管殼式換熱器課程設(shè)計--甲苯精餾塔冷凝冷卻(水冷) 換熱系統(tǒng)工藝設(shè)計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　前言 ··························

2、3;·····················2</p><p>　　第一部分，甲苯冷凝器的設(shè)計</p><p>　　設(shè)計任務(wù)····

3、3;····································&#

4、183;·4</p><p>　　設(shè)計要求······························&#

5、183;··········· 4</p><p>　　工藝結(jié)構(gòu)尺寸····················

6、;···················6</p><p>　　管徑和管內(nèi)流速············&#

7、183;··················6</p><p>　　管程數(shù)和傳熱管數(shù)············

8、3;················6</p><p>　　平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)··············&#

9、183;······6</p><p>　　傳熱管的排列和分程數(shù)法·······················7</p

10、><p>　　殼體內(nèi)徑·································&

11、#183;···7</p><p>　　換熱器主要傳熱參數(shù)核算···························

12、··8</p><p>　?。?）計算管程對流傳熱系數(shù)··························8</p>&l

13、t;p>　?。?）計算殼程對流傳熱系數(shù)··························8</p><p>　　（3）確定污垢熱阻·

14、83;································9</p><p>　　（

15、4）總傳熱系數(shù)···································

16、83;9</p><p>　　第二部分，甲苯冷卻器的設(shè)計</p><p>　　試算并初選換熱器規(guī)格························

17、83;······11</p><p>　　流體流動途徑的確定························

18、83;··11</p><p>　　確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)，并選擇列管換熱</p><p>　　器的型式······················

19、;···············11</p><p>　　計算總傳熱系數(shù)················&

20、#183;··················· 11</p><p>　　計算熱負荷···········

21、3;·······················11</p><p>　　冷卻水用量········&#

22、183;··························12</p><p>　　計算平均傳熱溫度差····&#

23、183;······················12</p><p>　　總傳熱系數(shù)K·········

24、;························12</p><p>　　估算換熱面積·······&#

25、183;·························12</p><p>　　工藝結(jié)構(gòu)尺寸······

26、;·································12</p><p&g

27、t;　　管徑和管內(nèi)流速································12</p><

28、;p>　　管程數(shù)和傳熱管數(shù)······························12</p><p>　

29、　平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)······················13</p><p>　　傳熱管的排列和分程方法······

30、83;·················14</p><p>　　殼體內(nèi)徑··············&#

31、183;·······················14</p><p>　　換熱器主要傳熱參數(shù)核算 ·······

32、;······················15</p><p>　　殼程對流傳熱系數(shù) · ·······

33、3;····················15</p><p>　　管程對流傳熱系數(shù) · ·········

34、83;··················16</p><p>　　基于管內(nèi)表面積的總傳熱系數(shù) · ··········

35、83;·······16</p><p>　　計算面積裕度· ······················

36、3;·········17</p><p>　　化工原理課程設(shè)計任務(wù)書</p><p><b>　　設(shè)計任務(wù)題目</b></p><p>　?。＃＃Ｈf噸/年 甲苯精餾塔冷凝冷卻(水冷) 換熱系統(tǒng)工藝設(shè)計。</p><p><

37、b>　　任務(wù)給定條件</b></p><p><b>　　熱流條件：</b></p><p>　　流量為10500kg/h的甲苯蒸汽從120℃，0.14 MPa(絕壓)冷凝到120℃，0.14 MPa(絕壓) 甲苯液，再冷卻到30℃；120℃甲苯汽相熱焓 140 Kcal/Kg，液相焓53 Kcal/Kg，30℃甲苯液相焓13 Kcal/Kg ；定性

38、溫度80℃時甲苯密度810Kg/m3 , 比熱 0.446(Kcal/Kg. ℃) 絕對粘度0.32(cp) ，比熱0.104 (Kcal/(m.h. ℃)) 。</p><p><b>　　冷流條件</b></p><p>　　新鮮水初始溫度25℃，循環(huán)水初始溫度45℃，換熱后水溫升15℃。水的物性數(shù)據(jù)由化原上冊附錄查取。</p><p>　

39、　管殼式換熱器類型提示</p><p>　　設(shè)計壓力1.6MPa，要求管程和殼程的壓降不大于30kPa，冷凝采用浮頭式，冷卻采用固定管板式管殼式換熱器。 </p><p><b>　　設(shè)計要求 </b></p><p>　　每個設(shè)計者必須提交設(shè)計說明書和冷凝冷卻系統(tǒng)工藝流程圖(A3)。</p><p>　　1．設(shè)計說明書

40、必須包括下述內(nèi)容：</p><p>　　封面、目錄、設(shè)計任務(wù)書、設(shè)計計算書、設(shè)計結(jié)果匯總表、設(shè)計自評和符號說明、參考文獻等。 </p><p>　　2．設(shè)計計算書應(yīng)包括的主要內(nèi)容和設(shè)計計算的步驟: </p><p>　　1) 計算熱負荷、收集物性常數(shù)。 根據(jù)設(shè)計任務(wù)作冷凝冷卻系統(tǒng)熱衡算確定流體放熱速率或冷流體吸熱速率，和新鮮水、循環(huán)水流率?？紤]了熱損失后即可確定換熱

41、器應(yīng)達到的傳熱能力Q；按定性溫度確定已知條件中未給出的物性常數(shù)。</p><p>　　2) 根據(jù)換熱流體的特性和操作參數(shù)決定流體走向（哪個走管程、哪個走殼程）；計算平均溫差。 </p><p>　　3) 初步估計一個總傳熱速率常數(shù)K估(查上冊附錄23) ，計算傳熱面積A估。 </p><p>　　4) 根據(jù)A估初選標準換熱器（由換熱器手冊查取,初定型號及系列結(jié)構(gòu)參數(shù)

42、）；</p><p>　　5) 換熱面積的核算。分別選關(guān)聯(lián)式求出管內(nèi)、外傳熱膜系數(shù)，估計污垢熱阻，求出總傳熱速率常數(shù)K核，得出所需傳熱面積A需，將A需與A實際進行比較，若A實際比A需大15%-25%，則設(shè)計成功；否則重新計算。 </p><p>　　6) 管程和殼程壓力降的核算(計算經(jīng)驗公式在換熱器手冊查取，若查不到，可使用課本提供的公式代替)。 </p><p>

43、<b>　　接管尺寸的計算。</b></p><p>　　冷凝冷卻系統(tǒng)工藝流程圖說明。</p><p>　　噸油操作費用和固定資產(chǎn)折舊費用評價(新鮮水3.6元/噸，循環(huán)水 1.6元/噸，8000元/平方米傳熱面積，換熱器使用年限10年, 固定資產(chǎn)投資年利率16%),(評價比較你的前、后學號計算結(jié)果) 。</p><p>　　3．符號說明的格式：

44、</p><p>　　分為英文字母、希臘字母，要按字母排序，要寫出中文名稱和單位；</p><p>　　4．參考文獻的格式： </p><p>　　按GB7714-87的要求。</p><p>　　完成起始時間 2013年3月3日至2013年3月10日</p><p>　　發(fā)給學生： (簽

45、名)</p><p><b>　　指導(dǎo)教師：梁伯行</b></p><p><b>　　冷凝器工藝設(shè)計</b></p><p><b>　　一、 設(shè)計任務(wù)</b></p><p><b>　　1 處理能力：</b></p><p>

46、　　把6000+500×9=10500Kg/h的120 甲苯蒸汽冷凝成120 甲苯液。</p><p><b>　　2 設(shè)備形式：</b></p><p>　　浮頭式換熱器。由于熱流體進出口溫度都為120 ，冷流體進口溫度45 ，出口溫度為60 。冷熱流體溫度差異不大，殼程壓降較小，因此可以采用浮頭式換熱器。</p><p><

47、b>　　3已知條件：</b></p><p>　　熱流體：入口溫度為120甲苯蒸汽：冷凝溫度120冷凝液于飽和溫度下離開冷凝器。</p><p>　　冷卻介質(zhì)：循環(huán)水。入口溫度45 ，設(shè)定出口溫度60。</p><p>　　允許壓降：液體10-30kPa,氣體1-10kPa。</p><p><b>　　二、設(shè)計要

48、求</b></p><p>　　選擇適宜的浮頭式換熱器并進行核算。</p><p>　　1 浮頭式換熱器的設(shè)計——工藝計算書</p><p>　　本設(shè)計的工藝計算如下：</p><p>　　此為一側(cè)流體恒溫的浮頭式換熱器設(shè)計</p><p>　　2 確定立體流動空間</p><p>

49、　　冷凝水走管程，甲苯蒸汽走殼程。由于蒸汽比較干凈不易結(jié)垢，甲苯蒸汽通過殼壁面向空氣中散熱，提高冷凝效果的同時可以及時排除冷凝液。原料液中可能含有雜質(zhì)、易結(jié)垢，所以原料液走管程便于清洗管子。因碳鋼管價格低強度好，預(yù)熱器中的流體沒有腐蝕性，所以選用碳鋼管。</p><p>　　3計算流體的定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)</p><p><b>　　循環(huán)水的定性溫度：</b>

50、;</p><p><b>　　℃</b></p><p><b>　　甲苯的定性溫度：</b></p><p>　　根據(jù)定性溫度查得的物性參數(shù)為：</p><p><b>　　4 計算熱負荷</b></p><p><b>　　W</b

51、></p><p><b>　　5冷卻水耗量</b></p><p>　　6計算有效平均溫度差</p><p>　　120℃甲苯蒸汽 T:120 ℃ 120℃</p><p>　　循環(huán)水 t: 60 ℃ 45℃</p><p>　　Δ

52、t 60 ℃ 75℃</p><p>　　7選取經(jīng)驗傳熱系數(shù)K值</p><p>　　根據(jù)管程走水，殼程走甲苯汽，總傳熱系數(shù)，現(xiàn)暫取。</p><p>　　8估算換熱面積 </p><p><b>　　三、工藝結(jié)構(gòu)尺寸</b></p><p>

53、<b>　　1、管徑和管內(nèi)流速</b></p><p>　　選用ø25×2.5mm較高級冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速ui= 1m/s。</p><p>　　2、管程數(shù)和傳熱管數(shù)</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><b>　　≈69（根）</

54、b></p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為：</p><p><b>　　=5.7（m）</b></p><p>　　選定換熱器管長l=3m，則管程數(shù)Np為：</p><p>　　Np=，取管程Np=2，則總管數(shù)為：m=2×69=138根</p><p>　　根據(jù)S

55、=30.77m2,m=138根，Np=2，查表，選用固定管板式換熱器(JB/T4717-92)，其實際傳熱面積為44.9m2,有關(guān)參數(shù)如下：</p><p>　　管子排列方式：正三角形</p><p>　　換熱器的實際換熱面積</p><p>　　該換熱器所要求的總傳熱系數(shù)</p><p>　　3、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)</p>

56、<p>　　依《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》P63，公式3-13a和3-13b，</p><p>　　平均傳熱溫差校正系數(shù)</p><p><b>　　平均傳熱溫差校正為</b></p><p>　　△tm=×△tm’ =27.05×0.91=24.62( ℃ )</p><p>　　由

57、于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適</p><p>　　4、傳熱管的排列和分程方法</p><p>　　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。其中，每程內(nèi)的正三角形排列，其優(yōu)點為管板強度高，流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高，相同的殼程內(nèi)可排列更多的管子。查《熱交換器原理與設(shè)計》P46，表2-3 管間

58、距，取管間距：t ＝32 mm 。</p><p>　　由《化工原理上冊》P278，公式4-123，得橫過管束中心線的管數(shù)為</p><p>　　由《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》P67，公式3-16，</p><p>　　隔板中心到離其最近一排管中心距離</p><p>　　S=t/2+3=32/2+3=19 mm</p>&l

59、t;p>　　取各程相鄰管的管心距為38mm。</p><p><b>　　5、殼體內(nèi)徑</b></p><p>　　采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.7，由《流體力學與傳熱》P206，公式4-115，得殼體內(nèi)徑為</p><p>　　Di =1.05t=1.05×32×</p><p>　　=

60、471.77 mm , </p><p>　　查閱《化工原理（上）》，附錄二十三：熱交換器，取Di =600mm。</p><p><b>　　6、折流板</b></p><p>　　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%，則切去的圓缺高度為h=0.25×600=150 mm ，故可取h=110 mm。</p&g

61、t;<p>　　取折流板間距B=0.6Di，則B=0.6×600=360 mm。</p><p>　　取板間距B＝350mm，則：</p><p>　　折流板數(shù) NB=－1=－1=8 塊</p><p>　　折流板圓缺面水平裝配。</p><p><b>　　四、核算總傳熱系數(shù)</b></p

62、><p>　?。?）計算管程對流傳熱系數(shù)</p><p><b>　?。ㄍ牧鳎?lt;/b></p><p>　?。?）計算殼程對流傳熱系數(shù)</p><p>　?、贇こ虒α鱾鳠嵯禂?shù) 對圓缺形折流板，可采用凱恩公式 </p><p>　　當量直徑，由正三角形排列得 AA</p><p>

63、;<b>　　殼程流通截面積 </b></p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 </p><p><b>　　普蘭特準數(shù) </b></p><p><b>　　粘度校正 </b></p><p><b>　?。?）確定污垢熱阻</b></p

64、><p><b>　?。?）總傳熱系數(shù)</b></p><p>　　所選換熱器的安全系數(shù)為</p><p>　　表明該換熱器的傳熱面積裕度符合要求。</p><p><b>　　求換熱器的臺數(shù)</b></p><p>　　根據(jù)總傳熱系數(shù)，確定傳熱面積：</p>&l

65、t;p><b>　　求所需換熱管數(shù)：</b></p><p>　　S流通=3.14×0.025×3=0.2355</p><p><b>　　所需換熱器臺數(shù)：</b></p><p>　　預(yù)留25%的預(yù)備管量以及預(yù)留多1臺做備用，故選取換熱器臺數(shù)為2臺。</p><p>　

66、　所以，根據(jù)題目要求所需，總共需要2臺浮頭式換熱器并聯(lián)對甲苯蒸汽進行冷凝。</p><p>　　換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見表</p><p><b>　　甲苯的冷卻</b></p><p>　　一、 試算并初選換熱器規(guī)格</p><p>　　1.流體流動途徑的確定</p><p>　　本換熱

67、器處理的是兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，且均不易結(jié)垢，根據(jù)兩流體的情況，故選擇水走換熱器的管程，甲苯走殼程。</p><p>　　2.確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)，并選擇列管換熱器的型式</p><p>　　冷卻介質(zhì)為新鮮水，取入口溫度為：25 ℃，出口溫度為：（25＋15） ℃</p><p>　　甲苯的定性溫度： ℃</p><p>&l

68、t;b>　　水的定性溫度： ℃</b></p><p><b>　　兩流體的溫差： ℃</b></p><p>　　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)。 </p><p>　　由于兩流體溫差不大于50℃，故選用固定管板式管殼式換熱器。</p><p><b>　　二、計算總傳熱

69、系數(shù)</b></p><p><b>　　1.計算熱負荷</b></p><p><b>　　2. 冷卻水用量</b></p><p>　　兩流體的溫差，不需要熱補償。</p><p>　　3.計算平均傳熱溫度差</p><p><b>　　℃</

70、b></p><p><b>　　4、總傳熱系數(shù)K</b></p><p><b>　?。?）管程傳熱系數(shù)</b></p><p><b>　　（湍流）</b></p><p>　?。?）選取經(jīng)驗傳熱系數(shù)K值</p><p>　　根據(jù)管程走水，殼程

71、走甲苯，總傳熱系數(shù)，現(xiàn)暫取。</p><p>　　5.估算換熱面積 </p><p><b>　　三、工藝結(jié)構(gòu)尺寸</b></p><p><b>　　1、管徑和管內(nèi)流速</b></p><p>　　選用ø25×2.5mm較高級冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速ui=

72、 0.5m/s。</p><p>　　2、管程數(shù)和傳熱管數(shù)</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><b>　　≈52（根）</b></p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為：</p><p><b>　　=7.5（m）</b>&

73、lt;/p><p>　　選定換熱器管長l=4.5m，則管程數(shù)Np為：</p><p>　　Np=，取管程Np=2，則總管數(shù)為：m=2×52=104根</p><p>　　根據(jù)S=30.54m2,m=104根，Np=2，查表，選用固定管板式換熱器，其實際傳熱面積為28.8m2,有關(guān)參數(shù)如下：</p><p>　　管子排列方式：正三角形&l

74、t;/p><p>　　換熱器的實際換熱面積</p><p>　　該換熱器所要求的總傳熱系數(shù)</p><p>　　3、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)</p><p>　　依《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》P63，公式3-13a和3-13b，</p><p>　　平均傳熱溫差校正系數(shù)</p><p><b

75、>　　平均傳熱溫差校正為</b></p><p>　　△tm=×△tm’ =27.05×0.91=24.62( ℃ )</p><p>　　由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適</p><p>　　4、傳熱管的排列和分程方法</p><p>　　采用組合排列法，即每程內(nèi)

76、均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。其中，每程內(nèi)的正三角形排列，其優(yōu)點為管板強度高，流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高，相同的殼程內(nèi)可排列更多的管子。查《熱交換器原理與設(shè)計》P46，表2-3 管間距，取管間距：t ＝32 mm 。</p><p>　　由《化工原理上冊》P278，公式4-123，得橫過管束中心線的管數(shù)為</p><p>　　由《化工單元過程及

77、設(shè)備課程設(shè)計》P67，公式3-16，</p><p>　　隔板中心到離其最近一排管中心距離</p><p>　　S=t/2+6=32/2+6=22 mm</p><p>　　取各程相鄰管的管心距為44mm。</p><p><b>　　5、殼體內(nèi)徑</b></p><p>　　采用多管程結(jié)構(gòu)，取管

78、板利用率η=0.7，由《流體力學與傳熱》P206，公式4-115，得殼體內(nèi)徑為</p><p>　　Di =1.05t=1.05×32×</p><p>　　=409.6 mm , </p><p>　　查閱《化工原理（上）》，附錄二十三：熱交換器，取Di =450mm。</p><p><b>　　6、折流板&

79、lt;/b></p><p>　　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%，則切去的圓缺高度為h=0.25×450=112.5 mm ，故可取h=110 mm。</p><p>　　取折流板間距B=0.6Di，則B=0.5×450=270 mm。</p><p>　　取板間距B＝250mm，則：</p><

80、p>　　折流板數(shù) NB=－1=－1=17 塊</p><p>　　折流板圓缺面水平裝配。</p><p>　　四、換熱器主要傳熱參數(shù)核算</p><p><b>　　1、熱量核算</b></p><p>　　(1)殼程對流傳熱系數(shù) </p><p>　　對于圓缺形折流板，可采用克恩公式

81、。由《流體力學與傳熱》，公式4-60、4-61，得</p><p><b>　　αo = </b></p><p><b>　　其中：</b></p><p>　?、佼斔隼鋮s劑時，粘度校正為=1.05</p><p>　?、诋斄恐睆剑茏訛檎切闻帕袝r，依《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》，公式3

82、-22得</p><p><b>　　de＝</b></p><p>　　＝＝0.0202 m</p><p>　?、蹥こ塘魍ń孛娣e，由《流體力學與傳熱》P164，公式4-62，得</p><p>　　So = BD(1－)=0.25×0.45×（1－）＝0.0246 m2</p>&l

83、t;p>　?、軞こ碳妆降牧魉偌捌淅字Z數(shù)分別為</p><p>　　uo＝ =＝0.146m/s</p><p>　　Reo＝＝＝6237.21</p><p>　?、萜绽侍販蕯?shù)（<傳熱傳質(zhì)過程設(shè)備設(shè)計>P26，公式1-43）</p><p>　　因此，殼程甲苯的傳熱膜系數(shù)αo為</p><p>　　(

84、2)管程對流傳熱系數(shù)</p><p>　　由《流體力學與傳熱》，公式4-52a、4-52b，得</p><p>　　αi = 0.023Re0.8Pr0.3</p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　程流通截面積</b></p><p>　　Si

85、 ==0.022× × =0.0163 m2</p><p>　　程冷卻水的流速及其雷諾數(shù)分別為</p><p>　　Ui＝ =＝0.494m/s</p><p>　　Rei＝＝＝13011.68</p><p><b>　?、燮仗m特準數(shù)</b></p><p>　　因此，管

86、程冷卻水的傳熱膜系數(shù)αi為</p><p>　　αi=0.023×13011.680.8×5.060.3×</p><p>　　=2275.41 W/(m2·℃)</p><p>　　(3)基于管內(nèi)表面積的總傳熱系數(shù)Ki</p><p>　　污垢熱阻和管壁熱阻 查有關(guān)文獻知可?。?lt;/p>

87、<p>　　管外側(cè)污垢熱阻 R0=0.000176 m2·K/W</p><p>　　管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Ri=0.00021 m2·K/W</p><p>　　管壁熱阻 查有關(guān)文獻知碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50W/(m·K)。故</p><p>　　RW=0.0025/50=0.00005（m2·K/

88、W）</p><p><b>　　計算傳熱系數(shù)KC：</b></p><p><b>　　KC=</b></p><p>　　=582.27〔w/（m·℃）〕</p><p>　　（4）計算面積裕度:</p><p>　　傳熱面積 AC=Q/(KC×△t

89、m)=495600/（582.27×24.62）=30.5（m2）</p><p>　　該換熱器的實際傳熱面積A：A==3.14×0.025×4.5×104=36.738（m2）</p><p>　　該換熱器的面積裕度為：H=×100%=×100%=20.5%</p><p>　　傳熱面積裕度合適，該換熱器

90、能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。</p><p><b>　　求換熱器的臺數(shù)</b></p><p>　　根據(jù)總傳熱系數(shù)，確定傳熱面積：</p><p><b>　　求所需換熱管數(shù)：</b></p><p>　　S流通=3.14×0.025×4.5=0.353</p><p

91、><b>　　所需換熱器臺數(shù)：</b></p><p>　　預(yù)留25%的預(yù)備管量以及預(yù)留多1臺做備用，故選取換熱器臺數(shù)為2臺。</p><p>　　所以，根據(jù)題目要求所需，總共需要2臺管殼式換熱器并聯(lián)對甲苯液進行冷卻。</p><p>　　換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見表</p><p><b>　　參