化工原理课程设计—列管式换热器.docx

化工原理课程设计1 设计任务书1.1 设计题目：设计一正丁醇冷却器1.2 设计条件 、处理能力：12721 kg/h 、设备类型：列管式换热器（非定型式） 、操作条件：流体名称入口温度出口温度物料纯正丁醇9050冷却介质自来水2030允许压力降：0.1MPa热损失：按传热量的10%计算1.3 设计内容、前言、确定设计方案（设备选型、换热器材质）、确定物性数据（冷却循环水的出口温度、纯正丁醇和水在物性温度下的物理性质）、工艺设计初占换热面积、确定换热器基本尺寸（包括管径、管长、程数、每程管数、管子数排列、壁厚、换热器直径、流体进出管管径等计算）、换热器计算核算总传热系数（传热面积）换热器内流体的流动阻力校核（计算压降）、机械结构的选用管板选用、管子在管板上的固定、管板与壳体连接结构封头类型选用温差补偿装置的选用管法兰选用管、壳程接管、换热器主要结构尺寸和计算结果表、结束语（包括对设计的自我评述及有关问题的分析讨论）、换热器结构和尺寸（4#图纸）、参考资料目录开始时期 2013 年 6 月 19 日结束时期 2013 年 6 月 22 日学生：牛俊健 班级：1020473 学号：06 指导老师：冯伟2 流程图和工艺流程图 冷却水出口管（温度：30） 纯正丁醇入口管（温度：90）冷却水入口管（温度：20）纯正丁醇出口管（温度：50）3 设计计算3.1 确定设计方案3.1.1 确定设备类型两流体的温度变化：热流体的入口温度T1=90，出口温度T2=50 ；力体定性温度T=(90+50)/2=70。冷流体的入口温度t1=20，出口温度t2=30；冷流体定性温度t=(20+30)/2=25。冷热流体的最大温差Tmax=70-25=45，因此，选用列管式换热器。3.1.2 确定壳程流体与管程流体流体经过管程和壳程的选择原则：不清洁或易结垢的流体，应走容易清洗的管道，可走管程。腐蚀性流体应走管程。压力高的流体应走管程。有毒流体应走管程。被冷却的流体应走管程。饱和蒸汽应走壳程。黏度大的流体或流量小的流体应走壳程。两种流体的物理性质如下表：物性流体定性温度 T密度m3比热容cpkJ黏度Pas导热系数Wm纯正丁醇70776.42.649983.510-60.146水25995.74.178880.710-60.618综上所述，纯正丁醇走壳程，水走管程；且采用逆流。3.2 初算换热面积3.2.1 热流量 （10%的热损失）若换热器无相变化，且流体的比热容可取平均温度下的比热容，则Q=qm,hcp,hT1-T20.9=qm,ccp,ct2-t1式中 Q换热器的热负荷，W; qm,c、qm,h分别为冷、热流体的质量流量，/s； cp,c、cp,h分别为冷、热流体的平均比热容，kJ/（）； t1、t2冷流体的进、出口温度， T1、T2热流体的进、出口温度，有效传热量Q=qm,hcp,hT1-T290%=127212.64990-5090%=337.5kw3.2.2 冷却水用量qm,c=Qcp,ct2-t1=337.51034.17810330-20=29088（kgh)3.2.3 平均传热温差 平均温差先算出逆流的对数平均温差，再乘以考虑流动方向的校正因子t，即tm=ttm逆tm逆=t2-t1lnt2t1式中 tm逆按逆流计算的对数平均温度差，； t温度差校正系数，量纲为1其中，t2=T1-t2，=T2-t1。tm逆=t2-t1lnt2t1=90-40-50-20ln90-4050-20=43.28t值可根据P=冷流体的温升两流体的最初温度差=t2-t1T1-t1=40-2090-20=0.142R=热流体的温升冷流体的温升=T1-T2t2-t1=90-5030-20=4经温度差校正系数图可得 t=0.96，所以，tm=0.9643.28=41.55初算传热面积设传热系数 K=450 W/(m2), 则传热面积A=QKtm=337.510345043.28=17.33(m2)3.3 工艺结构尺寸3.3.1 管径与管内流速 选用25mm2.0mm较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=0.5m/s。3.3.2 管程数和传热管数qm管=4di2u11n式中 qm管管内的流量，/s； di管子内径，m； 1水的密度，m3Ns=qm c4di2u1c=8.08995.740.00040.552又因为有 A=ndil式中 L 在设定的条件下所需的管长，m。所以L=ANsdi=17.33520.025=5（m）采用3m长的标准管，则管层数m=Ll=532因此，所以至少需要522根管子。3.3.3 管子的排列方式及壳层数由于平均传热温差校正系数 t=0.960.8，同时壳层流体流量较大，故取单壳层合适。采用正三角形排列，如图取管心距Pt=1.25do，则Pt=1.2525=31.2532（mm）隔板中心到离其最近的一排管中心距离Z计算如下：Z=Pt2+6=322+6=22各程相邻管的管心距为44mm.3.3.4 壳体直径壳体内径D=1.05PtN式中 管板利用率 正三角形排列、二管层，可取=0.75，则 D=1.05321040.75=394.7（mm）400（mm）壳体壁厚=1.1pD2-p+C式中 p 壳体承受的内压，p=0.101+0.02=0.121MPa； 壳体所用钢材A3钢的许用应力，=108MPa； 焊缝系数，=0.85，量纲为1； C 腐蚀余量，C=3+0.5=3.5mm。=1.1pD2-p+C=1.10.121MPa400mm2108MPa0.85-0.121MPa+3.5=3.79(mm)采用标准壁厚=8mm3.3.5 折流板 折流板圆缺高度 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=0.25400=100mm板间距 取折流板间距B=0.3D0.3DB10000，且0.7Pri120，则i=4553壳程传热系数o=0.36Reo0.55Pro13ode=0.36deuooo0.55cpooo13odeSo=BD1-doptuo=qm,hSoo式中 o壳程流体对流传热系数，Wm2； o壳程流体的热导率，Wm； de传热当量直径，m； do管外径，m； uo壳程流体的流速，ms o壳程流体的黏度，Pas； o壳程流体的密度，m3； cpo壳程流体的比热容，kJ； Reo壳程流体的雷诺数； Pro壳程流体的普朗特数； So壳程流通截面积，m2。管子采用正三角形排列，传热当量直径为de=432Pt2-4do2do=4320.0322-40.02522510-3=0.04mSo=0.150.41-2510-33210-3=0.013125m2所以壳程流速为uo=12721(3600776.4)0.013125=0.34ms壳程流体的雷诺数和普朗特数分别为Reo=0.020.49776.4983.510-6=5368Pro=2.21037.1510-40.141=11.16因为2000Reo1106，所以o=725Wm2实际的总传热系数K值K实=11i+Rdi+bdidm+Rdodido+diodo式中 K实实际的总传热系数，Wm； Rdi、Rdo分别为管内、外侧污垢热阻，m2W； di、do、dm分别为管内径、管外径、平均直径，m； b换热器的管壁厚度，m； 管壁材料的热导率，Wm。查表可得：Rdi=1.719710-4m2W；Rdo=2.119710-4m2W；=45Wm。已知管壁厚度b=0.002m，所以平均壁厚dm=di+do2=0.021+0.0252=0.023m实际总传热系数K实=467Wm因为K-K实=450-467=1750，所以假设的K值合格。3.4.2 传热面积的核算计算的传热面积A计=QK实tm=337.510346741.55=17.39m2实际的传热面积A实=dil标-0.042N=24.49m2A实A计=24.4917.39=1.41.1A实A计1.25传热面积合适，该换热器能够完成生产任务。3.4.3换热器内压降的核算管程阻力pi=p1+p2FtNSNpp1=kl标diiui22p2=3iui22式中 p1、p2分别是直管及回弯管中因摩擦阻力而引起的压降，Pa； Ft结垢校正因数，对于25mm2mm管子取1.4； k摩擦系数，由kRe双对数坐标图可得k=0.041； NS串联的壳程数。其中NS=1，Np=2，l标=3m，di=0.02m，i=995.7m3，ui=0.994m/s，则p1=3099（Pa）p2=1475（Pa）pi=12807.2（Pa）因为pi500时，f0=5.0Reo-0.228。其中Ns=1，NB=19，nc=1.1N=1.1104，o=776.4m3，uo=0.34.。所以p1=3521（Pa）p2=2258（Pa）po=5508（Pa）10000Pa所以壳程流体的阻力在允许范围之内。经以上核算，证实该换热器合格。13