化工原理换热器设计

1、化工原理换热器设计烯蒸八、汽冷凝器的设计年级： 2014级: 逄江华学号:2014094068班级：化学工程与工艺班、八 、亠刖言一、换热器的种类固定管板式换热器f管板式换热器浮头式换热器r<填料涵式换热器V换热器J套管式换热器蛇形式换热器二、换热器的特点1. 管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简 单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广 泛。管壳式换热器根据结构特点分为以下几种：固定管板式换热器固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起， 这类换热器结构简单，价格 低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于 50C

2、且壳方流体较清洁及不易 结垢的物料。带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力， 这 种补偿方法适用于两流体温差小于 70 °C且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。 浮头式换热器浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接， 该端被称为浮头，管束连同浮头可 以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和 检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂， 造价高。填料涵式换热器填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单， 造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。2. 蛇管式换

3、热器蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单， 操作最方便的一种换热设备， 通 常按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。3. 套管式换热器 套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管， 其管用 U 型 时管顺次连接，外管与外管互相连接而成，其优点是结构简单，能耐高压，传热 面积可根据需要增减，适当地选择管、外径，可使流体的流速增大，两种流体呈 逆流流动，有利于传热。此换热器适用于高温，高压及小流量流体间的换热。三、换热器的发展趋势70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能 降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能 换热设

4、备。这是因为，随着能源的短缺 (从长远来看，这是世界的总趋势 ) ， 可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术 的发展和换热器性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研 究成为人们关注的课题。最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器 也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。同时，对其 一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。当今换热器技术的 发展以 CFD(Computational Fluid Dynamics) 、模型化技术、强化传热技术 及新型换热器开发等形成了一个高技术体系。 近年来， 随着制造技术的进步， 强化传热元件

5、的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不 同的工艺条件与换热工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，并已在化 工、炼油、石油化工、制冷、空分及制药各行业得到应用与推广，取得了较 大的经济效益。设计任务（一）设计题目：丁二烯蒸汽冷凝器的设计（二 ） 设计任务及操作条件1 ：处理能力 7510kg/h 饱和丁二烯蒸汽，2 ：设备形式 立式列管冷凝器3 ：操作条件（1）饱和丁二烯蒸汽：（温度40C，冷凝潜热为373kJ/kg ），冷凝 液于饱和 温度离开冷凝器（2）冷却介质：水入口温度15C，出口温度35C,流量：自己计算（3）允许压强降：不大于 150kpa（4）饱和丁二烯定性温度下

6、的物性数据：自查（5）每年按 330 天计，每天 24h 连续运行（三）设计容：1、设计方案的选择及流程说明2、工艺计算，及校核3、主要设备工艺尺寸设计（1）立式列管冷凝器结构尺寸的确定（2）传热面积、两侧流体压降校核（3）接管尺寸的确定4、设 计结果汇总5、换热器装备图及工艺流程图（手工绘图要求2 号或 3 号；若计算机绘图要求 3 号或 4 号）6、设计评述设计与选型的具体步骤一估算传热面积，初选换热器型号1. 查取冷热流体在该定性温度下的物性。2. 根据换热任务，计算传热量。3. 确定流体在换热器中的流动途径。4. 计算平均温度差， 并根据温度差校正系数不应小于 0.8 的 原则，确定壳

7、程数。5. 根据两流体的温度差和设计要求，确定换热器的型号6. 根据换热流体的性质及设计经验， 选取总传热系数值 K选7. 根据总传热系数方程，初步计算传热面积 S，并确定换热 器的基本尺寸或按系列标准选设备规格。二计算管壳程压力降1. 壳程压力降 .2. 管程压力降。三核算总传热系数1壳程对流传热系数2. 管程对流传热系数3. 污垢热阻4. 总传热系数 K5. K值与K选比较，若K/K选=1.151025,则初选换热器合 适，否则另选 K选，重新计算，步骤同上。1、估算传热面积，初选换热器型号1.1 基本物性数据的查取 :因为是用水冷凝1,3- 丁烯，所以其温度不变，其定性温度为 40 此温

8、度下的丁二烯的物性参数：= 0.248lV/(m V)15 + 3&冷却水的定性温度：T= T此温度下的水的物性参数：pi = 996.8切 / m3=4.179Cp =2MJ/(kg * 伫)h= 0.000275Pu 5=25C)'=0.0008937 f=0.6075W :三芻2、计算冷凝量、热负荷、水耗量、普兰特准数、平均传热温差冷厭屋皿=筹磐=2.09kg/s 6002801230A7热负荷Q = wr = 7510 X 373 = = 77B.lkJ / s2801230=33S87.9kq/h = 33kq / s 勺U 42(35 5水耗星Q = 4.16 X

9、1000 X 0.0008 =0.616平均传热温差旳=40 - 15 = 25 (U)g = 40 - 35 =5(BC)Ai2/n£蛀25-25 = 12430InR T_40 -40t2ti351525t2ti3515Ti - ti 40 -150.8由R、P值，查图5-11 (a) t=i.o，因为 t >0.8，选用单壳程可行3、确定管径和初选管速从腐蚀性、传热面积和价格三方面综合考虑后，选用025 X无経钢浮，此管的内Sd(=0.02mo综合考虑管Re,管程压降和夙略适:鷲迓二方面的因素，水的流速选为4、估算总传热系数K有机物蒸汽-水系统冷凝操作的传热系数 K值围为

10、500 - 1500W/(m2 V)-)C3()04dt p tu.Re =I0,02 X 996 X 0 6"0.0008937-133(4=0,023哎竺(1 閃了4)°日(*"9 X M X DM089蛊70.0200*6075 = 2892,l/(m2 * t)壳程传热系数：假设壳程的传热系数5 = 2500W/(m2污垢热阻Rsj = 0.000587H2 - K/WR=0.000176th2 - K/W管壁的导热系数' =45W/(mC传热面积5 叫= 778AX -n2.83C) 554. 8 X 12436、确定换热器工艺结构尺寸6.1单程

11、管数为：IV4 X 9.33:= 497=50 (根0.6 x 3.14 x 0,02 £ X 996.86.2单程管长为：S'9 3V =24 （m）n ' ji %50 X 344 X 0,0256.3选定换热器管长！ = 2m,则管程数“P为2 ANf= = 1.2p 2取"卩=2程，则总管数为：|n= 2rT = 2 X 50 = 100 （根）6.4初选换热器根据亍=1】2阳加，21（川根，叫"，选用G700-2-16-158.4列管换热器,=!°°39 X 0.02 + 3)996.8 X 0.17X 1.5 X 2

12、 X2公称直径°和700iiuti传热面积1血伽£管数312管子规格025 X25mm管子排列方式正三角形公称压力L& X 10 Pa管程数管 长 2”|管心距U：门6.5管程压降的计算其中,为选定换热器的实际操作流速，由下式计算u 严n ' * *4W 9 33A'P 叫=0.0093 (m3/5)1 p 996,8二字=171（根）0,0093所以 = 0.17 (m/y)31 2171 X X 0.0240.02 X 0.17 X .8=379Z2由于10.0008937Ret - 32-2,根据传热管相对粗糙度o.oo75，查莫狄图得，又取管

13、程结垢校正系数I，故得管程压降为Xi = 0.039VT/(771-0=635.2 (ff/m2) <9.8 X 103(Pa)因此，压降满足要求.6.6计算管给热系数I 6 因为Rf = 3792* 而 hL= = 300 >50di 0.02故X f dtut p t “勺卩tti ： = 0.023()U8C)041哲比=0.023Jj(3792)c 8(6.15)u 4 = 1054,1IV/(m2 匸)6.7 计算冷凝给热系数叫一般情况下，水平管的冷凝给热系数大于垂直管的冷凝给热系数，所以列管换热器选用水平安装方式。对于n根水平管束，可用下式计算冷凝给热系数2.02 e0

14、.24 肝0.000275 X5953 X 6 X 347513606.8 计算K值do d bd10.02S_L + r' + 1十 r +± 4- 0.00058 ;叭如%暫105410 x皿2=408.26.9 计算传热面积及安全系数Q 778,1 x 10-7S =1534 (?nu)Ktfn 408.2 x 12.43实际换热器的传热面积为158.4"',故安全系数为158.4=L03153.4有合适的传热面积裕度，该换热器能够完成生产任务6.10 计算管束与壳体温差根据对流传热速率可得7781001054.1 X 15B.4+ 28,5 = 33

15、.1T而管束的平均温度为L 40 + 33.13&輕。则壳体与管束的温差为和戸=40-36.6 = 3.45 < 6.47以上各项计算结果表明，所选型号的换热器合用。6.11.计算接管壳程流体进出接管：已知饱和丁二烯蒸汽的密度 1 ,取丁二烯流速为，则丁二烯入口接管径为:175101 Xd =3600 X 2.453 = 0.208 (m)JttuX3.14 x 25取标准管径为20711111，取标准管021。X取接管丁二烯流速为lflM，则接管径为75104 xd =3600 X 595 = D.067 (m)J3.14 X 1.0取标准管径为 ，取标准管'管程流体进

16、出接管：取接管循环水流速u= 1占皿刑，贝U接管径为2801230 I4 xil= 3600 x 996 = 0.81、344 x取标准管径为，:;帧，取标准管um曲E6.12计算折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体径的25%则切去的圆缺高度为|h = 03 x 700 = 210mm取折流板间距B=0.3D,贝U|B = 0. 3x 7Q0 = 2斗町取B为BOOinm。=传热管悅_= 6000 = 抉折流板数扔佩呗3<>0 一 "I列折流板圆缺面水平装配。7、换热器的主要结构尺寸和计算结果表1冷热流体物性数据表物料名称操作压MPa|操作温度污垢系数导热系数

17、比热流体密度Kg/m3粘度mPa/sm2K/WW/(wK)kj/kg冷却水0.115/350.000580.60754.179996.80.0008937丁二烯0.1400.0001760.2482.05950.000275表2管程、壳程计算数据表名流量流速传热总传热系对流传热系阻力降程数使用材料称量数数勿/ hm/s KWMFa|管33587.90.171054.1635.22无缝钢管程778.1408.2壳751032801无缝钢管程表3工艺设备尺寸表换热换热管子规格管数管长管间排列折间切口壳体径器型面积mm距方式流距高度式2 /板型式固定158.4025 x 2.5342200032三角上30