化工原理课程设计--年产2万吨苯冷却器的工艺设计Word下载.doc
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1) 管程阻力:
2) 壳程阻力:
3. 管长与管径比:
18
(七) 附属结构的选型 18
(八) 换热器主要工艺结构尺寸和计算结果一览表 19
(九) 符号说明 19
(十) 参考文献 21
兰州交通大学课程设计(论文)
一、设计任务书
(一)设计题目
年产2万吨苯冷却器的工艺设计
(二)设计条件
1.生产能力2×
104吨每年粗苯
2.设备形式:
列管换热器
3.操作压力:
常压
4.苯的进出口温度:
进口80℃,出口35℃
5.换热器热损失为热流体热负荷的3.5%
6.每年按330天计,每天24小时连续生产
7.建厂地址:
兰州地区
8.要求管程和壳程的阻力都不大于104Pa
9.非标准系列列管式换热器的设计
(三)设计步骤及要求
1.确定设计方案
1)选择列管换热器的类型
2)选择冷却剂的类型和进出口温度
3)查阅介质的物性数据
4)选择冷热流体流动的空间及流速
5)选择列管换热器换热管的规格
6)换热管排列方式
7)换热管和管板的连接方式
8)选择列管换热器折流挡板的形式
9)材质的选择
2.初步估算换热器的传热面积S
3.结构尺寸的计算
1)确定管程数和换热管根数及管长
2)平均温差的校核
3)确定壳程数
4)确定折流挡板、隔板规格和数量
5)确定壳体和各管口的内径并圆整
4.校核
1)核算换热器的传热面积,要求设计裕度不小于10℃,不大于20℃
2)核算管程和壳程的流体阻力损失
3)管长和管径之比为6—10
如果不符合上述要求重新进行以上计算
5.附属结构如封头、管箱、分程隔板、缓冲板、拉杆和定距管、人孔或手孔、法兰、补强圈等的选型
6.将计算结果列表(见下表)
(四)设计成果
1.设计说明书(A4纸)
1)内容包括封面、任务书、目录、正文、参考文献、附录
2)格式必须严格按照兰州交通大学毕业设计的格式打印
2.换热器工艺条件图(2号图纸)(手绘)
(五)时间安排
1)第十九周——第二十二周
2)第二十二周的星期五(7月20日)下午两点本人亲自到指定地点交设计成果,最迟不得晚于星期五的十八点钟
(六)设计考核
1)设计是否独立完成
2)设计说明书的编写是否规范
3)工艺计算与图纸正确与否以及是否符合规范
4)答辩
(七)参考资料
1.《化工原理课程设计》贾绍义柴诚敬天津科学技术出版社
2.《换热器设计手册》化学工业出版社
3.《化工原理》夏清天津科学技术出版社
换热器主要工艺结构尺寸和计算结果一览表
参数
管程
壳程
操作条件
物料名称
流量(㎏/h)
操作温度(℃)
操作压力(MPa)
物性参数
定性温度(℃)
密度(㎏/m3)
定压比热(kJ/㎏·
℃)
粘度(mPa·
s)
导热系数(w/m·
主要工艺性能参数
流速(m/s)
对流传热系数(w/m2·
污垢热阻(m2·
℃/w)
阻力损失(MPa)
热负荷(w)
传热总系数(w/m2·
传热平均温差(℃)
传热面积(㎡)
设计裕度(%)
设备结构参数
换热器的型式
材质
程数
换热管
规格(mm)
直径(mm)
长度(m)
折流挡板
型式
数目(个)
数目
排列方式
间距(mm)
管心距(mm)
5
二、文件综述
1.换热器简介:
换热器就是用于存在温度差的流体间的热交换设备,换热器中至少有两种流体,温度较高则放出热量,反之则吸收热量。
换热器依据传热原理和实现热交换的方法一般分为间壁式、混合式、蓄热式三类。
其中间壁式换热器应用最广。
它又可分为管式换热器、板式换热器、翅片式换热器、热管换热器等。
其中以管式(包括蛇管式、套管式、管壳式等)换热器应用最普遍。
列管式和板式,各有优点,列管式是一种传统的换热器,广泛应用于化工、石油、能源等设备;
板式则以其高效、紧凑的特点大量应用于工业当中。
图1.列管式换热器图2.浮头式换热器
图3.U型管式换热器
2.换热器的种类:
换热器种类很多,但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类,即间壁式、混合式和蓄热式。
在三类换热器中,间壁式换热器应用最多。
2.1.间壁式换热器的类型:
1)夹套式换热器:
这种换热器是在容器外壁安装夹套制成,结构简单;
但其加热面受容器壁面限制,传热系数也不高。
为提高传热系数且使釜内液体受热均匀,可在釜内安装搅拌器。
当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时,亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施,以提高夹套一侧的给热系数。
为补充传热面的不足,也可在釜内部安装蛇管。
夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。
2)沉浸式蛇管换热器:
这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状,并沉浸在容器内的液体中。
蛇管换热器的优点是结构简单,能承受高压,可用耐腐蚀材料制造;
其缺点是容器内液体湍动程度低,管外给热系数小。
为提高传热系数,容器内可安装搅拌器。
3)喷淋式换热器:
这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上,热流体在管内流动,冷却水从上方喷淋装置均匀淋下,故也称喷淋式冷却器。
喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜,管外给热系数较沉浸式增大很多。
另外,这种换热器大多放置在空气流通之处,冷却水的蒸发亦带走一部分热量,可起到降低冷却水温度,增大传热推动力的作用。
因此,和沉浸式相比,喷淋式换热器的传热效果大有改善。
4)套管式换热器:
套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管,并由U形弯头连接而成。
在这种换热器中,一种流体走管内,另一种流体走环隙,两者皆可得到较高的流速,故传热系数较大。
另外,在套管换热器中,两种流体可为纯逆流,对数平均推动力较大。
套管换热器结构简单,能承受高压,应用亦方便(可根据需要增减管段数目)。
特别是由于套管换热器同时具备传热系数大,传热推动力大及能够承受高压强的优点,在超高压生产过程(例如操作压力为3000大气压的高压聚乙烯生产过程)中所用的换热器几乎全部是套管式。
5)管壳式换热器:
管壳式(又称列管式)换热器是最典型的间壁式换热器。
管壳式换热器主要有壳体,管束,管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上,在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程;
一种在管外流动,其行程称为壳程。
管束的壁面即为传热面。
为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板,折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍动程度大为增加。
常用的档板有圆缺形和圆盘形两种,前者应用更为广泛。
流体在管内每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程。
为提高管内流体的速度,可在两端封头内设置适当隔板,将全部管子平均分隔成若干组。
这样,流体可每次只通过部分管子而往返管束多次,称为多管程。
同样,为提高管外流速,可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间,称多壳程。
在管壳式换热器内,由于管内外流体温度不同,壳体和管束的温度也不同。
如两者温差很大,换热器内部将出现很大的热应力,可能使管子弯曲,断裂或从管板上松脱。
因此,当管束和壳体温度差超过50℃时,应采取适当的温差补偿措施,消除或减小热应力。
2.2.混合式换热器:
混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的,这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻,只要流体间的接触情况良好,就有较大的传热速率。
故凡允许流体相互混合的场合,都可以采用混合式热交换器,例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。
它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门中。
按照用途的不同,可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型:
1)冷却塔(或称冷水塔):
在这种设备中,用自然通风或机械通风的方法,将生产中已经提高了温度的水进行冷却降温之后循环使用,以提高系统的经济效益。
例如热力发电厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等,经过水冷却塔降温之后再循环使用,这种方法在实际工程中得到了广泛的使用。
2)气体洗涤塔(或称洗涤塔):
在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的,例如用液体吸收气体混合物中的某些组分,除净气体中的灰尘,气体的增湿或干燥等。
但其最广泛的用途是冷却气体,而冷却所用的液体以水居多。
空调工程中广泛使用的喷淋室,可以认为是它的一种特殊形式。
喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却,而且还可对其进行加热处理。
但是,它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点:
所以,目前在一般建筑中,喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用。
但是,在以调节湿度为主要目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使用。
3)喷射式热交换器:
在这种设备中,使压力较高的流体由喷管喷出,形成很高的速度,低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热传质,并—同进入扩散管,在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。
4)混合式冷凝器:
这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝。
2.3.蓄热式换热器:
蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。
内装固体填充物,用以贮蓄热量。
一般用耐火砖等砌成火格子(有时用金属波形带等)。
换热分两个阶段进行。
第一阶段,热气体通过火格子,将热量传给火格子而贮蓄起来。
第二阶段,冷气体通过火格子,接受火格子所储蓄的热量而被加热。
这两个阶段交替进行。
通常用两个蓄热器交替使用,即当热气体进入一器时,冷气体进入另一器。
常用于冶金工业,如炼钢平炉的蓄热室。
也用于化学工业,如煤气炉中的空气预热器或燃烧室,人造石油厂中的蓄热式裂化炉。
蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合。
3.列管式换热器设计一般要求:
列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容:
1)根据换热任务和有关要求确定设计方案;
2)初步确定换热器的结构和尺寸;
3)核算换热器的传热面积和流动阻力;
4)确定换热器的工艺结构。
4.管壳式换热器设计时应考虑的问题
4.1.流体通道的选择原则:
1)不洁净和易结垢的流体宜走管程,以便于清洗管子;
2)腐蚀性流体宜走管程,以免管束和壳体同时受腐蚀,而且管内也便于检修和清洗;
3)高压流体宜走管程,以免壳体受压,并且可节省壳体金属的消耗量;
4)饱和蒸汽宜走壳程,以便于及时排出冷凝液,且蒸汽较洁净,不易污染壳程;
5)被冷却的流体宜走壳程,可利用壳体散热,增强冷却效果;
6)有毒流体宜走管程,以减少流体泄漏;
7)粘度较大或流量较小的流体宜走壳程,因流体在有折流板的壳程流动时,由于流体流向和流速不断改变,在很低的雷诺数(Re<
100)下即可达到湍流,可提高对流传热系数。
但是有时在动力设备允许的条件下,将上述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数。
4.2.流体两端温度的选择:
若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定,则不存在确定流体两端温度的问题。
若其中一流体仅已知进口温度,则出口温度应由设计者来确定。
例如用冷水冷却一热流体,冷水的进口温度可根据当地的气温条件作出估计,而其出口温度则可根据经济核算来确定:
为了节省冷水量,可使出口温度提高一些,但是传热面积就需要增加;
为了减小传热面积,则需要增加冷水量。
两者是相互矛盾的。
一般来说,水源丰富的地区选用较小的温差,缺水地区选用较大的温差。
不过,工业冷却用水的出口温度一般不宜高于45℃,因为工业用水中所含的部分盐类(如CaCO3、CaSO4、MgCO3和MgSO4等)的溶解度随温度升高而减小,如出口温度过高,盐类析出,将形成传热性能很差的污垢,而使传热过程恶化。
如果是用加热介质加热冷流体,可按同样的原则选择加热介质的出口温度。
4.3.管子的规格和排列方法:
小直径管子能使单位体积的传热面积大,因而在同样体积内可布置更多的传热面。
或者说,当传热面积一定时,采用小管径可使管子长度缩短,增强传热,易于清洗。
但是减小管径将使流动阻力增加,容易积垢。
对于不清洁、易结垢或粘度较大的流体,宜采用较大的管径。
因此,管径的选择要视所用材料和操作条件而定,总的趋向是采用小直径管子。
管长的选择是以合理使用管材和清洗方便为原则。
国产管材的长度一般为6m,因此管壳式换热器系列标准中换热管的长度分为1.5、2、3或6m几种,常用3m或6m的规格。
长管不易清洗,且易弯曲。
此外,管长L与壳体D的比例应适当,一般L/D=4~6。
管子的排列方式有等边三角形、正方形直列和正方形错列三种。
等边三角形排列比较紧凑,管外流体湍动程度高,对流传热系数大;
正方形直列比较松散,对流传热系数较三角形排列时低,但管外壁清洗方便,适用于壳程流体易结垢的场合;
正方形错列则介于上述两者之间,对流传热系数较直列高。
管子在管板上的间距a跟管子与管板的连接方式有关:
胀管法一般取a=(1.3~1.5)do,且相邻两管外壁的间距不小于6mm;
焊接法取a=1.25do。
换热器壳体内径应等于或稍大于管板的直径。
通常是根据管径、管数、管间距及管子的排列方式用作图法确定。
图4.管子排列方式
4.4.管程和壳程数的确定:
管程数N按下式计算:
N=u/v
式中:
u——管程内流体的适宜流速;
v——管程内流体的实际流速。
5.主要附件:
1)封头
封头有方形和圆形两种,方形用于直径小的壳体,圆形用于大直径的壳体。
2)缓冲挡板
为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击,可在进料管口装设缓冲挡板。
3)导流筒
壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间(死角),为了提高传热效果,常在管束外增设导流筒,使流体进、出壳程时必然经过这个空间。
4)放气孔、牌液孔
换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔,以排除不凝气体和冷凝液等。
5)拉杆和定距管
为了使折流板能够牢靠的保持在一定的位置上,通常采用拉杆和定距管。
6)接管
换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算
—流体的体积流量,
u—流体在接管中的流速,m/s
流速的经验值对液体可取为:
u=1.5~2m/s。
三、年产2万吨苯冷却器的工艺设计
(一)确定设计方案:
本设计任务是利用列管式换热器使冷流体(水)给苯降温。
选择换热器时,要遵循安全、高效、经济的原则。
兰州地区虽然临近黄河,水资源丰富,但是黄河污染较为严重,而且泥沙含量大容易结垢,所以宜采用自来水。
兰州年历史最高温度在40左右,设冷却水进口温度25,冷却水两端温度差取10.出口温度为35。
热流体进口温度80,出口温度35。
冬季操作时进口温度会降低,该换热器的管壁温和壳体壁温之差较小,故本次设计确定选用浮头式换热器。
易析出结晶、沉淀、淤泥及其他沉淀物的流体,最好通入比较容易进行机械清洗的空间,而浮头式换热器的管束可以从壳体中抽出,便于清洗管间和管内管束可以在壳体内自由伸缩,不会产生热效应力。
对于浮头式换热器,一般易在管内空间进行清洗。
所以选择浮头式换热器较合适。
(二)确定流体的流动空间:
考虑到苯为有毒液体,兰州地区的水质较硬以结垢,我们选择浮头式换热器,苯走管程,水走壳程。
由于管径的大小影响管内流速的的大小和管内的压强降,若选用φ19×
2mm的管子会导致管内的流速和压强降过大,使得管子的材料要强高,成本增加,因此选用φ25×
2.5mm的碳钢管。
(三)计算定性温度,确定流体的物性参数:
苯:
进口温度:
80,出口温度:
35,
定性温度
在此温度下的参数:
冷却水:
25,出口温度:
定性温度:
(四)初步估算传热面积
1.苯的流量及热负荷:
2.冷却水的用量:
3.平均传热温差:
按照完全逆流计算:
有,
得
由于平均传热温差校正系数大于0.8,同时壳程流量较大,故单壳程合适。
故有
图5.温度校正
4.初算传热面积:
设K=280,则估算传热面积为:
考虑安全系数和初估性质:
(五)工艺结构和尺寸
1.管径和管内流速:
选用碳钢管,取管内流速
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:
按单程管计算,
按单程管设计,传热管太长,宜采用多管程结构。
根据设计实际情况,宜采用标准型设计,现取传热管长l=6m,则换热管程为:
传热管总根数
3.传热管排列和分程方法:
采用正方形错列排布法,取管心距,则,
横过管束中心线的管数
4.壳体直径:
取管板利用率为,则壳体内径为:
,圆整为325mm。
5.折流板:
采用弓形折流板,取圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为,取h=80mm。
折流板间距B=0.6D,则,取B=200mm。
则折流板数块。
折流板圆缺面水平装配。
6.接管:
壳程流体进出口接管:
取接管内流速,则接管内径为
圆整后,可取管内径为35mm。
管程流体进出口接管:
取管内流速为1.5,则接管内径为
圆整后,可取管内径为30mm。
(六)核算
1.传热面积核算:
1)管程传热膜系数:
管程流体流通截面积:
管程流体流速及雷诺准数分别为:
2)壳程传热膜系数:
管子按正方形错列,传热当量直径为:
壳程流通截面积:
壳程流体流速及雷诺准数分别为:
黏度校正
3)污垢热阻和管壁热阻:
查表得数据如下:
水:
苯:
碳钢导热率:
管壁厚度:
b=0.0025m
4)总传热系数核算:
5)传热面积核算:
换热器实际面积:
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.换热器流体阻力损失:
1)管程阻力:
由,传热管相对粗糙度为0.005,查莫狄图得,流速得:
管程流体阻力在允许范围之内。
图6.莫狄图
2)壳程阻力:
其中,,
流体经管束的阻力:
其中,F=0.4,则:
流体经过折流板缺口的阻力:
其中,B=0.2m,D=0.325m,有,
故,总阻力
壳程流体阻力在允许范围内。
因此,换热器满足阻力要求。
3.管长与管径比:
,满足要求。
(七)附属结构的选型
本换热器附属结构有封头、管箱、分程隔板、缓冲板、拉杆和定距管、人孔或手孔、法兰、补强圈等。
具体附属设备的选型参照《热器器设计手册》P136-P190。
(八)换热器主要工艺结构尺寸和计算结果一览表
苯
水
2525.3
4892.4
57.5
30
0.1
57.5
839.5
995.7
1.86
4.174
40
0.801
0.1355
0.618
0.38
0.0735
598.04
1012.56
1.7197×
10-4
3.44×
0.00468
0.000417
58720
270.38
19.31
13.19
17.24
浮头式
碳钢
4
1
325
6
半圆缺型
28
29
正方形错排
200
35
(九)符号说明
英文字母:
——热流体质量流量,;
——冷流体质量流量,;
——体积流量,;
——热流体定压比热容,;
——冷流体定压比热容,;
——热流体进出口温差,;
——冷流体进出口温差,;
——高温端温差,;
——低温端温差,;
——热负荷,;
——热损失;
——对数平均传热温差,;
——平均传热温差,;
P、R——因数;
——温度校正系数;
K——总传热系数,;
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