甲苯加热器的设计(浮头列管式)

精品文档 1欢迎下载 摘摘 要要 换热器是目前许多工业部门广泛应用的通用工艺设备 其结构简单 制造方 便 在相同的管数情况下其壳体内径最小 管程分程方便 此次设计是根据甲苯 加热过程相关技术要求为依据 以安全生产和经济效益为考量标准 根据要求 选定浮头式列管换热器 经过计算选用的换热器的公称直径为 700 mm 管数为 292 根 管程为 4 公称面积为 135 m2 初选总传热系数 2 750KWm K A 经过计算得到实际总传热系数 经过面积核算 壁温检验 2 0 860 KWm K A 压降验算等方法 可以发现 所选用的换热器符合生产要求 能够完成任务 关键词关键词 浮头式换热器 工艺计算 对流传热系数 壁温校核 压强降 精品文档 2欢迎下载 目目 录录 1 1 问题重述问题重述 4 4 1 1 设计题目 4 1 2 基础数据 4 1 2 1 处理能力 4 1 2 2 设备型式 4 1 2 3 操作条件 4 1 3 设计范围 5 2 2 问题背景问题背景 5 5 3 3 初选换热器的类型初选换热器的类型 5 5 3 1 确定流体通入的空间 5 3 2 换热器类型的选择 6 4 4 换热器的工艺计算换热器的工艺计算 7 7 4 1 基本物性数据 7 4 2 热负荷的计算 7 4 3 平均温度差 8 4 4 估算传热面积 8 4 5 试选换热器型号 8 4 6 换热器其他附件计算 9 4 6 1 折流挡板的计算 9 4 6 2 管束中心线的管数计算 9 5 5 换热器核算换热器核算 1010 5 1 管程对流传热系数 10 精品文档 3欢迎下载 5 2 壳程对流传热系数 一 10 5 3 总对流传热系数 一 11 5 4 壁温校核 一 13 5 5 壳程对流传热系数 二 13 5 6 总程对流传热系数 二 14 5 7 壁温校核 二 14 5 8 核算管压降 15 5 8 1 管程压强降 15 5 8 2 直管压强降 15 5 8 3 回弯管的压强降 15 5 8 4 壳程压强降 16 6 6 换热器的主要结构尺寸和工艺设计换热器的主要结构尺寸和工艺设计 1616 7 7 设计结果评价设计结果评价 1717 8 8 结束语结束语 1818 9 9 参考文献参考文献 2020 1010 附表附表 2020 10 1 水的物性数据 20 10 2 水蒸汽的物性数据 21 10 3 绝对粗糙度数据 21 10 4 列管换热器内常用的流速范围 22 精品文档 4欢迎下载 甲苯加热器的设计甲苯加热器的设计 精品文档 5欢迎下载 1 1 问题重述问题重述 1 11 1 设计题目设计题目 甲苯加热器的设计 1 21 2 基础数据基础数据 1 2 11 2 1 处理能力处理能力 流量为的甲苯 4 9 10 kg h 1 2 21 2 2 设备型式设备型式 卧式列管换热器 1 2 31 2 3 操作条件操作条件 1 2 3 1 甲苯 入口温度 为 20 出口温度为 100 1 t 2 t 1 2 3 2 加热介质 200 Kpa 绝压的饱和水蒸气 冷凝液在饱和温度下排出 1 2 3 3 允许压强降 要求换热器的管程压强降小于 70 kpa 1 2 3 4 物性数据 甲苯在定性温度下的物性数据如下 表 1 甲苯定性温度下的物性数据 精品文档 6欢迎下载 物理量密度 3 kg m 黏度 Pa s A 比热容 p C g kJk A 导热系数 m WA 数据830 3 0 4 10 1 820 127 1 31 3 设计范围设计范围 1 选择适宜的列管式换热器并进行核算 2 确定列管式换热器结构及工艺尺寸 2 2 问题背景问题背景 列管式换热器是化工生产中常用的一种换热设备 结构简单 适应性强 单位体积所具有的传热面积大并传热效果好 而且种类多 型号全 1 它主要 由壳体 管板 换热管 封头 折流挡板等组成 所需材质 可分别采用普通 碳钢 紫铜 或不锈钢制作 在进行换热时 一种流体由封头的连结管处进入 在管流动 从封头另一端的出口管流出 这称之管程 另 种流体由壳体的接管 进入 从壳体上的另一接管处流出 这称为壳程列管式换热器 列管式换热器 是在工业生产中应用非常广泛 尤其是在高温 高压和大型换热设备中的应用 因此掌握它的设计计算 对于强化传热过程 了解工业换热设备 有着很重要 的意义 本设计为甲苯加热的换热器 通过相关数据的核算 选择合适的换热器装 置 并确定此换热器的结构和工艺尺寸 3 3 初选换热器的类型初选换热器的类型 3 13 1 确定流体通入的空间确定流体通入的空间 在列管式换热器中 哪一种流体流经管程 哪一种流经壳程 取决于多种 因素 主要从以下三个方面考虑 精品文档 7欢迎下载 1 传热效果 1 黏度大的流体货流量小的流体 宜在管间流过 2 待冷却的流体走壳程好 便于散热 3 两流体温差较大时 宜将对流传热系数大的流体走壳程 以减小 管壁与壳体的温差 减小热应力 2 设备结构 1 高压的流体 腐蚀性的流体宜在管内流过 这样 管子采用耐高压或耐 腐蚀的材料 壳体采用一般材料 2 有毒的气体宜走管内 防止泄露直接进入大气 3 清洗方便 1 不洁净或易结垢的流体宜在管内流过 以便于清洗管子 2 饱和蒸汽一般通入壳程 以便于及时排出冷凝液 且蒸汽较洁净 壳程不必清洗 根据以上选择原则 结合具体情况 为使水蒸汽的冷凝液及时排出 且减 少壳程不必要的清洗次数 因此 选择水蒸汽走壳程 甲苯走管程 3 23 2 换热器类型的选择换热器类型的选择 两流体的温度变化情况如下 1 甲苯 入口温度 20 出口温度 100 1 t 2 t 2 饱和水蒸汽 入口温度 出口温度 120 2 12 TT 因此 甲苯的平均温度为 12 60 2 m tt t 饱和水蒸汽的平均温度为 精品文档 8欢迎下载 12 120 2 2 m TT T 两流体的温度差为 120 26060 250 mm tTt 因此 此次设计采用浮头式列管换热器 基本结构如如下图所示 图 1 浮头式换热器 其主要优点是管束可以拉出 以便清洗 管束的膨胀不变壳体约束 因而 当两种换热器介质的温差大时 不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温 差应力 4 4 换热器的工艺计算换热器的工艺计算 4 14 1 基本物性数据基本物性数据 定性温度 对于一般气体和水等低黏度流体 其定性温度可取流体进出口 温度的平均值 管程流体 甲苯 的定性温度为 12 60 2 m tt t 壳程流体 水蒸汽 的定性温度为 12 120 2 2 m TT T 精品文档 9欢迎下载 在定性温度下 管程流体甲苯的有关物性数据见表 1 壳程流体水蒸汽如 下 表 2 饱和水蒸汽的部分物性数据 绝压 200kPa 物理量物理量温温 度度 蒸汽密度 蒸汽密度 3 kg m 比汽化焓 比汽化焓 kJ kg 数数 据据 120 21 127 3 2205 10 4 24 2 热负荷的计算热负荷的计算 热负荷的计算 不计热损失 4 36 1121 9 10 1 82 10 10020 3 64 10 3600 mp Qq cttW 式中 热负荷 Q 甲苯的质量流量 1m q 甲苯的比热容 1p c 甲苯的入口与出口温度 1 t 2 t 4 34 3 平均温度差平均温度差 因为壳程中水蒸汽的温度不变 采用并流和逆流的平均温度差是相同的 采用逆流方式 甲苯 20100 水蒸汽 120 2120 2 因此 精品文档 10欢迎下载 211 120 220100 2tTt 122 120 2 10020 2tTt 平均温度差为 12 1 2 100 220 2 49 95 100 2 lnln 20 2 m tt t t t 4 44 4 估算传热面积估算传热面积 结合表 2 5 与表 4 7 2 轻质有机物的总传热系数 K 值的范围为 580 1190 选总传热系数 2 Wm KA 2 750KWm K A 6 2 3 64 10 97 2 750 49 95 m A t Q m K 4 54 5 试选换热器型号试选换热器型号 选传热管 内径为 外径为 材料252 5mmmm 0 02 i dm 0 025 o dm 为碳钢 选取公称直径 公称面积为 管长为 管数700Dmm 2 135Am 6Lm 为 292 根 管程为 4 的 FB系列的浮头式换热器 因此 每管程的管数 根 管的中心距为 正方形错列 如下图所示 292 73 44 N n 32tnm 精品文档 11欢迎下载 图 2 正方形错列的管子排列方式示意图 此时 实际面积为 2 0 0 1 292 3 14 0 025 60 1 135 2 o dLmAn 因此 0 135 297 2 100 100 39 97 2 AA A 4 64 6 换热器其他附件计算换热器其他附件计算 4 6 14 6 1 折流挡板的计算折流挡板的计算 折流挡板的主要作用是引导壳程流体反复的改变方向 以加大壳程流体 流速和湍动速度 致使壳程对流传热系数提高 折流板间距 0 30 3 700210hDmm 折流板数 块 6 1129 0 2 B L N h 采用弓形折流板 取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25 则切去的圆 缺高度为 0 250 25 700175HDmm 精品文档 12欢迎下载 4 6 24 6 2 管束中心线的管数计算管束中心线的管数计算 横过管束中心线的管数为 根1 191 1929220 321 C nn 5 5 换热器核算换热器核算 5 15 1 管程对流传热系数管程对流传热系数 管内甲苯的流速 4 1 2 2 3600 9 10 3600 830 1 3 0 785 0 0273 4 mi i i q um s d n 雷诺数为 4 3 0 02 1 3 830 Re5 4 10 0 4 10 iii i i d u 普朗特数为 3 1 3 1 82 100 4 10 Pr5 73 0 127 i i i p c 由上面数据可知 44 Re5 4 1010 i 0 7Pr5 73120 i 所以 符合下式 30060 i L d 2 i mPa s A 0 8 0 023RePr n i iii i d 甲苯是被加热的 因此 取 则0 4n 0 80 440 80 24 0 127 0 023RePr0 023 5 4 10 5 73 1793 0 0 2 i iii i d WmK A 另外 可以求得管程流体流通截面积 S 为 222 3 14 0 02730 023 i Sd nm 精品文档 13欢迎下载 5 25 2 壳程对流传热系数 一 壳程对流传热系数 一 首先需要假设壁温 根据相关知识 壁温应接近对流传热系数大的流体温 度 故可假设壁温为 此时 100 w t 120 2 10020 2 sw ttt 式中 为饱和蒸汽的温度 s t 定性温度为 120 2 100 110 1 22 sw tt t 在定性温度下 根据相关数据 2 利用插值法得到蒸汽和冷凝液的部分物 性数据如下 表 3 蒸汽和冷凝液的部分物性数据 110 1t 物理量比汽化热 蒸 汽 r J kg 水的密度 o 3 kg m 水的热导率 o m WA 水的黏度 o Pa s A 数据 6 2 2316 10 9510 685 4 2 59 10 假设蒸汽在水平管外冷凝 采用下面的公式 123 4 23 0 725 o o Coo gr ndt 式中 为横过管束中心线的管数 在 4 6 中已求出 特征尺寸取外径 C n o d 代入相关数据 解得 精品文档 14欢迎下载 1123236 44 22 2 3 4 3 9519 8 0 6852 2316 10 0 725 0 725 6481 212 59 10 0 025 20 2 o o Coo gr nt W d m K A 5 35 3 总对流传热系数 一 总对流传热系数 一 下表为部分流体的污垢热阻的经验值 结合表 2 6 和表 4 6 2 选取甲苯 的污垢热阻为 水蒸汽的污垢热阻为 42 1 72 10 Si RmK W A 42 0 86 10 So RmK W A 碳钢的热导率选为 45 Wm K A 表 4 部分流体污垢热阻经验值 单位 2 mK WA 精品文档 15欢迎下载 总传热系数的求取采用下面的公式 0 11 ooo SS ii o mo o i bddd RR Kddd 其中 为管壁外径与内径的平均直径 以对数平均值表示 m d 2520 22 4 25 lnln 20 oi m o i dd dmm d d 因此 0 2 44 1 1 1 824 10 0025 252525 0 86 101 72 10 648145 22 4201793 20 ooo SoSo o m miii K bddd RRd ddd Wm K A 下面进行换热器的安全系数计算 0 824750 100 100 9 9 880 KK P K 安全系数 P 不符合 10 25 的安全范围 精品文档 16欢迎下载 5 45 4 壁温校核 一 壁温校核 一 下面对假设的壁温进行验算 看是否符合计算结果 使用下面的100 w t 公式 0 111 mwwmm SoSi oi Ttttt RR K 代入相关数据 可以求出的值 利用 可以求出 w t 0 11 o mwm So Ttt R K 利用 可以求出 与假设壁温110 3 wo t 0 11 i wmm Si ttt R K 90 0 wi t 相差较大 假设不成立 采用公式 也存在100 w t ooo QtNdALt 较大误差 所以重新假设壁温计算总传热系数 5 55 5 壳程对流传热系数 二 壳程对流传热系数 二 重新假设壁温 此次使壁温更加接近与水蒸汽的温度 因此 设壁温为 从而可以得出 温差为116 w t 120 2 1144 2 sw ttt 定性温度为 116 120 2 118 1 22 sw tt t 此温度下 冷凝液的物性数据如下 表 5 水的部分物性数据 118 物理量物理量密度密度 o 3 kg m 热导率热导率 o m WA 黏度黏度 o Pa s A 数据数据944 70 6858 4 2 42 10 精品文档 17欢迎下载 表中数据是根据 110 和 120 相关数据利用插值法得到 同样的方法可 以得到此温度下饱和蒸汽的比汽化焓 6 2 2105 10 rJ kg 根据以上数据和蒸汽在水平管外冷凝的对流传热系数公式 可以求得 112 2 3236 44 22 3 4 3 944 79 8 0 68582 2105 10 0 725 0 725 9715 212 42 100 025 4 2 o o CoSo gr nR Wm t K A 5 65 6 总程对流传热系数 二 总程对流传热系数 二 5 3 中选取的相关污垢热阻 在这里同样可以使用 即选取甲苯的污垢热 阻为 水蒸汽的污垢热阻为 42 1 72 10 Si RmK W A 42 0 86 10 So RmK W A 碳钢的热导率选为 45 Wm K A 0 2 44 1 1 1 860 10 0025 252525 0 86 101 72 10 971545 22 4201793 20 ooo SoSo o m miii K bddd RRd ddd Wm K A 下面进行换热器的安全系数计算 0 860750 100 100 14 7 750 KK P K 安全系数 P 符合 10 25 的安全范围 5 75 7 壁温校核 二 壁温校核 二 1 根据以下公式进行检验壁温 ooo QtNdALt 因此 传热面积为 2 3 14 0 025 6 292137 5 o ALNdm 精品文档 18欢迎下载 因此 可以求得 6 2 7 9715 3 14 0 025 6 29 3 64 10 2 oo LN Q t d 所以 120 22 7117 5 ws ttt 与假设的壁温基本相同 假设正确 2 利用另一种检验方法 公式与 5 4 中相同 即 0 11 o mwm So Ttt R K 代入相关数据 解得 112 w t 与假设的壁温相差不大 可以认为在误差允许的范围之内 符合条件 5 85 8 核算管压降核算管压降 5 8 15 8 1 管程压强降管程压强降 对于多程列管换热器 管程压强降的计算式为 12 itsP ppp FN N 式中 分别为直管和回弯管中摩擦阻力引起的压强降 1 p 2 p Pa 结垢校正因子 无因次 对于的管子取值为 t F252 5mmmm 1 4 对于的管子取值为 1 5 192mmmm 管程数 s N 串联的壳程数 P N 精品文档 19欢迎下载 5 8 25 8 2 直管压强降直管压强降 由前面可知 因此流体的流态为湍流 选取碳钢的绝对粗糙Re4000 i 度为 3 则其相对粗糙度可以求得 结合图 1 0 15mm 0 15 0 0075 20 i d 28 可以得出摩擦系数为 因此 直管压强降为0 035 22 1 6830 1 3 0 0357364 20 022 ii o uL PPa d 5 8 35 8 3 回弯管的压强降回弯管的压强降 回弯管的压强降采用如下的经验公式 2 2 3 2 iiu P 代入相关数据 解得 22 2 830 1 3 3 3 2104 22 iiu PPa 因此 管程压强降为 12 73642104 1 4 4 153 itsP ppp FN NkPa 5 8 45 8 4 壳程压强降壳程压强降 壳程中是水蒸汽 压强降可按流体沿直管流动的的压强降计算 但是要用 当量直径代替内径 计算方法可以采用克恩法等 根据相关知识可知 水蒸汽 的压强降是比较小的 可以忽略不计 所以 流体流经换热器因流动阻力所引起的压强降为 5370 i ppkPakPa 符合压强降条件 换热器选择能够满足需求 精品文档 20欢迎下载 6 6 换热器的主要结构尺寸和工艺设计换热器的主要结构尺寸和工艺设计 根据设计要求 通过利用换热器设计相关知识对数据进行了运算和检验 从而得到了满足要求的浮头式列管换热器 换热器的结构尺寸 工艺设计以及 计算结果如下表所示 表 6 1 换热器的主要结构尺寸和工艺设计 换热器型式 浮头式列管换热器 换热器面积 135 公称面积 97 2 估算面积 2 m 工 艺 参 数 项 目管程壳程 物料名称甲苯水蒸汽 操作压力kPa无200 kPa 绝压 操作温度 入口 出口 20 100120 2 120 2 流量 kg h 4 9 10 5940 流体密度 3 kg m8301 127 流速 m s1 3未计算 传热量W 6 3 64 10 总传热系数 2 Wm KA860 对流传热系数 2 Wm KA17939715 污垢系数 2 mK WA 4 1 72 10 4 0 86 10 精品文档 21欢迎下载 压强降kPa53kPa忽略不计 程 数41 使用材料碳 钢 管子规格252 5mmmm 管数292 管心距mm32排列方式正方形错列 壳体内径mm700折流挡板型式弓形 折流板数29挡板间距mm210 表 6 2 换热器的主要结构尺寸和工艺设计 项 目数 据项 目数据 壳径 Dmm700管尺寸mm252 5mmmm 管程数 s N4壳程数 P N1 管 数 n292管排列方式正方形错列 中心排管数 C n21管心距32mm 管程流通面积 2 m 0 023传热面积 A 2 m 137 5 精品文档 22欢迎下载 7 7 设计结果评价设计结果评价 1 通过分析计算 选取浮头式列管换热器进行数据处理 通过分析得到 而 因此安全系数为 2 0 860 KWmK A 2 750KWm K A 符合安全系数范围 符合要求 0 860750 100 100 14 7 750 KK P K 流体流经换热器的压强降为 小于要求值 另外 本53PkPa 0 70PkPa 设计通过对面积校核 壁温校核等计算可知均满足要求 完全满足生产任务 设计的换热器较为合理 2 通过分析浮头式换热器管程和壳程传热与阻力性能特点 采用能量系 数来评价强化传热 以利于提高其换热性能 0 KP 本设计中 2 0 860 KWmK A53PkPa 3 0 860 53 10 0 0162KP 满足要求 性能良好 3 效益评价 生命周期方法是一种针对产品或生产工艺对环境影响进行 评价的过程 4 它通过对能量和物质消耗以及由此造成的废弃物排放进行辨识和 量化 来评估能量和物质利用对环境的影响 以寻求对产品或工艺改善的途径 这种评价贯穿于产品生产 工艺活动的整个生命周期 包括原材料的开采和加工 产品制造 运输 销售 产品使用与再利用 维护 再循环及最终处置 本设 计中使用水作加热介质 无污染 耗资少 无有害气体产生 整个过程简单 易操作 环境和经济效益良好 并且甲苯流速不是很高 有效地保证了操作的 安全性 4 本设计中面积 总传热系数 压强降等均有比较好的裕度保证 即使 生产使用中出现比较大的误差 设备结构也能保证不出现大的安全损伤的事故 具有良好可靠的安全保证 精品文档 23欢迎下载 8 8 结束语结束语 化工原理课程设计是培养个人综合运用化工课程相关知识及有关选修课程 的基本知识去解决设计任务的一次训练 既深化了学生的理论知识 又锻炼了 学生利用所学知识解决实际生产任务 而且也在一定程度上培养了学生独立思 考 独立工作能力 在换热器的设计过程中 我完全独立地完成了此次设计任务 所学的理论知 识在运用于实际的过程中得到了加深和强化 自己的独立思考和理论联系实际 的能力得到了提升 主要有以下几点 1 掌握了查阅资料 选用公式和搜集数据的能力 并且锻炼了自己在较短 时间内学习和领悟新知识的能力 培养了迅速准确地进行工程计算的能力 2 树立了既考虑技术上的先进性与可行性 又考虑经济上的合理性 并注 意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想 在这种设计思想的指导下 去分析和解决实际问题的能力 3 学会了用简洁的文字 清晰的图表来表达自己设计思想的能力 锻炼了 自己在论文写作方面的能力 精品文档 24欢迎下载 精品文档 25欢迎下载 9 9 参考文献参考文献 1 吕利霞 列管式换热器的设计 J 内蒙古石油化工 2001 27 136 137 2 王志魁 化工原理 M 北京 化学工业出版社 2009 165 3 陈凤 余汉成 孙在蓉 管道内壁粗糙度的确定 J 天然气与石油 2007 25 6 9 11 4 朱晓峰 生命周期方法论 J 科学学研究 2004 22 6 566 571 1010 附表附表 10 110 1 水的物性数据水的物性数据 表 7 水的部分物性数据 温度 t 密度 kg m 比热容 cp kJ kg K 热导率 W m K 动力黏度 Pa s 普朗特数