化工設(shè)計(jì)換熱器 設(shè)計(jì)

目錄:化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 0概述 1設(shè)計(jì)方案 2設(shè)計(jì)條件及主要物性參數(shù) 2工藝設(shè)計(jì)計(jì)算 3設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 9設(shè)計(jì)自我評(píng)述 10參考資料 11主要符號(hào) 12附錄 13概述換熱器是化學(xué)、石油化學(xué)及石油煉制工業(yè)中以及其他一些行業(yè)中廣泛使用的熱量交換設(shè)備，它不僅可以單獨(dú)作為加熱器、冷卻器等使用，而且是一些化工單元操作的重要附屬設(shè)備，通常在化工廠的建設(shè)中換熱器的投資比例為11%，在煉油廠中高達(dá)44%。 由于工業(yè)生產(chǎn)中所用換熱器的目的和要求各不相同，換熱設(shè)備的類型也多種多樣。按換熱設(shè)備的傳熱方式劃分主要有直接接觸式、蓄熱式和間壁式三類。雖然直接接觸式和蓄熱式換熱設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易等特點(diǎn)，但由于在換熱過(guò)程中，有高溫流體和低溫流體相互混合或部分混合，使其在應(yīng)用上受到限制。因此工業(yè)上所用的換熱設(shè)備以間壁式換熱器居多。間壁式換熱器從結(jié)構(gòu)上大致可分為管式換熱器和板式換熱器。管式換熱器主要包括蛇管、套管和列管式換熱器；板式換熱器主要包括型板式、螺旋板式和板殼式換熱器。一般來(lái)說(shuō)，板式換熱器單位體積傳熱面較大。設(shè)備緊湊，材料耗量低，傳熱系數(shù)大，熱損失小。但承壓能力較差，處理量較小。且制造加工較復(fù)雜，成本較高。而管式換熱器雖然在傳熱性能和設(shè)備的緊湊性上不及板式換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造容易，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，性能可靠，適應(yīng)面廣等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)中，特別是列管式換熱器應(yīng)用最廣泛，而且設(shè)計(jì)資料和數(shù)據(jù)較為完善，技術(shù)上比較成熟。設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介(一)設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件該換熱器E0401利用從第一個(gè)反應(yīng)器R0401出來(lái)的完成部分變換反應(yīng)的高溫氣體（變化氣）對(duì)進(jìn)入反應(yīng)器前的未反應(yīng)氣體（爐氣）進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到降低產(chǎn)品氣體的溫度，同時(shí)加熱原料氣體至反應(yīng)溫度的目的。反應(yīng)用四個(gè)換熱器達(dá)到換熱目的。已知變化氣的流量為 202686.6Nm3/h壓力79.95bar 進(jìn)口溫度334 出口溫度 305 爐氣的流量為 202636.6Nm3/h 壓力 81.45bar 進(jìn)口溫度 250 出口溫度 275 試設(shè)計(jì)四臺(tái)列管換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù),四臺(tái)換熱器采用并聯(lián)方式.(二)確定設(shè)計(jì)方案1.選擇換熱器類型 兩流體溫度變化情況：變化氣 進(jìn)口溫度334 出口溫度305；爐氣 進(jìn)口溫度250 出口溫度275。初步確定浮頭管式換熱器。2.流程安排通過(guò)熱流量計(jì)算 變換氣大于爐氣 由于殼程氣體傳熱效果略差 所以變換氣走殼程 爐氣走管程(三)確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值殼程變換氣的定性溫度為 管程爐氣的定性溫度為殼程變換氣在319.5下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：(計(jì)算得) 密度 =27.55kg/ 定壓比熱容 =2.064266 kJ/(kgK) 熱導(dǎo)率 =0.099494W/(mK) 黏度 =0.0507Pas管程爐氣在262.5下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)： 密度 =27.46kg/ 定壓比熱容 =1.94122 kJ/(kgK) 熱導(dǎo)率 =0.066781 W/(mK) 黏度 =0.0731 Pas(四)估算傳熱面積1.熱流量 變換氣（殼程） =1396004kg/h=83569984.198856KJ/h=23213.9KW爐氣（管程）=1391100kg/h=67510791KJ/h=18753KW由于殼程流體分布不均 影響傳熱效果 熱流量計(jì)算取管程2.平均傳熱溫差 先按純逆流計(jì)算 =57（K）3.估算傳熱面積 查表氣-氣傳熱系數(shù)范圍10-35 W/(K) 取較大K值35 W/(K)則估算的傳熱面積 =9400（）(五)工藝結(jié)構(gòu)尺寸1.管徑和管內(nèi)流速 選用較高級(jí)冷拔傳熱管（不銹鋼），取管內(nèi)流速=25m/s2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)=1626（根）按單程管計(jì)算,所需的傳熱管長(zhǎng)度為=73.64 (m)按單程管程設(shè)計(jì),管過(guò)長(zhǎng)，選用多管程選取傳熱管長(zhǎng)=12m 則該換熱器的管程數(shù)為=6.13 取整數(shù) =7（管程）傳熱管總根數(shù) = 16267=11382（根）3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)按單殼程，多管程結(jié)構(gòu)，查圖得0.96平均傳熱溫差 （）由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼體流體流量較大，故取單殼程合適。4.傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用矩形排列傳熱管和管板連接方法采用焊接法 取管心距t=1.25，則t=1.2525=31.2532(mm)隔板中心到其最近一排管中心距離(mm)各程相鄰管的管心距為44mm.每程各有傳熱管1626根。5.殼體內(nèi)徑取管板利用率=0.7 則殼體內(nèi)徑為=4284.5(mm)按卷制殼體的進(jìn)級(jí)擋，可取D=4300mm.6.折流板由于是單殼程無(wú)需設(shè)置縱向折流板，橫向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)徑的25%，則切去的圓缺高度為h = 0.254300=1075（mm）故可取h=1080(mm)取折流板間距B=0.2DB=0.24300=860(mm) 可取B=900(mm)折流板數(shù)（塊）折流板圓缺面水平裝配，如下圖。7.其他附件殼程入口處應(yīng)設(shè)計(jì)防沖擋板8.接管 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為=25m/s(m)圓整后=850mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)氣體流速=28m/s (m)圓整后=800mm(六)換熱器核算1.熱流量核算(1)殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計(jì)算=0.020殼程流通截面積殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為(m/s)普朗特?cái)?shù)黏度校正1(2)管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)管程流體流通截面積管程流體流速普朗特?cái)?shù)(3)污垢熱阻和管壁熱阻管外側(cè)污垢熱阻 =0.0001K/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 =0.0002K/W管壁熱阻計(jì)算，不銹鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為18.49W/(mK)所以(4)傳熱系數(shù)=54.246(5)傳熱面積裕度該換熱器的實(shí)際傳熱面積A=該換熱器的面積裕度=69.64%該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù).2壁溫核算傳熱管平均壁溫=270.3殼體壁溫與傳熱管壁溫之差為=48.93換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 （1）管程流動(dòng)阻力 由Rei2566768，傳熱管相對(duì)粗糙度0.2/200.01，查莫狄圖得i0.04 W/mK， 流速ui14.68 m/s，i639.2 kg/m3，所以 =2758579.4（Pa）=206539.3（Pa）=8895355.8（Pa）（2）殼程阻力 Ns=1 Fs=1流體流經(jīng)管束的阻力 F=0.5=0.0527=22.5=39 =30317(Pa)流體流過(guò)折流板缺口的阻力 =111346(Pa)總阻力=141663(Pa)(七)換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)管程殼程流率 /(kg/h)13911001396004進(jìn)/出溫度/250/270334/305壓力/bar81.279.5物性定性溫度/262.5319.5密度/(kg/)27.4627.55定壓比熱容/kJ/(kgK)1.941222.064266黏度/Pas0.00007310.0000507熱導(dǎo)率/W/(mK)0.0667810.099494普朗特?cái)?shù)2.1251.052設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭臺(tái)數(shù)4殼體內(nèi)徑/mm4300殼程數(shù)1管徑/mm管心距/mm11管長(zhǎng)/mm12000管子排列組合管數(shù)目/根11382折流板數(shù)/個(gè)12傳熱面積/10722折流板間距/mm900管程數(shù)7材質(zhì)不銹鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/(m/S)24.99416.63表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/(K)17021457污垢熱阻/(K/W)0.00020.0001熱流量/Kw18753傳熱溫差/K54.7傳熱系數(shù)/W/(K)54.246裕度/%69.64%(八)設(shè)計(jì)自我評(píng)述通過(guò)自行設(shè)計(jì)工程中使用的換熱器,初步了解了換熱器設(shè)計(jì),以及復(fù)雜的工程計(jì)算.通過(guò)工程計(jì)算選取合適的尺寸等等,遠(yuǎn)比想象中困難的多.甚至感覺到時(shí)間緊迫,與手頭資料不全.平時(shí)要養(yǎng)成積攢重要資料的習(xí)慣.設(shè)計(jì)一臺(tái)符合規(guī)格,生產(chǎn)要求的換熱器所考慮的諸多事項(xiàng)通過(guò)大量的查找文獻(xiàn),捕捉數(shù)據(jù)過(guò)程,充分培養(yǎng)了我的自我學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考能力,進(jìn)一步加深了對(duì)化工設(shè)計(jì)和步驟的了解由于是初次設(shè)計(jì),時(shí)間緊湊,設(shè)計(jì)有諸多欠缺考慮之處,而面積裕度達(dá)到了60%+有很多不足之處.希望通過(guò)以后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐逐漸改善.(九)參考資料化工原理 上冊(cè).大連理工出版社化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)(第二版).化學(xué)工業(yè)出版社化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書 換熱器.化學(xué)工業(yè)出版社換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè).中國(guó)石化出版社(十)主要符號(hào)符號(hào)意義單位A傳熱面積B厚度m定壓比熱d直徑m管外徑mK傳熱系數(shù)l長(zhǎng)度mM質(zhì)量流率kg/sQ熱流密度R熱阻R半徑mT溫度K傳熱溫差K溫差修正系數(shù)-t時(shí)間s導(dǎo)熱系數(shù)傳熱效率-