化工原理课程设计讲解学习

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1、、八、-前言热交换器是进行热量之间传递的通用工艺设备,被广泛应用于各个工业部门,如化工、食品、电力。换热器分类方式多样,按照其工作原理可分为:直接接触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类,其中间壁式换热器用量最大,据统计,这类换热器占总用量的99%。间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类,其中管壳式换热器使用量最大，以其在高温、高压和其他大型的换热设备中性能良好，因此被广泛操作使用。管壳式换热器类型也有多种，如，固定管板式换热器、浮头式换热器及填料函式换热器。近年来尽管管壳式换热器倍受新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具结效率高、便于清洗拆卸、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳

2、式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器。如何优化改造管壳式换热器，提高其换热效率，便于操作，是现在换热器优化最关注的问题。本说明书目的是对有机物进行冷却，通过对管路进行一系列设计，寻求一种较优的方法。目录、，.665.1热流量5.2平均传热温差5.3冷却水的用量5.4总传热系数前言2课题及工艺要求2.1课题5三. 2.2工艺要求5选定设计方案专3.1换热器类型选择5.3.2确定流动空间:.：.5.四. 流速的确定确定物性数据计算总传热系数五. 计算传热面积工艺结构尺寸7.1 管径及管内流速.7.2 管程数和传热管数7.3平均传热温差校正及壳程数/，97.4传热管排列和分程方

3、法:10-7.5壳体内径107.6折流板:107.7接管:.11换热器核算：1j8.1热流量核算118.1.1壳程对流传热系数11.管程对流传热系数12污垢热阻13传热系数13传热面积13换热器内流体的流动阻力14换热器主要计算结果汇表15十.主要符号说明.17十_十一一考文20二课题及工艺要求2.1课题管壳式换热器的设计选型工艺要求要求将温度为90C的某液态有机物冷却到70C，此有机物的流量为10.5kg/s。现拟用温度为t1=30C的冷水进行冷却。要求管壳式换热器管壳两侧的压降皆不应超过0.1MPa。已知有机物在特征温度下的物性数据如下：p=997kg/m卩=0.6mPa.sCp=2.22

4、kj/kg.C入=0.16w/m.C三选定设计方案换热器类型的选择液体有机物温度变化情况：90C-70C.管壳式换热器管壳两侧的压降皆不超过0.1MPa。因此，估计冷、热两流体的温差不大、压力不高，于是初步选定固定管板式换热器。确定流动空间冷却水为防结垢走管程，液体有机物为便于散热走壳程。选用25mM2.5mm的碳钢管。流速的确定初设管程流速5=1m/s四.确定物性数据冷却剂：河水，从氐tm10C及防止水中盐类析出为原则，选择出口温度：t2=40C循环水的疋性温度为tm4030/235C液体有机物的定性温度为Tm=9070280两流体的温差Tmtm803545C50C两流体在定性温度下的物性数

5、据如下性、流体温度tc密Pkg/m3粘度amPa-s比热容CpkJ/(kg-c)导热系数W/(m-C)有机物699970.62.220.16冷却水359940.7254.080.626五.计算总传热系数5.1热流量Q=mCpAto=10.5x2.22x(90-70)=466.2kw5.2平均传热温差并流时，t1903060Ct2704030Ctit26030tm-243.3C,ti.60In-In-t230逆流时，t1904050Ct2703040C”t1t25040tm逆44.8Cb.50InInt240选择逆流传热。5.3冷却水的用量Qo466.2360041135kg/hcmt2-ti4

6、.08(4030)5.4总传热系数5.4 .1总传热系数的经验值见课本附录，选择时除要考虑流体的物性和操作条件外，还应考虑换热器的类型。总传热系数的选择高温流体低温流体总传怒系数/W/(mc)水水14002840甲醇、氢水14002840有机物卩V水4308500.5mPas有机物卩V冷冻盐水2205700.5mPa-s有机物卩(0.5-1)水280710Pas有机物卩水284300.5mPa-s气体水12280水冷冻盐水5701200水冷冻盐水230580硫酸水870四氯化碳氯化钙溶液76氯化氢气（冷却除盐水35175外）氯气（冷却除外）水35175焙烧SO气体水230465氮水66水水K4

7、1011605.4 .2根据管程走循环水，壳程走有机物，总传热系数K现暂取:K570W/m2C六.计算传热面积A0Q466.2103218.26m2Ktm逆57044.8面积裕度=15%A=AoX1.15=21m2根据A可以选择下述标准换热器（查附录得）：（排列方式：正三角形）公称直公称压管程数管子根中心排管程流换热管管心距换热径力N数管数通面积长度/mm面积DN/mmPN/nNt/m2L/mm/m2MPa252.5mm4004294110.014845003232.5七工艺结构尺寸7.1管径及管内流速选取=25X2.5mn碳钢管；管内水流速u=1m/S;7.2管程数和传热管数：vn4d241

8、135/(9943600)36.637,0.7850.0221根按单管程计算时，所需传热管长为Adog7.23m3.140.02537因此按单程设计，传热管过长，可以采用多管程设计。若换热管长L=4.5,管程数为NP=2时，则ns59.4603.140.0254.5每程管数为60/2=3041135/(9943600)06管内流速0.7850.022607.3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数r=T1T290702Rt2t14030p=40o.仃9030根据如下温差校正系数图表单壳程得：t=0.98平均传热温差tm二ttm逆0.9844843.904c7.4传热管排列和分程方法采用组

9、合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧采用矩形排列。取管心距t=1.25do=1.25X25=31.2532mm 横过管束中心线的管数nc=1.19ns1.1960=9.22圆取整nc=107.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.75壳体内径D=1.05t.N/=1.053260/0.75=300.5mm圆整可取D=400mm7.6折流挡板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的28%则切去的圆缺高度为h=0.28X400mm=112mm折流挡板间距B=0.6D=0.6X0.4=0.24mm折流挡板数2=专热管长/折流板间距=4500/240-仁18块采用折流板圆缺面水平装

10、配.相邻两折流板间距D=400mm管心距t=32mm查表得得折流板厚度为5mm折流板厚度与壳体内径及折流板间距有关见表5.5.1所列数据。表5.5.1.折流板厚度/mm壳体公称内径/mm相邻两折流板间距/mm75020025035610104007005610101270010006810121610006101216167.7接管管程流体出口接管：取接管内流速u=1m/s则接管内径为d2441135.36009943.141=0.121m圆整取130mm壳程流体出口接管：取接管内流速u2=1.5m/s则接管内径为di441135,36009943.141.50.0988m圆取整100mm八.

11、换热器核算8.1热量核算8.1.1壳程对流传热系数采用弓形折流板，壳程表面传热系数的计算式o0.36/Reo0.55pr1/3（o/w）0.14de由三角形排列得当量直径-3+2t24d0d、32240.03220.7850.0025220.0203.140.0025壳程流通截面积$BD1牛24A1笼。.如壳程流体流速及雷诺数:U0qm1A2有10.50.0219970.502msRedeu有有0.0200.5029970.61041.710Pr。Cp2.221030.61030.168.325黏度校正0.140.950.14。.36詰严时016055130.36170008.32530.95

12、0.0201177W/m2C8.1.2.管程对流传热系数管程流通面积s0.7850.02260107.9103m22管程流体流速41135/36009941.46m/s0.00790.021.46994400340.725103UiRe普兰特数33ICp4.08100.72510Pr0.6264.730.80.40.023ReiPrdi0.0230626400340.80.026444W/m2C4.730.48.1.3污垢热阻Rsi0.000172m2C/W;Rso0.0002m2C/W热导率w45Wm1K8.1.4传热系数Kc虹Rs虫ididj2wdj0.02564440.0200.0001

13、720.0250.02啤“垄丄2452411772O787.4W/(mC)8.1.5传热面积SpKtm3466.410214.79m71144.352该换热器的实际传热面积为SpdLNT=3.14X0.025X(4.5-0.06)(60-10)=17.427m换热器的面积裕度SSpS100%17.42714.7914.79100%17.8%所以该换热器可行。8.1.6换热器内流体的流动阻力1)管程流体阻力计算公式Pi(P1P2)FsNsNpNs1,Np2,Fs1.5，3由Re53605.07Pt(PiPr)NsNpFs本换热器设计中Ns1,Np2,Ft1.4Pilidi取钢的管壁粗糙度为0.1

14、mm0.1Re40034，传热管相对粗糙度二-d20ui=1.46m/s,994Kg/m30.005，查莫迪图得0.033,所以PiP20.0334.59941.46200227866Pa2uo9941.463-223178PaPi(78663178)121.430923Pa0.1MPa管程流体阻力在允许范围之内2).壳程流体阻力Pi(PoP1)FtNsNs1,Ft1PoFfoNTC(NB1)2OUomin2正三角形排列时，F=0.5f05.0R0.2285.0(1.7104)0.2280.54nc=10,Nb=18,U0=0.502m/sPo0.50.5410(181)29970.50226

15、445Pa流体流过折流缺口的阻力K1c2B2U0Nb3.5D2P1B=0.24mD=0.4mP1143.50.2429970.50220.44045Pa九.换热器主要计算结果汇总参数管程壳程进/出口温度厂C30/4090/70物性定性温度/C3580密度/(Kg/m5994997定压比热容KJ/(Kg.K)4.082.22黏度/Pa.s0.0007250.0006热导率w/(m.k)0.6260.16普朗特数4.738.325设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/mm400壳程数1管径/mm25X2.5管心距/mm32管长/mm4500管子排列正三角形管数目/根60折流板数/个18传热面积

16、/亦17.427折流板间距/mm240管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s)1.460.502表面传热系数/w/(启幼64441177污垢热阻/(TkwJ0.000210.000172阻力/Pa3092510409热流量/kw466.2传热温差/k44.325传热系数/w/(处町787.4裕度/%17.8八.主要符号说明符号意义及单位T1壳程流体进口温度cT2壳程流体出口温度Ct1管程流体进口温度Ct2管程流体出口温度Co壳程流体密度Kg/m3CP。壳程流体定压比热容Kj/(Kg.C)o壳程流体热导率w/(m.k)o壳程流体黏度mpa.si管程流体密度Kg/m3Cr管程流体定压比

17、热容Kj/(Kg/C)i管程流体热导率w/(m.k)i管程流体黏度mpa.sQ0热流量Kwtm平均传热温差kKc总传热系数w/(m2?k)Ao估计得出的传热面积m2n单管程管数Np管程数L传热管长mns总管数平均传热温差校正系数t管心距mmD壳体内径mm管板利用率B折流板间距mmNb折流板数u管内流体流速m/so壳程表面传热系数w/(m2?k)Pro壳程流体普朗特数de壳程当量直径mmReo壳程流体雷诺数i管程表面传热系数w/(m2?k)Re管程流体雷诺数Pr管程流体普朗特数Ro管程流体污垢热阻(m2?k)/wRi壳程流体污垢热阻(m2?k)/wRw管壁热阻(m2?k)/wAc计算所得传热面积m2H面积裕度Pt管程总阻力PaPi单程直管阻力PaPr局部阻力PaNs管程数Fs管程结垢校正系数对于液体取1.15Ps壳程总阻力PaPo流体流过管束的阻力PaPi流体流过折流板缺口阻力Pafo壳程流体摩擦因子Ui壳程流体流过管束的最小流速m/s卜一.参考文献化工单元操作课程设计贾绍义柴诚敬主编天津大学出版社化工原理上册第二版夏清贾绍义主编天津大学出版社