甲苯冷卻器的設計 (2)

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1、化工原理課程設計 題目：甲苯冷卻器的設計 　　　　　　 姓 名　 　　 張風平 　　　　　　 學 號　　 　　　　　　　年 級　 2010級 　 　　　　　　　專 業(yè) 　　　化學工程與工藝 　　　　　　　系 （院） 　 化學 化工學院 　　　　　　　指導教師　 張杰 2013年 6月 設計任務 （一）設計題目

2、 甲苯冷卻器的設計 （二） 計任務及操作條件 1) 甲苯入口溫度95℃，出口溫度45℃ 2)冷卻介質(zhì)循環(huán)水，入口溫度20℃，出口溫度自定； 3)允許壓降不大于50KPa； 4) 每年實際生產(chǎn)時間：7000小時/年，處理量：95000噸/年； （三） 設備類型 管殼式換熱器 （四）廠址 臨沂地區(qū) （五）設計內(nèi)容 1）設計方案簡介：對確定的工藝流程及換熱器的型式進行簡單論述。 2）換熱器的工藝計算和主要結構尺寸設計。 3）管程和殼程壓力降的核算。 4）設計結果概要或設計結果一覽表。 5）對本設計的評述及有關問題討論。 目錄 1、設計概述···

3、·························5 2、確定設計方案··························6 2.1選擇換熱器的類型·······················6 2.1.1工作原理··························6 2.1.2換熱管布置和排列間距····················6 2.1.3換熱器設計的基本原則····················7 2.1.4流體流速的選擇·······················7 3、確定物性數(shù)據(jù)··························7

4、 3.1定性溫度·························· 8 4、估算傳熱面積··························8 4.1熱流量····························8 4.2平均傳熱溫差·························8 4.2.1計算平均溫度差·······················8 4.2.2計算R和P·························8 4.3傳熱面積···························9 4.4冷卻水量···················

5、········9 5、工藝結構尺寸··························10 5.1 管徑和管內(nèi)流速························10 5.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)·······················10 5.3計算換熱器的實際換熱面積和總傳質(zhì)···············10 5.4殼體內(nèi)徑···························10 5.5折流板····························11 5.6折流板數(shù)···························11 6. 換熱器核算

6、···························11 6.1熱流量核算··························11 6.1.1管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)···························11 6.1.2污垢熱阻和管壁熱阻························12 6.1.3計算傳熱系數(shù)KC··························12 6.1.4該換熱器的面積裕度···························12 6.2換熱器內(nèi)流體的流動阻力···························13

7、 6.2.1管程流體阻力···························13 6.2.2殼程阻力···························13 7、設計評述·····························14 8、主要符號說明···························15 19、參考文獻····························15 1.設計概述熱量傳遞的概念與意義 1.1熱量傳遞的概念 熱量傳遞是指由于溫度差引起的能量轉

8、移，簡稱傳熱。由熱力學第二定律可知，在自然界中凡是有溫差存在時，熱就必然從高溫處傳遞到低溫處，因此傳熱是自然界和工程技術領域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。 1.2 化學工業(yè)與熱傳遞的關系 化學工業(yè)與傳熱的關系密切。這是因為化工生產(chǎn)中的很多過程和單元操作，多需要進行加熱和冷卻，例如：化學反應通常要在一定的溫度進行，為了達到并保持一定溫度，就需要向反應器輸入或輸出熱量；又如在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，都要向這些設備輸入或輸出熱量。此外，化工設備的保溫，生產(chǎn)過程中熱能的合理利用以及廢熱的回收利用等都涉及到傳熱的問題，由此可見；傳熱過程普遍的存在于化工生產(chǎn)中，且具有極其重要的作用。總之，無論是在能源

9、，宇航，化工，動力，冶金，機械，建筑等工業(yè)部門，還是在農(nóng)業(yè)，環(huán)境等部門中都涉及到許多有關傳熱的問題。 應予指出，熱力學和傳熱學既有區(qū)別又有聯(lián)系。熱力學不研究引起傳熱的機理和傳熱的快慢，它僅研究物質(zhì)的平衡狀態(tài)，確定系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)變成另一個平衡狀態(tài)所需的總能量；而傳熱學研究能量的傳遞速率，因此可以認為傳熱學士熱力學的擴展。 1.3傳熱的基本方式 根據(jù)載熱介質(zhì)的不同，熱傳遞有三種基本方式： 1.3.1熱傳導（又稱導熱） 物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導。熱傳導的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。 1.3.2熱對流（簡稱對

10、流） 流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流。熱對流僅發(fā)生在流體中，產(chǎn)生原因有二：一是因流體中各處溫度不同而引起密度的差別，使流體質(zhì)點產(chǎn)生相對位移的自然對流；二是因泵或攪拌等外力所致的質(zhì)點強制運動的強制對流。 此外，流體流過固體表面時發(fā)生的對流和熱傳導聯(lián)合作用的傳熱過程，即是熱由流體傳到固體表面（或反之）的過程，通常稱為對流傳熱。 1.3.3熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射的特點是：不僅有能量的傳遞，而且還有能量的轉移。 2、確定設計方案 2.1選擇換熱器的類型 管殼式換熱器是目前應用最為廣泛的一種換熱器。它包括:固定管板式換熱器、U

11、?型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。管殼式換熱器由管箱、殼體、管束等主要元件構成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導熱元件，決定換熱器的熱力性能。另一個對換熱器熱力性能有較大影響的基本元件是折流板（或折流桿）。管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能力及操作運行的安全可靠性。 2.1.1工作原理： 管殼式換熱器和螺旋板式換熱器、板式換熱器一樣屬于間壁式換熱器，其換熱管內(nèi)構成的流體通道稱為管程，換熱管外構成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過兩不同溫度的流體時，溫度較高的流體通過換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，溫度較高的流體被冷卻，溫度

12、較低的流體被加熱，進而實現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。 2.1.2換熱管布置和排列間距 常用的換熱管規(guī)格有ф19×2 mm、ф25×2 mm(1Crl8Ni9Ti)、ф25×2.5 mm(碳鋼10)。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較薄；同時，對于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面積的金屬耗量更少。換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列。 ?（A）?（B）（C） ? （D） 圖 1 換熱管在管板上的排列方式 (A) 正

13、方形直列??? ?（B）正方形錯列 ?? (C) 三角形直列? ??（D）三角形錯列? 2.1.3換熱器設計的基本原則 ①不潔凈和易結垢的流體宜走管程，因為管程清洗比較方便。 ②腐蝕性的流體宜走管程，以免管子和殼體同時被腐蝕，且管程便于檢修與更換。 ③壓力高的流體宜走管程，以免殼體受壓，可節(jié)省殼體金屬消耗量。 ④被冷卻的流體宜走殼程，可利用殼體對外的散熱作用，增強冷卻效果。 ⑤飽和蒸汽宜走殼程，以便于及時排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，一般不需清洗。 ⑥有毒易污染的流體宜走管程，以減少泄漏量⑦流量小或粘度大的流體宜走殼程，因流體在有折流擋板的殼程中流動，由于流速和流向

14、的不斷改變， 在低Re（Re>100）下即可達到湍流，以提高傳熱系數(shù)。 ⑧若兩流體溫差較大，宜使對流傳熱系數(shù)大的流體走殼程，因壁面溫度與α大的流體接近，以減小管壁與殼壁的溫差，減小溫差應力。 2.1.4流體流速的選擇 表1 管殼式換熱器中最常用的流速范圍 流體種類 一般液體 易結垢液體 氣體 流速m/s 管程 0.5～3.0 〉1.0 5.0～30.0 2.2流程安排本換熱器處理的是兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，由于循環(huán)冷卻水較易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，甲苯走殼程。 3、確定物性數(shù) 3.1定性溫度 可取流體進口溫度的

15、平均值。 管程流體的定性溫度為：（℃） 甲苯的定性溫度為： (℃) 根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。 表2 甲苯在70℃下的有關物性數(shù)據(jù) 循環(huán)冷卻水在28℃下的物性數(shù)據(jù) 密度 =866kg/m3 密度 =996.2kg/m3 定壓比熱容 Cpo=1.91 kJ/(kg·℃) 定壓比熱容 Cpi=4.174 kJ/(kg·℃) 導熱系數(shù) =0.123W/(m·℃) 導熱系數(shù) λi=0.614W/(m·℃) 粘度 =0.455mPa·s 粘度 =0.8417mPa·s 4.1熱負荷計算 Qt=(T1-T2)= =W

16、4.2平均傳熱溫差 4.2.1計算平均溫度差 甲苯 95℃→45℃ 冷卻水36℃←20℃ 溫差 59℃ 25℃ (℃) 4.2.2計算R和P 圖2 由上圖可查得故選用單殼程即可 故 4.3傳熱面積 假設K=350W/(m2·K),則估算面積為： S=Qt/(K×Δtm)= () 取安全系數(shù)為1.04 S=28.86×1.04=30.01 () 4.4冷卻水量 （kg/s） 5、工藝結構尺寸 5.1 管徑和管內(nèi)流速 選用標準25×2.5mm，取管內(nèi)流速ui= 0.5m/s L=3m 5.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)

17、徑和流速確定單程傳熱管數(shù) ≈126（根） 所以按雙程設計即可， NT=126（根） 5.3計算換熱器的實際換熱面積和總傳質(zhì) 傳熱管排列和排列 采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距Pt=1.25d0，則Pt=1.25×25=32(mm) 5.4殼體內(nèi)徑 管外徑的確定 D— 外殼直徑，m t— 管中心距 — 位于管束中心線上的管束 d—管束中心線上最外層的中心至殼體內(nèi)壁的距離，一般取b=(1～1.5)do,m。 有下面公式估算； 管子按正三角形排列 d=1.5=1.5×0.025=0.0375 t

18、=0.032m D=0.032(12-1)+2×0.0375=0.427 圓整到標準值450mm 5.5折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25% 折流板間距:1/5D

19、·K) 〕 6.1．1管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 管程流體流通截面積：Si=0.785×0.022×24/4=0.001884（） 管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為： =0.5（m/s） Rei= 普朗特數(shù)：Pr= =0.023×=3527〔W/ (·K)〕 6.1.2污垢熱阻和管壁熱阻 查有關文獻知可?。? 管外側污垢熱阻 = m2·K/W 管內(nèi)側污垢熱阻 =m2·K/W 6.1.3計算傳熱系數(shù) =410.3 故所選擇的換熱器是合適的，安全系數(shù) 6.2.1管程流體阻力 計算公式如下 其中=1,，; 由Re=11840,屬于湍流，傳熱管相

20、對粗糙度取0.2／20=0.01，差莫荻圖得=0.041 == = 管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。 6.2.2殼程壓力降 =1.15 ；NS=1 ； 管子為正三角形排列，F(xiàn)=0.5 ,取 根據(jù)， 取z等于3m 殼程流通面積 =9+1)=204.64pa =（204.64+84.1）×1.15×1=332.051<50kPa 計算結果表明，管程和殼程的壓力降均能滿足設計條件 7、設計評述 本次化工課程設計是對列管式換熱器的設計，通過查閱有關文獻資料、上網(wǎng)搜索資料以及反復計算核實，本列管式換熱器的設計可以說基本完

21、成了。下面就是對本次設計的一些評述。 本設計所需要的換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時進口溫度會降低，考慮這一因素，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，故本次設計確定選用浮頭式換熱器。易析出結晶、沉淀、淤泥及其他沉淀物的流體，最好通入比較容易進行機械清洗的空間，而浮頭式換熱器的管束可以從殼體中抽出，便于清洗管間和管內(nèi)管束可以在殼體內(nèi)自由伸縮，不會產(chǎn)生熱效應力。對于浮頭式換熱器，一般易在管內(nèi)空間進行清洗。所以選擇浮頭式換熱器較合適。本設計選擇了冷卻水走管程，煤油走殼程的方案。由于本設計所要冷卻的煤油的流量不是很大，故選擇所需的換熱器為單殼程、單管程，可以達到了設計的要求，且設計的列

22、管式換熱器所需的換熱面積較合適，計算得的面積裕度也較合適，這樣所損耗的熱量相對來說不會很大。至于本設計能否用在實踐中生產(chǎn)，或者生產(chǎn)的效率是否會很低，這些只有在實踐中才能具體的說明。 通過本次設計，我學會了如何根據(jù)工藝過程的條件查找相關資料，并從各種資料中篩選出較適合的資料，根據(jù)資料確定主要工藝流程，主要設備，及計算出主要設備及輔助設備的各項參數(shù)及數(shù)據(jù)。了解到了工藝設計計算過程中要進行工藝參數(shù)的計算。通過設計不但鞏固了對主體設備圖的了解，還學習到了工藝流程圖的制法。通過本次設計不但熟悉了化工原理課程設計的流程，加深了對冷卻器設備的了解，而且學會了更深入的利用圖書館及網(wǎng)上資源，對前面所學課程有了

23、更深的了解。但由于本課程設計屬我第一次設計，而且時間比較短，查閱的文獻有限，本課程設計還有較多地方不夠完善，不能夠進行有效可靠的計算。 8、主要符號說明 P——壓力，Pa ; Q——傳熱速率，W； R——熱阻，㎡·K/W； Re——雷諾準數(shù)； S——傳熱面積，㎡； t——冷流體溫度，℃； T——熱流體溫度，℃； u——流速，m/s; ——質(zhì)量流速，㎏/h; ——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/(㎡·K); ——有限差值； ——導熱系數(shù)，W/(m·K); ——粘度，Pa·s; ——密度，㎏/m3; ——校正系數(shù)。 r——轉速，n/(r/min) H——揚程，m ——必須汽蝕余量，m A——實際傳熱面積， Pr——普郎特系數(shù) NB——板數(shù)，塊 K——總傳熱系數(shù)，W/(㎡·K) ——體積流量 Nt——管數(shù)，根 Np——管程數(shù) l——管長，m KC——傳熱系數(shù)，W/(m·K) △tm——平均傳熱溫差，℃ 9、參考文獻