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)說明書設(shè)計(jì)項(xiàng)目：甲苯預(yù)熱器的選型設(shè)計(jì)學(xué)院名稱： 化學(xué)工程學(xué)院專業(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 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 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)書同學(xué)：威名化工廠擬采用一列管換熱器以凈化后的熱空氣加熱甲苯。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，能畫出工藝流程等圖形；理解計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程，利用編程使計(jì)算效率提高。在設(shè)計(jì)過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?；ぴ碇饕芯炕卧僮鬟^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，威名化工廠擬采用一列管換熱器以凈化后的熱空氣加熱甲苯進(jìn)行的專項(xiàng)設(shè)計(jì)。眾所周知，甲苯是重要的化工原料，以凈化后的熱空氣加熱甲苯一直是一個(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)正是以優(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)。以凈化后的熱空氣加熱甲苯的原理: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)過程和物理操作過程創(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，由此可見換熱設(shè)備在化工設(shè)備中的地位。工業(yè)換熱器的種類繁多，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。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)正是以優(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，一般化工廠的附屬機(jī)修車間就能自制；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，直至滿足要求為止。王希慧負(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)算過程中，我們還發(fā)現(xiàn)由于沒有及時(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)用問題上，我們直接套用了書上的公式或過程，并沒有徹底了解各個(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，衷心希望各位專家老師的批評(píng)指正，使設(shè)計(jì)更趨完美。這次專業(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)在威名化工廠與安徽理工大學(xué)的合作下開展的。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)過多次修改和完善，最終圓滿完了本次設(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)，都離不開老師您的細(xì)心指導(dǎo)。而您開朗的個(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)過程中難免出現(xiàn)錯(cuò)誤，懇請(qǐng)老師們多多指教,我十分樂意接受你們的批評(píng)與指正，本人將萬分感謝。感謝可愛的組員們,我們一起經(jīng)歷過的聚散喜悲，一起走過的每一段路，友情的無私為我們的大學(xué)時(shí)光重重地寫下了無悔。小組成員：武寧、汪龍、王希慧、李小丹6設(shè)計(jì)內(nèi)容項(xiàng)目名稱設(shè)計(jì)計(jì)算過程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)算由于是加熱過程，故熱負(fù)荷按冷流體甲苯計(jì)算。又因?yàn)閷?duì)該過程而言，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uo4.06864.78m/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10小組成員：武寧、汪龍、李小丹、王?；畚鋵?、汪龍負(fù)責(zé)計(jì)算參數(shù)，校核比對(duì)。王希慧負(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以及流程圖的繪制等過程的培養(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