甲苯冷却器的设计.doc

换热器课程设计 2011/6/28 0 目录目录 换热器课程设计换热器课程设计.1 1 任务书任务书.1 1.1 设计题目 甲苯冷却器的设计.1 1.2 设计的目的.1 1.3 设计任务及操作条件.1 2工艺流程草图及说明工艺流程草图及说明 .1 3 工艺计算及主要设备设计工艺计算及主要设备设计.2 3.1 确定设计方案.2 3.1.1 选择换热器的类型.2 3.1.2 流程安排.2 3.2 确定物性数据：.2 3.3 估算传热面积.3 3.3.1 热流量.3 3.3.2 平均传热温差.3 3.3.3 传热面积.3 3.3.4 甲苯的冷却量.3 3.4 工艺结构尺寸.3 3.4.1 管径和管内流速.3 3.4.2 管程数和传热管数.3 3.4.3 传热管排列和分程方法.4 3.4.4 壳体内径.4 3.4.5 折流板.4 3.4.6 其他附件.5 3.4.7 接管.5 3.5 换热器核算 .5 3.5.1 热流量核算.5 3.5.2壁温核算.6 3.5.3 换热器内流体的流动阻力.7 4 设计结果设计一览表设计结果设计一览表.8 5 主要符号说明主要符号说明.9 6 设计感想设计感想.9 7 参考文献参考文献.9 换热器课程设计 2011/6/28 1 换热器课程设计换热器课程设计 1 1 任务书任务书 1.1 设计题目设计题目 甲苯冷却器的设计 1.2 设计的目的设计的目的 通过对甲苯产品冷却的列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点， 并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定 换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。 1.3 设计任务及操作条件设计任务及操作条件 处理量 110000 t/a 甲苯 设备型式 列管换热器 操作条件 （1）甲苯：入口温度 86C，出口温度 52C （2）冷却介质：循环水，入口温度 22 C，出口温度 38C （3）允许压降：不大于 100000Pa （4）每天按 330 天计，每天 24 小时连续运行。 建厂地址 江西地区 2 2 工艺流程草图及说明工艺流程草图及说明 、油泵 2、换热器 3、常压精馏塔 4、贮槽 附图2 换热器利用流程图 回流液194 原油从换热 器出122.1 原油53.7 回流 液 101.8 换热器课程设计 2011/6/28 2 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。如图， 甲苯经泵抽上来，经加热器加热后，再经管道从接管 C 进入换热器壳程；冷却水则由 泵抽上来经管道从接管 A 进入换热器管程。两物质在换热器中进行换热，甲苯从 86 被冷却至 52之后，由接管 D 流出；循环冷却水则从 22变为 138，由接管 B 流出。 3 3 工艺计算及主要设备设计工艺计算及主要设备设计 3.1 确定设计方案确定设计方案 3.1.1 选择换热器的类型选择换热器的类型 两流体温度变化情况：甲苯进口温度为 90，出口温度 75，冷流体进口温度 10，出口温度 15；冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换 热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。 3.1.2 流程安排流程安排 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。 选用 252.5 的碳钢管（换热管标准：GB8163） 。 3.2 确定物性数据：确定物性数据： 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 管程流体的定性温度为：（）30 2 3822 T 甲苯的定性温度为： ()69 2 5286 T 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 甲苯在 82.5下的有关物性数据循环冷却水在 12.5下的物性数据 密度 o=824 kg/m3 密度 i=995.7 kg/m3 定压比热容 cpo=1.851 kJ/(kgK) 定压比热容 cpi=4.174 kJ/(kgK) 导热系数 o=0.125W/(mK) 导热系数 i=0.6176W/(mK) 粘度 o=0.000355 Pas 粘度 i=0.0001801Pas 换热器课程设计 2011/6/28 3 3.3 估算传热面积估算传热面积 3.3.1 热流量热流量 甲苯质量流量 qm=11104103/33024=13889（kg/h） Qo=m0cp0t0=138891.851103(85-52)/3600 =243 (kW) 3.3.2 平均传热温差平均传热温差 () 3 . 38 2252 3886 ln )2252()3886( ln 2 1 21 t t tt tm 3.3.3 传热面积传热面积 假设 K=400W/(m2K),则估算面积为： AP=Q0/(Ktm)=243000/(40038.3)=15.86(m2) 3.3.4 甲苯的冷却量甲苯的冷却量 （kg/h）13900 )5286(10851 . 1 243000 , 3 0 ii cm tcp Q q 3.4 工艺结构尺寸工艺结构尺寸 3.4.1 管径和管内流速管径和管内流速 选用 252.5mm 较高级冷拔传热管(碳钢 10)，取管内流速 ui= 0.75m/s。 3.4.2 管程数和传热管数管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 17（根） 5.7002 . 0 785 . 0 36005.799/13900 4 N 2 2 ）（ ii s ud qV 按单程管计算，所需的传热管长度为： =11.8812.0（m） 17025 . 0 14 . 3 86.15 0 s P nd A L 换热器课程设计 2011/6/28 4 按单程管设计，传热管适中，可以用单管程结构。根据本设计实际情况，现取传热 管长 l=6m，则该换热器的管程数为 Np=L/l=12/6=2 传热管总根数 NT=172=34(根） 平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数有 12 . 2 22-38 52-86 t -t 12 21 TT R 5.20 22-86 22-38 t t-t 11 12 T P 查图得对于单壳程，二管程结构有 91 . 0 t 平均传热温差 tt mtm 8 . 34 3 . 3891 . 0 由于平均传热温差校正系数大于 0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。 3.4.3 传热管排列和分程方法传热管排列和分程方法 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。 取管心距 t=1.25d0，则 t=1.2525=31.25(mm) 取整 t=32 隔板中心到离其最近一排管中心距离 S=t/2+6=32/2+6=22（mm） 。 各程相邻的管心距为 44mm。 管束的分程方法，每程各有传热管 17 根。 3.4.4 壳体内径壳体内径 a横过管数中心线管的根数 （根）51719 . 1 19 . 1 Nnc b采用多管程结构，壳体内径可按下列公式计算。取管板利用率，.70 则壳体内径为 mmNtD2347 . 0/343205 . 1 05 . 1 按卷制壳体的进级档，可取 D=250mm 3.4.5 折流板折流板 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 h0.25250=62.5（mm） 折流板间距 B=0.5D,则 B=0.5250=125mm 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=6000/125-1=47(块)。 换热器课程设计 2011/6/28 5 3.4.6 其他附件其他附件 本换热器传热管外径为 25mm 故其拉杆直径为 16，拉杆数为 4 个。壳程入口处， 应设置防冲挡板。 3.4.7 接管接管 壳程流体进出口接管： 取接管内甲苯流速为u0.75m/s，则接管内径为： D1=（m）089 . 0 75 . 0 14 . 3 )8243600( 138894 4 1 u V 圆整后可取管内径为 90mm。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u1.5 m/s，则接管内径为 (m)068 . 0 0 . 114 . 3 )5.7993600( 130994 2 D 圆整后可取管内径为 70mm。 3.5 换热器核算换热器核算 3.5.1 热流量核算热流量核算 3.5.1.1 壳程表面传热系数，用克恩法计算： 14 . 0 3 1 55 . 0 00 PrRe36 . 0 we d 当量直径，由正三角排列得： de=（m）0202 . 0 025 . 0 14 . 3 )025 . 0 785 . 0 032 . 0 866 . 0 (4 ) 42 3 (4 22 0 2 0 2 d dt 壳程流通截面积： =0.0068（m2）) 032 . 0 025 . 0 1 (25 . 0 125 . 0 )1 ( 0 0 t d BDS 壳程流体流速及其雷诺数分别为： u0=（m/s） 69 . 0 0068 . 0 )8243600( 13889 换热器课程设计 2011/6/28 6 Re0=32032 000355 . 0 82469 . 0 02 . 0 普朗特数：Pr=；粘度校正：.964 125 . 0 1035510851 . 1 63 1 14 . 0 w 0=1126W/(m2K) 3 1 55 . 0 .96432032 0202 . 0 125 . 0 36 . 0 3.5.1.2 管内表面传热系数： hi 4 . 08 . 0 Re023 . 0 Rr di 管程流体流通截面积：Si=0.7850.02217=0.05338（m2） 管程流体流速及其雷诺数分别为： ui=0.685（m/s） 005338 . 0 ).79953600/(13099 Rei=17030 000801 . 0 5.799685 . 0 02 . 0 普朗特数：Pr=41 . 5 6176 . 0 10 1 . 8010174 . 4 63 i=0.023=3386W/ (m2K) 4 . 08 . 0 41 . 5 17030 02 . 0 6176 . 0 3.5.1.3 污垢热阻和管壁热阻 查有关文献知可取： 管外侧污垢热阻 R0=0.000176 m2K/W 管内侧污垢热阻 Ri=0.00021 m2K/W 管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为 50W/(mK)。故 RW=0.0025/50=0.00005（m2K/W） 3.5.1.4 计算传热系数 KC： KC= 1126 1 000176 . 0 0225 . 0 0250 . 0 00005 . 0 020 . 0 025 . 0 00021 . 0 020 . 0 3386 025 . 0 1 =521w/（m） 3.5.1.5 计算面积裕度: 传热面积 AC=Q/(KCtm)=243000/（52134.8）=13.4（m2） 该换热器的实际传热面积 A：A=3.140.025634=16.0（m2） T Nld 0 该换热器的面积裕度为：H=100%=100%=19.4% C C A AA 4 . 13 4 . 1316.0 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 3.5.2壁温核算壁温核算 hc hmcm w 11 t t T 换热器课程设计 2011/6/28 7 式中液体的平均温度和分别按下式计算为 m t m T )(1126 )(3386 65.652.6086.40.60.40 8.4222.6038.40.6t0.4t0t 2 0 2 21m 12m KmW KmW TTT h ic 传热管平均壁温 =37.68 1126133861 112628.43386 6 . 65 tw 壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即=65.6T m T 壳体壁温和传热管壁温之差为： t=65.6-3.68=27.92 该温差较小，无需温度补偿装置。由于壳程换热器流体压力较小，因此，选用固定管 板式换热器较适宜。 3.5.3 换热器内流体的流动阻力换热器内流体的流动阻力 3.5.3.1 管程流体阻力 Pt=（Pi+Pr）NSNpFS 其中 NS=1, Np=2，FS=1.5; Pi= 2 2 u d l i i 由 Re=17030，传热管相对粗糙度 0.2/20=0.01，查莫狄图得=0.041，流速 i u=0.685m/s，=995.7kg/m3，故 Pi=2873（Pa） ； 2 856 . 05.799 02 . 0 6 041 . 0 2 Pr=701（Pa） 2 856 . 0 7 . 995 3 2 22 Pt=（2873+701）11.5=5361（Pa）104 Pa 管程流体阻力在允许范围之内。 3.5.3.2 壳程阻力 PS=（P0+Pi）FSNS 其中 FS=1 ；NS=1 ； P0= Ff0NTC(NB+1) ; 2 2 0 u F=0.5,f0=532032-0.228=0.47, NTC=1.1 NT0.5=1.1340.5=6.4 NB=48 ;u0=0.69m/s 则流体流经管束的阻力： P0=0.50.476.4（48+1）8240.692/214456（Pa） 流体流过折流板缺口的阻力 Pi =NB（3.5-2B/D） 2 2 0 u 其中 B=0.125m; D=0.25m； Pi=48（3.5-20.125/0.25）8240.692/214123（Pa） ， 换热器课程设计 2011/6/28 8 则总阻力： PS=14456+14123=18579（Pa）105 Pa。故壳程流体的阻力也适合。 4 4 设计结果设计一览表设计结果设计一览表 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表 参数管 程壳 程 流率/（kg/h） 1309913889 进/出温度/ 20/3886/52 压力/ MPa 0.10.1 定性温度/ 3069 密度/（kg/m3） 995.7824 定压比热容 /（kJ/（kgK ） ） 4.1741.851 粘度 /（Pas） 0.0008010.000355 热导率 /w/（mK） 0.61760.125 物 性 普朗特数 5.414.96 形式固定管板式台数 1 壳体内径/mm 250 壳程数 1 管径/mm 252.5 管心距/mm 32 管长/mm 6000 管子排列 管数目/根 34 折流板数/个 47 传热面积/m2 13.4 折流板间距/mm 125 设 备 结 构 参 数 管程数 2 材质碳钢 主要计算结果管程壳程 流速/（m/s） 0.6850.69 表面传热系数/w/（m2K） 33861126 污垢阻力/（w/m2K） 0.000210.000176 阻力/Pa 536114123 换热器课程设计 2011/6/28 9 热流量/kW 243 传热温差/K 34.8 传热系数/w/（m2K） 521 裕度/% 19,4 5 5 主要符号说明主要符号说明