì)流傳熱系數(shù) / 2W/ m C o 4026.33 4316.64 殼程對(duì)流傳熱系數(shù) / 2W/ m C o 925.85 826.64 總傳熱系數(shù) / 2W/ m C o 559.9 526.04 安全系數(shù) 19.53 18.98 - 14 - 分析與討論 第一種方案所選換熱器為管殼式換熱器，第二種方案選擇為浮頭式換熱器 ，兩種方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)如下： 管殼式換熱器優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊 （ 2） 能承受較高壓力 （ 3） 造價(jià)低 （ 4） 管層清洗方便，便于維修 缺點(diǎn)： （ 1） 殼層不易清洗 （ 2） 殼層和管層 浮頭式換熱器優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)： （ 1）管束可以抽出，以方便清洗管、殼程； （ 2）介質(zhì)間溫差不受限制； （ 3）可在高溫、高壓下工作，一般溫度小于等于 450度，壓力小于 等于 6.4兆帕； （ 4）可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場(chǎng)合； （ 5）可用于管程易腐蝕場(chǎng)合。 缺點(diǎn)： （ 1）小浮頭易發(fā)生內(nèi)漏； （ 2）金屬材料耗量大，