浮头式换热器设计 1.docx
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浮头式换热器设计1
目录
一、引言
1.1列管式换热器设计任务书…………………………………2
1.2设计题目的目的、意义、内容、主要任务………………3
二、正文
2.1确定设计方案………………………………………………4
2.2确定物性数据………………………………………………4
2.3估算传热面积………………………………………………5
2.4工艺结构尺寸………………………………………………6
2.4.1管径和管内流速…………………………………………6
2.4.2管程数和传热管数………………………………………6
2.4.3平均温差校正及壳程数…………………………………6
2.4.4传热管排列和分程方法…………………………………7
2.4.5壳体直径………………………………………………7
2.4.6折流板…………………………………………………7
2.4.7接管……………………………………………………7
2.5换热器核算…………………………………………………8
2.5.1.传热面积校核…………………………………………8
2.5.2换热器内压降的核算……………………………………10
三、结论…………………………………………………………………12
四、参考文献…………………………………………………………13
一、引言
1.1列管式换热器设计任务书
1.1.1.设计题目:
1,3-丁二烯气体换热器设计
1.1.2.设计任务及操作条件
1.设计任务:
工作能力(进料量q=120000+51×1000=171000㎏/h)
2.操作条件:
1,3-丁二烯气体的压力:
6.9MPa进口110℃,出口60℃循环冷却水的压力:
0.4MPa进口30℃,出口40℃
1.1.3.设备型式:
浮头式换热器
1.1.4.物性参数
1,3-丁二烯气体在定性温度(85℃)下的有关物性数据如下:
密度
=527㎏/m3
定压比热容
=2.756kJ/(㎏·℃)
热导率
=0.0999W/(m·℃)
粘度
=9.108×10-5Pa·s
循环水在定性温度(34℃)下的物性数据如下:
密度
=994.4kg/m3
定压比热容
=4.08kJ/(kg·℃)
热导率
=0.624W/(m·℃)
粘度
=0.725×10-3Pa·s
1.1.5.设计内容:
1.设计方案的选择及流程说明
2.工艺计算
3.主要设备工艺尺寸
(1)冷凝器结构尺寸的确定
(2)传热面积,两侧流体压降校核
(3)接管尺寸的确定
4.换热器设备图和说明书
1.2设计题目的目的、意义、内容、主要任务
1.2.1.课程设计的目的:
(1)使学生掌握化工设计的基本程序与方法;
(2)结合设计课题培养学生查阅有关技术资料及物性参数的能力;
(3)通过查阅技术资料,选用设计计算公式,搜集数据,分析工艺参数与结构尺寸间的相互影响,增强学生分析问题、解决问题的能力;
(4)对学生进行化工工程设计的基本训练,使学生了解一般化工工程设计的基本内容与要求;
(5)通过编写设计说明书,提高学生文字表达能力,掌握撰写技术文件的有关要求;
(6)了解一般化工设备图基本要求,对学生进行绘图基本技能训练
1.2.2.课程设计内容:
(1)设计方案简介 :
对给定或选定的工艺流程,主要设备的型式进行简要的论述。
(2)主要设备的工艺设计计算 :
包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计。
(3)典型辅助设备的选型和计算 :
包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定。
(4)工艺流程简图 :
以单线图的形式绘制,标出主体设备和辅助设备的物料流向、物流量,能流量和主要化工参数测量点。
(5)主体设备工艺条件图:
图画上应包括设备的主要工艺尺寸,技术特性表和接管表等。
1.2.3.课程设计的基本教学要求
(1)要求设计者接收设计任务书后,运用所学知识,经详细、全面考虑,确定设计方案,选用计算公式,认真收集查取相关的物性参数。
(2)正确选用设计参数,树立从技术上可行和经济上合理两方面考虑的工程观点,兼顾操作维修的方便和环境保护的要求,从总体上得到最佳结果。
(3)准确而迅速地进行过程计算及主要设备的工艺设计计算,以确保在规定时间内完成设计任务。
二、正文
2.1确定设计方案
2.1.1.选择换热器的类型
该换热器用循环冷却水冷却,冬季操作时,其进口温度会降低,结合两流体的温度差,估计该换热器管壁温度和壳体温度之差较大,初步确定用浮头式换热器。
2.2.2.管程安排
由于循环冷却水容易结垢,若其流速太低,会加快结垢速度,影响换热,从总体考虑应使循环水走管程,1,3-丁二烯气体走壳程。
2.2确定物性数据
进料量:
q=[110000+138×1000]=248000kg/h
项目
管程(循环水)
壳程(1,3-丁二烯气体)
定性温度
℃
℃
物性参数[1]
=994.4㎏/m3
=4.08kJ/(㎏·℃)
=0.626W/(m·℃)
=0.725×10-3Pa·s
=527kg/m3
=2.756kJ/(kg·℃)
=0.0999W/(m·℃)
=9.108×10-5Pa·s
2.3估算传热面积
2.3.1传热量:
=248000×2.761×(110-60)
=9506.8kW
2.3.2冷却水用量:
kg/s
2.3.3平均温差:
2.3.4初算总传热面积
由于壳程气体压力较高,故可选取较大的K值[2],假定总传热系数K=450W.m-2.℃-1,则计算所需传热面积为:
2.4工艺结构尺寸
2.4.1管径和管内流速
选用
25mm×2.5mm的碳钢管[3],
取管内流速
=1.2m/s[4]
2.4.2管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数
(根)
按单程管计算,所需的传热管长度为:
按单管程设计,传热管过长,因此采用多管程结构。
先取传热管长l=7m,则该换热器管程数为:
2
传热管总根数
621×2=1242(根)
2.4.3平均温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数:
按单壳程双管程结构,温差校正系数应为[2]:
,
由于平均传热温差校正系数大于0.8,同时壳程流体流量较大,故取单壳程合适。
2.4.4传热管排列和分程方法
采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列。
隔板两侧采用正方型排列[4],管心距Pt=1.25×25=31.25≈32(mm),隔板中心到离其最近一排管中心距离:
Z=Pt/2+6=22mm各程相邻管的管心距为44mm。
管束的分程方法:
每程各有传热管621根,横过管束中心线的管数[4]:
2.4.5壳体直径
采用多管程结构,进行壳体内径估算。
取管板利用率
[4],则壳体直径为:
=1415.39(mm)
圆整可取1400(mm)
2.4.6折流板
采用弓形折流板,圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为h=0.25×1415.3=353.825(mm),进挡所以可以取h=350(mm),所取折流板间距B=0.3D=0.3×1400=420(mm)可取B=400(mm)
折流板数:
2.4.7接管
壳程流体进出口接管,取接管内循环水流速u1=10m/s,
则接管内径为
取整后D1=110mm
管程流体出口接管:
取壳内流体流速u2=1.2m/s,则接管内径为
取整后D2=220mm
2.5换热器核算
2.5.1.传热面积校核
1.管程传热膜系数[4]
管程流体流通截面积
Si=0.785×0.022×58=0.182m2
管程流体的流速和雷诺数分别为:
ui=233.0/(994.4×0.182)=1.197m/s
Re=0.02×1.197×994.4/(0.725×10-3)=32835
普朗特数
Pr=4.08×1000×0.725×1000/0.626=4.73
可得
5680.23W/(m2·k)
2.壳程表面传热系数[4]
管子按正三角形排列,传热当量直径为
=
=0.02(m)
壳程流通截面积
=0.250×1.150×(1-25/32)=0.06289(m2)
壳程流体流速和雷诺数分别为:
普朗特数
黏度校正[4]
则壳程传热膜系数
3.污垢热阻和管壁热阻
管外侧污垢热阻:
1.718×10-4(m2·℃)/W
管内污垢热阻:
3.4395×10-4(m2·℃)/W
碳钢在此条件下的热导率为[4]:
50W/(m·℃)
已知管壁厚度为:
,
4.总传热系数K[4]
=597.6W/(m2·℃)
5.传热面积校核[4]
实际传热面积
换热器的面积裕度为
传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。
2.5.2换热器内压降的核算
1.管程阻力
由
,传热管相对粗糙度0.01参考
双对数坐标图[2]得
,流速
,
KPa<35KPa
管程流体阻力在允许范围之内
2.壳程阻力
,
其中
.15
流体流经管束的阻力
则
流体流过折流板缺口的阻力
,
其中
,
则
总阻力
管程流体阻力在允许范围之内。
三、结论
3.1主要结构尺寸和计算结果
参数
管程
壳程
流率/(Kg/h)
83800
248000
进(出)口温度/℃
30/40
110/60
压力/MPa
0.4
6.9
物性
定性温度/℃
35
85
密度/(Kg/m3)
994.4
527
定压比热容/[kJ/(kg·℃)]
4.08
2.756
黏度/Pa·s
0.725×10-3
9.108×10-5
热导率/[W/(m·℃)]
0.626
0.0999
普朗特数
4.73
2.62
设备结构参数
形式
浮头式
壳程数
1
壳体内径/mm
1400
台数
1
管径/mm
Φ25×2.5
管心距/mm
32
管长/mm
7000
管子排列
正三角形
管数目/根
1242
折流板数/个
16
传热面积/m2
659.4
折流板间距/mm
400
管程数
2
材质
碳钢
主要计算结果
管程
壳程
流速/(m/s)
1.197
2.1
表面传热系数/[W/(m2·℃)]
5680.23
897.9
污垢热阻/[(m2·℃)/W]
3.4394×10-4
1.718×10-4
阻力/KPa
31.84
79.25
热流量/kW
9506.8
传热温差/K
31.07
传热系数/[W/m2·℃]
597.6
裕度/%
17.2
3.2设计评述
本设计所有参数经反复核算,保证各参数均在设计要求之内,准确可行。
壳程流体流速
=1.43m/s,流体雷诺数
=165628。
管程流体流速
=1.197m/s,流体雷诺数Rei=32083>4000。
管程流体流动为湍流,能够较好的达到换热的要求。
每程内都采用正三角形排列,而在各程之间为了便于安装隔板,采用正方形排列方式。
正三角形排列结构紧凑,正方形排列便于机械清洗。
该换热器的面积裕度H=17.2%在15%-25%之间,则所设计换热器能够完成生产任务。
管程流动阻力为31.835KPa,10KPa<18.84KPa<35KPa在允许范围之内。
四、参考文献
[1]刘光启,马连湘,刘杰化学化工数据手册[M].化学工业出版社.2002
[2]杨祖荣,刘丽英,刘伟化工原理[M].化学工业出版社.2009.
[3]化工机械手册编辑委员会化工机械手册[M].天津出版社
[4]天津大学化工原理教研室化工原理课程设计[M].化工出版社.1997