化原12化工(共29頁)

1、湖北文理學院 化工原理PAGE PAGE 30化工(hugng)原理課程設計 題目(tm)：換熱器設計 班級(bnj)：12化工 學號：2012115168 姓名：施雨晴 指導老師：田志高 日期：2014年6月 湖北文理學院 化學工程與食品科學學院 目錄(ml) TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc391825293 前言(qin yn) PAGEREF _Toc391825293 h 3 HYPERLINK l _Toc391825294 設 計 任 務 書 PAGEREF _Toc391825294 h 4 HYPERLINK l _Toc391825295 第

2、一章概述(i sh) PAGEREF _Toc391825295 h 4 HYPERLINK l _Toc391825296 第一節(jié)選擇換熱器的目的和型號 PAGEREF _Toc391825296 h 5 HYPERLINK l _Toc391825297 1.1.1 選擇換熱器的目的 PAGEREF _Toc391825297 h 5 HYPERLINK l _Toc391825298 1.1.2 換熱器的型號選擇 PAGEREF _Toc391825298 h 5 HYPERLINK l _Toc391825299 第二節(jié)工藝條件的選擇 PAGEREF _Toc391825299 h 7

3、 HYPERLINK l _Toc391825300 1.2.1 流體流入空間的選擇 PAGEREF _Toc391825300 h 7 HYPERLINK l _Toc391825301 第二章換熱器的初步設定 PAGEREF _Toc391825301 h 8 HYPERLINK l _Toc391825302 第一節(jié)物性數據 PAGEREF _Toc391825302 h 8 HYPERLINK l _Toc391825303 2.1.1泡點溫度的計算 PAGEREF _Toc391825303 h 8 HYPERLINK l _Toc391825304 2.1.2 涉及到的物性常數 P

4、AGEREF _Toc391825304 h 10 HYPERLINK l _Toc391825305 2.1.3 飽和水蒸汽的物理常數 PAGEREF _Toc391825305 h 10 HYPERLINK l _Toc391825306 第三節(jié)流速的確定 PAGEREF _Toc391825306 h 10 HYPERLINK l _Toc391825307 第三章初始設計換熱器規(guī)格 PAGEREF _Toc391825307 h 11 HYPERLINK l _Toc391825308 第一節(jié)傳熱面積的估算 PAGEREF _Toc391825308 h 11 HYPERLINK l

5、_Toc391825309 3.1.1換熱器的熱負荷 PAGEREF _Toc391825309 h 12 HYPERLINK l _Toc391825310 3.1.2 飽和水蒸汽用量 PAGEREF _Toc391825310 h 12 HYPERLINK l _Toc391825311 3.1.3 平均溫度差（按折流計算） PAGEREF _Toc391825311 h 12 HYPERLINK l _Toc391825312 3.1.4 傳熱面積 PAGEREF _Toc391825312 h 13 HYPERLINK l _Toc391825313 第二節(jié)工藝結構尺寸 PAGEREF

6、 _Toc391825313 h 13 HYPERLINK l _Toc391825314 3.2.1管徑和管內流速 PAGEREF _Toc391825314 h 13 HYPERLINK l _Toc391825315 3.2.2 傳熱管、程數 PAGEREF _Toc391825315 h 14 HYPERLINK l _Toc391825316 3.2.3 平均傳熱溫差及殼程數 PAGEREF _Toc391825316 h 15 HYPERLINK l _Toc391825317 3.2.4 傳熱管排列和分程方法 PAGEREF _Toc391825317 h 15 HYPERLIN

7、K l _Toc391825318 3.2.5 殼體內徑 PAGEREF _Toc391825318 h 15 HYPERLINK l _Toc391825319 3.2.6 折流板 PAGEREF _Toc391825319 h 16 HYPERLINK l _Toc391825320 3.2.7 主要附件 PAGEREF _Toc391825320 h 17 HYPERLINK l _Toc391825321 3.2.8 材料選用 PAGEREF _Toc391825321 h 19 HYPERLINK l _Toc391825322 第四章換熱器的核算 PAGEREF _Toc39182

8、5322 h 19 HYPERLINK l _Toc391825323 第一節(jié)熱流量核算 PAGEREF _Toc391825323 h 19 HYPERLINK l _Toc391825324 4.1.1 殼程對流傳熱系數 PAGEREF _Toc391825324 h 19 HYPERLINK l _Toc391825325 4.1.2 管程對流傳熱系數 PAGEREF _Toc391825325 h 20 HYPERLINK l _Toc391825326 4.1.3總傳熱系數 PAGEREF _Toc391825326 h 21 HYPERLINK l _Toc391825327 4.

9、1.4傳熱面積裕度 PAGEREF _Toc391825327 h 22 HYPERLINK l _Toc391825328 第二節(jié)壁溫核算(h sun)及核算冷凝液膜流型 PAGEREF _Toc391825328 h 22 HYPERLINK l _Toc391825329 4.2.1 校核(xio h)壁溫 PAGEREF _Toc391825329 h 22 HYPERLINK l _Toc391825330 4.2.2 核算(h sun)冷凝液流型 PAGEREF _Toc391825330 h 22 HYPERLINK l _Toc391825331 第三節(jié)換熱器內流體的流動阻力核

10、算 PAGEREF _Toc391825331 h 23 HYPERLINK l _Toc391825332 4.3.1 管程流體阻力 PAGEREF _Toc391825332 h 23 HYPERLINK l _Toc391825333 4.3.2 殼程阻力 PAGEREF _Toc391825333 h 24 HYPERLINK l _Toc391825334 第四節(jié)換熱器主要結構尺寸和計算結構 PAGEREF _Toc391825334 h 26 HYPERLINK l _Toc391825335 第五節(jié) 換熱器及管子排列簡圖 PAGEREF _Toc391825335 h 26 HY

11、PERLINK l _Toc391825336 參考文獻與書籍 PAGEREF _Toc391825336 h 28 前言 化工原理課程是化工、制藥、生物、環(huán)境等類專業(yè)的一門主干課。它是綜合運用數學、物理、化學、計算技術等基礎知識，分析和解決化工類型生產過程中各種物理操作問題的技術基礎課。本課程是“科學”與“技術”的融合，它強調工程觀點、定理運算、實驗技能及設計能力的培養(yǎng)，強調理論聯系實際。并要求學生在學習本課程中培養(yǎng)以下幾個方面的能力：1. 單元操作和設備選擇的能力。2. 工程設計的能力。3. 操作和調節(jié)生產過程的能力。4. 過程開發(fā)或科學研究能力。針對本課程的學習要求，尤其是學習如何根據物

12、理或物理化學或物理化學原理而開發(fā)單元操作，進而組織一個生產工藝過程。將可能變現實，實現工程目的，即體現綜合創(chuàng)造能力。我們根據已學課程內容選擇了列管式換熱器的設計，作為(zuwi)參考，在此感謝田志高等(godng)老師的指導。由于時間和能力有限，如若在編輯(binj)中有錯誤望廣大師生給予指正。設 計 任 務 書一. 設計題目 設計列管式換熱器（飽和水蒸汽加熱苯和甲苯混合液）二. 設計原始數據 （1） 苯甲苯混合液（苯的摩爾分率為60%） 流 量：1000kg/h 進口溫度：20 出口溫度：130泡點溫度 （2） 飽和蒸汽 壓 強：4atm(表壓) 表壓=絕度壓強-大氣壓強 進口溫度：151.

13、7 出口溫度：151.7三設計任務(1) 根據所需設計的換熱器工藝條件計算其熱負荷、傳熱面積等有效數據，進而選擇換熱管、殼體、管板、封頭、隔板及接管等。(2) 繪制(huzh)列管式換熱器的設計裝配圖。(3) 編寫(binxi)列管式換熱器的設計說明書。第一章概述(i sh) 列管式換熱器又稱管殼式換熱器，它適用于冷卻、冷凝、加熱、換熱、再沸、蒸發(fā)和費熱回收等方面。由于其具有結構牢固、操作彈性大、可靠程度高、適應性強、使用范圍廣等優(yōu)點，所以在工程上廣泛使用，特別在高溫高壓下，列管換熱器將繼續(xù)獲得發(fā)展。換熱器可分為間壁式、混合式和畜熱式換熱器，采用什么類型的換熱器，要具體情況綜合考慮，擇優(yōu)選定。

14、例如在煉油廠中作為加熱或冷卻用的換熱器，化工廠中蒸發(fā)設備的加熱室等，大都采用列管式換熱器。本章將介紹列管式換熱器的設計任務、原則、原理和計算方法。設計任務與設計條件用4atm（表壓）的飽和水蒸汽加熱1000kg/h，摩爾分率為60%的苯和甲苯混合液從20加熱到130（泡點溫度），試設計一臺列管管殼式的換熱器，完成該生產任務。 第一節(jié)選擇換熱器的目的(md)和型號1.1.1 選擇(xunz)換熱器的目的為了(wi le)完成生產任務，即：用4atm（表壓）的飽和水蒸汽將苯和甲苯混合液由20加熱到泡點溫度（130），故選擇換熱器來給苯和甲苯混合液加熱，現選擇列管式換熱器來加熱。1.1.2 換熱器的

15、型號選擇 列管式換熱器的分類列管式換熱器（又名列管式冷凝器），按材質分為碳鋼列管式換熱器，不銹鋼列管式換熱器和碳鋼與不銹鋼混合列管式換熱器三種，按形式分為固定管板式、浮頭式、U型管式、填料函式換熱器，按結構分為單管程、雙管程和多管程，傳熱面積1500，可根據用戶需要定制。四種換熱器的主要優(yōu)缺點如下：a、 固定管板式換熱器 固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當位置上焊上一個補償圈，（或膨脹節(jié)）。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。 特點：結構簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結垢的物料。 b

16、、U形管式換熱器U形管式換熱器每根管子均彎成U形，流體進、出口分別(fnbi)安裝在同一端的兩側，封頭內用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。 特點：結構簡單，質量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易(b y)結垢的物料。 c、 浮頭(f tu)式換熱器 換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應力。 特點：結構復雜、造價高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應力，應用普遍。d、 填料函式換熱器此類換熱器的管板也僅有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封。但是，由于填料密封處易于泄漏。故殼程

17、壓力不能過高，也不易用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場合。 根據兩流體溫度變化情況熱流體（飽和蒸汽）進口溫度為151.7，出口溫度為151.7；冷流體進口溫度20，出口溫度130，估計冷熱流體溫差較大，從而該換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差較大，故初步確定：用浮頭式換熱器。 第二節(jié)工藝條件的選擇1.2.1 流體(lit)流入空間的選擇設計(shj)列管換熱器之前，要考慮哪一種流體走管程或殼程，這關系到設備使用是否合理。一般選擇原則如下：（1）不干凈和易結垢(ji u)的流體宜走管內，因為管內清洗比較方便。（2）腐蝕性的流體宜走管內，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。（3壓強高的流

18、體宜走管內，以免殼體受壓，可節(jié)省殼程金屬消耗量。（4）飽和蒸汽宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，對清洗無要求。（5）有毒流體宜走管內，使泄露機會比較少。（6被冷卻流體宜走管間，可利用外殼向外散熱作用，增強冷卻效果。（7）黏度大的液體或流量較小的流體宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re值（Re100）下即可達湍流，以提高對流傳熱系數。（8）對于剛性結構的傳熱器，若兩流體的溫度差較大，對流傳熱系數較大者宜走管間，因壁面溫度與大的流體溫度相近，可以減少熱應力。綜上述條件可確定：換熱器里飽和水蒸汽走殼程，苯和甲苯混合液走管程。1.2.2流體流向的選擇

19、參與換熱的兩種流體在間壁兩側(lin c)流向有并流，逆流，錯流四重類型。實際生產中，流體多是比較復雜的多程流動，考慮到經濟性與效率等實際問題，我選擇折流。綜上所述各條件的確定：可知換熱器中飽和(boh)水蒸汽走殼程，苯和甲苯混合液走管程；流徑選擇折流。第二章換熱器的初步(chb)設定 第一節(jié)物性數據2.1.1泡點溫度的計算根據飽和蒸汽壓的安托尼方程： （1）P是mmHg柱，T是，A、B、C是安托尼常數查得苯與甲苯的相關參數如下ABC苯6.905651211.033220.79甲苯6.954641341.8219.482泡點方程式中,X為不同物質(本例指苯或甲苯)泡點時的摩爾分率. P為液體上

20、方的壓力Kpa Pa指易揮發(fā)性物質(本例指苯)的壓力Kpa Pb指較難揮發(fā)性物質(本例指甲苯)的壓力Kpa假設T=90則苯：，甲苯(ji bn)：，則假設(jish)不成立假設(jish)T=80則代入（1）式得lg假設T=130則代入（1）式得算得x=0.62假設T=131由此算得的x=0.57，則定摩爾分率為60%的苯-甲苯溶液的泡點溫度為 涉及到的物性常數苯和甲苯混合液的定性溫度本設計采用兩者的平均溫度T=（20+130）/2=75*若無特殊說明，本書混合物中苯的摩爾分數為0.60，物性數據位計算所得。2.1.3 飽和水蒸汽的物理(wl)常數飽和水蒸汽的定性(dng x

21、ng)溫度：T=（151.7+151.7）/2=151.7（殼程飽和水蒸汽的定性溫度）假設(jish)壁溫tw=132.6；則水的定性溫度tm=(T+tw)/2 =(151.7+132.6)/2 =142.2；物性流體溫度（）/m3 PasCp kJ/（K） w/(cm.)r kJ/kg水 142924.31.982*10-44.2740.68352113.2表2-2 水在142.2下的物理常數： 第三節(jié)流速的確定換熱器內流體速度大小必須通過經濟核算進行選擇。因為流速增加，傳熱膜系數增大，同時亦減少污垢在管子表面沉積的可能行，降低了垢層的熱阻，從而使K值提高，所需傳熱面積減少，設備投資也減少，

22、但隨著流速的增加，流體阻力也相應增加，動力消耗增大，使操作費增加。因此，一般流體都盡可能使Re2000,粘度高的流體常按滯流設計。根據經驗，下面列出一些工業(yè)上常用的流速范圍。見下表：表2-3列管式換熱氣中常用的流速范圍：流體的種類一般流體易結垢液體氣體流速（m/s） 管程0.5 3.0 15 30殼程0.2 1.5 0.53 15表2-4 列管式換熱器易燃、易爆液體(yt)允許的安全流速： 液體名稱乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮安全流速（m/s） 1 1 5001500 500500 1001003535 14000, 屬于(shy)湍區(qū)流。普蘭特準數： Pr=黏度(nind)校正：1

23、.0）4.1.2 管程對流(duli)傳熱系數由公式可知：n當流體被加熱為0.4，被冷卻為0.3；Re管內流體的雷諾數；Pr普朗特常數；i管內流體的導熱系數,W/（m）；di管內徑/m；Cp管內流體的比熱，KJ/（）；流型Re=diuii/=0.020.5839.56/0.000394=21308.64000，屬于湍流區(qū)。普朗特常數：Pr=Cp/=5030.000394/0.138=14.36則代入數據得i=1337.47W/（）4.1.3總傳熱系數由公式(gngsh)可知：式中do管子(gun zi)的外徑/m；di管子(gun zi)的內徑/m；i管內表面?zhèn)鳠嵯禂?；Rsi管程的污垢熱阻；b

24、管壁厚度/m；管材料的熱導率；dm管內外徑的平均直徑/m；Rso殼程的污垢熱阻；o管外表面的傳熱系數。其中已知：do=0.025m di=0.020m o=21885.9 W/(/)i=1337.47 W/(/) w=50 W/(m) 將上述數據代入總傳熱系數公式中計算得：Ko =530.3 W/（）則由：K/K0=600/530.3=1.13, 在（1.151.25）之間，符合要求故假設 K=600 W/（）成立；4.1.4傳熱(chun r)面積裕度由公式(gngsh)可知Q=KSotm得：So=Q/(Ktm)=；實際傳熱(chun r)面積 Sp=dilNT=0.021.54=0.377

25、0；則傳熱面積裕度 H = (SpS0)/ S0100=20；該值在（10%20%）之間，故符合要求。 第二節(jié)壁溫核算及核算冷凝液膜流型4.2.1 校核壁溫校核壁溫時，用公式：（Ttw）/（1/o+Rso）=( twti)/（1/i+Rsi）式中T定性溫度下飽和蒸汽溫度/；ti定性溫度下混合液的溫度/；Rsi、Rso管外和管內的污垢熱阻/K/W。則代入解得：tw = 130.5。該值與假設：tw =132.6相差不大，故假設合理。換熱器的外殼壁溫與環(huán)境溫度有一定的溫差，會出現熱量損失，影響勞動條件及安全。因此設備壁溫超過50，就需保溫，以減少熱量的損失。該裝置需進行熱補償。4.2.2 核算冷凝

26、液流型核算冷凝液流型時，需計算單位潤濕周邊上（b）冷凝液流率(M)：M=W/b=W/(2l)=Q/(r2lnc)=15369.44/（2113.2103232.2）=1.6010-3Kg/(m)那么(n me)：Re=4M/=41.6010-3/20.4810-5=31.252000(層流)故假設(jish)合理，故可采用。 第三節(jié)換熱器內流體的流動阻力(zl)核算4.3.1 管程流體阻力對于多程換熱器，其管程總阻力計算式為：Pt=（Pi+Pr）*Ns*Np*Ft 式中Pi、Pr分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強降/Pa；Ft結構校正系數，量綱為1，對252.5，取1.4，192.5的管

27、子，取1.5；Ns串聯的殼程數；Np管程數；而：Pi=i(l/ di) iui2/2,由=0.2，得：傳熱管相對粗糙度：/d=0.2/20=0.01,Re=32853.12。查莫狄圖i=0.040,ui=0.826m/s,i=840/m3，則Pi=573.11Pa回彎管的壓強降Pr由下面經驗公式估算，（局部阻力系數為：=3）即：Pr=（iui2/2）=859.678Pa則：Pt=（573.11+859.67）121.4=4011.8Pa 核算壓強降是否(sh fu)合理，用下表43檢驗：表43 ：操作情況操作壓力，Pa（絕壓）合理壓力降，Pa減壓操作P=011050.1低壓操作P=11051.

28、71050.4常壓操作P=1.7105111050.35105中壓操作P=11105311050.351.8105較高壓操作P=31105811050.72.5105根據本設計實際情況(qngkung)：設計操作壓力為5atm（絕壓）在低壓操作(cozu)之間，則合理壓力降為0.35105而Pt=4011.8Pa500，fo=5.0Re-0.228；Nc橫過(hn u)管束中心線的管子數；NB折流擋板數；Pi=NB(3.5-2h/D) uo2/2 ；h折流擋板間距/m；uo按殼程流通截面積Ao計算的流速，而Ao=h(DD/4-ncdodo/4)=0.006m2 而fo=5.0Re-0.228=

29、5.023867.8-0.228=0.502（Re=23867.8700）,Nc=1.1320.5=6.223, NB=9, F=0.5, uo=5.30m/s.將上式代入得：Po=584.5Pa 0.35105Pi=584.5Pa 0.35105均符合要求。Fs=1,Ns=1.代入得Ps=(Po+Pi)11=1169Pa4.3.3總阻力P=Pt+Ps= 17024+1169=18193Pa核算壓強降是否合理，用上表45可檢驗根據本設計的實際情況，操作壓力為0.5MP ，在低壓操作范圍內，由表43數據，可知：合理壓力降為0.35105而18193Pa 0.35105 ,故符合要求。第四節(jié)換熱器

30、主要(zhyo)結構尺寸和計算結構表44 換熱器主要(zhyo)結構尺寸和計算結構：參數管程殼程質量流量（/h）100026.81進/出溫度（）20/130151.7/151.7壓力（Pa）506.55506.55流體苯-甲苯混合溶液飽和水蒸汽水物性定性溫度（）75151.7142.2密度（/m3）839.52.6673927.8定壓比熱容（KJ/(kgK)）0.5034.274黏度（Pas）3.9410-41.4110-520.4810-5熱導率/ w/(m.)0.10568.3868.35普朗特常數14.361.03設備的結構參數形式浮頭式臺數1殼體內徑/160殼程數單程管徑外徑/25管心

31、距/63管長/1500管子排列正三角形管數目/根4折流板塊數/個31傳熱面積/0.377折流板間距/48管程數2材質碳鋼主要結果管程殼程流速（m/s）0.50.401表面?zhèn)鳠嵯禂?W/（K9污垢熱阻/2K/W0.859810-40.859810-4壓強降/Pa4011.818193熱流量/W15369.44傳熱溫差/61第五節(jié) 換熱器及管子(gun zi)排列簡圖4.5.1簡圖浮頭式換熱器圖如圖所示：（注：圖示大小不表示實物(shw)大小，以標注的尺寸為準。） HYPERLINK /cbna/item/2009-05-31/4604126.html t _top HY

32、PERLINK /tiring_room/new/hynews/2006314151152.htm 參考文獻與書籍(shj)1化工原理上冊 修訂版 天津大學出版社 2006 夏清、陳常貴主編、姚玉英主審2謝濤; HYPERLINK /Article/CJFD1999-GXMZ199903011.htm t _blank 列管式換熱器的優(yōu)化設計J; HYPERLINK /Journal/A-A7-GXMZ.htm t _blank 廣西民族學院學報(自然科學版); HYPERLINK /Journal/A-A7-GXMZ-1999-03.htm t _blank 1999年03期; 33-34+

33、463方向紅; HYPERLINK /Article/CJFD2002-AHHG200204020.htm t _blank 列管式換熱器與板式換熱器的比較J; HYPERLINK /Journal/B-B2-AHHG.htm t _blank 安徽化工; HYPERLINK /Journal/B-B2-AHHG-2002-04.htm t _blank 2002年04期; 43-444于勇; HYPERLINK /Article/CJFD2004-TZCZ200406035.htm t _blank 管殼式換熱器的設計計算J; HYPERLINK /Journal/B-B4-TZCZ.htm t _blank 特種油氣藏; HYPERLINK /Journal/B-B4-TZCZ-2004-06.htm t _blank 2004年0