化工原理课程设计示例.ppt

1、管壳工换热器工艺设计,某生产过程的流程如图1所示。出反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水将其从110进一步冷却到60 ，之后，进入吸收塔吸收其中的可溶性组分。已知混合气体的流量为227801kg/h，压力为6.9MPa，循环冷却水的入口温度为29 ，出口温度为39 ，试设计一台卧式列管式换热器，完成该生产任务。,已知混合气体及循环冷却水在定性温度下的物性数据，见下表,设备工艺设计计算如下 两流体均为无相变，本设计按非标准系列换热器的一般设计步骤进行设计。,一，确定设计方案,（1）选定换热器类型,两流体的温度变化情况：热体（混合气体）入口温度为110 ，出口温度为60 ，冷流体（冷却

2、水）入口温度为29 ，出口温度为39 。,两流体的的定性温度如下：,可选用带温度补偿的固定管板式换热器，但考虑到该热器用循环冷却水冷却，冬季操作时冷却水进口温度会降低，因此壳体壁温和管壁壁温相差较大，为安全起见，故选用浮头式列管换热器。,（2）选定流体流动空间及流速,因循环冷却水较易结垢，为便于污垢清洗，故选取定冷却水走管程，混合气体走壳程。同时选用25mm2.5mm的较高级冷拔碳钢管，管内流速ui=1.10m/s.,二、确定物性数据,查化工原理附录，两流体在定性温度下的物性数据见表3-12,三、估算传热面积,（1）计算热负荷 （热流量或传热速率）,按管间混合气体计算，即,（2）计算冷却用水量

3、,忽略热损失，则水的用量为,（3）计算逆流平均温度差,（4）初选总传热系数K,查传热手册，参照总传热系数的大致范围，理考虑到壳程气体压力较高，故可选较大的传热系数，现假设K=370W/（m2. ),（5）估算传热面积,考虑15%的面积裕度,四、工艺结构尺寸,（1）管径和管内流速,前已选定，管径为25mm2.5mm，管内流速ui=1.10m/s,（2）管程数和传热管数,根据传热内径和流速确定单程传热管数ns,按单管程计算所需换热管的长度L,按单管程设计，传热管过长。根据本题实际情况，取传热管长l=6m，则该换热器的管程数为,（3）平均传热温差校正及壳程数,首先计算P和R参数,查图或按公式获取并求

4、取tm 单壳程双管程属于1-2折流，现用1-2折流的公式计算温差校正系数和传热平均温度差,（1）,由上两式计算得,巧用温差校正系数图 当所计算的P、R参数的数值超出图3-12所给出的范围，或查取相对困难时，须作如下变换：对于1-2折流，令R=1/R，P=PR，则R=1/R，P=PR。将R、P以P、R代入（1）式，得,（2）,（3）,比较（1）式与（3）式，显然用P、R替代P、R后对作图应为同一线图。,如当P=0.09,R=10.0时，有图3-12上精确查出已非常困难，但经变换后，P=0.9, R=0.1，查取就就方便多了。,由于温差校正系数0.8，同时壳程流体流量亦较大，故取单壳程较合适。,（

5、4）传热管排列和分程方法,采用组合排列，即每层内按正三角形排列，隔板两侧按正方形排列。取管心距t=1.25d0, 则,隔板中心到最近一排管中心的距离S：按净空不小于6mm 的原则确定，亦可按下式求取,分程附带 板两侧相邻排之间的管心距,管中心距t与分程隔板槽两侧相邻管排中心距ta的计算结果与表3-6给出的数据完全一致，证明可用。,（5）壳体内径,采用两管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径,（6）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,取折流板间距为B=0.3D，则B=0.31600=480mm，取B=480mm。则折流板数,折流板圆缺水平面安装

6、。,（7）其他附件,拉杆直径为12mm，其数量不少于10根，壳程入口应设置防冲挡板。,（8）接管,壳程流体（混合气体）进出口接管，取接管内气体流速为10m/s,则接管内径为,取标准管径为377mm20mm,管程流体（循环水）进出口接管， 取接管内循环水的流速为2.5m/s，则接管内内径,取标准管径为377mm9mm,其它接管略,五、换热器的核算,（1）传热能力核算,壳程对流传热系数,对于圆缺形折流板，可采用克恩（Ken)公式,当量直径由正三角形排列得,壳程流通截面积,壳程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为,管程传热系数,管程流通截面积,管程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为,故采用下式计算i,污垢

7、热阻与管壁热阻,管外侧污垢热阻：查污垢经验数据，取Rso=0.0004m2./W 管内侧污垢热阻：查污垢经验数据，取Rsi=0.0006m2./W 管壁热导率：碳钢的热导率 =45W/(m. ),总传热系数,传热面积,理论传热面积,该换热器的实际换热面积,面积裕度,换热器裕度合适，能够满足设计要求。,（2）核算壁温,因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁壁温按下式计算,取两侧污垢热阻为零计算壁温，得传热管平均壁温,取两侧污垢热阻为零计算壁温，得传热管平均壁温,壳体平均壁温，近似取壳程流体的平均温度即85,壳体平均壁温与传热管平均壁温之差：85-40.2=44.8,(3)换热器内流体的流动阻力,管程流动阻力,壳程流动阻力,流体流经管束的阻力,F管子排列方式对压力降的校正系数，正三角形排列F=0.5，正方形 直列F=0.3，正方形错列F=0.4，,Nc横过管束中心线的管数，,fo壳程流体的磨擦系数，当Reo500时,折流板间距B=0.48m，