甲苯预热器的选型设计讲解

安徽理工大学化工原理课程设计说明书设计项目：甲苯预热器的选型设计学院名称： 化学工程学院专业班级： 化工10-3班学 号：学生姓名：设计组序： 第八组指导教师： 张洪流二○一三年元月七日1目录化工原理课程设计任务书 3前言 4设计内容 71.确定基本数据 72．流径的选择 73．热负荷及热空气用量计算 74．传热平均温度差计算 75．估算传热面积 86．初选换热器型号 87．核算传热系数 8设计结果一览表 9换热器展示 10结束语 10参考文献： 11安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表 132化工原理课程设计任务书同学：威名化工厂拟采用一列管换热器以净化后的热空气加热甲苯。已知：原料质量流量为 5500 kg/h，初始温度为20℃，要求加热至 50 ℃；空气进口温度为 155 ℃，出口温度比进口温度低20℃。试根据工艺要求进行标准列管式换热器的选型设计。设计时间：（校历20周）指导教师：张洪流二○一三年元月七日3前言本次化工原理课程设计短短几天，是学习化工原理以来第一次独立的工业设计。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程等图形；理解计算机辅助设计过程，利用编程使计算效率提高。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。化工原理主要研究化工单元操作过程中的动量传递、热量传递和质量传递的基本理论与规律，以及实现这些传递过程的生产设备和技术。整个课程体系分为：立理论教学、实习、实验和课程设计四个相互独而又紧密联系的部分，课程设计则是上述课程的总结性教学环节，是进一步巩固、深化和具体应用课程理论知识与实验技能的重要过程，是培养学生综合运用所学知识完成化工设计任务的全面训练。届此，威名化工厂拟采用一列管换热器以净化后的热空气加热甲苯进行的专项设计。众所周知，甲苯是重要的化工原料，以净化后的热空气加热甲苯一直是一个重要的课题。如何获得较大的生产率，较大的经济效益，较高的安全系数和设计方案的较强可操作性仍然是技术难题。本设计正是以优化的理念进行估算设计核算力求达到较高要求而进行的方案设计。以净化后的热空气加热甲苯的原理:操作时甲苯由封头的接管进入器内,经封头与管板间的空间分配至各管内，流过管束后，由另一端封头上的接管流出换热器。而热空气由壳体上的接管流入，壳体内装有若干块折流挡板以改善壳程的传热，流体在壳体内沿折流挡板作折流运动，从壳体上的接管流出换热器。两流体在换热器内隔着管壁进行换热。而对于换热器而言，换热器是石油、化工、轻工等行业的常用设备，在工艺流程中起到为化学反应过程和物理操作过程创造必要条件、 提高热量综合利用和回收余热的作用。在化工建设投资中，换热器约占总投资的11％。在炼油厂的常、减压蒸馏装置中，换热器约占总投资的20%。若按工艺设备重量统计，换热器在石油化工装置中约占40%左右，由此可见换热设备在化工设备中的地位。工业换热器的种类繁多，其中以列管式技术最为成熟，同时具有适用范围广、耐压性能好、便于强化传热等优点，故迄今为止仍以列管式换热器占绝大多数。列管换热器的工艺设计包括标准设备的选型设计和非标准设备的工艺设计两类。由于有了系列标准，为便利和降低成本，原则上应尽可能选用标准设备。只有在实际要求与标准系列相差较大时，方需自行设计。列管式换热器又称管壳式换热器，是一种通用标准换热设备。虽然在换热效率、紧凑性、材料消耗等方面不及新型换热器，但由于其具有结构简单、牢固耐用、适应性强、操作弹性大等优点，故在石化、轻工等行业工业换热设备中仍占主导地位。列管式换热器根据结构特点可分为多种类别。甲苯是重要的化工原料，然而甲苯在进入反应设备中参加反应时，往往会对甲苯的温度有一定的要求。因此，甲苯的加热设备换热器的设计一直是一个重要的课题。如何获得较大的加热效率，较大的经济效益，较高的安全系数和换热器的较强可操作性仍是技术难题。本设计正是以优化换热器的换热效率和安全操作的理念进行的方案设计。本实验加热剂为热空气，选用热空气具有易于调节，冷凝潜热大，热利用率高等优点。流动空间选择是指换热器管程和壳程各走什么介质，此问题受多方因素4制约，通常确定原则如下：（1）不洁净或易结垢的流体宜走管程；因为管程清洗较方便。（2）有腐蚀性的流体宜走管程；以免管子和壳体同时被腐蚀，且管子便于维修和更换。（3）有毒害的流体宜走管程；以减少直接泄漏，提高生产的安全性。（4）高压流体宜走管程；以节省材料消耗、降低人员伤亡事故发生率。（5）高温加热剂与低温冷却剂宜走管程； 以减少设备的热量或冷量的损失。（6）有相变流体宜走壳程；如冷凝传热过程，管壁面冷凝液厚度即传热膜的厚度，让蒸汽走壳程有利于及时排除冷凝液，从而提高冷凝传热膜系数。（7）被冷却流体宜走壳程；以便散热，增强冷却效果。（8）高粘度或低流量流体宜走壳程；流体在有折流挡板的壳程中流动时，因流速与流向不断改变，在Re>100的情况下即可达到湍流，有利于提高此类流体的传热效果。（9）若两流体温差较大时，对流传热系数较大的流体宜走壳程；因管壁温度接近于较大的流体，让较大的流体走壳程可以减小管子与壳体的温差，从而减小温差应力。上述原则往往不能同时兼顾，在选择流动路径时，应视具体情况抓住主要矛盾。一般优先考虑操作压强、防腐及清洗等方面的要求。该设计中由于甲苯具有毒性，为避免泄露引发安全事故，我们采用甲苯走管程，热空气走壳程本次设计中我们经过一系列科学而严谨的计算采用了U型管式换热器。其结构特点是：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缩，具有自热补偿功能，管程数也为偶数。U型管式换热器的优点是：结构简单、造价低，一般化工厂的附属机修车间就能自制；只有一个管板，密封面少，耐压性能好，运行可靠；管间清洗较方便。其缺点是：因管束存在回弯部分，易阻塞，故管程清洗较困难；可排管子数目较少，其管束最内层管间距大，壳程流体易走短路，一般用于管、壳程温差较大且管程介质不易结垢的场合。为确保设计的合理性，在本设计过程中，设计人员采用了最新化工工程标准及数据。设计中赋予了一定的裕度，因此在一定程度上物料的进料流量及换热器内的气液两相流量均具有一定的可调性，大大减少化工生产过程中事故发生的概率，减少由于事故发生所造成的损失。此外，设计在满足工艺要求的前提下力求降低生产成本，以确保系统的最优化，设计方案的可操作性强本设计是武宁、汪龙、李小丹、王希慧分工 :武宁、汪龙负责计算参数，校核比对。包括：（一）初选换热器：a）.基本数据的查取，b)流径的选择，c)热负荷的计算，d)传热温度差计算，e)选K值，估算传热面积，f)初选换热器型号；（二）换热器性能校核:g)核算压降,h）核算传热系数。（三）校验换热器是否满足要求，若不能做相应的管径调整，重复（一）（二）步骤，直至满足要求为止。王希慧负责查阅数据，核实记录。李小丹负责组织协调，归纳汇总，并整理出最后结果。在实际计算过程中，我们还发现由于没有及时将所得结果总结，以致在后面的计算中不停地来回翻查数据，这会浪费了大量时间。由此，我们在每章节后及时地列出数据表，方便自己计算也方便读者查找。在一些应用问题上，我们直接套用了书上的公式或过程，并没有彻底了解各个公式的出处及用途，对于一些工业数据的选取，也只是根据范围自己选择的，并不一定符合现实应用。因此，一5些计算数据有时并不是十分准确的，只是拥有一个正确的范围及趋势，而并没有更细地追究下去，因而可能存在一定的误差，影响后面具体设备的选型。由于时间仓促，加之设计人员的水平有限，另在换热器的装配图中少部分数据缺失及诸多不可预见性因素，难免有设计的缺陷和不足之处，衷心希望各位专家老师的批评指正，使设计更趋完美。这次专业性较强的课程设计，让我认识到：课堂上理论知识掌握的再好，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。鸣谢：此次课程设计在威名化工厂与安徽理工大学的合作下开展的。我们设计小组在张洪流老师的带领与指导下，经过多次修改和完善，最终圆满完了本次设计任务。在此感谢我们的张洪流老师.老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。同时感谢对我们帮助过的同学们，谢谢你们对我们的帮助和支持，让我们感受到同学的友谊。由于本小组组员的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。感谢可爱的组员们,我们一起经历过的聚散喜悲，一起走过的每一段路，友情的无私为我们的大学时光重重地写下了无悔。小组成员：武宁、汪龙、王希慧、李小丹6设计内容项目名称设计计算过程1.确定基本1.确定基本数据2050数据甲苯的定性温度35℃2查教材附录得甲苯在定性温度下的物性数据为：＝860kg/m3， =0.63×10-3Pa?s，Cp=1.80kJ/kg?℃， =0.147W/m?℃。2．流径的选择．热负荷及热空气用量计算4．传热平均温度差计算

热空气出口温度比进口温度低 20℃，则其出口温度为 155-20=135℃。155 135 145℃热空气的定性温度 2查教材附录得空气在定性温度下的物性数据为：＝0.844kg/m3，＝23.9×10-6Pa?s，Cp＝1.014kJ/kg?℃，＝0.03299W/m?℃， Pr=0.683。2．流径的选择因为甲苯是有毒流体，减少泄露量，提高生产的安全性，甲苯走管程，热空气走壳程。3．热负荷及热空气用量计算由于是加热过程，故热负荷按冷流体甲苯计算。又因为对该过程而言，热损失越小越有利于加热，所以在确定热负荷及热空气用量时可不考虑热损失。也即热负荷Q/Qcqm,cCc(t2t1)55001.80(5020)82.5kW3600热空气用量Q/82.5qm,h4.068kg/sCh(T1T2)1.014(155135)4．传热平均温度差计算先求逆流时的传热平均温度差：tm't1t2(13520)(15550)109.9℃lnt1ln13520t215550传热温差大于50℃，表明该换热过程需要考虑热补偿。选用U型管式换热器。为提高传热效果，拟选用单壳程、偶数管程结构。故需核算温差校正系数：T1T2155135Rt1500.67t220t2t15020Pt11550.222T120由R和P的值，查化工原理教材传热章中的t算图得：t＝0.98>0.875．估算传热面积6．初选换热器型号．核算传热系数

也即，选用单壳程、偶数管程可行。实际传热平均温度差为：tm= t tm＝0.98×109.9＝107.7℃5．估算传热面积参照表2-12，取K估=800W/m2?℃。则有：/82.5103S估＝Q51.07m2K估tm15107.76．初选换热器型号根据换热器的实际计算传热面积接近估算传热面积的原则，查JB/T4715-92固定管板式换热器规格表。考虑到操作接近常压，故管、壳程设计压力均取为1.0MPa，以节省钢材消耗，降低设备费用。换热管选用19×2mm普通碳素钢冷拔钢管，以便管程的清洗。因直径超过450mm，故需采用封头管箱。初选换热器型号为：BIU6001.063.93II419主要参数如下表：600mm公称压力(自选)1.0MPa壳体内径计算传热面积63.9m2中心排管数12管子规格Φ19×2mm管长3000mm管子数184管程数4管子排列方式正三角形管程流通面积0.0163m2管间距25mm折流挡板间距(自选)200mm7．核算传热系数采用此换热器，则要求过程的总传热系数为K需＝Q/82.510314.72S实tm52.1W/m?℃107.7（1）管程对流传热系数i0.023Re0.8Prn0.0230.147205785.710.87.7140.4di0.0159090.713W/m2?℃（2）壳程对流传热系数（凯恩法）Ao=L/(D－ncdo)=0.2×(0.6－12×0.019)＝0.0744m2故壳程流速uo4.06864.78m/s0.8440.0744deu)0.55(cp)13o0.36(wdo由于换热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管程甲苯被加热，取0.0329938889.680.550.000735131.05=22.68W/m2o0.36?0.017℃（3）污垢热阻参照表2-13，分别取管内外污垢热阻为Rsi=1.72×10－4m2?℃/W Rso=3.0×10－4m2?℃/W4）总传热系数因壁面热阻通常很小，可忽略。故总传热系数为1K计doRsido1Rsoididio122.35W/m2?℃0.0191.721040.0193.010419090.7130.0150.01522.68K计/K需＝22.35/14.7=1.52表明所选换热器能满足传热要求。故选用型号为BIU6001.063.934II的换热器是合适的。19设计结果一览表：9壳体内径600mm公称压力1.0MPa计算传热面积63.9mm中心排管数12管子规格Φ19×2mm管长3000mm管子数184管程数4管子排列方式正三角形管程流通面积20.0163m管间距25mm折流挡板间距200mm换热器展示：型管式换热器正三角形排列结束语10小组成员：武宁、汪龙、李小丹、王希慧武宁、汪龙负责计算参数，校核比对。王希慧负责查阅数据，核实记录。李小丹负责组织协调，归纳汇总，并整理出最后结果。在短短的几天里，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利