化工原理课程设计报告换热器

1、?化工原理课程设计任务书?1一、设计题目：设计一台换热器二、操作条件：1 .苯：入口温度80C,由口温度40 Co2 .冷却介质：循环水,入口温度 35 Co3,允许压强降：不大于 50kPa.4 .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、处理水平：1. 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.要求按比例画由主要结构及尺寸5,对本设计的评述及有关问题的讨论.一、选定管壳式换热器的种类和工艺流程1.选定管壳式换热器的种类管壳式换热器是

2、目前化工生产中应用最广泛的传热设备. 与其他种类的换热 器相比,其主要优点是：单位体积具有的传热面积较大以及传热效果较好；止匕外, 结构简单,制造的材料范围较广,操作弹性也较大等.因此在高压高温和大型装 置上多采用管壳式换热器.管壳式换热器中,由于两流体的温度不同,管束和壳体的温度也不相同,因 此他们的热膨胀程度也有差异.假设两流体的温度差较大50c以上时,就可能 由于热应力而引起设备变形,甚至弯曲或破裂,因此必须考虑这种热膨胀的影响. 根据热补偿方法的不同,管壳式换热器有下面几种形式.(1)固定管板式换热器这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价廉价,但管外不能机械清洗.此 种换热器管束连接在管

3、板上,管板分别焊在外壳两端,并在其上连接有顶盖,顶 盖和壳体装有流体进出口接管.通常在管外装置一些列垂直于管束的挡板.同时 管子和管板与外壳的连接都是刚性的,而管内管外是两种不同温度的流体.因此, 当管壁与壳壁温差较大时,由于两者的热膨胀不同,产生了很大的温差应力,以 致管子扭弯或是管子从管板上松脱,甚至毁坏换热器.为了克服温差应力必须有温差补偿装置, 一般在管壁与壳壁温度相差50 C以 上时,为平安起见,换热器应有温差补偿装置.但补偿装置(膨胀节)只能用在 壳壁与管壁温差低于60-70 C和壳程流体压强不高的情况下.一般壳程压强超过 0.6MPa时,补偿圈过厚,难以伸缩,失去温差补偿作用,就

4、要考虑其他结构. 其结果如以下图所示：(2)浮头式换热器换热器的一块管板用法兰与外壳相连接,另一块管板不与外壳连接, 以使管子受热或冷却时可以自由伸缩,但在这块管板上连接一个顶盖,称 之为“浮头,所以这种换热器称为浮头式换热器.具优点是：管束可以拉 出,以便清洗；管束的膨胀不受壳体约束,因此当两种换热器介质的温差 大时,不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力.其缺点是结 构复杂,造价高.其结构如下：(3) U型管换热器这类换热器只有一个管板,管程至少为两程,管束可以抽出清洗,管子 可以自由膨胀.其缺点是管子内壁清洗困难,管子更换困难,管板上排列的 管子少.其结构如以下图所示：(4)填料

5、函式换热器这类换热器管束一端可以自由膨胀,结构比浮头式简单,造价也比浮 头式低廉.但壳程内介质有外漏的可能,壳程中不应处理一易挥发、易燃易 爆和有毒的介质.其结构如下： 由设计书的要求进行分析：一般来说,设计时冷却水两端温度差可取为 5C10Co缺水地区选用较 大的温度差,水资源丰富地区选用较小的温度差.青海是“中华水塔,水资源相对丰富,应选择冷却水较小的温度差6C,即冷却水的出口温度为31 C 0 Tm-t m =80+40-25+31=32 C<50C,且允许压强降不大于50kPa,可选择固定管板式换22热器.2.工艺流程图主要说明：由于循环冷却水较易结垢,为便于水垢清洗,所以选定循

6、环水走管程, 苯走壳程.如以下图,苯经泵抽上来,经加水器加热后,再经管道从接管C进入换热器壳程；冷却水那么由泵抽上来经管道从接管 A进入换热器管程.两物质在换 热器中进行换热,苯从80c被冷却至40c之后,由接管D流出；循环冷却水那么 从25c变为31C,由接管B流出.二、管壳式换热器的工艺计算和主要工艺尺寸的设计1 .估算传热面积,初选换热器型号(1)根本物理性质数据的查取冷却介质为循环水,取入口温度为：35 C ,出口温度为：40 C苯的定性温度：Tm = 80上40 = 60 C2水的定性温度：t m二巴J0:37. 5 c2两流体的温差： T +tm = 60 37 5 = 225C根

7、据?化学工程手册?.化工基石数据.化学工业出版社 分别查得在此条 件苯和水的物性为：生密度kg/m3比热容kJ /(kg P)粘度/Pa s导热系数W/(mC)苯829.31.9750.4540.127水993.24.1740.7050.628(2)热负荷计算冷却水流量(3)确定流体的流径该设计任务的热流体是苯,冷流体为水,本换热器处理的是两流体均不 发生相变的传热过程,为使苯通过壳壁面向空气中散热,提升冷却效果,且水 易结垢,令苯走壳程,水走管程.(4)计算平均温差暂按单壳双管程考虑,先求逆流时平均温差.苯： 8040冷却水：4035；： t 405计算R和P:由R P值,查教材图4-19

8、(a),& =0.85所以：tm 二 口.tm =0 85 16 8 =14 28C又由于0.85>0.8,故可选用单壳程的列管换热器(5)选K值,估计传热面积.301736 一 2 44m.48014. 28参考附录相关资料,对于黏度低于 0.5x10-3 Pa s和水体系,可取K=480W/(m C),那么 S = Q-Kt m初选换热器型号由于两流体温差<50C,可选固定管板式换热器.由固定管板式换热器的系列标准,初选型号为公称直径/ mm450管子尺寸/ mm 25x2.5公称压强/MPa1.0管长/m4.5公称固积/ m246.6管子总数135管程数1管子排列方法

9、正方形斜转450中央排管数13管程流通面积0.0424实际传热面积 S = " d L = 135 3. 14 0, 0254. 5 - 0. 1 = 46, 6m2采用此换热器,那么要求过程的总传热系数为2,核算压强(1)管程压强降其中 Ft= 1.4 , Ns=1 , Np=1.管程流通面积Ai = -di2 = - 0. 022 135 = 0. 0424m24 Np 41入V14 46管程流速：=上=巴丝 =0. 343m/ si A 993.2 0. 0424管内雷诺数一 、一 ,、：0 1 一 .取管壁粗糙度名=0.1mm,厂=方 =0.005,查(更清等,化工原理(上册

10、),天津：天津大学出版社,2005 )图1-27,由九Re关系图中查得：入=0.036;所以管程压强降：£ =(473 + 175)X 1.4 m 1 父 1 = 907Pa < 100000Pa符合工艺要求；(2)壳程压强降1 .：u 2其中,Ft =1.15, Ns=1, in =Ff nc(NB +1) 2管子为正三角形排列,F =0.4取折流挡板间距h = 0. 07m壳程流通面积：A = h(D - ncd ) = 0. 07( 0. 45 - 14 0. 025) = 0. 007m2土力公、土乂3.819冗程流速：u 2 =0.52m/ s829. 3 0. 00

11、7A0. 025 0. 52829. 3壳内雷诺数:二23746 > 500 湍0.45410-流).0.2280 228壳程流体摩擦因数f0 = 5. 0Re0= 5.0 23746-.228 = 0.5所以 计算说明,管程和壳程的压强降都能满足设计的要求.3.核算总传热系数(1)管程对流传热系数«i- 0.8 _ 0.40. 6280 80 42 cg = 0. 023 RePri= 0. 023 x m9664 4.69 = 2067W/ m2,Cdi0. 02(2)壳程对流传热系数灯c 1 /deu I0.55 .cp - 1/ 3 / 口、0.14、,后l0.36力丁

12、丁仁计算取换热器列管之中央距t=32mm.那么流体通过管间最大截面积为壳程中的苯被冷却,取(上)0.14 = 0 99.所以w参考教材附录管内、外侧污垢热阻分别取为(3)总传热系数.忽略管壁热阻时,K.1 Rso Rs 运-sosi：0d i ： i d i110 . 0250. 000170 . 000210 8451 3.5 W / m2 C0. 020. 02520670 . 02由前面的计算可知,选用该型号换热器时要求过程的总传热系数为 453. 4W/(m2 =C),在规定的流动条件下,计算出的 Ke为513.5w/(m2C),故.一一 513 5453 4. 一所选择的换热器是适宜

13、的.平安系数为：x 100%. 13.3 % (满足453. 4要求,即在范围之内：10%25%、设计结果一览表参数管程(冷却水)壳程(苯)流量 /(kg/s)14.463.819进/出口温度/C35C 40 C80 c 40 C压强降MPa50kPa<=物 桂定性温度/C37.560密度/ (kg/m3)993.2829.3定压比热容/kJ/(kg?C)4.1741.975黏度/ (Pa?s)0.705 X 10 *0.454 X 10-3导热系数/ (W/m?C)0.6280.127设备结构参数形式固定管板式壳程数1壳体内径/ mm450台数1管径/ mm25X 2.5管心距/ mm

14、32管长/ mm4500管子排列正三角形管子总数/根135管程数1传热回积/ m246.6材质不锈钢主要计算结果壳程流速/ (m/s)0.3430. 66外表传热系数/W/ ( m2 ? C )137765135污垢热阻/ ( m2 ? C /W0.000200.00017压强降/Pa90747359热流量/W301736传热系数/W/ (m2?KO 513.5平安系数/%13.3四、设备简图五、对本设计的评述及有关问题的讨论经过连续一周的奋战,化工原理课程设计终于告一段落.对这次化工原理课程设计,我充分熟悉到实践来自理论,又高于理论.这次专业性较强的课程设计,让我熟悉到：课堂上理论知识掌握的

15、再好, 没有落实到实处,是远远不够的.换热器的设计,从课本上简单的理论计 算,到根据需求满足一定条件的切实地进行设计,不再仅仅包括呆板单调 的计算,还要根据具体要求选择、区分和确定所设计的换热器的每一个细 节,我觉得这是最大的一个挑战.我对换热器的结构、性能都有了一定的了解,同时,在设计过程中, 我也掌握了 一定的工艺计算方法.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,选择适宜的换热器是相当重要的.在本次设计中,我发现进行换热 器的选择和设计是要通过反复计算,对各项结果进行比较后,从中确定出 比较适宜的或最优的设计,为此,设计时应考虑很多方面的因素.首先要满足传热的要

16、求,本次设计时,由于初选总传热系数的计算结果 与初设值的比值不在要求范围内,因此,经过屡次计算,才选择到适宜的K22值为4534W/m,C,计算结果为513 5W/m,C,平安系数为13.3%,满足要 求.其次,在满足工艺条件的前提下选择适宜的换热器类型,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 907Pa,壳程约为77166Pq都低于要求值 (50kPa),因此,可适当加大流速,从而加大对流传热系数,减少污垢在管子外表上沉积的可能性,即降低污垢热阻,然而,流速增加,流动阻力也会 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

17、 的.止匕外,其他因素(如加热和冷却介质用量,换热器的检修和操作等),在 设计时也是不可忽略的.根据操作要求.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,在满足传热要求的前提下,考虑了其他各项问题,但它们 之间是相互矛盾的.如：假设设计换热器的总传热系数较大,将导致流体通过 换热器的压强降阻力增大,相应地增加了动力费用；假设增加换热器的表 面积,可能使总传热系数或压强降减小,但却又受到换热器所能允许的尺寸 限制,且换热器的造价也提升了.因此,只能综合考虑来选择相对适宜的换 热器.然而在本次设计中由于经验缺乏,知识有限,还是存在着很多问题.比 如在设计中未考虑对本钱进行核算,仅在满足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现板式换热器采用同一板片组 成不同几何尺寸和形状的流道非对称流道解决了两侧水流量不等的问题, 同时与对称结构相比具有相同的耐压性和使用寿命.总之,通过本次设计, 我发现自己需要继学习的知识还很多,我将会