苯冷卻器設(shè)計(jì)

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1、西學(xué)院 Hexi University 原理課程設(shè)計(jì) 題學(xué)專學(xué)姓 目 院 業(yè) 號 名 指導(dǎo)教師 苯冷卻器設(shè)計(jì) 化學(xué)化工學(xué)院 化學(xué)工程與工藝 2014210006 郭生金 馮敏 2016年11月20日 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 一、設(shè)計(jì)題目 苯冷卻器的設(shè)計(jì) 二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 1 . 設(shè)計(jì)任務(wù) 生產(chǎn)能力 （進(jìn)料量）： 5萬噸 / 年 操作周期：每年 330天，每天 24小時(shí)運(yùn)行 2 .操作

2、條件 苯：入口溫度 70℃ ，出口溫度 45℃ ，常壓 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度 25℃ ，出口溫度 40 ℃ ，壓力 0.3MPa 允許壓強(qiáng)降：不大于 105 Pa。 3 .設(shè)備型式：管殼式換熱器 4 .廠址：張掖地區(qū) 三、設(shè)計(jì)內(nèi)容 1 . 設(shè)計(jì)方案的選擇及流程說明 2 .換熱器的工藝計(jì)算 3 .主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計(jì) 4 .輔助設(shè)備選型與計(jì)算 5 . 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總 6 .繪制流程圖及換熱器設(shè)備工藝條件圖 7 .對本設(shè)計(jì)進(jìn)行評述 目錄 1 設(shè)計(jì)概況 1 1.1 熱量傳遞的概念與意義 1.. 1.2 化學(xué)工業(yè)與熱傳遞的關(guān)系 1.. 1.3 傳熱的基本

3、方式 1.. 1.4 換熱器的種類 2... 1.4.1 間壁式換熱器的類型 2.. 1.4.2 混合式換熱器 3... 1.4.3 蓄熱式換熱器 4... 1.5 列管式換熱器設(shè)計(jì)一般要求 4.. 1.6 流體通道的選擇原則 4.. 1.7 管殼式換熱器的簡介 5.. 2 試算并初選換熱器規(guī)格 6.. 2.1 選擇換熱器類型 6.. 2.2 流體流動(dòng)途徑的確定 6.. 2.3 確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)，并選擇列管換熱器的型式 6 2.4 計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量 7.. 2.5 計(jì)算兩流體的平均溫度差 7.. 2.6 總傳熱系數(shù) K

4、 8... 2.7 計(jì)算傳熱面積 9... 3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算 9... 3.1 管徑和管內(nèi)的流速 9.. 3.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 9.. 3.3 傳熱管排列和分程方法 1..0 3.4 殼體內(nèi)徑 1..0. 3.5 折流板 : 1..0. 3.6 接管 1..1. 4 換熱器核算 1..1. 4.1 熱量核算 1..1. 4.1.1 管程對流傳熱系數(shù)AI 1.1 4.1.2 計(jì)算殼程對流傳熱系數(shù) AO 1.2 4.1.3 傳熱系數(shù) K 1..2. 4.1.4 傳熱面積 1..2. 4.2 核算壓強(qiáng)降 1..3. 4.2.1 計(jì)算管程

5、壓強(qiáng)降 1..3 4.2.2 計(jì)算殼程壓強(qiáng)降 1..3 5 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 1..4. 6 設(shè)計(jì)評述 1..4.. 7 參考文獻(xiàn) 1..5.. 8 附錄 1..6.. 8.1 經(jīng)驗(yàn)公式 1..6. 8.2 符號說明 1..6. 致謝 1..9.. 苯冷卻器的設(shè)計(jì) 郭生金 摘要 ：換熱器是化工生產(chǎn)中重要的設(shè)備之一，它是一種冷熱流體間傳遞熱量的設(shè)備， 其中管殼式換熱器應(yīng)用最為廣泛。本設(shè)計(jì)采用單殼程、四管程的固定管板式換熱器， 管程介質(zhì)為水，殼程介質(zhì)為苯，選用 ①25 x 2.5mm傳熱管，殼徑為325mm管長6nl 管子數(shù)量為 36 根，折流擋板數(shù) 3

6、9 塊。經(jīng)過核算該型號換熱器，總傳熱系數(shù)為 391.2W/m2C,在傳熱任務(wù)所規(guī)定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出的 S。為13.5m2其面積裕度 為 12.5%，管程和殼程壓強(qiáng)降均小于允許壓強(qiáng)降。 關(guān)鍵詞： 苯 ，換熱器，管殼式換熱器 1 設(shè)計(jì)概況 1.1 熱量傳遞的概念與意義 1) 熱量傳遞的概念 熱量傳遞是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，簡稱傳熱。由熱力學(xué)第二定律可知， 在自然界中凡是有溫差存在時(shí)， 熱就必然從高溫處傳遞到低溫處， 因此傳熱是自然界 和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。 1.2 化學(xué)工業(yè)與熱傳遞的關(guān)系 化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系密切。 這是因?yàn)榛どa(chǎn)中的很多過程和單元操

7、作， 多需 要進(jìn)行加熱和冷卻， 例如： 化學(xué)反應(yīng)通常要在一定的溫度進(jìn)行， 為了達(dá)到并保持一定 溫度，就需要向反應(yīng)器輸入或輸出熱量；又如在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，都 要向這些設(shè)備輸入或輸出熱量。 此外， 化工設(shè)備的保溫， 生產(chǎn)過程中熱能的合理利用 以及廢熱的回收利用等都涉及到傳熱的問題。 由此可見， 傳熱過程普遍的存在于化工 生產(chǎn)中，且具有極其重要的作用。總之，無論是在能源，宇航，化工，動(dòng)力，冶金， 機(jī)械，建筑等工業(yè)部門，還是在農(nóng)業(yè)，環(huán)境等部門中都涉及到許多有關(guān)傳熱的問題。 應(yīng)予指出， 熱力學(xué)和傳熱學(xué)既有區(qū)別又有聯(lián)系。 熱力學(xué)不研究引起傳熱的機(jī)理和 傳熱的快慢， 它僅研究物

8、質(zhì)的平衡狀態(tài)， 確定系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)變成另一個(gè)平衡狀 態(tài)所需的總能量； 而傳熱學(xué)研究能量的傳遞速率， 因此可以認(rèn)為傳熱學(xué)士熱力學(xué)的擴(kuò) 展。 1.3 傳熱的基本方式 根據(jù)載熱介質(zhì)的不同，熱傳遞有三種基本方式： 1）熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱） 物體各部分之間不發(fā)生相對位移， 僅借分子、 原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn) 動(dòng)而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。 2）熱對流（簡稱對流） 流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流。 熱對流僅發(fā)生在 流體中， 產(chǎn)生原因有二： 一是因流體中各處溫度不同而引起密度的差別， 使流體質(zhì)點(diǎn) 產(chǎn)生相對位移的自然

9、對流；二是因泵或攪拌等外力所致的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)制對流。 此外， 流體流過固體表面時(shí)發(fā)生的對流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程， 即是熱由 流體傳到固體表面（或反之）的過程，通常稱為對流傳熱。 3）熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。 熱輻射的特點(diǎn)是： 不僅有 能量的傳遞，而且還有能量的轉(zhuǎn)移。 1.4 換熱器的種類 換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類， 即間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。 1.4.1 間壁式換熱器的類型 1） 夾套式換熱器 這種換熱器是在容器外壁安裝夾套制成， 結(jié)構(gòu)簡單； 但其加

10、熱面受容器壁面限制， 傳熱系數(shù)也不高。 為提高傳熱系數(shù)且使釜內(nèi)液體受熱均勻， 可在釜內(nèi)安裝攪拌器。 當(dāng) 夾套中通入冷卻水或無相變的加熱劑時(shí)， 亦可在夾套中設(shè)置螺旋隔板或其它增加湍動(dòng) 的措施， 以提高夾套一側(cè)的給熱系數(shù)。 為補(bǔ)充傳熱面的不足， 也可在釜內(nèi)部安裝蛇管。 夾套式換熱器廣泛用于反應(yīng)過程的加熱和冷卻。 2） 沉浸式蛇管換熱器 這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器相適應(yīng)的形狀， 并沉浸在容器內(nèi)的液體 中。蛇管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造； 其缺點(diǎn)是容器內(nèi)液體湍動(dòng)程度低， 管外給熱系數(shù)小。 為提高傳熱系數(shù)， 容器內(nèi)可 安裝攪拌器。 3） 噴淋式換

11、熱器 這種換熱器是將換熱管成排地固定在鋼架上， 熱流體在管內(nèi)流動(dòng)， 冷卻水從上方 噴淋裝置均勻淋下， 故也稱噴淋式冷卻器。 噴淋式換熱器的管外是一層湍動(dòng)程度較高 的液膜， 管外給熱系數(shù)較沉浸式增大很多。 另外， 這種換熱器大多放置在空氣流通之 處， 冷卻水的蒸發(fā)亦帶走一部分熱量， 可起到降低冷卻水溫度， 增大傳熱推動(dòng)力的作 用。因此，和沉浸式相比，噴淋式換熱器的傳熱效果大有改善。 4） 套管式換熱器 套管式換熱器是由直徑不同的直管制成的同心套管，并由 U 形彎頭連接而成。 在這種換熱器中，一種流體走管內(nèi)，另一種流體走環(huán)隙，兩者皆可得到較高的流速， 故傳熱系數(shù)較大。另外，在套管

12、換熱器中，兩種流體可為純逆流，對數(shù)平均推動(dòng)力較 大。套管換熱器結(jié)構(gòu)簡單，能承受高壓，應(yīng)用亦方便 （可根據(jù)需要增減管段數(shù)目 ）。特 別是由于套管換熱器同時(shí)具備傳熱系數(shù)大，傳熱推動(dòng)力大及能夠承受高壓強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)， 在超高壓生產(chǎn)過程 （例如操作壓力為 3000大氣壓的高壓聚乙烯生產(chǎn)過程 ）中所用的換 熱器幾乎全部是套管式。 5） 管殼式換熱器 管殼式 （又稱列管式 ） 換熱器是最典型的間壁式換熱器。管殼式換熱器主要有殼 體，管束，管板和封頭等部分組成，殼體多呈圓形，內(nèi)部裝有平行管束，管束兩端固 定于管板上， 在管殼換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱的兩種流體， 一種在管內(nèi)流動(dòng)， 其行程稱為管 程；一種在

13、管外流動(dòng)，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。為提高管外流體給 熱系數(shù)， 通常在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)量的橫向折流檔板， 折流檔板不僅可防止流體短路， 增加流體速度， 還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過管束， 使湍動(dòng)程度大為增加。 常 用的檔板有圓缺形和圓盤形兩種， 前者應(yīng)用更為廣泛。 流體在管內(nèi)每通過管束一次稱 為一個(gè)管程， 每通過殼體一次稱為一個(gè)殼程。 為提高管內(nèi)流體的速度， 可在兩端封頭 內(nèi)設(shè)置適當(dāng)隔板， 將全部管子平均分隔成若干組。 這樣， 流體可每次只通過部分管子 而往返管束多次，稱為多管程。同樣，為提高管外流速，可在殼體內(nèi)安裝縱向檔板使 流體多次通過殼體空間，稱多殼程。在管

14、殼式換熱器內(nèi)，由于管內(nèi)外流體溫度不同， 殼體和管束的溫度也不同。 如兩者溫差很大， 換熱器內(nèi)部將出現(xiàn)很大的熱應(yīng)力， 可能 使管子彎曲，斷裂或從管板上松脫。因此，當(dāng)管束和殼體溫度差超過 50℃時(shí)，應(yīng)采 取適當(dāng)?shù)臏夭钛a(bǔ)償措施，消除或減小熱應(yīng)力。 1.4.2 混合式換熱器 混合式熱交換器是依靠冷、 熱流體直接接觸而進(jìn)行傳熱的， 這種傳熱方式避免了 傳熱間壁及其兩側(cè)的污垢熱阻，只要流體間的接觸情況良好，就有較大的傳熱速率。 故凡允許流體相互混合的場合， 都可以采用混合式熱交換器， 例如氣體的洗滌與冷卻、 循環(huán)水的冷卻、汽 -水之間的混合加熱、蒸汽的冷凝等等。它的應(yīng)用遍及化工和冶金 企

15、業(yè)、動(dòng)力工程、空氣調(diào)節(jié)工程以及其它許多生產(chǎn)部門中。 1.4.3 蓄熱式換熱器 蓄熱式換熱器用于進(jìn)行蓄熱式換熱的設(shè)備。 內(nèi)裝固體填充物， 用以貯蓄熱量。 一 般用耐火磚等砌成火格子 (有時(shí)用金屬波形帶等) 。 換熱分兩個(gè)階段進(jìn)行。 第一階段， 熱氣體通過火格子，將熱量傳給火格子而貯蓄起來。第二階段，冷氣體通過火格子， 接受火格子所儲(chǔ)蓄的熱量而被加熱。 這兩個(gè)階段交替進(jìn)行。 通常用兩個(gè)蓄熱器交替使 用，即當(dāng)熱氣體進(jìn)入一器時(shí)，冷氣體進(jìn)入另一器。常用于冶金工業(yè)，如煉鋼平爐的蓄 熱室。 也用于化學(xué)工業(yè)， 如煤氣爐中的空氣預(yù)熱器或燃燒室， 人造石油廠中的蓄熱式 裂化爐。 1.5 列管式換

16、熱器設(shè)計(jì)一般要求 1) 根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)方案； 2) 初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸； 3) 核算換熱器的傳熱面積和流動(dòng)阻力； 4) 確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)。 1.6 流體通道的選擇原則 1) 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程，以便于清洗管子； 2) 腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時(shí)受腐蝕，而且管內(nèi)也便于檢修和 清洗； 3) 高壓流體宜走管程，以免殼體受壓，并且可節(jié)省殼體金屬的消耗量； 4) 飽和蒸汽宜走殼程， 以便于及時(shí)排出冷凝液， 且蒸汽較潔凈， 不易污染殼程； 5) 被冷卻的流體宜走殼程，可利用殼體散熱，增強(qiáng)冷卻效果； 6) 有毒流體宜走管程，以減少流體

17、泄漏； 7) 粘度較大或流量較小的流體宜走殼程，因流體在有折流板的殼程流動(dòng)時(shí)，由 于流體流向和流速不斷改變，在很低的雷諾數(shù)(Re<100)下即可達(dá)到湍流，可提高 對流傳熱系數(shù)。 但是有時(shí)在動(dòng)力設(shè)備允許的條件下， 將上述流體通入多管程中也可得 到較高的對流傳熱系數(shù)。 在化工生產(chǎn)中為了實(shí)現(xiàn)物料之間能量傳遞過程需要一種傳熱設(shè)備。 這種設(shè)備統(tǒng)稱 為換熱器。在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要，往往進(jìn)行著各種不同的換熱過程： 如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝。換熱器就是用來進(jìn)行這些熱傳遞過程的設(shè)備，通過這種 設(shè)備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞到溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。 它是化工煉油，

18、動(dòng)力，原子能和其他許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備， 對 于迅速發(fā)展的化工煉油等工業(yè)生產(chǎn)來說，換熱器尤為重要。換熱器在化工生產(chǎn)中，有 時(shí)作為一個(gè)單獨(dú)的化工設(shè)備，有時(shí)作為某一工藝設(shè)備的組成部分，因此換熱器在化工 生產(chǎn)中應(yīng)用是十分廣泛的。任何化工生產(chǎn)中，無論是國內(nèi)還是國外，它在生產(chǎn)中都占 有主導(dǎo)地位。 1.7 管殼式換熱器的簡介 管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。 它包括:固定管板式換熱器、U 型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器 等。管殼式換熱器由管箱、殼體、管束等主要元件構(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心， 其中換熱管作為導(dǎo)熱元件，決定換

19、熱器的熱力性能。另一個(gè)對換熱器熱力性能有較大 影響的基本元件是折流板（或折流桿）。管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能 力及操作運(yùn)行的安全可靠性。 1）工作原理 管殼式換熱器和螺旋板式換熱器、板式換熱器一樣屬于間壁式換熱器，具換熱管 內(nèi)構(gòu)成的流體通道稱為管程，換熱管外構(gòu)成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通 過兩不同溫度的流體時(shí)，溫度較高的流體通過換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體， 溫度較高的流體被冷卻，溫度較低的流體被加熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。 圖1列管式換熱器 1折流擋板；2管束；3殼體；4封頭；5接管；6管板; 2）主要技術(shù)特性 般管殼式換熱器與其它類型的

20、換熱器比較有以下主要技術(shù)特性: a.耐高溫高壓，堅(jiān)固可靠耐用； b.制造應(yīng)用歷史悠久，制造工藝及操作維檢技術(shù)成熟； c.選材廣泛，適用范圍大。 2試算并初選換熱器規(guī)格 2.1 選擇換熱器類型 兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度70C,出口溫度45Co冷流體（循環(huán)水） 進(jìn)口溫度25C,出口溫度40Co該換熱器用循環(huán)水冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)進(jìn)口溫 度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管程壁溫和殼體壁溫之差不大。因此， 初步確定并選用固定管板式換熱器。 2.2 流體流動(dòng)途徑的確定 本換熱器處理的是兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，根據(jù)兩流體的情況，水易結(jié) 垢，苯是被冷卻的流體易走管間

21、可利用外殼向外散熱的作用， 增強(qiáng)冷卻效果；故選擇 苯走換熱器的殼程，循環(huán)水走管程。 2.3 確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)，并選擇列管換熱器的型式 苯的定性溫度： 70+45 Tm=^—=57.5C 水的定性溫度： 25+40 tm = ^—=32.5C 兩流體的溫差： Tm - tm=57.5- 32.5=25C 由于兩流體溫差不大于50C,故選用固定管板式列管換熱器. 查《化工原理》上冊天津大學(xué)出版社： 件=0.381mPa?s 版=0.8007mPa?s P238 圖 4—15 表 4- 16 可有： Cpc=4.174KJ/Kg?C Cph=1.389K

22、J/Kg?C P274圖4 — 28(2)液體導(dǎo)熱系數(shù) 可有: 整==0.151 W/(m 7c) 次=0.6176 W/(m ?C ) 2.4計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量 查《化工原理》上冊天津大學(xué)出版社 表1兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下 苯的流量: 5X 10 小 Wh = =1.754 Kg?s h 330X 243600 y 熱流量: QO=WhCph(T1 - T2)=1.754 X 1.8280X 45)=80.142 KJ/s 冷卻水流量: 80.142 W =- = =1.28Kg?s c CP(t2 - t1) 4.174X15 2.5計(jì)算兩流

23、體的平均溫度差 暫按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算，逆流時(shí)平均溫度差為 ?t= ?t2 - ?t1 (70- 45) - (40- 25) ,巴 ln?t1 =19.6 C 而: t2- P=z- t1 40- 25 T1- t1 70F0.33 T1 - T2 70- 45 R= = — t2- t1 40- 25 =1.67 LO 圖2對數(shù)平均溫度校正系數(shù)值 。1 O, S Q, f

24、 0.02 X 995.7 X 0.5 -=12338 0.8007 X 130 ????? ??=? : ?? 4.174 X103 X 0.8007 X10-3 0.6176 =5.41 6=0.023, Re0.8Pri0.4 0.6176 =0.023 >0-02- M11212)0.8x 5.41.4=2282W?(m2 ?C) 殼程對流傳熱系數(shù): 假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)？？ = 600 W?(m2 ?C) 污垢熱阻 Rsi=0.000344 m2 ?C?W, Rso=0.00017 m2 ? C ?W 管壁的導(dǎo)熱系數(shù)兒=45W?(m ?C) 1 K=

25、 ~ ; ;~; — ,阻。+%寸+甘+點(diǎn) 1 600+0.00017+0.000344 0.025 0.0025 X 0.025 0.020 + 45 X 0.0225 + 2282 X0.02 =347.7W?(m2C) 0.025 2.7計(jì)算傳熱面積 Q 80.158 X 30 S產(chǎn)訴= 347.7 X 19.611、 考慮到 15%面積裕度：S=1.15S0=1.15 x 11.8=13.6m 3工藝結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算 流體的種類 一般液體 易結(jié)垢液體 氣體 流速/(m/s) 冗在 0.5~3 >1 5~30 0.2~1.5 >0.5 3~15

26、 表2管殼式換熱器中常用的流速范圍 液體名稱 乙醴、二硫化碳、苯 甲醇、乙醇、汽油 丙酮 安全允許速度/ (m/s) <1 <2~3 <10 表3管殼式換熱器中易燃、易爆液體的安全允許速度 表4管殼式換熱器中不同黏度液體的常用流速 液體黏 >1500 1500~500 500~100 100~35 35~1 <1 /mPa.s 最大流速 0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 2.4 (m/s) 3.1 選用①25 x2.5mm傳熱管，由流速范圍可設(shè)ui=0.5m/s 3.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 由V=ui 4 d2ni可求得單管程管子根數(shù): V 1.28

27、 i ui 4d2 995.7 X 0.5344X0.02 則按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長數(shù)為： =9 (根) 13.6 Li = = =19.2 m i Tt(0ni 3.14 X 0.025 X9 單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長 L= 6m,則該換熱器 管程數(shù)為: LI 19.2 Np=:方=3.2

28、 圓整為4 傳熱管總根數(shù)：N=4X 9=36（根） 3.3 傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管 心距 a=1.25d0 則 a=1.25 X25=32mm 橫穿過管束中心線管數(shù) Nc=1.1vn=1.1v36=7 將這些管子進(jìn)行排列有圖如下: 圖3正三角形排列 3.4 殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 ”’=0.7 則殼體內(nèi)徑: D=1.05aVN=1.05 X32\>^6= 241.0mm ri 0.7 圓整后取325mm 3.5 折流板: 采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)

29、徑的 25%,則切去的圓缺高度 為 h=0.25 X325=81.25mmM整后 100mm 取折流板間距B=0.3D,則B=0.3X325=97.5mrm可取B為150mm折流板數(shù) _傳熱管長 6000 _ Nb=折流板間距- 1=750- 1=39（夬） 折流板圓缺面水平裝配。 3.6 接管 換熱器中流速u的經(jīng)驗(yàn)值可取為： 對液體 u=1.5-2m/s 對蒸汽 u=20-50m/s 殼體流體進(jìn)出口 ,出口接管內(nèi)苯流速為 u=1.5m/s則接管內(nèi)徑為： 4V / 4X1.754 d1 =v<- =V =42mm(① 50mm< 2.5mn) 1 ttu 836.6

30、 X3.14 X 1.5 管程流體進(jìn)出口，出口接管內(nèi)循環(huán)水流速為 u=1.5m/s則接管內(nèi)徑為: 4V / 4X1.28 d2二三”995.7 X 3.14 X =33mm (① 38m你 2.5mm 據(jù)此初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸為下表： 圖5工藝尺寸 D 325mm ① 25X 2.5mm 管程數(shù)Np p 4 管長L 6m 管子總數(shù)n 36 正三角形 4換熱器核算 4.1熱量核算 4.1.1管程對流傳熱系數(shù)貨 (4=0.0237 Re0.8Pri0.4 di 一、一 .. 36 3.14 c - 管程流通截面積：S = — X——

31、X 0.02=0.0028 m2 i 4 4 管程流體流速： Vs Ui = 一 S 1.28 997.5 X 0.002=0.5 m/s diUi p 0.02 X997.5 X0.5 a - 0.8007 x 130 =12458 Pr= Cp2_ 入一 4.174 X ftx 0.8007 4310 0.6176 =5.411 =0.023, Re0.8Pri0.4 =0.023 X 0.6176 0.02 ><12458)0.8 X 5.41^4=2637 W?(m2. C) 4.1.2計(jì)算殼程對流傳熱系數(shù)？? 換熱器中心附近

32、管排中流體流通截面積為: S0=BD (1 - =0.15 X 0.3251 X 0.025 0.032) =0.01 m2 由正三角形排列得: 4(濟(jì)2-4Cd0) 4X(第 X 0.032-344X0.025) T0 3.14 X 0.025 =0.02 m VS 1.754 U0=S； = 836^：0i0.21 m?s deUo P 0.02 X 012X 836.6 Reo= e-^= 3— =9222 % 0.381 x 10 1.828 義 f(X 0.381 X310 0.14 0.151 =4.612 入_CUJ 1 禮 00=0.3

33、61 Re0.55Pro3( 一) 0.151 1 0 =0.36 X0-02- X 922255 X 4.6便X 1=685.W?( m2 . C) 4.1.3傳熱系數(shù)K0 因?yàn)楸綖橛袡C(jī)物，管子材料選用不銹鋼，取其導(dǎo)熱系數(shù)為 兒=45W?m2C,總 傳熱系數(shù)K0為: K0=彳 00 e+Rsidr 喙+ do 1 685^+0.00017+0.000344 0.025 0.0025 X 0.025 0.025 0.020+ 45X0.0225 + 2637 X0.02 =391.2W?(m2. C) 4.1.4傳熱面積 Q 80158 9 S= K0

34、?tm = 391.2 X 17.0512.0m 實(shí)際傳熱面積 S0=n：tdL= (36- 7) X3.14 X0.0256- 0.06) =13.5m2 該換熱器的面積裕度為 H= S0 - -S X 100%= 13.5-12.0 12.0 X 100%=12.5% 由前面計(jì)算可知，該型號換熱器，總傳熱系數(shù)為 391.2W/m2C,在傳熱任務(wù)所規(guī) 定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出的 S0為13.5m2其面積裕度為12.5%,故所選擇的換熱器是 合適，能夠完成生產(chǎn)任務(wù) 4.2核算壓強(qiáng)降 4.2.1 計(jì)算管程壓強(qiáng)降 三？P=(?P1+?P2)FtNPNs 前面已算出：

35、ui=0.5m?s Ft=1.4 NS=1 NP=4 由Re=16810，傳熱管相對粗糙度0.01/20=0.005,查莫狄圖得 壇0.030,所以: ?P產(chǎn)入 l.2 9了 995.7 X 6x0.5 =0.030 X =1120.2Pa 0.02 X2 ?P2=3 995.7 X 025 =3X =373.4Pa 2 i=(?P20.2+373.4) X 1.4 X4X 1=8364.16Ppa 4.2.2 計(jì)算殼程壓強(qiáng)降 E?P0=(?Pi+?P2)FtNs 其中 Fs=1.15,NS=1 管子為正三角形排列，取F=0.5 ?P1 = Fsf0

36、nc(NB+1)( f0=5.0 X 9222228=0.623 八 . p 2 ?P 產(chǎn)Ffnc(NB+1). o 836.6 X 0.21 =0.5 X 50229227(39+1) 2 =1608.9Pa 2h pg ?P 2=Nb(3.5- D)T _ 2X0.15836.6 X04 _ 0.325， 2 E P=(?P 1+?P 2) FtNs=(1608.9+1853.9)X 115X 1=3982.2PaK)5Pa 由上面計(jì)算可知，該換熱器管程與殼程的壓強(qiáng)均滿足題目要求，故所選換熱器合 適。 5設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 項(xiàng) 目 管程（循環(huán)水） 殼程（苯）

37、 流量，Kg /s 1.280 1.754 溫度，C （進(jìn)/出） 25/40 70/45 物 性 定性溫度，c 35.5 57.5 密度，Kg /m3 995.7 836.6 比熱，KJ/kgC 4.174 1.828 粘度，Pa s 0.8007 X0-3 0.318 10-3 導(dǎo)熱系數(shù)，KJ/m C 0.6176 0.151 普蘭特?cái)?shù) 5.411 4.612 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 殼體內(nèi)徑，mm 325 臺數(shù) 1 管徑mm ① 25 >2.5 殼程數(shù) 1 管長，m 6 管心距，mm 32 36 管子排列

38、 正三角形排列 傳熱回積，m 13.5 折流板數(shù) 39 管程數(shù) 4 折流板距，m 0.15 材質(zhì) 碳鋼管 主要計(jì)算結(jié)果 田 殼程 流速，m/s 0.5 0.21 污垢熱阻,（m2 -C）/W 3.4 X04 1.7 104 壓力降Pa 8364.16 3982.2 6設(shè)計(jì)評述 通過本次課程設(shè)計(jì)，我對換熱器的結(jié)構(gòu)、性能都有了一定的了解，同時(shí)，在設(shè)計(jì) 過程中，我也掌握了一定的工藝計(jì)算方法。 換熱器是化工廠中重要的化工設(shè)備之一，而且種類繁多，特點(diǎn)不一，因此，選擇 合適的換熱器是相當(dāng)重要的。在本次設(shè)計(jì)中，我發(fā)現(xiàn)進(jìn)行換熱器的選擇和設(shè)計(jì)是要通 過反復(fù)計(jì)算

39、，對各項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行比較后，從中確定出比較合適的或最優(yōu)的設(shè)計(jì)，為此， 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮很多方面的因素。首先要滿足傳熱的要求，本次設(shè)計(jì)時(shí)，由于初設(shè) 的不 合適， 使規(guī)定條件下的計(jì)算結(jié)果與初設(shè)值的比值不在要求范圍內(nèi)， 因此， 經(jīng)過多次計(jì) 算，才選擇到合適的宓值為600W/ （m2 -C）o其次，在滿足工藝條件的前提下選擇合 適的換熱器類型，通過分析操作要求及計(jì)算，本次設(shè)計(jì)選用換熱器為上述計(jì)算結(jié)果。 再次， 從壓強(qiáng)降來看， 管程約為 8364.16Pa， 殼程約為 3982.2Pa， 都低于要求值 （105P a） ，因此，可適當(dāng)加大流速，從而加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的 可能

40、性，即降低污垢熱阻，然而，流速增加，流動(dòng)阻力也會(huì)隨之增大，動(dòng)力消耗就增 多，因此，作出經(jīng)濟(jì)衡算在確定流速時(shí)是相當(dāng)重要的。此外，其他因素（如加熱和冷 卻介質(zhì)用量，換熱器的檢修和操作等） ，在設(shè)計(jì)時(shí)也是不可忽略的。根據(jù)操作要求， 在檢修和操作方面， 固定管板式換熱器由于兩端管板和殼體連接成一體， 因此不便于 清洗和檢修。 本次設(shè)計(jì)中，在滿足傳熱要求的前提下，考慮了其他各項(xiàng)問題，但它們之間是 相互矛盾的。 如： 若設(shè)計(jì)換熱器的總傳熱系數(shù)較大， 將導(dǎo)致流體通過換熱器的壓強(qiáng)降 （阻力）增大，相應(yīng)地增加了動(dòng)力費(fèi)用；若增加換熱器的表面積，可能使總傳熱系數(shù) 或壓強(qiáng)降減小，但卻又受到換熱器所能允

41、許的尺寸限制，且換熱器的造價(jià)也提高了。 因此，只能綜合考慮來選擇相對合適的換熱器。 然而在本次設(shè)計(jì)中由于經(jīng)驗(yàn)不足，知識有限，還是存在著很多問題。比如在設(shè) 計(jì)中未考慮對成本進(jìn)行核算， 僅在滿足操作要求下進(jìn)行設(shè)計(jì)， 在經(jīng)濟(jì)上是否合理還有 待分析?？傊?，通過本次設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)自己需要繼續(xù)學(xué)習(xí)的知識還很多，我將會(huì)認(rèn)真 請教老師，不斷提高自己的知識水平，擴(kuò)展自己的知識面。 7 參考文獻(xiàn) [1]夏清 賈紹義.化工原理第二版（上冊）[M].天津：天津大學(xué)出版社. [2] 馬江權(quán) 冷一欣．化工原理課程設(shè)計(jì) （第二版 ）[M ] .北京：中國石化出版社 . [3] 錢頌文．換熱器設(shè)計(jì)手冊 .

42、[4]劉光啟， 馬連湘 ,劉杰 .《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊 （有機(jī)卷） 》 [M] . 化學(xué)工業(yè)出版社， 2002. [5] 華南化工學(xué)院化工原理教研組 .《化工過程及設(shè)備手冊》 [M ] . 華南化工學(xué)院出版社， 1986. [6] 潘紅良 .化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì) [M] .華南理工大學(xué)出版社， 2006. 8附錄 8.1 經(jīng)驗(yàn)公式 1 .管程對流傳熱系數(shù)i ,可用迪特斯和貝爾特關(guān)聯(lián)式 6=0.023 2 Re0.8Pri0.3 di 2 .殼程對流傳熱系數(shù),可用關(guān)聯(lián)式計(jì)算 X 0 55 1 仙 0=0x36 Re0.55Pri3(一) di w 3 .管程壓強(qiáng)降可用

43、 E?p?=(?P1+?P2)FtNpNs 4 .殼程壓強(qiáng)降可用埃索法 ■ ?R=(?Pi+?P2)FtN 8.2 符號說明 Wh——熱流體質(zhì)量流量，Kg/s Wc——冷流體質(zhì)量流量，Kg/s ； qv 體積流量，m3/s； CPh——熱流體定壓比熱容 KJ/KgC； Cpc——冷流體定壓比熱容，KJ/Kg C ； A T 熱流體進(jìn)出口溫差，C ； At --冷流體進(jìn)出口溫差，c； A t 高溫端溫差，℃ ； A 2 低溫端溫差，c ； Qt 熱負(fù)荷，Kw ; — 熱損失； A m 對數(shù)平均傳熱溫差， c ； A m 平均傳熱溫差，c ; P、R——因數(shù)；

44、溫度校正系數(shù)； K—— 總傳熱系數(shù)， W/m2℃； A—— 估算傳熱面積， m2； A—— 傳熱面積， m2； - 管徑，mm； di —— 管內(nèi)徑， mm； do—— 管外徑， mm； ui —— 管內(nèi)流速， m/s； ns—— 單程傳熱管數(shù)； L—— 單程管長， m； l —— 傳熱管長， m； — 圓周率； NP—— 管程數(shù)； N —— 傳熱管總根數(shù)； a—— 管心距， mm； nc—— 橫過管束中心線的管數(shù)； — 一管板利用率； D—— 殼體內(nèi)徑， mm ； dl—— 殼程接管內(nèi)徑， mm； d2—— 管程接管內(nèi)徑， mm； h—— 圓缺高度，

45、mm； B—— 折流板間， ； NB —— 折流板數(shù)目； oi 管程對流傳熱系數(shù)，W/m2「C ； oo 殼程對流傳熱系數(shù)，W/m2- C ； Si —— 管程流通截面積， m2； S0—— 殼程流通截面積， m2； Re—— 雷諾準(zhǔn)數(shù)； Pr—— 普朗特準(zhǔn)數(shù)； — —-摩爾摩擦系數(shù)，W/m2?C — 粘度,Pa , ;s de—— 當(dāng)量直徑， m； Rs——污垢熱阻，（m2：C） /W; b—— 管壁厚度， m； A P 壓差，Pa； Ns—— 串聯(lián)的殼程數(shù)； Ft—— 結(jié)構(gòu)校正系數(shù)； — 密度 Kg/m2 Fs—— 殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢校正系數(shù)； f o—

46、— 殼程流體的摩擦系數(shù)； F—— 校正系數(shù)； e / d―flM粗糙度； 致謝 課程設(shè)計(jì)完成之際，我要向我的指導(dǎo)老師馮敏老師及教我們化工原理課程的佟永 純老師致以誠摯的謝意！無論是在學(xué)術(shù)上，還是在論文的撰寫過程中，佟老師都給了 我們莫大的幫助。而馮老師從選題指導(dǎo)、論文框架到細(xì)節(jié)修改，都給予了細(xì)致的指導(dǎo)， 提出了很多寶貴的建議，馮老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè) 業(yè)、孜孜不倦的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對我們產(chǎn)生重要影響。 同時(shí)，我們要感謝化學(xué)化工學(xué)院的各位老師， 是他們教給我們豐富的理論知識和 做人的道理。我們也要感謝我的母校一 河西學(xué)院，是它為我們提供了良好的學(xué)習(xí)的 環(huán)境和生活環(huán)境，讓我們的大學(xué)生活豐富多彩。 答辯記錄與綜合成績評定表 答辯記錄: 記錄人： 年 月 日 成績評定： 學(xué)號 姓名 說明書成績 40% 圖紙成績 20% 答辯成績 40% 總評成績 指導(dǎo)教師: