甲苯冷卻器的設(shè)計(jì) (2)

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1、化工原理課程設(shè)計(jì) 題目：甲苯冷卻器的設(shè)計(jì) 　　　　　　 姓 名　 　　 張風(fēng)平 　　　　　　 學(xué) 號　　 　　　　　　　年 級　 2010級 　 　　　　　　　專 業(yè) 　　　化學(xué)工程與工藝 　　　　　　　系 （院） 　 化學(xué) 化工學(xué)院 　　　　　　　指導(dǎo)教師　 張杰 2013年 6月 設(shè)計(jì)任務(wù) （一）設(shè)計(jì)題目

2、 甲苯冷卻器的設(shè)計(jì) （二） 計(jì)任務(wù)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(shí)際生產(chǎn)時間：7000小時/年，處理量：95000噸/年； （三） 設(shè)備類型 管殼式換熱器 （四）廠址 臨沂地區(qū) （五）設(shè)計(jì)內(nèi)容 1）設(shè)計(jì)方案簡介：對確定的工藝流程及換熱器的型式進(jìn)行簡單論述。 2）換熱器的工藝計(jì)算和主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)。 3）管程和殼程壓力降的核算。 4）設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表。 5）對本設(shè)計(jì)的評述及有關(guān)問題討論。 目錄 1、設(shè)計(jì)概述···

3、·························5 2、確定設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jì)算平均溫度差·······················8 4.2.2計(jì)算R和P·························8 4.3傳熱面積···························9 4.4冷卻水量···················

5、········9 5、工藝結(jié)構(gòu)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(jì)算換熱器的實(shí)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(jì)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(shè)計(jì)評述·····························14 8、主要符號說明···························15 19、參考文獻(xiàn)····························15 1.設(shè)計(jì)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(zhuǎn)

8、移，簡稱傳熱。由熱力學(xué)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(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。 1.2 化學(xué)工業(yè)與熱傳遞的關(guān)系 化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系密切。這是因?yàn)榛どa(chǎn)中的很多過程和單元操作，多需要進(jìn)行加熱和冷卻，例如：化學(xué)反應(yīng)通常要在一定的溫度進(jìn)行，為了達(dá)到并保持一定溫度，就需要向反應(yīng)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(shè)備輸入或輸出熱量。此外，化工設(shè)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?？傊?，無論是在能源

9、，宇航，化工，動力，冶金，機(jī)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(guān)傳熱的問題。 應(yīng)予指出，熱力學(xué)和傳熱學(xué)既有區(qū)別又有聯(lián)系。熱力學(xué)不研究引起傳熱的機(jī)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(xué)研究能量的傳遞速率，因此可以認(rèn)為傳熱學(xué)士熱力學(xué)的擴(kuò)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(dǎo)（又稱導(dǎo)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(yùn)動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)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(diǎn)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(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動的強(qiáng)制對流。 此外，流體流過固體表面時發(fā)生的對流和熱傳導(dǎo)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(diǎn)是：不僅有能量的傳遞，而且還有能量的轉(zhuǎn)移。 2、確定設(shè)計(jì)方案 2.1選擇換熱器的類型 管殼式換熱器是目前應(yīng)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(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導(dǎo)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(yùn)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(gòu)成的流體通道稱為管程，換熱管外構(gòu)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(jìn)而實(shí)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??；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(shè)計(jì)的基本原則 ①不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程，因?yàn)楣艹糖逑幢容^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(qiáng)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(dá)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(yīng)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(jié)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(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)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(jìn)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(guān)物性數(shù)據(jù)。 表2 甲苯在70℃下的有關(guān)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(dǎo)熱系數(shù) =0.123W/(m·℃) 導(dǎo)熱系數(shù) λi=0.614W/(m·℃) 粘度 =0.455mPa·s 粘度 =0.8417mPa·s 4.1熱負(fù)荷計(jì)算 Qt=(T1-T2)= =W

16、4.2平均傳熱溫差 4.2.1計(jì)算平均溫度差 甲苯 95℃→45℃ 冷卻水36℃←20℃ 溫差 59℃ 25℃ (℃) 4.2.2計(jì)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(shè)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(jié)構(gòu)尺寸 5.1 管徑和管內(nèi)流速 選用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)即可， NT=126（根） 5.3計(jì)算換熱器的實(shí)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)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?cái)?shù)：Pr= =0.023×=3527〔W/ (·K)〕 6.1.2污垢熱阻和管壁熱阻 查有關(guān)文獻(xiàn)知可取： 管外側(cè)污垢熱阻 = m2·K/W 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 =m2·K/W 6.1.3計(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果表明，管程和殼程的壓力降均能滿足設(shè)計(jì)條件 7、設(shè)計(jì)評述 本次化工課程設(shè)計(jì)是對列管式換熱器的設(shè)計(jì)，通過查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料、上網(wǎng)搜索資料以及反復(fù)計(jì)算核實(shí)，本列管式換熱器的設(shè)計(jì)可以說基本完

21、成了。下面就是對本次設(shè)計(jì)的一些評述。 本設(shè)計(jì)所需要的換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時進(jìn)口溫度會降低，考慮這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，故本次設(shè)計(jì)確定選用浮頭式換熱器。易析出結(jié)晶、沉淀、淤泥及其他沉淀物的流體，最好通入比較容易進(jìn)行機(jī)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(yīng)力。對于浮頭式換熱器，一般易在管內(nèi)空間進(jìn)行清洗。所以選擇浮頭式換熱器較合適。本設(shè)計(jì)選擇了冷卻水走管程，煤油走殼程的方案。由于本設(shè)計(jì)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(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，且設(shè)計(jì)的列

22、管式換熱器所需的換熱面積較合適，計(jì)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(shè)計(jì)能否用在實(shí)踐中生產(chǎn)，或者生產(chǎn)的效率是否會很低，這些只有在實(shí)踐中才能具體的說明。 通過本次設(shè)計(jì)，我學(xué)會了如何根據(jù)工藝過程的條件查找相關(guān)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(shè)備，及計(jì)算出主要設(shè)備及輔助設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)及數(shù)據(jù)。了解到了工藝設(shè)計(jì)計(jì)算過程中要進(jìn)行工藝參數(shù)的計(jì)算。通過設(shè)計(jì)不但鞏固了對主體設(shè)備圖的了解，還學(xué)習(xí)到了工藝流程圖的制法。通過本次設(shè)計(jì)不但熟悉了化工原理課程設(shè)計(jì)的流程，加深了對冷卻器設(shè)備的了解，而且學(xué)會了更深入的利用圖書館及網(wǎng)上資源，對前面所學(xué)課程有了

23、更深的了解。但由于本課程設(shè)計(jì)屬我第一次設(shè)計(jì)，而且時間比較短，查閱的文獻(xiàn)有限，本課程設(shè)計(jì)還有較多地方不夠完善，不能夠進(jìn)行有效可靠的計(jì)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(zhǔn)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(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K); ——粘度，Pa·s; ——密度，㎏/m3; ——校正系數(shù)。 r——轉(zhuǎn)速，n/(r/min) H——揚(yáng)程，m ——必須汽蝕余量，m A——實(shí)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(xiàn)