15万吨苯冷却器

环境工程原理课程设计学专院：化学与环境工程学院业：环境工程学号：122209201133姓名：指导老师：时间:2015・1・10到2015.1.17目录目录三、年产15万吨苯冷却器的工艺设计一、确定设计方案：本设计任务是利用列管式换热器使冷流体（水）给苯降温。选择换热器时，要遵循安全、高效、经济的原则。冷却水入口温度30oC，出口温度40oC，冷却水两端温度差为10oC。热流体进口温度80oC,出口温度40oC。考虑到年产量为15万吨苯冷却，故本次设计确定选用浮头式换热器。易析出结晶、沉淀、淤泥及其他沉淀物的流体，最好通入比较容易进行机械清洗的空间，而浮头式换热器的管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生较大热效应力。对于浮头式换热器，一般易在管内空间进行清洗。所以选择浮头式换热器较合适。二、确定流体的流动空间：考虑到苯为有毒液体，则苯走管程。冷却水较硬易结垢，所以经过处理形成去离子水后走壳程。由于管径的大小影响管内流速的的大小和管内的压强降，因此选用管规格为炉25X2.5mm。又苯只对一些塑料有一定腐蚀性，对一些无机材质，如金属，陶瓷等,基本没有腐蚀性。故选择碳钢管三、计算定性温度，确定流体的物性参数：苯：进口温度：80oC，出口温度：40oC,80+40“=60定性温度：冷却水的用量：oC冷却水的用量：冷却水：进口温度：30oC，出口温度：40oC定性温度：3°±1°=35oC2四、初步估算传热面积苯的流量及热负荷：(1-1)=5.26Kgs15x104x103=5.26Kgs330x24x3600hphQ=WcAT=5.26x1.828x(80-40)=384.6KJS=384.6Kw

hph10*4.1765.26*40*1.828二9.210*4.1765.26*40*1.828二9.2(2-1)平均传热温差：按照完全逆流计算At=80-40=40oAt=80-40=40oC>2At=30-20=10oC2得申川2+1lnAtR-1U-PR丿R二80-40二4.040-30\-1-R+、R2+1二0.813-1-RrR2+1ln[(2-2)(2-3)(2-4)由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流量较大，故单壳程合适。故有At二申At'二0.813x21.645二17.60&C(2-5)mAtm图5.图5.温度校正初算传热面积：设K=500，则估算传热面积为：A=-Qt-设K=500，则估算传热面积为：A=-Qt-KAt

m384600500x21.645二28.19m2考虑安全系数和初估性质：A=1.15A'=1.15x28.19=32.42m2五、工艺结构和尺寸(2-6)(2-7)9.22—d2n996.359.22—d2n996.35314x0.022x1334=0.44m/s(3-1)管程数和传热管数：依据传热管内径和流速确定单程传热管数：q

nq

nd

d2u4ii=45.5-460.785x0.0202x0.44按单程管计算，.A32.42.A32.429L===9mndn3.14x0.025x460s按单程管设计，传热管不符合标准类型,(3-2)宜采用多管程结构。根据设计实际情况宜采用标准型设计，现取传热管长l=3m，则换热管程为:(3-3)(3-4)N=-=-沁(3-3)(3-4)pl3传热管总根数N=3x45=135传热管排列和分程方法：因为正二角形排列法易于传热故米用正二角形排列，取管心距a=1.25d，贝U,oTOC\o"1-5"\h\za=1.25x25=32mm(3-5)横过管束中心线的管数n=1.1丽=1.1X而=~12根(3-6)c壳体直径：壳体内径为：D=a(n-1)+2b(3-7)管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离：b=1.5d=0.038m0D=0.032x(12-1)+2x0.038=0.428m按壳体标准圆整取D=500mm折流板：采用弓形折流板，取圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25x500=125mm。取折流板间距B=0.3D，则B=0.3X500=150mm，可取B为300mm。则折流板数鬻-1则折流板数鬻-1=19块。折流板圆缺面水平装配。&接管：壳程流体进出口接管：取接管内流速1.6ms，则接管内径为14x9.2/F鬻5=0・085m=90mm(4-1)圆整后，可取管内径为90mm。管程流体进出口接管：取管内流速为1.5mS，则接管内径为,'4x5.26D2=3.14xl3^=0.073m=73mm(4-2)圆整后，可取管内径为80mm。六、核算1.传热面积核算：1)管程传热膜系数：a=0.023x—Reo.8Pro.3idi(4-3)管程流体流通截面积：41S=d2N=—x兀x0.0202x46=1.61x10-3m2i兀is4管程流体流速及雷诺准数分别为：5.26.836.6„u==0.39u0.39msi0.0161Re=0.020x0.39x836.6=17127.2Re==17127.2i3.81x10-4Pr=^828"x3・81x1。4=4.610.151入0151a=0.023xReo.8Pro.3=0.023xx17127.2o.8x4.610.3id0.02i2)壳程传热膜系数九丄(a=0.36—Re0.55Pr3-

0do(

e0.14上卩丿

w管子按正三角形排列，传热当量直径为(4-4)(4-5)(4-6)(4-9)2・oC)x.'3x.'3n—0.0322-—0.0252I24丿、'=0.02mnx0.025(4—10)弋3n——a2——d2[240丿nd0壳程流通截面积：二B-D(1-do)二0.30x0.5x(1-a0.025)二0.04m20.035壳程流体流速及雷诺准数分别为：92996.35u=00.04000=0.231m/Re=deuoP=0.02x0.231x996.35=5402.70卩0.852x10-3cC卩4.176x103x0.852x10-3Pr=p—九0.613—5.80黏度校正卩¥14〜0.95a0—036xWx5402-70"x5-801x0-95—2127-5C)(5-1)(5-2)(5-3)(5-4)(5-5)3)污垢热阻和管壁热阻查表得数据如下：水：R—2.0xl0-4(mso碳钢导热率：九-452・o2・oC)苯：R—1.7197x10-4(m2・osi管壁厚度：b=0.0025m4)总传热系数核算：K—1_ddbd1o+Ro+o+R+

adsid九dsoaiiiio1(5-6)25+0.00017197x25+0.0025x25+0.0002+1一669.5x202045x202127.5=354.4W.//(m2・oC)5)传热面积核算：换热器实际面积：384600A—pKAt354.4x17.606—61.6m2A—KdLN—兀x0.025x6x135—63.6m2(5-7)换热器的面积裕度为：(6-1)H=Ac-apx100%=63.6—61.6x100%=3.2%(6-1)A61.6传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务2.换热器流体阻力损失：1)管程阻力：Sap=(2.换热器流体阻力损失：1)管程阻力：Sap=(AP+AP)NNFi1式中：N=1SAP=X丄PU21id2i由R=17127.2,ei流速得：叮°・44msSPtN=3PAP二3吆22传热管相对粗糙度为0.005,查莫狄图得九=0.036i=836.6(6-2)F=1.5t(6-3)2'oC),7(6-4)(6-5)(6-4)(6-5)60.442x836.6AP=0.036xx=874.6Pa0.02023pu20.442x836.6AP==3x=242.9Pa22Sap=(874.6+2429乂1.5x3x1=54788Pa<10000CPia管程流体阻力在允许范围内。2）壳程阻力：Sap=（ap+ap）fno12sS其中,N=1,F=1.15Ss流体经管束的阻力：pu2996.35x0.2312AP'=Ffn(N+1)^^=0.5x5x5402.7-0.228x12x20x-=2247.6PaTOC\o"1-5"\h\z10cB22(6-6)其中，F=0.5f=5Re-0.228n=12N=19u=0.231m/，贝U：0cB0/S流体经过折流板缺口的阻力：AP=N(3.5-哲)PU2(6-7)2bD2其中，B=0.3m，D=0.5m，有,2Bpu22x0.3996.35x0.2312AP'=N(3.5—)=19x(3.5-)x=1161.3Pa2BD20.52故，总阻力

工AP二(AP'+AP')FN=(2247.6+1161.3)x1x1.15二3920.2Pa<lOOOOOPao12sS壳程流体阻力在允许范围内。因此，换热器满足阻力要求。七、换热器主要工艺结构尺寸和计算结果一览表2计算结果数参程管操作条件苯水gkz(x量流coz(xO6531X1Xa物性参数coz(xO653gkz(x度密co•gkk热比压定8281Xos•az(x度粘1X83a258aco•mw/z(x数热导主要工艺性能参数osz(x速流44aco•w/mz(x数热传流对W/CO•z(x阻热垢污CO•Wz(x数总传2mz(x积面热传2式头浮设备结构参数质材钢碳3钢碳换热管mmz(x径直OO5mz(x度长6折流挡板型弓个z(x目数53目数91X正三角形排列OO3mmz(xM心83

八、符号说明英文字母：W热流体质量流量，KgS；hW冷流体质量流量，KgS；q体积流量，ms;vCph——热流体定压比热容，K/Kg-CC——冷流体定压比热容，KJ/Kg-CpcAT——热流体进出口温差，oC；At——冷流体进出口温差,AAt——冷流体进出口温差,At——高温端温差，oC；1At——低温端温差，oC；2QT——热负荷，KW；耳热损失；At'm对数平均传热温差，C；oC；At——平均传热温差，oCAt——平均传热温差，oC；mP、R——因数；申——温度校正系数；AtK——总传热系数，W/m2“C；A'——估算传热面积，m2；A——传热面积，m2；①管径，mm；d——管内径，mm；id——管外径，mm；0u——管内流速，m/sin——单程传热管数；sL单程管长，m；l传热管长，m；口——圆周率；N——管程数；N——传热管总根数a管心距，mm；n——横过管束中心线的管数；a管心距，mm；n——横过管束中心线的管数；c耳'管板利用率；D壳体内径，mm；D]壳程接管内径，mm；D2管程接管内径，mm；h圆缺高度，mm；B折流板间，mm；Nb折流板数目；a管程对流传热系数，W/m2.oC；ia——壳程对流传热系数，W/m2.oCoS——管程流通截面积，m2；iS——壳程流通截面积，m2；oRe——雷诺准数；Pr——普朗特准数；九——导热系数，W/m2.oC卩——粘度，Pa-s；deRs当量直径，m；污垢热阻，（m2-c）/W；Ob管壁厚度，m；ApA

c估计传热面积，m2实际传热面积，m2；H面积裕度;AP——压差，Pa；Ns——串联的壳程数；Ft——结构校正系数；P密度，k:m2；Fs——壳程压强降的结垢校正系数;f0壳程流体的