課程設計-換熱器

1、化工過程及設備課程設計（本） 題 目 換熱器的設計水冷卻硝基苯 班 級 2010化工2班 學 號 45、46、47 組 長 王少平 組 員 何東寶、王少平、潘樹燦 指導教師 黃衛(wèi)清 完成日期 2013年12月 目錄一、 設計任務和設計條件31.設計題目：換熱器的設計水冷卻煤油2.設計條件；3.設計任務；二、設計方案簡介4 1.選擇換熱器的類型；2.管程安排；3.流向的選擇；三、確定物性數據.5四、試算和初選換熱器的規(guī)格.61.計算熱負荷和冷卻水流量；2.計算兩流體的平均溫度差；3.初選換熱器規(guī)格；五、核算總傳熱系數.71、管程的給熱系數2、殼程的給熱系數3、污垢熱阻4、計算總傳熱系數5、估算傳

2、熱面積.六、核算壓強降81、管程壓強降2、殼程壓強降七、輔助設備的計算及選型91、殼體直徑、長度、厚度2.封頭尺寸3.法蘭及各連接材料的選擇結構（1）選定法蘭（2）選定墊片結構八、設計結果一覽表12其他工藝參數九、對設計的評述附錄：參考圖一、 設計任務和設計條件1.設計題目：換熱器的設計水冷卻硝基苯2.設計條件：（1）硝基苯 處理量：16000/小時、進口溫度：140、出口溫度：60、壓強降<40kPa(2)冷卻水進口溫度：30、出口溫度：40、壓強降<40kPa3.設計任務：（1）設計計算列管式換熱器的熱負荷、傳熱面積、換熱管、殼體、管板、封頭、隔板及接管等。（2）繪制列管式換熱

3、器的設計條件圖。（3）編寫課程設計說明書。二設計方案簡介換熱器種類繁多，按照用途分類，可以分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器、深冷器、過熱器等。按照傳熱面的形狀及結構特點又可將其分為：管式換熱器、板式換熱器、擴展表面式換熱器。1.選擇換熱器的類型本設計任務是利用冷流體（水）給硝基苯降溫。利用熱傳遞過程中對流傳熱原則，制成換熱器，以供生產需要。選擇時要遵循經濟，傳熱效果好，方便清洗，符合實際需要等原則。列管式換熱器在生產中被廣泛利用。它的結構簡單、堅固、制造較容易、處理能力大、適應性大、操作彈性較大。尤其在高壓、高溫和大型裝置中使用更為普遍。所以首選間壁式換熱器中的列管式換熱器作為設計基

4、礎。2、管程安排冷、熱流體流動通道的選擇的一般原則：1.不潔凈或易結垢的液體宜在管程，因為管內清洗方便。2.腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時受到腐蝕。3.壓力高的流體宜在管內，以免殼體承受壓力。4.飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較清潔，表面?zhèn)鳠嵯禂蹬c流速無關，而且冷凝液容易排出。5.流量小而粘度大的流體一般以殼程為宜，因為殼程Re>100即可達到湍流。但這不是絕對的，如流動阻力損失允許，將這類流體通入管內并采用多管程結構，亦可得到較高的表面?zhèn)鳠嵯禂怠?.若兩流體溫差較大，對于剛性結構的換熱器，宜將表面?zhèn)鳠嵯禂荡蟮牧黧w通入殼程，以減小熱應力。 7.需要被冷卻物料一般選殼程，便于散熱。

5、由于循環(huán)冷卻水容易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，油品走殼程。3.流向的選擇當冷、熱流體的進出口溫度相同時，逆流操作的平均推動力大于并流，因而傳遞同樣的熱流體，所需的傳熱面積小。逆流操作時，冷卻介質溫升可選擇得較大因而冷卻介質用量可以較小。顯然在一般情況下，逆流操作總是優(yōu)于并流。三、確定物性數據定性溫度：可去流體進口溫度的平均值。殼程硝基苯的定性溫度為T=100管程冷卻水的定性溫度為 T=35跟據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數據。硝基苯在110下的有關物性數據如下：密度        

6、0;  0=1097.59 / m3 定壓比熱容   cp0=1.72kJ/（kg） 導熱系數 0l=0.140（W/m.°C） 粘度 0=0.00055（Pas） 循環(huán)冷卻水在35°C下的有關物性數據如下： 密度           i=994.3 / m3 定壓比熱容    cpi=4.174k

7、J/（kg）導熱系數      il=0.6265 （W/m.°C） 粘度           i =0.000742（Pas） 四、試算和初選換熱器的規(guī)格1.計算熱負荷和冷卻水流量熱負荷量Q0=m0 c0p t0=14000×1720×（140-60）/3600=535111 （kW）冷卻水量W=46666.7 (kg/h) 2.計算兩

8、流體的平均溫度差平均傳熱溫差tm=58.143.初選換熱器規(guī)格根據兩流體的情況，設 K=540W/(m2·)，故S=17.04（m2）殼體內徑（mm）300管子尺寸（mm）19×2公稱壓強0.4 MPa管長6 m公稱面積70 m2管子總數98管程數2管子排列方法正三角形管心距 24 mm折流板數 19塊折流板高度h60 mm折流板間距B 150 mm殼程流體進出口接管內徑D80 mm管程流體進出口接管內徑110 mm估計傳熱面積S0=ndL=98×3.14×0.019×3=17.54 m2K0=524.7W/(m2·)五、核算總傳熱系

9、數1、管程的給熱系數i i=0.36× =0.36××（11674）0.55（6.67）1/3 =1174.69 W/m2·2、殼程的給熱系數0假設殼程的給熱系數0=290W/(m2·)3、污垢熱阻Rsi=0.000344 m2·/WRs0=0.000173 m2·/W4、計算總傳熱系數K管壁的導熱系數：=45W/m·=+ Rsi+ Rs0+ =0.025/（2731×0.020）+0.000344×0.025/0.020+0.000172+1/290 =0.000457+0.00043+0.0

10、00062+0.000172+0.003448 =0.004569W/( m2·)K=218.86 W/( m2·)5、估算傳熱面積考慮15%的面積裕度S=15.52（m2）S= 1.15×15.52=17.848 m2六、核算壓強降1、管程壓強降pi=（p1+p2）FtNpNs（Ft結垢校正系數，Np管程數，Ns殼程數）取換熱管的管壁粗糙度為0.01mm，/d=0.005，而Rei=13545，查圖得t=0.04,流速Ui=1.48m/s，=994.3kg/ m2p1=iLui2/（2di）=0.039×3×994.3×1.48&#

11、178;/（0.015×2）=8.494 KPap2=3ui2/2=3×994.3×1.48²/2=3.267 KPa對19×2mm的管子有Ft=1.5，且Np=2，Ns=1pi=（p1+p2）FtNpNs =（8.494+3.267）×1.4×2×1=35.283 KPa<40 KPa管程阻力在允許的范圍之內。2、殼程壓強降p0=（p1+p2）FsNs（Fs為結垢校正系數，對液體Fs=1.15，Ns為殼程數）流體流經管束的阻力p1=Ff0nc（NB+1）u0²/2F為管子排列方式對壓強降的校正系數

12、，正三角形排列F=0.5，正方形直列F=0.3=，正方形錯列時，F=0.4。f0為殼程流體的摩擦系數，當Re0>500時，f0=5.0Re0-0.228=5.0×（11674）-0.228=0.59111nc為橫過管束中心線的管數，nc=11折流板間距B=0.15m，折流板數=19p1=0.5×0.59111×11×（19+1）×=5.427KPa流體流經折流板缺口的阻力p2=NB（3.5-） B=0.15m，D=0.3mp2=19（3.5-）×=5.551 KPa總壓力降p0=（5.427+5.551）=10.978 KPa&

13、lt;40 KPa該換熱器的管程與殼程壓降均滿足要求，故所設計的換熱器合適。七、輔助設備的計算及選型1、殼體直徑、長度、厚度由上面的計算可得殼體直徑為D=300mm殼體長度為l=6m操作壓力Pc=0.4MPa根據以上假設和查表數據可得= =0.429mm按過程設備設計（化學工業(yè)出版社），腐蝕余量C2=2mm，鋼板厚度負偏差C1=0.3mm設計厚度d=+ C2=0.429+2=2.429mm因而可取名義厚度n=3mm。但對碳素鋼，規(guī)定不包括腐蝕裕量的最小厚度應不小于3mm，若加上2mm的腐蝕裕量，名義厚度至少應取5mm。按化工單元過程及設備課程設計（化學工業(yè)出版社出版）表4-31取殼體厚度

14、60;=5mm2.封頭尺寸考慮綜合因素，使用標準橢圓封頭，材料使用碳素鋼Q245，焊接接頭形式采用雙面焊對接接頭，無損檢測比例100%，故=1。參考過程設備設計（化工工業(yè)出版社）附錄得，在150下，厚度假設為=3-16mm時，碳鋼Q245的許用應力為 t=140(MPa)管程壓力為0.4 MPa，殼程壓力為0.3MPa，按Pc=0.4MPa計算。根據以上假設和查表數據可得=0.429mm按過程設備設計（化學工業(yè)出版社），腐蝕余量C2=2mm，鋼板厚度負偏差C1=0.3mm設計厚度d=+ C2=0.429+2=2.429mm因而可取名義厚度n=3mm。但對碳素鋼，規(guī)定不包括腐蝕裕量的最

15、小厚度應不小于3mm，若加上2mm的腐蝕裕量，名義厚度至少應取5mm。有鋼材標準規(guī)格，名義厚度取為5mm。n=5mm，t沒有變化，故取名義厚度5mm合適。因為K=2+()2由此可得橢圓頭短半徑hi=75mm3.法蘭及各連接材料的選擇（1）選定法蘭結構工藝操作條件所給出的各參數如下：壓力Pc=0.3MPa溫度t=140根據上述數據，查看JB_47004707壓力容器法蘭可得法蘭類型：松式法蘭 法蘭材料：   Q235 緊壓面：  凹凸面（2）選定墊片結構 根據上述數據，查看JB_47004707壓力容器法蘭可得

16、60;墊片形式：  耐油墊墊片壓緊面形狀：  1a 墊片材料：橡膠石棉板 按GB150-1998鋼制壓力容器可得 墊片系數：m=2.75比壓力：y=25.5MPa墊片接觸寬度：N=20mm墊片基本密封寬度：b0=10mm>6.4mm墊片有效密封寬度：b=2.53=2.53=8mm墊片壓緊力作用中心圓計算直徑：DG=700-2b=700-2×8=684mm預緊時需要的壓緊力：Fa=DG by=3.14×684×8×25.5=438143N操作狀態(tài)下，需要的最小墊片壓緊力：Fp=DG

17、 bmPc=2×3.14×684×8×2.75×0.3=28350N八、設計結果一覽表參數管程殼程流率25590Kg/h14000 Kg/h進/出口溫度/30/40140/60壓力/KPa<40<40 物 性定性溫度/35100密度/（kg/m ）3994.31097.58定壓比熱容/kj/（kgk）4.1741.72粘度/（Pas）0.742×10-30.55×10-3熱導率（W/mk）0.62650.140普朗特數6.911.74設備結構參數形式浮頭式殼程數1殼體內徑/300臺數1管徑/19×2管心

18、距/24管長/6000管子排列正三角形管數目/根98折流板數/個19傳熱面積/17.54折流板間距/150管程數2材質碳鋼主要計算結果管程殼程流速/（m/s）1.480.068表面?zhèn)鳠嵯禂?W/（k）2540.34593污垢熱阻/（k/W）0.0003340.000176熱流量/W535111傳熱溫差/K58.14傳熱系數/W/（K）540裕度/%13.0%其他工藝參數：殼體長度  3000mm 殼體厚度   5mm封頭類型   標準橢圓封頭 封頭材料   碳素鋼Q

19、245封頭厚度       5mm 封頭短半徑     175mm 法蘭類型       松式法蘭 法蘭材料       Q235 法蘭緊壓面     凹凸面 墊片類型       耐油墊 墊片緊壓面形狀       1a