化工原理课设计.doc

个人收集整理 勿做商业用途                           化工原理课设计               学院:化学化工学院               专业：化学工程与工艺               姓名:张红英    ;           学号:2011133150               指导老师:王智娟老师               日期:2013年10月苯液冷却器的设计 摘要    本论文介绍了固定管板式换热器的整体结构及计算。固定管板式换热器制造方便、单位面积内换热面积大、造价低廉，但是两端都固定在固定管板上,冷热流体温差较大时产生的热应力较大，可能损害换热器。因此固定管板式换热器只适用于冷热流体温差低于70(高于50时加温度补偿）的换热任务。此类换热器课程流体应选择不易结垢的流体，已解决不易清洗的弊端。固定管板式换热器主要包括封头、管箱、换热管、折流挡板、支座及其它附件等。     本设计任务的温度和压强都要求不高，由换热器系列标准选取JB/471592固定管板式换热器。经面积、壁温、压降的核算证明此换热器明年可以完成5万吨/年的苯冷却换热.关键字：固定管板式换热器；设计计算;苯冷却器5Million tons /year       design       目录0.1换热器的应用0.2换热器的分类0.3常见的换热器1设计任务2设计方案的确定2。1换热器类型的选择2.2管程、壳程流体的安排3确定物性数据3.1定性温度的确定3.2冷热流体有关物性数据4传热面积的计算5工艺尺寸计算及选型6换热器核算7壁温核算8换热器压降校核9其他部件11换热器结构尺寸汇总表 0引言0。1换热器的应用   换热器（英语翻译:heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流    体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工    业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加    热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很    多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、    混合式和蓄热式.   列管式换热器工业上使用最广泛的一种换热设备。其优点是单位体积的    传热面积、处理能力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温、高压和大型 装置中采用更为普遍。 列管式换热器主要有以下几个类型:固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器等。设计一个比较完善的列管式换热器,除了能满足传热方面的要求外，还应该满足传热效率高、体积小、重量轻、消耗材料少、制造成本低、清洗维护方便和操作安全等要求。列管式换热器的设计，首先应根据化工生产工艺条件的要求,通过化工工艺计算,确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，确定管数、管程数和壳程数，然后进行机械设计.0.2换热器的分类换热器按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式.其中间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器(板翅式、管翅式等）。0.3常见的换热器管壳式换热器是目前应用最为广泛、最常见的一种换热器。它包括:固定管板式换热器、U 型管壳式换热器、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。管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心,其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。（1)工作原理:管壳式换热器和螺旋板式换热器、板式换热器一样属于间壁式换热器，   其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳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量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热,进而实现两流体换热工艺目的。（2）主要技术特性：一般管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性:耐高温高压,坚固可靠耐用；制造应用历史悠久,制造工艺及操作维检技术成熟；0。4进行换热器设计的重要意义     在化工生产中为了实现物料之间能量传递过程需要一种传热设备。这种设备统称为换热器。在化工生产中，为了工艺流程的需要,往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝.换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高的流体传递到温度较低的流体，以满足工艺上的需要。它是化工炼油,动力，原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备,对于迅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,有时作为某一工艺设备的组成部分,因此换热器在化工生产中应用是十分广泛的。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.1设计任务（1） 冷凝物料：苯（2） 苯入口温度81，出口温度36（3） 冷却介质：循环水，入口温度20，出口温度自选为28（4） 允许压降：10 0 K Pa（5） 每年按320天计，每天24小时连续运行（6） 处理量510 4 t/a2设计方案的确定2.1换热器类型的选择    换热器类型的选择 ：冷流体出口温度的确定：选择冷却水作物料冷却剂时，选择较低出口温度，则用水量大,操作费用多，但传热平均温度差大所需传热面积较小，设备费用减少。最经济冷却水出口温度要根据冷却水消耗量的费用及冷却设备投资费用之和为最小来确定。冷流体出口温度需小于热流体出口温度。所以，冷却水的出口温度为28 。     Tt = 58.524 = 34.5 该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素,由于该换热器的壁温和壳体壁温之差较大，因此选用带膨胀节的固定管板式换热器。2.2管程、壳程流体的安排    水走管程，苯走壳程，原因有以下几点：     .苯的温度比较高，水的温度比较低，高温的适合走管程，低温适合走壳程。     .传热系数比较大的适合走壳程，水传热系数比苯大     .干净的物流宜走壳程。而易产生堵、结垢的物流宜走管程.3确定物性数据3.1定性温度的确定    定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程苯的定性温度：管程冷却水的定性温度：3。2冷热流体有关物性数据     冷却介质的选用及其物性。按已知条件给出，冷却介质为湖水,根进口温度t1=20，冷却水出口温度设计为t2=28，因此平均温度下冷却水物性如下: 密度=997。7kg/m3                  粘度i=9.058104Pa.s 导热系数=60.3102 W/(m.K)     比热容Cpc=4.181 kJ/（kg。K) 苯液在58.5下的物性如下： 进口温度：81                 出口温度：36 密度=834kg/m3                  粘度o=3.75104Pa.s 导热系数=14.810-2 W/(m。K）     比热容Cpc=1。8 6kJ/（kg.K）4传热面积的计算    苯处理量：50000t/320day=(500001000）/（32024)kg/h=6510kg/h=1.8kg/s    热负荷：Q=WhCph（T2T1)=65101.861000(81-36）=151。358KW                           冷却水用量:                                                                                                                        对数平均温差： 而                  查阅化工原理上册238页出温度校正系数为t=0。96适合单壳程换热器,平均温度差为tm=t'm0。96=310。96=29.8化工原理上册P234有机物-水总传热系数K的经验值估算总传热系数K（估计）为450W/(m）估算所需要的传热面积： 管径： 选用252。5传热管（碳钢），据估算面积选用标准固定管板式换热器(JB/471592）定管板式换热器主要参数：壳   径  D325管 子 尺 寸252。5mm管 程 数 2管 长L3 m管子总数 n56管子排列方法正三角形  5工艺尺寸计算及选型传热管总根数: NT=ns=56(根）换热管l=3m管程数 Np=2工称直径 D=325mm中心排管数n=11采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，取管心距，则t=1.325折流板采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的，则切去的圆缺高度为取折流板间距,则取B=100mm折流板圆缺水平装配。6换热器核算(1) 壳程对流传热系数  对圆缺形折流板，可采取克恩公式当量直径,由正三角形排列得壳程流通截面积壳程流体流速及其雷诺数分别为普兰特准数粘度校正=1(2） 管程传热系数管程流体流通截面积：=m2ui=（4.3/997.7）/0。0088=0。5m/s管程Rei=管程传热系数ai可由公式(36)计算                     ai=0.8n                                冷却水被加热，取n=0。4ai=0。02311014。570.80。4=2476。13W/(m2)传热总系数的确定查化工原理附表可知Rsi=2。1104  m2/WRso=1.7610-4 m2/W=50 W/m用公式(3-4）对K计算                                            ;    （34）式中：a给热系数，W/m2。；      R污垢热阻，m2.W；      管壁厚度,mm；      管壁导热系数，W/m。；下标、分别表示管内、管外和平均.W/m2。换热器的传热量传热面积校核热负荷：Q=WhCph（T2-T1）=65101。861000(81-36)=151。358KW计算传热面积A：=151358/(454.5529。8)=11.174m2实际传热面积A：=563.140.0253=13.12m2考虑15%的面积裕度，H=100=17。42 7壁温核算Tw=（Tm /c+tm/h)/(1/c+1/h)式中tm=0。4t2+0。6t1=0。428+0.620=23.2Tm=1/2(T1+T2)=1/2(81+36)=58。5c=i=2476。13W/（m2)h=o=799。3W/（m2）故Tw=（58.5/2476。13+23。2/799.3)/(1/12476.13+1/799。3)=39。55故壁温可近似取壳程流体的平均温度T=58.5壳体壁温和传热管壁温之差t=58.5-39.55=18.95该温差不是较大,无须设温度补偿装置。8换热器压降校核（1)管程阻力   传热管相对粗糙度查莫狄图得,流速,所以管程流动阻力在允许范围之内。（2） 壳程阻力  流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力总阻力壳程流动阻力也比较合适。  9其他部件为固定折流板，需要设拉杆和定距管。换热器壳体直径为325mm时，拉杆数可取2，其直径是10mm。定距管直径一般与换热器尺寸相同，即325mm.10参考文献1化工原理上册（天津大学出版社）11换热器结构尺寸汇总表 参数管程壳程流量/（kg/s)1。84.3进（出）口温度/20（28）81（36）压力/MPa0.40。60.40。6物性定性温度/2458.5密度/(kg/m3)997.7834定压比热容/kJ/（kg4。811.86黏度/Pas9.05810-40.3910-4热导率/W/(m0。6030。1349设备结构参数型式浮头式列管换热器壳程数1壳体内径/mm325台数1管径/mm252.5管心距/mm32管长/mm3000管子排列正三角形管数目/根56折流板数/个29传热面积/m210.85折流板间距/mm100管程数2材质Q235-B碳素钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s）0。50.3表面传热系数/W/（m22476。13799.3污垢热阻/（m2/W)2。110-41。7610-4阻力/MPa0。410.316热流量/kW/151358传热温差/28.9传热系数/W/(m2454。55裕度/17。42