粗苯冷却换热器设计方案.doc

粗苯冷却换热器第一章 前 言换热器,也称热交换器,用以不同温度流体间进行换热的设备在石油，化工工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体，这些过程均可通过换热设备来完成。换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要工艺设备之一。其正确的设备，性能的改善关系各部门有关工艺的合理性，经济性以及能源的有效利用与节约，对国民经济有十分重要的影响。换热器的名称由于其作用、特征及工业部门的习惯不同，而多种多样。例如，以其作用命名的如蒸气过热器，是把蒸气加热到一定的过热状态的换热器，水冷却塔，是用空气冷却热水的换热器等，以其结构特征命名的如套管式换热器，板翅式换热器等；同时反映其结构和作用的如管壳式油水换热器，管式空气预热器等。进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。列管式换热器在工业上的应用已有较长的历史了。目前仍作为一种传统的典型换热器设备在各工业部门中被大量采用，并占据主要地区。由于列管式换热器容易制造，可供选择的材料范围较广，换热表面清洗方便，适应性强，处理能力大，特别是能应用在高温、高压下工作，所以它能在近代出现的各种新型、高效和紧凑换热器的竞相发展中，得以继续存在。它在长期使用中得到不断改进，其结构已比较完善。目前国内外在加速研究和发展各种新型换热器的同时，仍在大量生产和使用列管式换热器，并对其继续进行研究。因此可以预料，今后它仍将是各工业部门中重要的换热设备，并且是高温、高压和大量换热器的主要形式。本设计是从列管式换热器中选取一种的实现粗苯的冷却,因此必须了解此换热器的特点,根据工艺需要及计算数据选用合适的类型,运用传热的基础原理,合理确定换热器的管程,确定换热器的传播面积,结构尺寸及校核压力降,而对于已有系列化标准的换热器,则需通过必要计算来选用.在化工生产中所使用的换热器种类和形式很多，但完善的换热设备至少应满足下列因素：1、保证达到工艺所规定的换热条件，要考虑到传热量、操作参数（如温度、压力和流量等）、流体的物理化学性质（如密度、粘度、导热系数、比热和物态等）以及流体的腐蚀性等。2、强度足够及结构可靠，对设备在机械强度和刚度上，需要从操作压力及温度进行设计计算，有时还需考虑是否需要采用温度差的补偿装置。3、便于制造、安装和检修。4、经济上合理。本设计目的是设计实现粗笨冷却繁荣列管式换热器，因此必须在了解粗笨物理及化学性质的基础上，充分考虑以上换热器设计的影响因素，运用传热的基础原理，合理确定换热器的管程、传热面积、结构尺寸并对总传热系数、压力降进行校核，从而达到本课程设计的目的。第二章 设计方案及工艺流程说明2.1 设计方案:采用循环水冷却粗苯,将流量为,进口温度为78粗苯通过换热器管程同时将进口温度为24的冷却水通过管程,经过热交换之后,粗苯的出口为38,冷却水的出口温度为34.由于苯是被冷却的流体，走壳程易于散热，循环水易结垢走管程使换热器易清洗。2.2 换热器示例图第三章 标准列管换热器的选择3.1 计算并初选择换热器规格3.1.1 物性参数的确定纯苯液体 进口温度：T1=78 出口温度：T2=38冷却水 进口温度： t1=25 出口温度：t2=34(1) 确定定性温度Tm,h= (3-1)=58tm,c= (3-2)=29(2) 确定温度差选择换热器 两流体温度差t=Tm,htm,c=58-29=2950 不需补偿故选用固定管板式换热器.表3-1、苯和水在定性温度下物性数据一览表物性流体温度(T)密度黏度比热容导热系数苯循环水5929839.85995.953.8510-48.2110-41.824.1750.1380.5823.1.2 热负荷的计算Q= (3-3)=若忽略换热器的热损失,由热量恒算 Q=WCCP.C(t2-t1)，则=3.1.3 平均温差确定 (3-4) R= (3-5)P= (3-6) 查“对数平均温差校正系数值”,得=0.890.8故采用单壳程 3.1.4 初选换热器规格参考“管壳式换热器用作冷热器”时的k值范围=420w.m-2-1 (3-7)S = A估1.2 = 42.86m2表3-2、初选换热器规格壳径 D400mm折流挡板间距B0.2m公称面积43.1m2管心距t25mm管程数Np2管数n164管长 L4.5m管子直径192(碳钢钢管)管子排列方法正三角形换热器的实际传热面积=nd(L-0.1) (3-8)= 3.2 核算总传热系数3.2.1 管程对流传热系数 (3-9) (3-10) (3-11) (3-12) (3-13) 3.2.2 壳程对流热系数 流体流通截面积为:A0=hD（1） (3-14)=0.3=0.0288 (3-15) 由正三角形排列,得= (3-16) (3-17) =3.2.3 污垢热阻的确定.由据参考文献1 取污垢热阻 粗苯=1.7210-4/w循环水=1.7210-4/w碳钢的导热系数 =51.13.2.4 总传热系数的计算总传热系数 (3-18)= =408.018W/.则 3.3 核算压强降3.3.1 管程压强降 (3-19)当取碳钢钢管壁粗糙度=0.2 查得=0.045则 P1= (3-20) =2285.74 PaP2= (3-21)=507.94 Pa192mm的管子,Ft=1.5, Np=2, Ns=1,所以0.1MPa3.3.2 壳程压强降=(P/1P2/)FsNs (3-22) 其中 Fs=1.15 Ns=1 (3-23)管子为正三角形排列,取F=0.5 (3-24)折流板间距 h=0.3m折流板数 (3-25) (3-26) (3-27)所以 (3-28)=(593.01+227.83)1.15=943.97Pa0.1MPa计算表明,管程与壳程压强降都能满足题设的要求.因此所设计的换热器合理.3.4 设计结果一览表 表3-3选型计算结果项目符号单位数据热流体的进口温度80热流体的出口温度 38冷流体的进口温度24冷流体的出口温度 34冷流体流量8.42热流体流量4.70管程对流传热系数W/()3010.43壳程对流传热系数W/()626.37总的传热系数W/()408.018管程的污垢热阻0.000172壳程的污垢热阻0.000172管程的压力降Pa8381.04壳程的压力降Pa943.97裕度%17.1%第四章 非标准列管换热器的设计4.1 换热器工艺结构尺寸 4.1.1 管径及管内流速的确定粗苯仍走壳程,循环水走管程. 选用mm的管子 mm t=32mm 取管内流速 u=0.9m/s 4.1.2 管程数和总管数的确定 (4-1)采用单壳程列管式换热器.所需管长 则 (4-2)取传热管长 传热管总根数 4.1.3 列管排列方式和壳体内径的确定选正三角形排列正三角形错列， (4-3) 取D=450mm4.1.4 折流板间距和折流板数的确定采用圆缺形折流挡板折流板间距h=（0.21.0）D=300mm折流板数4.2 换热器的核算4.2.1 管程对流传热系数 4.2.2 壳程对流传热系数壳程流通截面积 A=hD(1do/t)=壳程流速 当量直径 = = 4.2.3 总传热系数的计算据参考文献1 选取 粗苯Rsi=1.7210-4/w循环水Rso=1.7210-4/w碳钢的导热系数=50.28 W/m k=413.3 W/k 裕度=4.3 压强降的计算 4.3.1 管程压强降当 取钢管粗糙程度 =0.2mm 查得 =0.041所以 Pa Pa=（4933.8+1203.37）=6137.17Pa对于192的管子,Ft=1.5, Np=4. N=1=6137.171.54=3.68104Pa4.3.2 壳程压强降=(P/1P2/)FsNs其中 Fs=1.15 Ns=1.0 , 管子为正三角形排列. F=0.5 壳程流通面积 = =190.1计算表明,管程和壳程压强降均满足设计要求. 因此所设计换热器合理. 4.4 设计结果一览表4.4.1 换热器规格尺寸一览表参数 形式标准换热器非标准换热器形式固定管板式固定管板式材质碳钢碳钢管径(mm)192.0252.5管长L(mm)4.523.35外壳直径D(mm)400450管子总数NT(mm)164120公称面积43.144管子排列方式正三角形正三角形管子中心距t(mm)2532管程数NP(个)24壳程数NS(个)11折流挡板数NB(块)1419折流挡板间距h(mm)3003004.4.2 主要设计结果一览表4.4.2.1 标准换热器设计结果一览表项目符号数据单位苯的进口温度80苯的出口温度38苯的体积流量0.0056苯的雷诺准数7328.86苯的普兰特准数5.077苯的对流传热系数626.37循环水的进口温度24循环水的出口温度34循环水的体积流量0.0085m3/s循环水的雷诺准数10610循环水的普兰特准数5.889循环水的对流传热系数3010.43两流体有效平均温差23.93热负荷Q359000W总传热系数408.018所需传热面积36.768实际传热面积43.05管程压强降8381.04Pa壳程压强降943.97Pa允许压强降100000Pa4.4.2.2 非标准换热器设计结果一览项目符号数据单位苯的进口温度80苯的出口温度38苯的体积流量0.0056苯的雷诺准数7023.76苯的普兰特准数5.0775苯的对流传热系数622.71循环水的进口温度24循环水的出口温度34循环水的体积流量0.0085m3/s循环水的雷诺准数21775.03循环水的普兰特准数5.89循环水的对流传热系数3365.29两流体有效平均温差23.93热负荷Q359000W总传热系数413.3所需传热面积36.3实际传热面积43.05管程压强降36800Pa壳程压强降1639.07Pa允许压强降100000Pa第五章 结束语课程设计是课程教学中重要教学环节,它具有较强的综合性和实践性,是与理论联系的桥梁.通过本次的课程设计使我们更深一步的了解了工程上的实际问题的复杂性和综合性,增加了对它的兴趣,也提高了自身的动手动脑能力,为以后的毕业设计,打下了基础.通过一周的翻阅资料,查找公式,设计计算,使我对换热器有了进一步的了解,对传热的具体过程有了深刻的认识.尤其是从最初的无从下手到现在的可根据传热的不同而选择不同的换热器.尽管过程是艰苦的，但前途是光明的。勤奋是成功的基础，有了勤奋，我们最终是会成功的。另外,我对于换热器的用途也有了更多的认识.同时在这次课程设计中每当有疑问时我们都会相互讨论,同学间的相互协作也体现了学习环境的和谐融洽,让我从中明白团结就是力量.最后对给我帮助极大的李老师和相关同学表示衷心的感谢。李老师对我的课程设计有了很大的帮助和指导，她不仅教会了我的理论知识，而且也教会了我的实践能力，使我明白了动手动脑的重要性。这是我做的第一份课程设计，我会格外的珍惜。此外，我还要感谢给我帮助的相关同学，正是有了他们的帮助，我才得以顺利的完成设计。由于时间有限，难免在设计中有些不妥之处，望老师见谅。第六章 主要符号说明序号符号意义单位1A传热面积2h折流挡板间距m3b厚度m4液体的定压比热容KJ/kg5D换热器壳径m6d管径m7de当量直径m8fo壳程流体的摩擦系数9f校正系数0Fs壳程压降结垢校正系数11管程压降结垢校正系数12k传热系数W/13L管子长度m14折流挡板数目15NS换热器壳程数16NT管子总数17Pr普兰特准数18Q热流量W19W质量流量Kg/s20体积流量m3/s2