化工原理换热器设计

1、精品化工原理换热器设计丁二烯蒸汽冷凝器的设计年级： 2014 级姓名 : 逄江华学号 :2014094068班级：化学工程与工艺班感谢下载载精品前言一、换热器的种类固定管板式换热器管板式换热器浮头式换热器填料涵式换热器换热器套管式换热器蛇形式换热器二、换热器的特点1. 管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳式换热器根据结构特点分为以下几种：固定管板式换热器固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起， 这类换热器结构简单， 价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于 50 且

2、壳方流体较清洁及不易结垢的物料。带有膨胀节的固定管板式换热器， 其膨胀节的弹性变形可减小温差应力， 这种补偿方法适用于两流体温差小于 70且壳方流体压强不高于 600Kpa 的情况。浮头式换热器浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接， 该端被称为浮头， 管束连同浮头可以自由伸缩， 而与外壳的膨胀无关。 浮头式换热器的管束可以拉出， 便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。感谢下载载精品填料涵式换热器填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。2. 蛇管式换热器

3、蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单，操作最方便的一种换热设备， 通常按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。3. 套管式换热器套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管，其内管用U型时管顺次连接，外管与外管互相连接而成，其优点是结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当地选择管内、外径，可使流体的流速增大，两种流体呈逆流流动，有利于传热。此换热器适用于高温， 高压及小流量流体间的换热。三、换热器的发展趋势70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备。这是因为，随着能

4、源的短缺 ( 从长远来看，这是世界的总趋势 ) ，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题。最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。当今换热器技术的发展以 CFD(Computational Fluid Dynamics) 、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系。 近年来，随着制造技术的进步，强化传热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了

5、较大的发展，根据不同的工艺条件与换热工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，并已在化工、炼油、石油化工、制冷、空分及制药各行业得到应用与推广，取得了较大的经济效益。感谢下载载精品设计任务（一）设计题目：丁二烯蒸汽冷凝器的设计（二 ) 设计任务及操作条件1：处理能力7510kg/h饱和丁二烯蒸汽，2：设备形式立式列管冷凝器3 ：操作条件（ 1） 饱和丁二烯蒸汽：（温度 40，冷凝潜热为 373kJ/kg ），冷凝 液于饱和 温度离开冷凝器（2） 冷却介质：水入口温度 15，出口温度35，流量：自 己计算（ 3） 允许压强降：不大于 150kpa（ 4） 饱和丁二烯定性温度下的物性数据：自查（5）

6、每年按 330 天计，每天24h 连续运行( 三）设计内容：1、设计方案的选择及流程说明2、工艺计算，及校核3、主要设备工艺尺寸设计（1）立式列管冷凝器结构尺寸的确定（2）传热面积、两侧流体压降校核（3）接管尺寸的确定4、设 计结果汇总5、换热器装备图及工艺流程图（手工绘图要求2 号或 3 号；若计算机绘图要求3号或 4号）6、设计评述设计与选型的具体步骤感谢下载载精品一估算传热面积，初选换热器型号1. 查取冷热流体在该定性温度下的物性。2. 根据换热任务，计算传热量。3. 确定流体在换热器中的流动途径。4. 计算平均温度差， 并根据温度差校正系数不应小于 0.8 的原则，确定壳程数。5. 根

7、据两流体的温度差和设计要求，确定换热器的型号6. 根据换热流体的性质及设计经验， 选取总传热系数值 K 选7. 根据总传热系数方程，初步计算传热面积 S，并确定换热器的基本尺寸或按系列标准选设备规格。二计算管壳程压力降1. 壳程压力降 .2. 管程压力降。三核算总传热系数1壳程对流传热系数2. 管程对流传热系数3. 污垢热阻4. 总传热系数 K5.K 值与 K 选比较， 若 K/K 选=1.15 1025，则初选换热器合适，否则另选K 选，重新计算，步骤同上。1、估算传热面积，初选换热器型号1.1 基本物性数据的查取 :感谢下载载精品因为是用水冷凝 1,3- 丁二烯，所以其温度不变，其定性温度

8、为40此温度下的丁二烯的物性参数：3Cp0 = 2.0kJ/( kg ） 0 = 595kg/ m p= 0.248W/( m）0 = 0.000275Pas0冷却水的定性温度：15+ 30=25 （）T=2此温度下的水的物性参数：i3i=0.0008937Pa?s = 996.8kg mCpi =4.179 kJ ( Kg?)pi =0.6075W(m?)2、计算冷凝量、热负荷、水耗量、普兰特准数、平均传热温差冷凝量W75103600 = 2.09kg s1 =热负荷 Q= Wr = 7510 373 =2801230kJ1= 778.1kJ sh水耗量WQ2801230?Cp( t- t

9、1 ) =i =24.17（35 -= 33587.9kg h = 9.33kgsi15）Cp ii=4.16 1000 0.0008普兰特准数 Pr =pi0.616= 5.4平均传热温差?t 1 = 40 - 15 =25（）?t 2 = 40 -35 = 5()?t 125由5 2?t 2 =?t 2 -t 15 -25?t m =t 2=5= 12.43( )lnt 1ln25RT1T 240-40t2t135-015Pt 2-t135-15T1-t140-0.815感谢下载载精品由 R、P 值，查图 5-11 （a）t =1.0 ，因为t 0.8 ，选用单壳程可行。3、确定管径和初选

10、管速从腐蚀性、传热面积和价格三方面综合考虑后，选用?25 2.5mm无缝钢管，此管的内径d i =0.02m。综合考虑管内 Re,管程压降 ?p 及单程管数三方面的因素，水的流速选为0.6 m?s。4、估算总传热系数K有机物蒸汽 - 水系统冷凝操作的传热系数2K 值范围为 500 - 1500W/( m )di i ui0.02 996 0.6Re=0.0008937= 13374iCp ii = 0.023idi ui i)()0.8(i0.4diii0.60750.84.179 103 0.00089370 .4= 0.023 0.020 (13374)(0.6075)2= 2892.1W

11、/( m ）壳程传热系数：2 ）假设壳程的传热系数 0 = 2500W/( m污垢热阻2Rsi = 0.00058m K/ W2Rs0 = 0.000176m K/ W管壁的导热系数 = 45W/( m ）K =1dodobdo1i di+ Rsi di+ dm + Rso + 0=10.0250.0250.0025 0.02512892.1 0.020+ 0.00058 0.020+45 0.020+ 0.000176+25002= 554.8W/( m )5、计算传热面积传热面积感谢下载载精品SQ778.1 1032= K?t m= 554.8 12.43= 112.83( m )6、确定

12、换热器工艺结构尺寸6.1 单程管数为：n=W=4 9.33= 49.7 50 （根）220.63.14 0.02996.8u 4 di6.2单程管长为：S9.3（ ）l =50 3.14 0.025 = 2.4n dom6.3 选定换热器管长 l = 2m，则管程数 Np为2.4Np =2 = 1.2取Np = 2程，则总管数为：n = 2n = 2 50 = 100（根）6.4 初选换热器2根据S = 112.83m，n= 100 根，Np = 2，选用 G700-2-16-158.4列管换热器，2其实际传热面积为158.4 m ，有关参数如下：公称直径DN700mm公称压力PN1.6 10

13、6 Pa传热面积2管程数Np158.4m管数342管长2 m管子规格?25 2.5mm管心距32mm管子排列方式正三角形6.5管程压降的计算Rei=di i uii其中，ui 为选定换热器的实际操作流速，由下式计算感谢下载载精品ui =Vi2n 4diW9.333式中 Vi = = 996.8 =0.0093 （m/ s)n342根）=2 = 171(0.0093所以ui = 0.17 （m/s ）2171 4 0.02故 Rei =0.02 0.17 996.8= 3792.20.0008937由于 Rei = 3792.2，根据传热管相对粗糙度0.0075 ，查莫狄图得 i =0.039W

14、/ （m ），又取管程结垢校正系数F t = 1.5，故得管程压降为li ui2?pi = ( p i di+ 3) Ft Np 26996.8 0.172= ( 0.039 0.02 + 3) 1.5 2 223= 635.2(N/ m ) di故i = 0.023i(di ui i)0.8 ( Cpi i)0.40.6075diii()0.80.42）= 0.023( 0.02 )3792(6.15)= 1054.1W/( m6.7计算冷凝给热系数 ?一般情况下，水平管的冷凝给热系数大于垂直管的冷凝给热系数，所以列管换热器选用水平安装方式。对于n 根水平管束，可用下式计算冷凝给热系数3 2

15、 ln3 5952 62 0 = 2.02 W= 2.02 0.6 0.248342)7510= 3280W/ (m0.000275 3600感谢下载载精品6.8计算 K值K =1dobdo1do+ Rsi+ dddm+ Rso + oiii=10.0250.0250.0025 0.02511054.10 0.02 + 0.00058 0.020 +45 0.0225+ 0.000176+ 32802= 408.2W/( m )6.9计算传热面积及安全系数Q778.1 1032S = K?t m = 408.2 12.43 = 153.4（m）2实际换热器的传热面积为158.4 m ，故安全系

16、数为158.4153.4 = 1.03有合适的传热面积裕度，该换热器能够完成生产任务。6.10计算管束与壳体温差根据对流传热速率可得Q= i S( t w - t w)故t w=Q+ t m =778100+ 28.5 = 33.1iS1054.1 158.4而管束的平均温度为t w + t w40 + 33.1= 36.6( )t mg =22则壳体与管束的温差为?t = T - tmg=40 - 36.6 =6 473.45 .以上各项计算结果表明，所选型号的换热器合用。6.11.计算接管壳程流体进出接管：3已知饱和丁二烯蒸汽的密度 = 2.453kg/ m , 取丁二烯流速为 25m/

17、s，则丁二烯入口接管内径为：感谢下载载精品75104V4 3600 2.453d = u =3.14 25= 0.208 （ m）取标准管径为 207mm，取标准管 ?219 6mm取接管内丁二烯流速为u = 1.0m/ s，则接管内径为4V4 75103600 595d = 0.067 （ m） u3.14 1.0取标准管径为 70mm，取标准管 ?76 3mm管程流体进出接管：取接管内循环水流速u= 1.5m/ s，则接管内径为28012304 d = 3600 996 = 0.81取标准管径为 150mm，取标准管 ?159 4.5mm6.12 计算折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺

18、高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h = 0.3 700 = 210mm取折流板间距 B=0.3D, 则B = 0.3 700 = 240(mm), 可取 B 为 300mm。折流板数N=传热管长6000= 19块- 1 =)折流板间距300(折流板圆缺面水平装配。7、换热器的主要结构尺寸和计算结果表 1 冷热流体物性数据表物料名操作压操作温污垢系数导热系数比热流体密粘度称度度MPa2kJ/ kg3mPa/ sm W/( mK）Kg/ mK/ W感谢下载载精品冷却水0.115/350.000580.60754.179996.80.0008937丁二烯0.1400.0001760.2482.05950.000275表 2 管程、壳程计算数据表名流量流速传热总传热系对流传热系阻力降程数使用材料称量数数kg/ hm/ sKW22W/ m MPaKW/ m K管33587.90.171054.1635.22无缝钢管程778.1408.2壳751032801无缝钢管程表 3 工艺设备尺寸表换热换热管子管数管长管间排列折流间切口壳体内径器型面积规格mm距方式板型距高度mm式2mm式mm/ m固定158.4?25