化工原理课程设计 换热器与泵的选型

化工原理课程设计

换热器与泵的选型

一、换热器的相关说明换热器(heatexchanger),是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。是进行热交换操作的通用工艺设备。被广泛应用于化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，根据使用目的可分为冷却器、加热器、冷凝器和汽化器；根据结构材料可分为金属材料换热器和非金属材料换热器；尤其是根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。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,其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验,其设计资料比较齐全,在许多国家都有了系列化标准。近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、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,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。如何确定最佳的换热器,是换热器优化的问题。2．泵的评价与选用泵的性能参数主要有流量和扬程，此外还有轴功率、转速和必需汽蚀余量。流量是指单位时间内通过泵出口输出的液体量，一般采用体积流量；扬程是单位重量输送液体从泵入口至出口的能量增量，对于容积式泵，能量增量主要体现在压力能增加上，所以通常以压力增量代替扬程来表示。3.设计任务书的作用本设计书对指定有机物进行冷却，如何选择合适的换热器，如何合理安排操作管路以及如何选择合适的离心泵作出详细的计算说明。二．设计任务一．工艺要求要求将温度为78°C的某液态有机物冷却至60°C,此有机物的流量为25kg/s。现拟用温度为t1=15°C的冷水进行冷却。要求换热器管壳两侧的压降皆不应超过O.IMpa。已知有机物在69°C时的物性数据如下：p=997kg/m3;卩二0.6mPa-s;C=2.22kJ/kg・。C;p九二0.16W/m-。C.

二．流程：管路布置如图（右方参考图），已知泵进口段管长L进=5米，泵出口段管长L出=15米，（均不考虑局部阻力损失）三．要求选用一个合适的换热器合理安排管路选用一台合适的离心泵三．计算结果明细表1）管壳式换热器的规格公称直径DN/mm公称压力PN/MPa管程数N管子根数N中心排管数NT管程流通面积/m2©19x2mm换热管长度L/mm管心距/mm换热面积/m2400294110.016360003243.52）离心泵的型号规格型号转速n/(r/min)流量扬程/m效率耳/%功率必需气蚀量（NPSH）/mr质量（泵/底座）/kgms/hL/s轴功率电机功率IS80-2900308.3322.5642.875.53.044/46

65-1255013.92065-1255013.920601818753.633.0743.983.5项目结果单位冷却剂出口温度31°C循环水定性温度23°C热负荷999kW冷却水质量流量14.94kg/s并流对数平均温差43.82°C逆流对数平均温差45.99°C估算换热面积43.44m2管程流动面积0.0198m2管内冷却水流速0.919m/sZ X管程给热系数2529.45W/'m2・°C丿摩擦系数0.033管程压降17330.21Pa壳程流动面积0.047m2壳程有机物流速0.53m/s当量直径0.02m壳程给热系数1262.20W/>n2・°C丿壳程压降2516.99Pa核算传热系数757.18W/2.°C丿校核传热面积38.2m2冷却水流量53.92m3/h总局部阻力系数17.15阻力损失3.18m压头(扬程)13.28m四．计算过程一．选择合适的换热器1.确定物性数据设计方案：冷却水：用温度t1=15°C的河水进行冷却，从卜tm>10°C及防止水中盐类析出为原则，选择出口温度为31°C。考虑到冬季使用时，其进口温度较低，换热器管壁温与壳体壁温之差较大；夏季时河水的温度变化也不是很大，因此选用管壳式换热器。从二种流体的物性来看，由于冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从综合考虑，应使冷却水走管程，有机液态化合物走壳程，并且保证冷却水的流速不宜过慢。入口温度为E=15°C,出口温度为t2=31°C冷却水的定性温度为t=(15+31)/2=23°Cm两流体的温差T-t=69-23=46°Cmm两流体在定性温度下的物性数据如下物性温度密度粘度比热容导热系数'流体°Ckg/m3mPa〃skJ/(kg・C)W/(m・°C)有机物699970.62.220.16循环水23997.450.94324.1790.60412•计算热负荷Q和qm2由热量衡算换热器的总的换热量:q二qc(T—T)二25x2.22x(78—60)二999kWm1p112冷却水所需的流量：§=_Q_= 999 =1494kg/sm2c(t—t) 4.179x(31—15)p2213•计算温差At和估计传热系数Km 估并流时，At二T-t=78-15=63°C,At二T-t=60-31=29°C111222At=At1—A=63二9=43.82°Cln1lnt 292逆流时，At二T-t=78-31=47°C,At二T-t=60-15=45°C112221At—At 47—45Atm逆TOC\o"1-5"\h\z1人A2=厶二=45.99°Ct .Atm逆In1 Int 452由于在相同的流体进出口温度下，逆流流型具有较大的传热温差，所以选择逆流。由于水与中有机物的传热系数K在290〜698之间,故取总传热系数K现暂取：K=500W/m2・°C4•估算换热面积999x103A= = =43.44m2估K屮At 500x45.99x1m逆5.根据条件选取合适的换热器根据A估可以选择下述标准换热器（查附录得）: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NT管程流通面积/m2©19x2mm换热管长度L/mm管心距/mm换热面积/m2400294110.016360003243.5.传热管排列与分程方法：采用组合排列法，即每程内均按照正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。管束的分程方法，每程各有传热管47根，其前后管箱中隔板设置和介质的流通顺序按书上图所示n.壳体内径:采用多壳程结构，其壳程内径：升取管板利用率n=0.7则D=528mm按卷制壳体的进级挡可取D=600mmin.折流板间距:挡板的间距对壳程的流动有重要的影响，间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外给热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2〜1.0倍。故取B=360mm故折流板数：Nb=折流板间距亠6600-1=16

6.计算管程压降Apt及给热系数-.根据标准换热器提供的参数管程流动面积：a二0.0198m2114.94管内冷却水流速：14.94u='m2= =0.919/sipA 997.45x0.019821Rdup0.02x0.919x997.45 1943621Re=i2= q19436.21ip 0.9432x10-32管程给热系数aia=0.0233Rei0.8Pro.4=0.023二Rei0.8i di二0.023x0.041x19436.210.8x0.02二2529.45W/(m2-°C)九di4.179x103x0.9432x10-30.60410.4取钢的管壁粗糙度&为0.1mm，则x=0.1f£+68x=0.1f£+68'°23*dRe丿i=0.1(0.1 68 + (20 19436.21丿0.23=0.033管程压降：(lApt=九一(lApt=九一+3fNpu22亠<d丿=17330.21Pa<0.1MPa'0.033x-60+(0.02丿3x1.5x2x997.45x0.943227•计算壳程压降Aps及给热系数a0二0.047m2二0.36x0.6xf1-0.025二0.047m2(0.032丿25dec%兀03 )712-—d24x弋25dec%兀03 )712-—d24x弋x0.0322—0.785x0.0252240丿2kk 丿43.14x0.025A2P有0.047x997—0.53m':S兀d0deup0.02mRe0有二匕°.°2x°.53x997二17689.930.6x10-3Pr二CpPr二Cp卩 2.22x103x0.6x10-3= =8.325九0.16壳程中有机物被冷却，0.14壳程中有机物被冷却，0.14=1.00.14A=B(D0.14A=B(D-Nd)=0.32x(0.6-11x0.025)=0.117m22J=P若A有2dup二00TC025997x0.117=0.214叫SRe0O.。25x0.214x997Q8903.130.6x10-3a=0.36ARe0.55Pr0 de0n1zs=0.36x x17689.930.55x8.32513x1.00.02”、=1262.20W/\n2・。C丿其大于估算的K值,故可行。管束中心线管数N=11TC壳程流动面积：因Re>500,f=5Re-0.228=5x(8903.13)-0.228=0.6280管子排列为三角形，F=0.5，fs=1.15壳程压降：

Aps=FfN(N+1)+NAps=FfNu20-p

s20.5xu20-p

s20.5x0.62x11x(16+1)+16x(3.5-2x0.36\0.6丿x1.15x997x0.532=2516.99Pa<0.1MPa8.计算传热系数K计污垢热阻和管壁热阻：管外侧污垢热阻R=0.000172m2・oC/W外管内侧污垢热阻R=0.000344m2-oC/W内取钢管壁厚§=2.5x10-3m，热导率九=45.4W-m-1-K-1+R+§+R内九外12529.4511262.2012529.4511262.20+0.000172+0.000344+2.5x10-345.4=568.61W/(m2-OC)9.校核传热面积A=Q= 999x103 =382m2计K屮At 568.61x45.99x1 .计 m逆所选换热器：A=43.5m243.538.2=1.14所以选择的换热器符合要求。二．安排管路和选择合适的离心泵1．管径初选

q=14.94kgsq1494q=红= x3600=53.92m3hrv〒 997.451q14.94A=m2= =0.01q14.94A=m2= =0.01m2lpu997.45x1.51A=—d2nd=i4ii4A l= =112mm兀 3.14由于112.78mm不是标准管径，因此确定d=112mm壁厚5mm的热轧无缝钢管q14.941.13/u=込= =1.13m/sP1Al 997.45xlx0.10224符合经济流速范围故确定：u=1.13m/sd=112mm壁厚5mm2.压头He在水槽液面及压力表处列柏努利方程p p u2p+H= +Az+—+HPg e Pg 2g取£=0.15mm,£/d=0・00224,入Re=dpu屮=0.067x997.45x1.13/0.8012x10-3=134802.89查图得九=0.023

局部阻力：底阀一个标准90°弯头3个球心阀1个（全开）g=8.5g=0.75x3g=6.4另外：突然减小己=0.5,突然增大己=1.0故氏=0.75x3+6.4+0.5+7+1.0=17.15换热器压降Ap=17330.21PatUL+土2gUL+土2gpg'0.023x15+5+17.15\I 0.067 丿1.1322x9.8117330.21997.45x9.813.18mpgP—P,U2H=p2 Pa+Az+—+pg2gf+3.18=13.28m+3.18=13.28m997.45x9.81 2x9.81兀q=uA=1.13xx0.1022x3600=33.23m3/hvi 4对泵的压头安全系数取1.1,—11刁=1.1x13.28=14.62m对流量的安全系数取1.4，qve=1.4x33.23=46.52m3/h泵的选择因为是输送河水，并且根据qv和He以及IS型离心泵系列特性曲线可以选用清水泵,由以上数据查表得取泵：IS80-65-125其参数为：转速：2900r/min流量50m3/h扬程：H=20m效率：75%轴功率：3.63kW必需汽蚀余量:3m

五．附录1）相关流体的物理性质物性温度密度粘度比热容导热系数流体'\°Ckg/m3mPa•skj/(kg•C)W/(m・C)有机物699970.62.220.16循环水23997.450.94324.1790.6041（2）计算使用的物理数据管外侧污垢热阻：R二0.000172m2・oC/W外管内侧污垢热阻：R=0.000344m2-oC/W内钢管热导率：九=45.4W-m-1-K-1六．符号说明主要符号说明符号意义计量单位A面积m2cp定压比热容kJ/(kg-K)d管径mg重力加速度m/s2Hf单位重量流体的机械能损失ml管路长度mm质量kg虚拟压强Pa

p流体压强PaPa大气压PaB挡板间距mT周期时间st时间st温度°cu流速m/sqv体积流量m3/sqm质量流量Kg/s£绝对粗糙度mm局部阻力系数九摩擦系数动力黏度Pa-sp