化工设计课件第六章第七章热交换器的设计和选型

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1、第 六 章 流 体 输 送 机 械 （ 泵 ） 的 选 择 一 .简 介 1. 泵 的 分 类 ： 往 复 式 （ 柱 塞 泵 ） 正 位 移 旋 转 式 （ 齿 轮 泵 ） 离 心 式 （ 离 心 泵 ） 动 能 型 流 体 动 力 作 用 式 （ 酸 蛋 ） 2.泵 的 特 性 ： 离 心 泵 往 复 泵 旋 转 泵 作 用 流 体 泵 流 量 扬 程 效 率 结 构 操 作 m3/h 5 30000 1 600 1 600 间 歇 m 10 600多 级 3 600kg/cm2 3 600kg/cm2 压 力 不 宜 高 70% 80% 60 90% 15 20% 简 单 价 廉 较 复

2、 杂 较 简 单 简 单 操 作 维 护 方 便 易 故 障 较 方 便 间 歇 较 麻 烦 二 .选 择 泵 的 原 则 1. 选 择 泵 的 基 本 参 数 ： 流 量 （ 考 虑 上 限 ） 扬 程 泵 的 有 效 气 蚀 余 量 功 率 和 效 率 2.泵 的 选 型 要 点 ：1） 生 产 方 式 （ 间 歇 或 连 续 ）2） 介 质 特 性 (粘 度 、 腐 蚀 性 、 含 固 率 ）3） 现 场 条 件 （ 动 力 提 供 ： 电 、 蒸 汽 、 压 缩 空 气 ）4） 工 艺 要 求 （ 温 度 、 压 力 ） 3. 泵 的 选 择 方 法 和 步 骤 ：（ 1） 列 出 基

3、 础 数 据 （ 介 质 特 性 、 操 作 条 件 、 安 装 位 置 等 ） 。（ 2） 确 定 流 量 和 扬 程 。（ 3） 选 择 泵 型 及 泵 的 具 体 型 号 。（ 4） 核 算 泵 的 性 能 。（ 5） 确 定 泵 的 几 何 安 装 高 度 。（ 6） 确 定 泵 的 备 用 率 和 台 数 。（ 7） 填 写 泵 的 规 格 表 ， 作 为 泵 的 订 货 依 据 和 汇 总 归 档资 料 。 三 . 流 体 输 送 过 程 中 的 计 算 1. 管 路 中 的 阻 力 计 算 管 路 中 的 阻 力 损 失 包 括 摩 擦 阻 力 和 局 部 阻 力 二 部 分 。

4、 gdlP e 22rwxl +=D gdlh e 2 20 wxl += (Re)f=l )( elf=x 层 流 光 滑 摩 擦 混 合 摩 擦 自 模 拟 Re2300 2300Re e10 e10 Re e560 Re64=l 25.0Re3165.0=l 25.0Re6811.0 += el 25.011.0 e=l e -相 对 粗 糙 度 =e Od -绝 对 粗 糙 度 Od -管 径 局 部 阻 力 的 计 算 ： （ 1） 当 量 长 度 法 22udlh ef l= （ 2） 阻 力 系 数 法 22uhf = 2.管 路 最 佳 直 径 的 计 算管 路 的 内 径 一

5、 般 按 下 式 计 算 wQde 4= 3.允 许 吸 入 高 度 + 2.21 2 hhggPgPH BCnBCtBC wrr 式 中 ： tP-操 作 温 度 下 被 吸 送 液 体 的 饱 和 蒸 汽 压 。 BCw -泵 吸 入 管 内 液 体 的 流 速 。 BCnh . -吸 入 管 路 中 的 压 头 损 失 。 2h -避 免 汽 蚀 现 象 （ 在 离 心 泵 中 ） ， 或 防 止 由 于 惯 性 力 造 成 活 塞 与 液 体 脱 离 （ 在 活 塞 羹 中 ） 的 压 头 余 量 。 对 于 离 心 泵 ： 3222 )(3.0 Qnh = n-轴 的 转 速 对 于

6、 活 塞 泵 ： ruffglh = 212 2.1 式 中 ： l-从 气 室 中 自 由 液 面 计 算 的 吸 入 导 管 中 的 液 柱高 度 21, ff -分 别 为 活 塞 和 平 管 的 截 面 积 u -转 动 的 圆 周 速 度 r-曲 柄 的 半 径 4.扬 程 计 算 (1) 绘 制 工 艺 管 路 草 图 （ 包 括 平 面 和 垂 直 布 置 ） (2) 估 算 管 线 长 度 。 (3) 计 算 管 径 及 管 件 、 阀 件 的 数 量 。 (4) 列 出 计 算 式 ， 进 行 计 算 。 Service Hyam reactor feed pump Item

7、 P6705 A/BProject Z444 P&I diagram 6701 Type Centrifugal No.required 2Liquid Inorganic process liquid Liquid suction conditionPd PsHst.s HsHf.s HdHf.d Hst.d Product flow normal m3/h 69.5Product flow max m3/h 77Density kg/m3 1219Viscosity mPa.s 1.07Temperature 60Boiling temp.(at atm pressure) 110Boil

8、ing temp.(at suction head Hs) 111Flash point Crystallisation -5Contaminated with %Mix with water allowed (for mech. seal) yes discharge pressure Pd 2650kPa = 221.7 m.L.C.abs discharge static head Hst.d 27 m.L.C* P across equipment on disch. side m.L.C P across disch. Line and valve(s) Ht.d 5 m.L.C P

9、 across rotameter in disch. line + 1 m.L.C dynamic losses in disch. Line 6 m.L.C* P across control valve in disch. Line 83 % dyn. losses + 5 m.L.C total discharge head H d 259.7 m.L.C* suction presure Ps 101 kPa = 8.4 m.L.C.abs suction static head Hst.s + 0.5 m.L.C* 8.9 m.L.C P across suction line a

10、nd valve(s) Hf.s - 0.2 m.L.C* - 8.7 m.L.C.abs 251 m.L.C* vapour pressure Pvap 16.3 kpa = 1.4 m.L.C.abs N.P.S.H avail. Hs Pvap = 8.7 - 1.4 = 7.3 m.L.C* To be checked by contractor when lay-out is final 四 固 体 搬 运 及 粉 碎 设 备1 起 重 设 备吊 钩 、 手 动 葫 芦 、 电 动 葫 芦 、 电 动 单 梁 起 重 机技 术 指 标 ： 跨 度 、 最 大 起 重 量 、 运 行

11、速 度 、 自 重2 仓 储 设 备叉 式 装 卸 车 、 手 动 液 压 装 卸 车 、 圆 筒 搬 运 车 、 联 合 堆 包 机 、 液 压升 降 机技 术 指 标 ： 起 重 重 量 、 升 起 高 度 、 行 走 速 度3运 输 设 备移 动 皮 带 输 送 机 、 斗 式 输 送 机 、 螺 旋 输 送 机 、4给 料 设 备 电 磁 震 动 给 料 机 、 振 动 料 斗 技 术 指 标 ： 料 斗 尺 寸 、 激 振 电 机 型 号 与 功 率 、 激 振力5破 碎 设 备粗 碎 颚 式 破 碎 机 、 环 锤 式 破 碎 机技 术 指 标 ： 进 料 粒 度 （ 目 ） 、

12、出 料 粒 度 （ 目 ） 、 处理 量 kg/h 本 章 思 考 题 ： （ 1） 选 择 泵 的 基 本 参 数 有 哪 几 项 ？ 泵 的 选 型 要 点 有 哪 几 点 ？ （ 2） 试 述 选 择 泵 的 的 基 本 步 骤 ？ （ 3） 如 何 考 虑 和 确 定 管 路 中 的 阻 力 计 算 ？ 如 何 确 定 流 体 输 送 中 泵 所 需 的 扬 程 ？ 第 七 章 .热 交 换 器 的 设 计 和 选 型一 . 简 介 1. 分 类 ： 间 壁 式 换 热 器 （ 管 壳 式 、 紧 凑 式 ） 混 合 式 换 热 器 蓄 热 式 换 热 器 2.类 型管 壳 式 ：套

13、管 式 换 热 器蛇 管 式 （ 盘 管 式 ） 换 热 器 ： 沉 浸 式 、 喷 淋 式列 管 式 ： 固 定 管 板 （ 刚 性 结 构 、 带 膨 胀 节 ） 、 浮 头 式 填 料 函 、 釜 式 、 U型 管 式紧 凑 式 ：螺 旋 板 式 换 热 器板 式 换 热 器 板 翅 式 伞 板 式 二 . 传 热 过 程 的 基 本 方 程 式1. 热 负 荷 方 程 ： )( 12 TTWCpQ = （ 无 相 变 化 ） WHTTWCpQ += )( 12 （ 有 相 变 化 ） 2.传 热 基 本 方 程 式 ： 在 稳 态 下 传 热 系 数 （ K） 随 温 度 变 化 不

14、大 时 mtKAQ D= 3.传 热 面 积 ： mtKQA D= 4.有 效 平 均 温 差 ： 21 21ln tt tttm DD DD=D式 中 21, tt DD 分 别 为 换 热 器 两 端 热 、 冷 流 体 温 差 。 当 21 21ttDD 1 0.5 气 体 530 315 5.加 热 剂 和 冷 却 剂 的 选 用（ 1） 常 用 的 加 热 剂 ： 饱 和 水 蒸 气 烟 道 气（ 2） 常 用 的 冷 却 剂 ： 水 空 气 （ 冷 风 ） 冷 冻 剂 6.确 定 设 计 方 案 的 原 则1） 满 足 工 艺 和 操 作 要 求 。2） 保 证 生 产 安 全 。

15、3） 考 虑 综 合 利 用 。4） 满 足 经 济 上 的 要 求 。 7管 壳 式 换 热 器 设 计 考 虑 的 因 素（ 1） 满 足 换 热 基 本 要 求（ 2） 终 端 温 差（ 3） 流 速（ 4） 压 降（ 5） 传 热 总 系 数（ 6） 污 垢 系 数（ 7） 结 构 标 准 8.工 艺 设 计 计 算 过 程 （ 1） 热 负 荷 Q 的 计 算 。 （ 2） 热 平 衡 计 算 ， 求 G ， 确 定 冷 却 剂 或 加 热 剂 的 量 。 （ 3） 确 定 mTD ， （ 先 设 为 单 程 ） （ 4） 假 设 传 热 系 数 K ， 求 传 热 面 积 A 。

16、（ 5） 选 型 （ 查 手 册 ） 或 设 计 ， 确 定 管 径 、 管 数 、 管 长 、 壳 径 、 排 管 、 折 流 板 、 板 间 距 等 和 其 他 结 构 。 （ 6） 核 算 K ， A。 （ 7） 流 体 力 学 计 算 PD 。 （ 8） 经 济 评 价 例 某 精 馏 塔 浓 缩 甲 醛 水 溶 液 ， 操 作 压 力 0.4MPa（ 绝 ） ， 第 一 股 进 料F1=10500kg/h， 甲 醛 浓 度 为 28%， 第 二 股 进 料 F2=9500kg/h， 甲 醛 浓 度 为8.0wt%， 塔 顶 流 出 液 浓 度 为 37wt%， 釜 液 浓 度 为 0

17、.2wt%， 釜 液 采 出 量 W1为10050kg/h， 温 度 为 140 ， 为 了 回 收 釜 液 的 热 量 ， 用 釜 液 预 热 温 度 为 30 ， 浓 度 为 8%的 原 料 液 。 试 选 用 一 适 当 型 号 的 换 热 器 。F1=10500kg/hX1=28% t1=30 F2=9500kg/hX2=8% t2W1=10050kg/h T1=140T2 解1热 负 荷 计 算设 釜 液 终 温 T2=90 ， 釜 夜 含 甲 醛 0.2%， 因 此 物 性 可 用 水 代 之 。 Tm=(T1+T2)/2=(90+140)/2=115在 平 均 温 度 Tm下 水

18、 的 比 热 Cp=4.24kJ/kg. Q=W1Cp(T1-T2)=10050 4.24 (140-90) 103/3600 =5.92 10 5W 2 平 均 推 动 力 计 算 ： 设 原 料 F2终 温 为 87 tm=(87+30)/2=58.5 在 tm温 度 下 甲 醛 Cp1=0.783KJ/kg. , 水 Cp2=4.18kJ/kg. Cpm=C p1.x1+Cp2.x2=0.08 0.783+4.18 0.92 =3.91kJ/kg. t2=t1+W1.Cp1(T1-T2)/(F2.Cpm) =30+10050 4.18 (140-90)/(9500 3.91) = 86.

19、5 与 假 设 基 本 符 合 ， t2=86.5 逆 流 平 均 推 动 力 tm= (140-86.5)+(90-30) /2=56.8 R=(T1-T2)/(t2-t1)=(140-90)/(86.5-30)=0.88 P=(t 2-t1)/(T1-t1)=(86.5-30)/(140-30)=0.51 温 差 修 正 系 数 =0.825 tm=0.825 56.8=46.8 3初 选 换 热 器 设 K=700W/m2.K A=Q/K tm=5.92 105/(700 46.8)=18.1m2初 选 G-400-20-25-4型 换 热 器 ， 管 长 3m， 管 径 25 2 ，

20、管 子 数 N=86， 折 流 板 间 距 150， 管 层 数 Np=4 4校 核 传 热 系 数（ 1） 原 料 流 量 较 小 走 管 层 ， 核 算 管 层 给 热 系 数 tm=(86.5+30)/2=58F2的 平 均 物 性 Cp=3.91kJ/kg. =0.428cp l=2.244kJ/(m.h. )管 层 流 动 面 积 A=/4d2N/Np=0.785 0.0212 86/4=0.00744m2Re=dG/ =0.021 9500 103/(0.00744 0.428 3600)=1.74 104Pr=Cp. / l=3.6 3.91 0.428/2.244=2.68i=

21、0.023 l/d.Re 0.8Pr0.4=2622W/(m2. ) (2)壳 层 。 核 算 平 均 温 度 115 时 物 性 r=947kg/m3 Pr=1.54 =0.243cp l=68. 5 10-2w/(m.k) 管 子 正 三 角 排 列 ， 管 间 距 t=32mm， 25% 圆 缺 型 挡 板0 202 )423(4 d dtd e = d e=0.02m 流 通 面 积 A=BD(1-d0/t)=0.15 0.4(1-25/32) =0.0131m2 1001753710243.0 947225.002.0 /0255.00131.09473600 10050 31 =

22、= rrduR smAwue )./(2920 95.054.11753702.0 105.6836.0 )(Pr36.0 2 3155.02 14.03155.00 Cmw Rd we= = = l以 外 表 面 积 计 算 传 热 系 数 ， 选 取 垢 层 系 数 为 Ri 和 R0 均 为 2 10-4m2. /w )./(935 0002.00002.02529202126221 11 12 000 cmw RRAAK iii = += += A计 =Q/(k.tm)=5.92 105/(935 46.5) =14m2A/A计 =20/14=1.4 本 章 思 考 题1） 管 壳 式 换 热 器 的 设 计 计 算 中 要 考 虑 选 择 哪几 种 参 数 ？ 如 何 选 择 ？2） 试 述 换 热 器 的 工 艺 计 算 过 程 （ 即 设 计 步 骤 ）