化工課程設(shè)計---水蒸氣加熱苯列管式換熱器的設(shè)計

1、<p><b>　　課程設(shè)計</b></p><p>　　題 目水蒸氣加熱苯列管式換熱器的設(shè)計</p><p>　　學(xué) 院 化學(xué)工程學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 化工0901班 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指導(dǎo)老

2、師 </p><p><b>　　2010年 9月</b></p><p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　題 目: 水蒸氣加熱苯列管式換熱器的設(shè)計 </p><p><b>

3、;　　一、工藝條件</b></p><p>　　用150 KPa的飽和水蒸氣將20 ℃的苯加熱到75 ℃，苯的質(zhì)量流量為45t/h，試設(shè)計一列管式換熱器，要求其管程壓降小于70 kPa。</p><p>　　要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）</p><p>　　1、合理的參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計；</p&

4、gt;<p>　　2、工藝計算，包括傳熱計算和壓降計算等；</p><p>　　3、主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計。</p><p><b>　　時間安排：</b></p><p>　　設(shè) 計 內(nèi) 容所用時間</p><p>　　1、根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計方案；1天</p><p>

5、;　　2、初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸； 1天</p><p>　　3、核算換熱器的傳熱面積和流體阻力；1天</p><p>　　4、確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)；1天</p><p>　　5、寫出設(shè)計說明書。1天</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： 年 月

6、 日</p><p>　　系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中，為了實現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程中的一種設(shè)備，統(tǒng)稱為換熱器，它是化工煉油，動力，原子能和其它許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備，對于迅速發(fā)展的化工，煉油等工業(yè)生產(chǎn)來說

7、，換熱器尤為重要，換熱器隨著使用目的的不同可以把它分為：熱交換器，加熱器，冷卻器，冷凝器，蒸發(fā)器和再沸器等。</p><p>　　本設(shè)計的主要任務(wù)是完成滿足某一生產(chǎn)要求的管殼式換熱器，它是屬于列管式換熱器的一種，是利用間壁使高溫流體和低溫流體進(jìn)行對流傳熱從而實現(xiàn)物料間的熱量傳遞。換熱器的工藝設(shè)計計算有兩種類型，即設(shè)計計算和校核計算，包括計算換熱面積和造型兩方面。設(shè)計計算的目的是根據(jù)給定的工作條件及熱負(fù)荷，選擇一種

8、適當(dāng)?shù)膿Q熱器類型，確定所需的換熱面積，進(jìn)而確定換熱器的具體尺寸。校核計算的目的則是對已有的換熱器校核它是否滿足預(yù)定要求，這是屬于換熱器性能計算問題。無論是設(shè)計計算還是校核計算，所需的數(shù)據(jù)包括結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)和物性數(shù)據(jù)三大類。其中結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的選擇在換熱器設(shè)計中最為重要。對于列管式換熱器的設(shè)計包括殼體型式、管程數(shù)、管子類型、管長、管制排列形式、折流板型式、冷熱流體流動通道等方面的選擇。工藝數(shù)據(jù)包括冷熱流體的流量、進(jìn)出口溫度、進(jìn)口壓力、允許壓

9、力降及污垢系數(shù)。物性數(shù)據(jù)包括冷熱流體在進(jìn)出口溫度或定性溫度下的的密度、比熱容、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等。</p><p>　　本設(shè)計針對飽和水蒸氣加熱苯的問題設(shè)計一列管式換熱器。本設(shè)計包括三個部分：說明部分、計算部分、繪圖部分。本設(shè)計主要是說明部分。說明部分主要是通過對苯生產(chǎn)任務(wù)的確定，最后確定水蒸汽的用量及換熱器的結(jié)構(gòu)，說明了此換熱器的工作環(huán)境，工作條件，適用范圍及技術(shù)要求等。計算部分主要是對針對所選的換熱器在滿足生產(chǎn)

10、要求的情況下進(jìn)行工藝核算，最大可能的減小投入和增加收益，本設(shè)計就是為完成以上任務(wù)而進(jìn)行的計算。繪圖部分主要是遵照計算的要求在繪圖紙上按照一定的比例要求把所設(shè)計的換熱器反映到圖紙上來，使設(shè)計更清晰易懂。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 設(shè)計方案的確定1</p><p>　　1.1列管式換熱器型式的選擇<

11、/p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　1.2 流程的選擇</b></p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　1.3流速的選擇</b></p><p><b>　　1.4熱補(bǔ)

12、償</b></p><p><b>　　1.5流向的選擇</b></p><p>　　2 換熱器的設(shè)計計算</p><p><b>　　1</b></p><p>　　2.1 確定物性數(shù)據(jù)1</p><p>　　2.2 估算傳熱面積2</p>&

13、lt;p><b>　　2.2.1 熱負(fù)荷</b></p><p><b>　　2</b></p><p>　　2.2.2 平均傳熱溫差2</p><p>　　2.2.3 總傳熱系數(shù)</p><p><b>　　2</b></p><p>　　2.

14、2.4 計算傳熱面積</p><p><b>　　2</b></p><p>　　2.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸</p><p><b>　　2</b></p><p>　　2.3.1 管徑和管內(nèi)流速</p><p>　　2.3.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)的計算</p><

15、;p>　　2.3.3傳熱管排列和分程方法</p><p>　　2.3.4 殼體內(nèi)徑</p><p><b>　　2.3.5 折流板</b></p><p><b>　　2.3.6接管</b></p><p><b>　　2.3.7．拉桿</b></p>&l

16、t;p><b>　　2.3.8數(shù)據(jù)匯總</b></p><p><b>　　3．換熱器核算</b></p><p><b>　　5</b></p><p><b>　　3.1 熱量核算</b></p><p>　　3.1.1傳熱系數(shù)K的核算<

17、/p><p>　　3.1.2傳熱面積S的核算</p><p>　　3.1.3壁溫的核算</p><p>　　3.2換熱器內(nèi)壓降的核算</p><p><b>　　6</b></p><p>　　3.2.1管程壓力降</p><p>　　3.2.2殼程壓力降</p>

18、<p>　　4. 設(shè)計結(jié)果三線表</p><p>　　5.固定管板式換熱器圖及列管排列圖示例</p><p><b>　　6后記</b></p><p><b>　　13</b></p><p><b>　　7 參考文獻(xiàn)13</b></p><

19、p><b>　　1.設(shè)計方案的確定</b></p><p>　　1.1列管式換熱器型式的選擇</p><p>　　本次設(shè)計任務(wù)是用150 KPa的飽和水蒸汽（約110℃）將20 ℃的苯加熱到75 ℃，估計管壁溫和殼壁溫之差不大，再加上所受壓力較小，因此選用固定管板式換熱器。固定管板式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單和造價優(yōu)廉的特點，且殼程流體為水蒸氣，故不存在殼程不易清潔的問

20、題。</p><p><b>　　1.2流程的選擇</b></p><p>　　選苯走管程，飽和水蒸汽走殼程。原因：飽和水蒸汽宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，增強(qiáng)冷卻效果；苯具有易揮發(fā)、易燃的特點，其蒸汽有爆炸性，且粘度比水大，為避免其泄露和提高對流傳熱系數(shù) ，選苯走管程。采用逆流形式。</p><p><b>　　1.3流速的選

21、擇</b></p><p>　　表1列管式換熱器易燃、易爆液體和氣體允許的安全流速</p><p>　　表2 不同黏度流體的流速（以普通鋼管為例）</p><p>　　故選管程流速u1=0.7m/s</p><p>　　2 換熱器的設(shè)計計算</p><p>　　2.1 確定物性數(shù)據(jù)</p>

22、<p>　　定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值</p><p>　　管程苯的定性溫度t=（20+75）/2=47.5℃</p><p>　　殼程水蒸汽的定性溫度T = （110+110）/2=110℃（150kPa絕壓下的水蒸汽T=110℃）</p><p>　　根據(jù)定性溫度，分別查表可得有關(guān)物性數(shù)據(jù)：</p><p>　　2.2

23、 估算傳熱面積</p><p><b>　　2.2.1 熱負(fù)荷</b></p><p>　　Q=Whr=WcCpc(t2-t1)=45×103 /3600×1.794×103×(75-20)=1233375W</p><p><b>　　水蒸汽流量</b></p>&l

24、t;p>　　Wh=Q/r=1233375/1000/2232.0=0.5526kg/s</p><p>　　2.2.2 平均傳熱溫差</p><p>　　式中：Δt1 =110-20=90℃ Δt2=110-75=35℃</p><p>　　Δt1/Δt2=90/35>2,故：</p><p>　　Δtm=(90-35)/ln

25、(90/35)=58.23℃</p><p>　　2.2.3 總傳熱系數(shù)</p><p>　　利用化工手冊，根據(jù)兩種流體的性質(zhì)，可查出換熱器總傳熱系數(shù)，取其值為K=582―1162W/(m2·℃) 之間,選取K=650 W/(m2·℃)。</p><p>　　2.2.4 計算傳熱面積</p><p>　　S=Q/(K

26、15;Δtm)= 1233375/(650×58.23)=32.5863m2</p><p>　　考慮15%的面積裕度，S=1.15×S=1.15×32.5863=37.4742m2</p><p>　　2.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸</p><p>　　2.3.1 管徑和管內(nèi)流速</p><p>　　管徑和管內(nèi)流速&qu

27、ot; \f C \l "2" 選用Φ25×2.5mm的列管（碳鋼），取管內(nèi)流速u1=0.7m/s。</p><p>　　2.3.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)的計算</p><p>　　依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p>　　ns=Vs/(Π／4×di2×u1)=45×1000/3600/856.

28、11/(3.14/4×0.022×0.7) ≈67根 </p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度</p><p>　　L=S/(Π×d0×ns)=37.4742/(3.14×0.025×67)=7.1250m</p><p>　　按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長L=4.5

29、m，則該換熱器管程數(shù)為</p><p>　　Np=L/l=7.1250/4.5≈2（管程）</p><p>　　傳熱管總根數(shù)：N=67×2=134根</p><p>　　2.3.3傳熱管排列和分程方法</p><p>　　正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗，故采用正三角形的排布方式，管與管板采用焊接的結(jié)構(gòu)。 </p&

30、gt;<p>　　取管心距t=1.25d0=1.25×25≈32mm</p><p>　　橫過管束中心線的管數(shù)</p><p>　　nc=1.1N1/2=1.1×1341/2≈13根2.3.4 殼體內(nèi)徑</p><p>　　采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.75，參考《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》,殼體內(nèi)徑</p>

31、<p>　　D=1.05t×(N/η) 1/2=1.05×32×(134/0.75) 1/2=449.1186mm</p><p>　　根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，圓整可取D=600mm。</p><p>　　換熱器的長度與殼體直徑之比L/D=4.5/0.5=9, 在臥式裝置推薦范圍內(nèi)，故采用臥式裝置。</p><p><b>

32、　　2.3.5 折流板</b></p><p>　　采用弓形折流板，取圓缺形折流板面積為殼體面積的25%，則切去圓缺高度為： H=0.25D=0.25×600=150mm</p><p>　　取折流板間距B=0.3D=0.3×600=180mm </p><p>　　根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)取板間距為200mm。</p><p

33、>　　折流板數(shù)：NB=L/B-1=4500/200-1≈22塊</p><p><b>　　2.3.6接管</b></p><p>　　殼程流體進(jìn)出口接管：取接管外水蒸氣的流速為u=8.0m/s，則接管內(nèi)徑為:</p><p>　　d=(4V/Πu)1/2=(4×0.5526/0.8254/3.14/8.0) 1/2=0.326

34、5m</p><p>　　取管子標(biāo)準(zhǔn)圓整,取d==400mm</p><p>　　管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)苯的流速為u=0.7m/s，則接管內(nèi)徑為</p><p>　　d=(4V/Πu)1/2=(4×45000/3600/856.11/3.14/0.7) 1/2=0.1630m</p><p>　　取管子標(biāo)準(zhǔn)圓整,取d==170

35、mm</p><p>　　2.3.7．拉桿 選拉桿直徑為12mm，拉桿數(shù)量為6根。</p><p><b>　　2.3.8數(shù)據(jù)匯總</b></p><p>　　根據(jù)以上的計算可以得到如下的計算結(jié)果：</p><p><b>　　3．換熱器核算</b></p><p><

36、;b>　　3.1 熱量核算</b></p><p>　　3.1.1傳熱系數(shù)K的核算</p><p>　?。?)殼程對流傳熱系數(shù) </p><p>　　蒸汽在水平管束外冷凝，可采用凱恩（Kern）估算式，根據(jù)兩流體溫度與傳熱系數(shù)，假設(shè)tw=90℃</p><p>　　=0.725×﹛（68.50×10

37、-2）3×951.0;2×9.81×2232.0× 1000/1342/3/0.025/25.89×10-5/(110-90) ﹜1/4</p><p>　　=4772.4789 w/（m2?℃）</p><p>　　(2)管程對流傳熱系數(shù)</p><p>　　管程流通截面積Si=3.14/4×0

38、.022×67=0.021m2</p><p>　　管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為</p><p>　　ui=45000/3600/856.11/0.021=0.6953m/s</p><p>　　Re=0.02×0.6953×856.11/4.412×10-4=26983.3764</p><p>&l

39、t;b>　　普蘭特準(zhǔn)數(shù)</b></p><p>　　Pr=1.763×1000×4.412×10-4/0.1407=5.5283</p><p>　　=0.023×0.1407/0.02×26983.37640.8×5.52830.4</p><p>　　=1124.3606 w/（m2?

40、℃）</p><p><b>　　(3)傳熱系數(shù)K</b></p><p>　　查表知管內(nèi)污垢熱阻Rsi=1.7197×10-4m2·℃／w， 管外污垢熱阻Rs0=0.8598×10-4 m2·℃／w</p><p>　　已知管壁厚度δ=0.0025m,取碳鋼管壁導(dǎo)熱系數(shù) </p><

41、p>　　=1/(25/20/1124.3606+1.7197×10-4×25/20+0.0025×0.025/48.85/0.0225+0.8598×10-4+1/4772.4789</p><p>　　=595.5630 w/（m2?℃）</p><p>　　(4) 傳熱系數(shù)K的核算</p><p>　　|K-K0 |

42、/K0=|595.5630-650|/650=0.08375</p><p><b>　　故此換熱器合適。</b></p><p>　　3.1.2傳熱面積S的核算</p><p>　　S=Q/(KΔtm)=1233375/595.5630/58.23=35.5648m2</p><p>　　該換熱器的實際傳熱面積Sp=N

43、Πd0L=134×3.14×0.025×4.5=47.3355m2</p><p>　　該換熱器的面積欲度H=（Sp-S）/S=(47.3355-35.5648)/35.5648=0.33=33%</p><p>　　而一般換熱器的面積欲度大于15%~20%，就可以滿足要求。故所設(shè)計的換熱器較為合適。</p><p>　　3.1.3壁溫

44、的核算</p><p>　　因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故壁溫可按式</p><p>　　計算。由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較小。計算中應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此取兩側(cè)污垢熱阻為零計熱。</p><p><b>　　于是上式變?yōu)?lt;/b><

45、;/p><p>　　水蒸氣平均溫度Tm=1/2(110+110)=110℃</p><p>　　苯的平均溫度tm=0.4×75+0.6×20=42℃</p><p>　　hc=　1124.3606 w/（m2?℃）hh=4772.4789 w/（m2?℃）</p><p>　　帶入計算得 tw=97.0343℃ ,與凱恩式中假

46、設(shè)相差不大，故假設(shè)合適。</p><p>　　3.2換熱器內(nèi)壓降的核算</p><p><b>　　3.2.1管程阻力</b></p><p>　　管程阻力等于流體流經(jīng)傳熱管直管阻力和管程局部阻力之和。</p><p><b>　　即</b></p><p>　　為管程結(jié)垢校

47、正系數(shù)，量綱為1，對25×2.5mm的管子可近似取1.4,，。</p><p><b>　　，</b></p><p>　　由Re=26983.3764，查《化工原理》書表1-2得傳熱管相對粗糙度為，再查圖1-27得λi=0.03，流速ui=0.7m/s，ρi=856.11kg/m3，所以</p><p>　　ΔP1=0.03

48、5;4500/20×856.11×0.72/2=1415.7919pa</p><p>　　ΔP2=3×856.11×0.72/2=629.2409pa</p><p>　　=（1415.7919+629.2409）×1.4×1×2</p><p>　　=5.7261kpa<70kpa<

49、;/p><p>　　管程流動阻力小于70kPa，符合設(shè)計條件。</p><p>　　3.2.2殼程壓力降</p><p>　　式中 —分別為流體橫過管束的壓強(qiáng)降和通過折柳擋板缺口的壓強(qiáng)降</p><p>　　—殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢后校正因數(shù)，此處取為1.15</p><p>　　式中 F—管子排列方式對壓強(qiáng)降的校正因數(shù)

50、， 由于此處為正三角形排列，所以取0.5</p><p>　　—殼程流體的摩擦系數(shù)，時</p><p><b>　　—折流擋板數(shù)</b></p><p>　　—折流擋板間距，根據(jù)文獻(xiàn)此處取0.25D，即取150mm</p><p>　　—按殼程流通截面積計算的流速</p><p>　　—橫過管

51、束中心線的管數(shù) 此處(n為總管數(shù)) 即 （根）13</p><p>　　擋板的個數(shù) （個）22</p><p><b>　　殼程流通截面積 </b></p><p><b>　　則 </b></p><p><b>　　當(dāng)量直徑</b></p>

52、<p><b>　　=m</b></p><p><b>　　故</b></p><p>　　=（4556.9+2930.9）1.15=8610.975 pa < </p><p>　　故由以上計算結(jié)果表明管程和殼程壓強(qiáng)降都能滿足生產(chǎn)要求。</p><p><b>　　后

53、記</b></p><p>　　課程設(shè)計是《化工原理》課程的一個總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識去解決某一設(shè)計任務(wù)的一次訓(xùn)練。本次課程設(shè)計歷時一周，在此期間我查閱和學(xué)習(xí)了一些相關(guān)資料。在指導(dǎo)老師和一些同學(xué)的幫助下完成了該項設(shè)計任務(wù)。以前從未接觸過此類的課程作業(yè)，在這個過程中收獲很多，體會也很多。</p><p>　　課程設(shè)計不同于平時的作業(yè)，

54、在設(shè)計中需要自己做出決策，即自己確定方案，選擇流程，查取資料，進(jìn)行過程和設(shè)備計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計。在課設(shè)過程中，起初，通過和同學(xué)討論，我先對各基本參量（飽和水蒸汽進(jìn)出口溫度等）做了初步確定，選擇了較為合理的值。接著便是課設(shè)計算部分。中間部分還可以，僅是計算繁瑣些，并未遇到什么大的問題?？傻搅撕怂悴糠?，一經(jīng)核算，發(fā)現(xiàn)不正確，這是才意識到只能從頭來過，這樣經(jīng)過多次的試差核

55、算后才達(dá)到設(shè)計要求。</p><p>　　通過這次學(xué)習(xí)我深切地感受到“學(xué)以致用”的重要性和艱難程度，我們隨口所說的“理論聯(lián)系實踐”，做起來需要的不僅僅是考試的成績，還需要扎實的理論功底、查閱文獻(xiàn)獲得所需信息的基本功、客觀問題和解決方案的分析綜合能力以及動手能力等諸多缺一不可的能力的綜合應(yīng)用。因此，我們應(yīng)永遠(yuǎn)保持謙虛謹(jǐn)慎的學(xué)習(xí)態(tài)度并注重自身各項能力的培養(yǎng)。</p><p><b>

56、　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　1. 夏清、陳常貴 《化工原理》上冊　天津 天津大學(xué)出版社 2005年1月第1版</p><p>　　2.賈少義 柴誠敬 《化工單元過程及設(shè)備過程設(shè)計》 天津 天津大學(xué)出版社 2002.8</p><p>　　3.劉光啟 馬連湘 劉杰 《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊》 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2002.3</p&g

57、t;<p>　　4. 盧煥章 《石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊》 北京 化工出版社 1984.07</p><p>　　5.張受謙 《化工手冊》 山東科學(xué)技術(shù)出版社 1984 濟(jì)南</p><p>　　6.華南工學(xué)院化工原理教研組 《化工過程及設(shè)備設(shè)計》 華南工學(xué)院1986年6月第1版</p><p>　　7.鄭津洋 董其伍 桑芝富《過程設(shè)備設(shè)計》 化學(xué)工業(yè)出版