化工原理课程设计

前言前言 热交换器是进行热量之间传递的通用工艺设备 被广泛应用于各 个工业部门 如化工 食品 电力 换热器分类方式多样 按照其工作原理可分为 直接接触式换热器 蓄能式换热器和间壁式换热器三大类 其中间壁式换热器用量最大 据 统计 这类换热器占总用量的99 间壁式换热器又可分为管壳式和 板壳式换热器两类 其中管壳式换热器使用量最大 以其在高温 高 压和其他大型的换热设备中性能良好 因此被广泛操作使用 管壳 式换热器类型也有多种 如 固定管板式换热器 浮头式换热器及 填料函式换热器 近年来尽管管壳式换热器倍受新型换热器的挑战 但由于管壳式 热交换器具结效率高 便于清洗拆卸 操作弹性大 应用材料广等 优点 管壳式换热器目前仍是化工 石油和石化行业中使用的主要类 型换热器 如何优化改造管壳式换热器 提高其换热效率 便于操 作 是现在换热器优化最关注的问题 本说明书目的是对有机物进 行冷却 通过对管路进行一系列设计 寻求一种较优的方法 2 目录 一 前 言 2 二 课题及工艺要 求 5 2 1 课题 5 2 2 工艺要求 5 三 选定设计方案 5 3 1 换热器类型选择 5 3 2 确定流动空间 5 3 3 流速的确定 5 四 确定物性数 据 6 五 计算总传热系 数 6 5 1 热流量 6 5 2 平均传热温差 6 5 3 冷却水的用量 7 5 4 总传热系数 7 3 六 计算传热面 积 8 七 工艺结构尺 寸 8 7 1 管径及管内流速 8 7 2 管程数和传热管数 8 7 3 平均传热温差校正及壳程数 9 7 4 传热管排列和分程方法 10 7 5 壳体内径 10 7 6 折流板 10 7 7 接管 11 八 换热器核 算 11 8 1 热流量核算 11 8 1 1 壳程对流传热系数 11 8 1 2 管程对流传热系数 12 8 1 3 污垢热阻 13 8 1 4 传热系数 13 8 1 5 传热面积 13 8 1 6 换热器内流体的流动阻力 14 九 换热器主要计算结果汇 表 15 4 十 主要符号说 明 17 十一 参考文献 20 二 课题及工艺要求课题及工艺要求 2 1 课题 管壳式换热器的设计选型 2 2 工艺要求 要求将温度为 90 的某液态有机物冷却到 70 此有机物 的流量为 10 5 s 现拟用温度为 t1 30 的冷水进行冷却 要求管壳式换热器管壳两侧的压降皆不应超过 0 1MPa 已 知有机物在特征温度下的物性数据如下 997kg m 0 6mPa s cp 2 22kj kg 0 16w m 5 三 三 选定设计方案选定设计方案 3 1 换热器类型的选择 液体有机物温度变化情况 90 70 管壳式换热器管壳两侧 的压降皆不超过 0 1MPa 因此 估计冷 热两流体的温差不大 压力不高 于是初步选定固定管板式换热器 3 2 确定流动空间 冷却水为防结垢走管程 液体有机物为便于散热走壳程 选用 25mm 2 5mm 的碳钢管 3 3 流速的确定 初设管程流速 ui 1m s 四 确定物性数据 冷却剂 河水 从 tm 10 及防止水中盐类析出为原则 选择出口 温度 t2 40 循环水的定性温度为 C352 3040 m t 液体有机物的定性温度为 Tm 80 2 7090 两流体的温差C50C453580 mm tT 两流体在定性温度下的物性数据如下 物 性 温度 t 密 kg m3 粘度 mPa s 比热容 cp kJ kg 导热系数 W m 6 流体 有机物 699970 62 220 16 冷却水 359940 7254 080 626 五 计算总传热系数 5 1 热流量 Q0 m0cp to 10 5 2 22 90 70 466 2kw 5 2 平均传热温差 并流时 Ct 603090 1 Ct 304070 2 C t t tt tm 3 43 30 60 ln 3060 ln 2 1 21 逆流时 Ct 504090 1 Ct 403070 2 C t t tt tm 44 8 40 50 ln 4050 ln 2 1 21 逆 选择逆流传热 5 3 冷却水的用量 hkgwi 41135 3040 08 4 3600 2 466 t tc Q 12pi 0 5 4 总传热系数 5 4 1 总传热系数的经验值见课本附录 选择时除要考虑流体的物 性和操作条件外 还应考虑换热器的类型 总传热系数的选择 高温流体低温流体 总传热系数 W m3 7 水 甲醇 氢 有机物 0 5mPa s 有机物 0 5mPa s 有机物 0 5 1 Pa s 有机物 0 5mPa s 气体 水 水 硫酸 四氯化碳 氯化氢气 冷却除 外 氯气 冷却除外 焙烧 SO2气体 氮 水 水 水 水 冷冻盐水 水 水 水 冷冻盐水 冷冻盐水 水 氯化钙溶液 盐水 水 水 水 水 1400 2840 1400 2840 430 850 220 570 280 710 28 430 12 280 570 1200 230 580 870 76 35 175 35 175 230 465 66 410 1160 5 4 2 根据管程走循环水 壳程走有机物 总传热系数根据管程走循环水 壳程走有机物 总传热系数K K现暂取 现暂取 CW m570 2 K 六 计算传热面积 2 3 m 0m26 18 8 44570 10 2 466 tK Q A 逆 面积裕度 15 A A0 1 15 21 2 m 根据A可以选择下述标准换热器 查附录得 排列方式 正三角 形 8 公称直 径 DN mm 公称压 力 PN MPa 管程数 N 管子根 数 n 中心排 管数 T N 管程流 通面积 m2 mm5 225 换热管 长度 L mm 管心距 mm 换热 面积 m2 4004294110 014845003232 5 七 工艺结构尺寸 7 1 管径及管内流速 选取 25X2 5mm 碳钢管 管内水流速 u 1m S 7 2 管程数和传热管数 根 37 6 36 102 0 785 0 3600994 41135 d 4 v n 2 2 i 按单管程计算时 所需传热管长为 7 23m 37025 0 14 3 21 d A 0 L s n 因此按单程设计 传热管过长 可以采用多管程设计 若换热管长 L 4 5 管程数为 NP 2 时 则 60 4 59 5 4025 0 14 3 21 d A n 0 s L 每程管数为 60 2 30 管内流速 0 6 6002 0 785 0 3600994 41135 d 4 v u 2 2 i i s n 7 3 平均传热温差校正及壳程数 9 平均传热温差校正系数 R 2 3040 7090 12 21 tt TT P P 17 3090 3040 o 根据如下温差校正系数图表 单壳程 得 0 98t 平均传热温差 m t t ct o m 904 438 4498 0 逆 7 4 传热管排列和分程方法 采用组合排列法 即每程内按正三角形排列 隔板两侧采用矩形 排列 取管心距 t 1 25do 1 25X25 31 25 32mm 横过管束中心线的管数 nc 1 19 9 226019 1 s n 圆取整 nc 10 10 7 5 壳体内径 采用多管程结构 取管板利用率 0 75 壳体内径 D 1 05t 300 5mm N75 0 603205 1 圆整可取 D 400mm 7 6 折流挡板 采用弓形折流板 取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 28 则切去的圆缺高度为 h 0 28X400mm 112mm 折流挡板间距 B 0 6D 0 6X0 4 0 24mm 折流挡板数 NB 传热管长 折流板间距 4500 240 1 18 块 采用折流板圆缺面水平装配 相邻两折流板间距 D 400mm 管心距 t 32mm 查表得得折流板厚度为 5mm 折流板厚度与壳体内径及折流板间距有关见表 5 5 1 所列数据 表 5 5 1 折流板厚度 mm 相邻两折流板间距 mm壳体公称 内径 mm 300 300 450450 600600 750 750 200 250 3561010 400 700 56101012 700 100 0 68101216 1000 610121616 11 7 7 接管 管程流体出口接管 取接管内流速 u 1m s 则接管内径为 0 121m 圆整取 130mm 114 3 9943600 4113544 1 2 u v d 壳程流体出口接管 取接管内流速 u2 1 5m s 则接管内径为 圆取整 100mmm u v d0988 0 5 114 3 9943600 4113544 1 1 八 换热器核算 8 1 热量核算 8 1 1 壳程对流传热系数 采用弓形折流板 壳程表面传热系数的计算式 e 0 14 1 30 55 0 36R o o o ow e pr d 由三角形排列得当量直径 020 0 0025 0 14 3 0025 0785 0 032 0 2 3 4 42 3 4 22 0 2 0 2 d dt de 壳程流通截面积 0 021m2 032 0 025 0 14 024 0 1 0 0 t d BDs 壳程流体流速及雷诺数 sm A q u m 502 0 997021 0 5 10 2 1 0 有 12 有 有 0 0 Re deu 4 3 107 1 106 0 997502 0 020 0 325 8 6 10 106 0102 22 Pr 33 0 Cp 黏度校正 95 0 14 0 w CmW de W 2 3 1 5 50 14 0 3 1 55 0 0 1177 5 90325 817000 20 00 6 10 6 30 PrRe36 0 8 1 2 管程对流传热系数 管程流通面积 232 109 7 2 1060 02 0 785 0 msi 管程流体流速 smui 46 1 0079 0 9943600 41135 40034 10725 0 99446 1 02 0 Re 3 普兰特数 73 4 626 0 10725 0 1008 4 Pr 33 Cp CmW i di i 2 4 0 8 0 4 08 0 6444 73 4 40034 02 0 626 0 023 0 PrRe023 0 8 1 3 污垢热阻 W C172000 0 O2 mRsi 13 W C2000 0 O2 mRso 热导率 11 45 KmW w 8 1 4 传热系数 C W 4 787 1177 1 24 25 In 452 0 025 02 0 025 0 000172 0 020 0 6444 025 0 1 1 2 1 O2 0 0000 m R d d In d d d R d d K so iwi si ii c 8 1 5 传热面积 m279 14 352 44711 10 4 466 3 m p tK Q S 该换热器的实际传热面积为 3 14 0 025 4 5 0 06 60 10 17 427 m2 Tp LNdS 0 换热器的面积裕度 8 17 100 79 14 79 14427 17 100 S SS H P 所以该换热器可行 8 1 6 换热器内流体的流动阻力 1 管程流体阻力计算公式 pssi NNFppp 21 由1 2 1 5spsNNF 3 Re53605 07 r P tispsPPN N F 14 本换热器设计中 4 1 2 1 tPS FNN 3 2 2 ii i l u P d 取钢的管壁粗糙度为 0 1mm 传热管相对粗糙度 查莫迪图得 40034Re 005 0 20 1 0 d 033 0 ui 1 46m s Kg 994 3 m 所以 Pa u d l p i 7866 2 46 1 994 02 0 5 4 033 0 2 22 1 Pa u p3178 2 46 1 994 3 2 2 2 2 MPaPapi1 0309234 121 31787866 管程流体阻力在允许范围之内 2 壳程流体阻力 sti NFppp 10 1 1 tS FN min 2 1 2 o o ooTCB u PFf NN 正三角形排列时 F 0 5 54 0 107 1 0 50 5 228 0 4228 0 0 Rf nc 10 NB 18 u0 0 502m s PaPO6445 2 502 0 997 118 1054 0 5 0 2 流体流过折流缺口的阻力 15 2 2 5 3 2 0 1 u D B Np B B 0 24m D 0 4m Pap4045 2 502 0 997 4 0 224 0 5 314 2 1 总阻力 6445 4045 10409Pa i p 九 换热器主要计算结果汇总 参数管程壳程 进 出口温度 30 4090 70 定性温度 3580 密度 Kg 3 994997 定压比热容 KJ Kg K 4 082 22 黏度 Pa s0 0 0006 热导率 w m k 0 6260 16 物 性 普朗特数4 738 325 形式固定管 板式 台数1 壳体内径 mm400壳程数1 管径 mm 25X2 5管心距 mm32 设 备 结 构 参 管长 mm4500管子排列正三角形 16 管数目 根60折流板数 个18 传热面积 217 427折流板间距 mm 240 数 管程数2材质碳钢 主要计算结果管程壳程 流速 m s 1 460 502 表面传热系数 w 2 64441177 污垢热阻 2 0 000210 阻力 Pa3092510409 热流量 kw466 2 传热温差 k44 325 传热系数 w 2 787 4 裕度 17 8 八 主要符号说明 符 号 意义及单位 1T 壳程流体进口温度 2T 壳程流体出口温度 1t管程流体进口温度 2t管程流体出口温度 17 o 壳程流体密度 Kg 3m OPC壳程流体定