化工原理課程設計--用水冷卻氯苯換熱器設計

1、<p>　　課 程 設 計 報 告</p><p>　　題 目 用水冷卻氯苯換熱器設計 </p><p>　　課 程 名 稱 化工原理 </p><p>　　專 業(yè) 化學工程與工藝 </p><p>　　班 級

2、 </p><p>　　學 生 姓 名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　設 計 地 點 </p><p>　　指 導 教 師 </p>

3、<p>　　設計起止時間：2013年9月2日至2013年9月13日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.1.換熱器設計任務書。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3-</p><p>　　1.2．換熱器的結構形式。。。。。。。。。。。。。。。。

4、。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3-</p><p>　　1.3管板式換熱器的優(yōu)點。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4-</p><p>　　1.4列管式換熱器的結構。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5-</p><p&

5、gt;　　1.6管板式換熱器的類型及工作原理。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6-</p><p>　　1.7確定設計方案。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。7-</p><p>　　2.1設計參數(shù)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

6、。。。。。。。。。。。。。。。7-</p><p>　　2.2核算總傳熱系數(shù)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。7-</p><p>　　2.3核算壓力降。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。10-</p><p>　　2.4換熱器主

7、要結構尺寸和計算結果。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。12-</p><p>　　2.5 換熱器結構圖。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。14-</p><p>　　2.6管板分布圖。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

8、。。15-</p><p>　　2.7結束語。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。16-</p><p>　　2.8參考文獻。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。17-</p><p>　　1.1課程設計任務書<

9、;/p><p>　　設計題目：水冷卻氯苯換熱器的設計</p><p><b>　　操作條件：</b></p><p>　　氯苯：入口溫度120℃，出口溫度25℃。</p><p>　　冷卻介質：循環(huán)水，入口溫度20℃。</p><p>　　允許壓強降:不大于1×105 Pa。</p&g

10、t;<p>　　每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行。</p><p>　　設備型式：管殼式換熱器</p><p>　　處理能力：學號＋40萬噸/年</p><p><b>　　設計要求：</b></p><p>　　選定管殼式換熱器的種類和工藝流程。</p><p>　　管殼式換

11、熱器的工藝計算和主要的工藝尺寸設計</p><p>　　設計結果概要或設計結果一覽表 。</p><p>　　設備簡圖（要求按比例畫出主要結構及尺寸）。</p><p>　　對本設計的評述及有關問題的討論。</p><p>　　1.2換熱器的結構形式</p><p><b>　　1.管殼式換熱器</b&

12、gt;</p><p>　　管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標準換熱設備，它具有結構簡單，堅固耐用，造價低廉，用材廣泛，清洗方便，適應性強等優(yōu)點，應用最為廣泛。管殼式換熱器根據(jù)結構特點分為以下幾種：</p><p><b>　　固定管板式換熱器</b></p><p>　　固定管板式換熱器兩端的管板與殼體連在一起，這類換熱器結構簡單，

13、價格低廉，但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于50℃且殼方流體較清潔及不易結垢的物料。</p><p>　　帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，其膨脹節(jié)的彈性變形可減小溫差應力，這種補償方法適用于兩流體溫差小于70℃且殼方流體壓強不高于600Kpa的情況。</p><p><b>　　浮頭式換熱器</b></p><p>　　浮頭式換熱器的管板有一個

14、不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關。浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清洗和檢修，適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱，應用極為普遍，但結構復雜，造價高。</p><p><b>　　填料涵式換熱器</b></p><p>　　填料涵式換熱器管束一端可以自由膨脹，與浮頭式換熱器相比，結構簡單，造價低，但殼程流體有外漏的可能性，因此

15、殼程不能處理易燃，易爆的流體。</p><p><b>　　2.蛇管式換熱器</b></p><p>　　蛇管式換熱器是管式換熱器中結構最簡單，操作最方便的一種換熱設備，通常按照換熱方式不同，將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。</p><p><b>　　3.套管式換熱器</b></p><p>

16、;　　套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管，其內管用U型時管順次連接，外管與外管互相連接而成，其優(yōu)點是結構簡單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要增減，適當?shù)剡x擇管內、外徑，可使流體的流速增大，兩種流體呈逆流流動，有利于傳熱。此換熱器適用于高溫，高壓及小流量流體間的換熱。</p><p>　　1.3管板式換熱器的優(yōu)點</p><p>　　(1) 換熱效率高,熱損失小

17、        在最好的工況條件下, 換熱系數(shù)可以達到6000W/ m2K, 在一般的工況條件下, 換熱系數(shù)也可以在3000～4000 W/ m2K左右,是管殼式換熱器的3～5倍。設備本身不存在旁路,所有通過設備的流體都能在板片波紋的作用下形成湍流,進行充分的換熱。完成同一項換熱過程, 板

18、式換熱器的換熱面積僅為管殼式的1/ 3～1/ 4。(2) 占地面積小重量輕     除設備本身體積外, 不需要預留額外的檢修和安裝空間。換熱所用板片的厚度僅為0. 6～0. 8mm。同樣的換熱效果, 板式換熱器比管殼式換熱器的占地面積和重量要少五分之四。(3) 污垢系數(shù)低  

19、60;  流體在板片間劇烈翻騰形成湍流, 優(yōu)秀的板片設計避免了死區(qū)的存在, 使得雜質不易在通道中沉積堵塞,保證了良好的換熱效果。(4) 檢修、清洗方便     換熱板片通過夾緊螺柱的夾緊力組裝在一起,當檢修、清洗時, 僅需松開夾緊螺柱即可卸下板片進行沖刷清洗。(5) 產品適用面廣  

20、0;  設備最高耐溫可達180 ℃, 耐壓2. 0MPa , 特別適應各種工藝過程中的加熱、冷卻、熱回收、冷凝</p><p>　　1.4列管式換熱器的結構</p><p>　　介質流經傳熱管內的通道部分稱為管程。 （1）換熱管布置和排列間距 常用換熱管規(guī)格有ф19×2 mm、ф25×2

21、mm(1Crl8Ni9Ti)、ф25×2.5 mm(碳鋼10)。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較??；同時，對于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面積的金屬耗量更少。換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列。  （A） （B）（C）</p><p>　?。―） （E）<

22、/p><p>　　圖 1-4 換熱管在管板上的排列方式 (A) 正方形直列     （B）正方形錯列    (C) 三角形直列     </p><p>　　（D）三角形錯列  （E）同心圓排列 </p><p>　　正三角形排列結

23、構緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結構更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。 （2）管板 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。 管板與管子的連接可脹接或焊接。脹接法是利用脹管器將管子擴脹，產生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達到密封緊固的目的。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素

24、鋼或低合金鋼，設計壓力不超過4 MPa，設計溫度不超過350℃的場合。 </p><p>　?。?）封頭和管箱 封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。</p><p>　?、俜忸^ 當殼體直徑較小時常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。 ②管箱 換熱器管內流體進出口的空間稱為管箱,殼徑較大的換熱器大多

25、采用管箱結構。由于清洗、檢修管子時需拆下管箱，因此管箱結構應便于裝拆。</p><p>　　③分程隔板 當需要的換熱面很大時，可采用多管程換熱器。對于多管程換熱器，在管箱內應設分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質流速，增強傳熱。管程多者可達16程，常用的有2、4、6程。在布置時應盡量使管程流體與殼程流體成逆流布置，以增強傳熱，同時應嚴防分程隔板的泄漏，以防止流體的短路。<

26、;/p><p>　　1.5管板式換熱器的類型及工作原理 </p><p>　　板式換熱器按照組裝方式可以分為可拆式、焊接式、釬焊式等形式;按照換熱板片的波紋可以分為人字波、平直波、球形波等形式; 按照密封墊可以分為粘結式和搭扣式。各種形式進行組合可以滿足不同的工況需求,在使用中更有針對性。比如同樣是人字形波紋的板片還因采用粘結式還是搭扣式密封墊而有所不同, 采用搭

27、扣式密封墊可以有效的避免膠水中可能含有的氯離子對板片的腐蝕, 并且設備拆裝更加方便。又如焊接式板式換熱器的耐溫耐壓明顯好于可拆式板式換熱器, 可以達到250 ℃、2. 5MPa 。因此同樣是板式換熱器, 因其形式的多樣性,可以應用于較為廣泛的領域,在大多數(shù)熱交換工藝過程都可以使用。 雖然板式換熱器有多種形式, 但其工作原理大致相同。板式換熱器主要是通過外力將換

28、熱板片夾緊組裝在一起, 介質通過換熱板片上的通孔在板片表面進行流動, 在板片波紋的作用下形成激烈的湍流, 猶如用筷子攪動杯中的熱水, 加大了換熱的面積。冷熱介質分別在換熱板片的兩側流動,湍流形成的大量換熱面與板片接觸, 通過板片來進行充分的熱傳遞,達到最終的換熱效果。冷熱介質的隔離主要通過密封墊的分割, 或者通過大量的焊縫來保證, 在換熱板</p>&l

29、t;p><b>　　1.6確定設計方案</b></p><p><b>　　1選擇換熱器的類型</b></p><p>　　兩流體溫的變化情況：熱流體進口溫度120℃ 出口溫度25℃；冷流體進口溫度20℃，出口溫度為30℃，該換熱器用循環(huán)冷卻，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大管殼兩物質溫度相差較大時，應該設置膨脹節(jié)，因此初步確定選用

30、管板式換熱器。</p><p><b>　　2 管程安排</b></p><p>　　由于氯苯的的物理化學性質，不易產生污垢，水質時間長會產生水垢，而且管程</p><p>　　容易清洗，殼程不易清洗，所以選擇水走管程，氯苯走殼程。</p><p><b>　　2.1設計參數(shù)</b></p&g

31、t;<p>　　氯苯的定性溫度： T=℃   密度 ：         ρ0＝1050kg/m3</p><p>　　定壓比熱容 ：  Cp0＝1.484kJ/kg℃ 熱導率 ：      

32、 λ0＝0.117W/m℃ 粘度 ：         μ0＝0.46mPa﹒s 水的定性溫度： 密度 ：         ρi＝995kg/m3  定壓比熱容 ：   Cpi＝4

33、.185kJ/kg℃ 熱導率 ：       λi＝0.606W/ m℃ 粘度：         μi＝0.923m Pa﹒s</p><p>　　2.2核算總傳熱系數(shù)</p><p><b>　　1.熱流量&l

34、t;/b></p><p>　　W=450000000/330/24/360=15.78kg/s</p><p><b>　　2.平均傳熱溫差</b></p><p><b>　　△tm=℃</b></p><p><b>　　3.冷卻水用量</b></p>

35、<p><b>　　4.有關參數(shù)</b></p><p><b>　　， </b></p><p>　　根據(jù)R，P值，查《化工原理》[1]P-280圖4-19可讀得，溫度校正系數(shù)φΔt=0.85，則平均溫度差Δtm=Δtm’ φΔt=29.4×0.85=25℃</p><p>　　5.按經驗數(shù)值初選

36、總傳熱系數(shù)K0(估)</p><p>　　選取K0(估) =540W/(m2·℃)</p><p>　　6.初算出所需傳熱面積</p><p>　　7.計算工藝結構尺寸</p><p>　?。?）管徑和管內流速選用Φ25×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內流速u1=0.95m/s。</p><p&g

37、t;　　（2）管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù)：</p><p><b>　　Ns=</b></p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為：</p><p><b>　　L= m</b></p><p>　　按單程管設計，根據(jù)本設計實際情況，現(xiàn)取傳熱管長l=6m，

38、則該換熱器的管程數(shù)為：</p><p><b>　　NP= </b></p><p><b>　　傳熱管總根數(shù)：</b></p><p><b>　　Nt= 根</b></p><p>　　由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。</p&

39、gt;<p>　?。?）傳熱管排列和分程方法 </p><p>　　由于殼程流體是不污性介質，采用等邊三角形排列法。等邊三角形排列法在一定的管板面積上可以配置較多的管數(shù)，而且由于管子之間的距離都相等，在管板加工時便于劃線與鉆孔。</p><p>　　取管心距t=1.25d0，則 t=1.25×25=31.25≈32㎜</p><p>　　

40、（4）殼體內徑 采用多管程結構，取管板利用率η=0.85 ，則殼體內徑為：</p><p><b>　　可取D=700mm</b></p><p><b>　　（5）折流板 </b></p><p>　　取折流板間距h=0.15m</p><p><b>　　折流板數(shù)目NB=<

41、;/b></p><p><b>　　8.換熱器核算</b></p><p>　　（1）殼程對流傳熱系數(shù)：</p><p><b>　　殼程流通截面積：</b></p><p><b>　　殼程流體流速：</b></p><p><b>

42、　　當量直徑：</b></p><p><b>　　雷諾數(shù): </b></p><p><b>　　普朗特數(shù)： </b></p><p>　　殼程中氯苯被冷卻，取=0.95，所以</p><p>　?。?）管程對流傳熱系數(shù)</p><p><b>

43、;　　管程流通面積：</b></p><p><b>　　管程流體流速：</b></p><p><b>　　雷諾數(shù):</b></p><p><b>　　普朗特數(shù)：</b></p><p><b>　　所以</b></p>&l

44、t;p>　?。?）污垢熱阻和管壁熱阻</p><p><b>　　管外側污垢熱阻 </b></p><p><b>　　管內側污垢熱阻 </b></p><p>　　管壁熱阻按碳鋼在該條件下的熱導率為50w/(m·K)。</p><p>　?。?）計算總傳熱系數(shù)</p>

45、<p><b>　　所需傳熱面積：</b></p><p><b>　　實際傳熱面積：</b></p><p>　　傳熱面積裕度：％=12.6％</p><p><b>　　2.3核算壓力降</b></p><p><b>　?。?）管程壓力降：</

46、b></p><p>　　其中Ft=1.4，Np=2，=1</p><p>　　設管壁粗糙度由天津大學出版化工原理上冊第一章 中關系圖中查得：，所以</p><p>　　直管中因摩擦阻力引起的壓力降：</p><p>　　回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降</p><p><b>　　（2）殼

47、程壓力降：</b></p><p><b>　　其中，</b></p><p>　　管子按正三角形排列:</p><p>　　曲折流擋板間距：h=0.15m</p><p><b>　　折流擋板數(shù)：</b></p><p><b>　　殼程流通面積：&l

48、t;/b></p><p><b>　　流速：</b></p><p><b>　　雷諾數(shù)：</b></p><p>　　殼程流體的摩擦系數(shù)：</p><p>　　流體橫過管束的壓力降：</p><p>　　流體通過折流板缺口的壓力降：</p><p

49、>　　計算表明，管程和殼程壓力降都能滿足題設要求。</p><p>　　2.4換熱器主要結構尺寸和計算結果：</p><p><b>　　換熱器結構圖</b></p><p><b>　　管板分布圖</b></p><p><b>　　結束語</b></p>

50、<p>　　化工原理課程設計是培養(yǎng)個人綜合運用本門課程及有關選修課程的基本知識去解決某一設計任務的一次訓練，也起著培養(yǎng)學生獨立工作能力的重要作用。</p><p>　　在換熱器的設計過程中,我感覺我的理論運用于實際的能力得到了提升，主要有以下幾點： </p><p>　　(1)掌握了查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻中和從生產現(xiàn)場中搜集)的能力；</p>

51、;<p>　　(2)樹立了既考慮技術上的先進性與可行性，又考慮經濟上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護的正確設計思想，在這種設計思想的指導下去分析和解決實際問題的能力；</p><p>　　(3)培養(yǎng)了迅速準確的進行工程計算的能力；</p><p>　　(4)學會了用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己設計思想的能力。</p><p>　　從設計

52、結果可看出，若要保持總傳熱系數(shù)，溫度越大、換熱管數(shù)越多，折流板數(shù)越多、殼徑越大，這主要是因為煤油的出口溫度增高，總的傳熱溫差下降，所以換熱面積要增大，才能保證Q和K.因此，換熱器尺寸增大，金屬材料消耗量相應增大.通過這個設計，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經濟投入，設計參數(shù)的選擇十分重要.</p><p><b>　　主要參考文獻</b></p><p>　　《化

53、工原理》天津大學化工原理教研室編 天津：天津大學出版社. （1999）</p><p>　　《換熱器》秦叔經、葉文邦等 ，化學工業(yè)出版社（2003）</p><p>　　《化工原理（第三版）上、下冊》譚天恩、竇梅、周明華等，化學工業(yè)出版社（2006）</p><p>　　《化工過程及設備設計》華南工學院化工原理教研室（1987）</p><p&g