年产万吨苯冷却器的工艺设计方案

化工原理课程设计课程名称:化工原理课程设计4院系:化学与生物工程学院专业班级:化艺1001姓 名：陈炜杰名目444548(一>确定设计方案：8(二>确定流体的流淌空间：8(三>计算定性温度，确定流体的物性参数：891.苯的流量及热负荷：9冷却水的用量：9平均传热温差：9初算传热面积：10101.管径和管内流速：10管程数和传热管数：10传热管排列和分程方法：1010折流板：116.接收：11传热面积核算：111>管程传热膜系数：112>壳程传热膜系数：123>污垢热阻和管壁热阻：124>总传热系数核算：125>传热面积核算：12131314管长与管径比：1414151618一、设计任务书(一) 设计题目年产4万吨苯冷却器的工艺设计(二) 设计条件4×104设备形式：列管换热器操作压力：常压80℃，35℃3.5％33024建厂地址：兰州地区104Pa非标准系列列管式换热器的设计(三) 设计步骤及要求确定设计方案选择列管换热器的类型选择冷却剂的类型和进出口温度查阅介质的物性数据选择冷热流体流淌的空间及流速选择列管换热器换热管的规格换热管排列方式换热管和管板的连接方式选择列管换热器折流挡板的形式材质的选择初步估算换热器的传热面积S构造尺寸的计算确定管程数和换热管根数及管长平均温差的校核确定壳程数确定折流挡板、隔板规格和数量确定壳体和各管口的内径并圆整校核10℃，不大20℃核算管程和壳程的流体阻力损失6—10假设不符合上述要求重进展以上计算附属构造如封头、管箱、分程隔板、缓冲板、拉杆和定距管、人孔或手孔、法兰、补强圈等的选型将计算结果列表<见下表〕(四) 设计成果设计说明书<A4〕内容包括封面、任务书、名目、正文、参考文献、附录格式必需严格依据兰州交通大学毕业设计的格式打印换热器工艺条件图<2〕<手绘〕(五) 时间安排第十九周——其次十二周其次十二周的星期五<720〕下午两点本人亲自到指定地点交设计成果，最迟不得晚于星期五的十八点钟(六) 设计考核设计是否独立完成设计说明书的编写是否标准工艺计算与图纸正确与否以及是否符合标准辩论(七) 参考资料《化工原理课程设计》贾绍义柴诚敬 天津科学技术出版社《换热器设计手册》 化学工业出版社《化工原理》 夏清 天津科学技术出版社操作压力<MPa〕定压比热<kJ/㎏·℃〕操作压力<MPa〕定压比热<kJ/㎏·℃〕污垢热阻<m2·℃/w〕传热总系数<w/m2·℃〕操作条件参数物料名称流量<㎏/h〕定性温度<℃〕管程壳程物性参数密度<㎏/m3〕粘度<mPa·s〕导热系数<w/m·℃〕流速<m/s〕对流传热系数主要工艺性能参数<w/m2·℃〕阻力损失<MPa〕热负荷<w〕传热平均温差<℃〕传热面积<㎡〕设计裕度<%〕设构换热器的型式材质程数规格直径<mm〕<mm〕<mm〕长度<m〕数目<个〕排列方式型式数目折流挡板间距<mm〕管心距<mm〕二、文件综述换热器简介：换热器就是用于存在温度差的流体间的热交换设备，换热器中至少有两种流体，温度较高则放出热量，反之则吸取热量。换热器依据传热原理和实现热交换的方法一般分为间壁式、混合式、蓄热式三类。其中间壁式换热器应用最广。它又可分为管式换热器、板式换热器、翅片式换热器、热管换热器等。其中以管式<包括蛇管式、套管式、管壳式等〕换热器应用最普遍。列管式和板式，各有优点，列管式是一种传统的换热器，广泛应用于化工、石油、能源等设备。板式则以其高效、紧凑的特点大量应用于工业当中。图1.列管式换热器 热器

3.U换热器种类很多，但依据冷、热流体热量交换的原理和方式根本上可分三大类，即间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。间壁式换热器的类型：夹套式换热器：这种换热器是在容器外壁安装夹套制成，构造简洁；但其加热面受容器壁面限制，传热系数也不高。为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装搅拌器。当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时，亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施，以提高夹套一侧的给热系数。为补充传热面的缺乏，也可在釜内部安装蛇管。夹套式换热器广泛用于反响过程的加热和冷却。沉醉式蛇管换热器：这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的外形，并沉醉在容器内的液体中。蛇管换热器的优点是构造简洁，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造；器内可安装搅拌器。喷淋式换热器：这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流淌，冷却水从上方喷淋装置均匀淋下，故也称喷淋式冷却器。喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜，管外给热系数较沉醉式增大很多。另外，这种换热器大多放置在空气流通之处，冷却水的蒸发亦带走一局部热量，可起到降低冷却水温度，增大传热推动力的作用。因此，和沉醉式相比，喷淋式换热器的传热效果大有改善。套管式换热器：套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管，并由U弯头连接而成。在这种换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙，两者皆可得到较高的流速，故传热系数较大。另外，在套管换热器中，两种流体可为纯逆流，对数平均推动力较大。套管换热器构造简洁，能承受高压，应用亦便利(可依据需要增减管段数目>。特别是由于套管换热器同时具备传热系数大，传热推动力大及能够承受高压强的优点，在超高压生产过程(例如操作压力为3000大气压的高压聚乙烯生产过程>中所用的换热器几乎全部是套管式。管壳式换热器：管壳式(又称列管式>换热器是最典型的间壁式换热器。管壳式换热器主要有壳体，管束，管板和封头等局部组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束，管束两端固定于管板上，在管壳换热器内进展换热的两种流体，一种在管内流淌，其行程称为管程；一种在管外流淌，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装肯定数量的横向折流档板，折流档板不仅可防止流体短路，增加流体速度，还迫使流体按规定路径屡次错流通过管束，使湍动程度大为增加。常用的档板有圆缺形和圆盘形两种，前者应用更为广泛。流体在管内每通过管束一次称为一个管程，每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体的速度，可在两端封头内设置适当隔板，将全部管子平均分隔成假设干组。这样，流体可每次只通过局部管子而来回管束屡次，称为多管程。同样，为提高管外流速，可在壳体内安装纵向档板使流体屡次通过壳体空间，称多壳程。在管壳式换热器内，由于管内外流体温度不同，壳体和管束的温度也不同。如两者温差很大，换热器内部将消灭很大的热应力，可能使管子弯曲，断裂或从管板上松脱。因50℃时，应实行适当的温差补偿措施，消退或减小热应力。混合式换热器：混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进展传热的，这种传热方式避开了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触状况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以承受混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。它的应用普及化工和冶金企业、动力工程、空气调整工程以及其它很多生产部门中。依据用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型：冷却塔(或称冷水塔>：在这种设备中，用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温度的水进展冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益。例如热力发电厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之后再循环使用，这种方法在实际工程中得到了广泛的使用。气体洗涤塔(或称洗涤塔>：在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸取气体混合物中的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或枯燥等。但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。空调工程中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特别形式。喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进展冷却，而且还可对其进展加热处理。但是，它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点：所以，目前在一般建筑中，喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用。但是，在以调整湿度为主要目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使用。喷射式热交换器：在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流直接接触进展传热传质，并—同进入集中管，在集中管的出口到达同一压力和温度后送给用户。混合式冷凝器：这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝。蓄热式换热器：蓄热式换热器用于进展蓄热式换热的设备。内装固体填充物，用以贮蓄热量。一般用耐火砖等砌成火格子<有时用金属波形带等〕。换热分两个阶段进展。第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。其次阶段，冷气体通过火格子，承受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进展。通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合。列管式换热器设计一般要求：列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：依据换热任务和有关要求确定设计方案；初步确定换热器的构造和尺寸；核算换热器的传热面积和流淌阻力；确定换热器的工艺构造。管壳式换热器设计时应考虑的问题流体通道的选择原则：不干净和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗管子；腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，而且管内也便于检修和清洗；高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节约壳体金属的消耗量；饱和蒸汽宜走壳程，以便于准时排出冷凝液，且蒸汽较干净，不易污染壳程；被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增加冷却效果；有毒流体宜走管程，以削减流体泄漏；粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流淌时，由于流体流向和流速不断转变，在很低的雷诺数<Re<100〕下即可到达湍流，可提高对流传热系数。但是有时在动力设备允许的条件下，将上述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数。流体两端温度的选择：假设换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，则不存在确定流体两端温度的问题。假设其中一流体仅进口温度，则出口温度应由设计者来确定。例如用冷水冷却一热流体，冷水的进口温度可依据当地的气温条件作出估量，而其出口温度则可依据经济核算来确定：为了节约冷水量，可使出口温度提高一些，但是传热面积就需要增加；为了减小传热面积，则需要增加冷水量。两者是相互冲突的。一般来说，水源丰富的地区选用较小的温差，缺水地区选用较大的温差。不过，工业冷却用水的出口温度一般不宜高于45℃，CaCO3、CaSO4、MgCO3和MgSO4〕的溶解度随温度上升而减小，如出口温度过高，盐类析出，将形成传热性能很差的污垢，而使传热过程恶化。假设是用加热介质加热冷流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。4.3.管子的规格和排列方法：小直径管子能使单位体积的传热面积大，因而在同样体积内可布置更多的传热面。或者说，当传热面积肯定时，承受小管径可使管子长度缩短，增加传热，易于清洗。但是减小管径将使流淌阻力增加，简洁积垢。对于不清洁、易结垢或粘度较大的流体，宜承受较大的管径。因此，管径的选择要视所用材料和操作条件而定，总的趋向是承受小直径管子。管长的选择是以合理使用管材和清洗便利6m，因此管壳式换热器系列标准1.5、2、36m3m6m长管不易清洗，且易弯曲。此外，管长L与壳体D一般L/D=4～6。管子的排列方式有等边三角形、正方形直列和正方形错列三种。等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，对流传热系数大；正方形直列比较松散，对流传热系数较三角形排列时低，但管外壁清洗便利，适用于壳程流体易结垢的场合；正方形错列则介于上述两者之间，对流传热系数较直列高。管子在管板上的间距aa=<1.3～1.5〕do，6mm；焊接法取a=1.25do。换热器壳体内径应等于或稍大于管板的直径。通常是依据管径、管数、管间距及管子的排列方式用作图法确定。4.管子排列方式4.4.管程和壳程数确实定：管程数NN=u/v式中：u——管程内流体的适宜流速；v——管程内流体的实际流速。主要附件：封头封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体，圆形用于大直径的壳体。缓冲挡板为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。导流筒壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流淌的空间<死角〕，为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必定经过这个空间。放气孔、牌液孔换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排解不凝气体和冷凝液等。拉杆和定距管为了使折流板能够牢靠的保持在肯定的位置上，通常承受拉杆和定距管。接收换热器中流体进、出口的接收直径按下式计算式中：—流体的体积流量,u—流体在接收中的流速，m/s流速的阅历值对液体可取为：u=1.5~2m/s。三、年产4万吨苯冷却器的工艺设计确定设计方案：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。兰州地区虽然接近黄河，水资源丰富，但是黄河污染较为严峻，而且泥沙含量大简洁结垢，所以宜承受自40左右，设冷却水进口温度2510

35

。热流体进口温度8035。冬季操作时进口温度会降低，该换热器的管壁温顺55，且考虑到冷却水易结垢。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，最好通入比较简洁进展机械清洗的空间，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展清洗。所以选择浮头式换热器较适宜。确定流体的流淌空间：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，假设选用φ25×2.5mm的管子会导致本钱增加，因此选用管规格为φ19×2mm。又苯只对一些塑料有肯定腐蚀性，对一些无机材质，如金属，陶瓷等，根本没有腐蚀性。应选择碳钢管计算定性温度，确定流体的物性参数：苯：进口温度：80定性温度

，出口温度：35，在此温度下的参数：25定性温度：

，出口温度：35，在此温度下的参数：初步估算传热面积苯的流量及热负荷：冷却水的用量：平均传热温差：依据完全逆流计算：有 ，得0.8，同时壳程流量较大，故单壳程适宜。故有5.温度校正初算传热面积：设K=280 ，则估算传热面积为：考虑安全系数和初估性质：工艺构造和尺寸管径和管内流速：选用 碳钢管，取管内流速管程数和传热管数：依据传热管内径和流速确定单程传热管数：按单程管计算，按单程管设计，传热管太长，宜承受多管程构造。依据设计实际状况，宜承受标准型设计，现取传热管长l=3m，则换热管程为：传热管总根数传热管排列和分程方法：由于正三角形排列法易于传热故承受正三角形排列，取管心距，则，横过管束中心线的管数壳体直径：取管板利用率为 ，则壳体内径为：500mm。折流板：承受弓形折流板，取圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 。折流板间距B=0.15m。则折流板数缺面水平装配。

块。折流板圆接收：壳程流体进出口接收：取接收内流速 ，则接收内径为50mm。管程流体进出口接收：取管内流速为1.5 ，则接收内径为40mm。核算传热面积核算：管程传热膜系数：管程流体流通截面积：管程流体流速及雷诺准数分别为：壳程传热膜系数：管子按正三角形排列，传热当量直径为：壳程流通截面积：壳程流体流速及雷诺准数分别为：黏度校正污垢热阻和管壁热阻：查表得数据如下：水：碳钢导热率：总传热系数核算：传热面积核算：

苯：管壁厚度：b=0.002m换热器实际面积：换热器的面积裕度为：传热面积裕度适宜，该换热器能够完成生产任务。换热器流体阻力损失：管程阻力：式中：由 ，传热管相对粗糙度为0.005，查莫狄图得，流速 得：管程流体阻力在允许范围之内。6.莫狄图壳程阻力：其中， ，流体经管束的阻力：其中，F=0.5 ，则：流体经过折流板缺口的阻力：其中，B=0.15mD=0.5m，有，故，总阻力壳程流体阻力在允许范围内。因此，换热器满足阻力要求。管长与管径比：，满足要求。附属构造的选型本换热器附属构造有封头、管箱、分程隔板、缓冲板、拉杆和定距管、人孔或手孔、法兰、补强圈等。具体附属设备的选型参照《热器器设计手册》P136-P190。操作条件操作条件物性参数主要工艺性能参数换热器主要工艺构造尺寸和计算结果一览表参数物料名称管程苯壳程水流量<㎏/h〕5050.89792操作温度<℃〕57.530操作压力<MPa〕0.10.1定性温度<℃〕57.530密度<㎏/m3〕839.5995.7定压比热<kJ/㎏·℃〕1.864.174粘度<mPa·s〕400.801导热系数<w/m·℃〕0.13550.618流速<m/s〕0.50.096对流传热系数<w/m2·℃〕592932污垢热阻<m2·℃/w〕1.7197×10-43.44×10-4阻力损失<MPa〕0.00640.00065热负荷<w〕117400传热总系数<w/m2·℃〕339传热平均温差<℃〕19.31传热面积