化工設(shè)計(jì)換熱器 設(shè)計(jì)

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1、目錄: 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書……………………………………… 0 概述……………………………………………………………… 1 設(shè)計(jì)方案………………………………………………………… 2 設(shè)計(jì)條件及主要物性參數(shù)……………………………………… 2 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………… 3 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表………………………………………………… 9 設(shè)計(jì)自我評(píng)述…………………………………………………… 10 參考資料………………………………………………………… 11 主要符號(hào)………………………………………………………… 12 附錄……………………………………

2、………………………… 13 概述 換熱器是化學(xué)、石油化學(xué)及石油煉制工業(yè)中以及其他一些行業(yè)中廣泛使用的熱量交換設(shè)備，它不僅可以單獨(dú)作為加熱器、冷卻器等使用，而且是一些化工單元操作的重要附屬設(shè)備，通常在化工廠的建設(shè)中換熱器的投資比例為11%，在煉油廠中高達(dá)44%。 由于工業(yè)生產(chǎn)中所用換熱器的目的和要求各不相同，換熱設(shè)備的類型也多種多樣。按換熱設(shè)備的傳熱方式劃分主要有直接接觸式、蓄熱式和間壁式三類。雖然直接接觸式和蓄熱式換熱設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易等特點(diǎn)，但由于在換熱過(guò)程中，有高溫流體和低溫流體相互混合或部分混合，使其在應(yīng)用上受到限制。因此工

3、業(yè)上所用的換熱設(shè)備以間壁式換熱器居多。間壁式換熱器從結(jié)構(gòu)上大致可分為管式換熱器和板式換熱器。管式換熱器主要包括蛇管、套管和列管式換熱器；板式換熱器主要包括型板式、螺旋板式和板殼式換熱器。一般來(lái)說(shuō)，板式換熱器單位體積傳熱面較大。設(shè)備緊湊，材料耗量低，傳熱系數(shù)大，熱損失小。但承壓能力較差，處理量較小。且制造加工較復(fù)雜，成本較高。而管式換熱器雖然在傳熱性能和設(shè)備的緊湊性上不及板式換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造容易，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，性能可靠，適應(yīng)面廣等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)中，特別是列管式換熱器應(yīng)用最廣泛，而且設(shè)計(jì)資料和數(shù)據(jù)較為完善，技術(shù)上比較成熟。 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 (一)設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件

4、 該換熱器E0401利用從第一個(gè)反應(yīng)器R0401出來(lái)的完成部分變換反應(yīng)的高溫氣體（變化氣）對(duì)進(jìn)入反應(yīng)器前的未反應(yīng)氣體（爐氣）進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到降低產(chǎn)品氣體的溫度，同時(shí)加熱原料氣體至反應(yīng)溫度的目的。反應(yīng)用四個(gè)換熱器達(dá)到換熱目的。已知變化氣的流量為 202686.6Nm3/h壓力79.95bar 進(jìn)口溫度334℃ 出口溫度 305℃ 爐氣的流量為 202636.6Nm3/h 壓力 81.45bar 進(jìn)口溫度 250℃ 出口溫度 275℃ 試設(shè)計(jì)四臺(tái)列管換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù),四臺(tái)換熱器采用并聯(lián)方式.. (二)確定設(shè)計(jì)方案 1.選擇換熱器類型 兩流體溫度變化情況：變化氣 進(jìn)口溫度334℃ 出口

5、溫度305℃；爐氣 進(jìn)口溫度250 ℃出口溫度275℃。初步確定浮頭管式換熱器。 2.流程安排 通過(guò)熱流量計(jì)算 變換氣大于爐氣 由于殼程氣體傳熱效果略差 所以變換氣走殼程 爐氣走管程 (三)確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值 殼程變換氣的定性溫度為 ℃ 管程爐氣的定性溫度為 ℃ 殼程變換氣在319.5℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：(計(jì)算得) 密度 =27.55kg/ 定壓比熱容 =2.064266 kJ/(kgK) 熱導(dǎo)率 =0.099494W/(mK) 黏度 =0.050

6、7Pas 管程爐氣在262.5℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)： 密度 =27.46kg/ 定壓比熱容 =1.94122 kJ/(kgK) 熱導(dǎo)率 =0.066781 W/(mK) 黏度 =0.0731 Pas (四)估算傳熱面積 1.熱流量 變換氣（殼程） ==1396004kg/h =83569984.198856KJ/h=23213.9KW 爐氣（管程） ==1391100kg/h =67510791KJ/h=18753KW 由于殼程流體分布不均 影響傳熱效果 熱流量計(jì)算取管程 2.平均傳熱溫差 先按純逆流計(jì)算 =57（K） 3.估算傳

7、熱面積 查表氣-氣傳熱系數(shù)范圍10-35 W/(K) 取較大K值35 W/(K) 則估算的傳熱面積 =9400（） (五)工藝結(jié)構(gòu)尺寸 1.管徑和管內(nèi)流速 選用較高級(jí)冷拔傳熱管（不銹鋼），取管內(nèi)流速=25m/s 2.管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) =1626（根） 按單程管計(jì)算,所需的傳熱管長(zhǎng)度為 =73.64 (m) 按單程管程設(shè)計(jì),管過(guò)長(zhǎng)，選用多管程選取傳熱管長(zhǎng)=12m 則該換熱器的管程數(shù)為 =6.13 取整數(shù) =7（管程） 傳熱管總根數(shù) = 16267=11382（根） 3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 按單殼程，多管程

8、結(jié)構(gòu)，查圖得 0.96 平均傳熱溫差 （℃） 由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼體流體流量較大，故取單殼程合適。 4.傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法，即每程內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用矩形排列 傳熱管和管板連接方法采用焊接法 取管心距t=1.25，則 t=1.2525=31.2532(mm) 隔板中心到其最近一排管中心距離 (mm) 各程相鄰管的管心距為44mm. 每程各有傳熱管1626根。 5.殼體內(nèi)徑 取管板利用率=0.7 則殼體內(nèi)徑為 =4284.5(mm) 按卷制殼體的進(jìn)級(jí)擋，可取D=4300mm. 6.折流板 由于是單

9、殼程無(wú)需設(shè)置縱向折流板，橫向折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為 h = 0.254300=1075（mm）故可取h=1080(mm) 取折流板間距B=0.2D B=0.24300=860(mm) 可取B=900(mm) 折流板數(shù) （塊） 折流板圓缺面水平裝配，如下圖。 7.其他附件 殼程入口處應(yīng)設(shè)計(jì)防沖擋板 8.接管 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為=25m/s (m) 圓整后=850mm 管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)氣體流速=28m/s (m) 圓整后=800mm (六)換熱器核算 1.熱流量核算 (

10、1)殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計(jì)算 =0.020 殼程流通截面積 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 (m/s) 普朗特?cái)?shù) 黏度校正 1 (2)管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 管程流體流通截面積 管程流體流速 普朗特?cái)?shù) (3)污垢熱阻和管壁熱阻 管外側(cè)污垢熱阻 =0.0001K/W 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 =0.0002K/W 管壁熱阻計(jì)算，不銹鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為18.49W/(mK) 所以 (4)傳熱系數(shù) = =54.246 (5)傳熱面積裕度 該換熱器的實(shí)際傳熱面積A = 該換熱器的面積裕度 ==69.64%

11、 該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù). 2壁溫核算 傳熱管平均壁溫 =270.3℃ 殼體壁溫與傳熱管壁溫之差為 =48.9℃ 3換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 （1）管程流動(dòng)阻力 由Rei＝2566768，傳熱管相對(duì)粗糙度0.2/20＝0.01，查莫狄圖得λi＝0.04 W/m?K， 流速ui＝14.68 m/s，ρi＝639.2 kg/m3，所以 =2758579.4（Pa） =206539.3（Pa） =8895355.8（Pa） （2）殼程阻力 Ns=1 Fs=1 流體流經(jīng)管束的阻力 F=0.5 =0.0527

12、 =22.5 =39 =30317(Pa) 流體流過(guò)折流板缺口的阻力 =111346(Pa) 總阻力=141663(Pa) (七)換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸 參數(shù) 管程 殼程 流率 /(kg/h) 1391100 1396004 進(jìn)/出溫度/℃ 250/270 334/305 壓力/bar 81.2 79.5 物性 定性溫度/℃ 262.5 319.5 密度/(kg/) 27.46 27.55 定壓比熱容/[kJ/(kgK)] 1.94122 2.064266 黏度/Pas 0.0000731

13、 0.0000507 熱導(dǎo)率/[W/(mK)] 0.066781 0.099494 普朗特?cái)?shù) 2.125 1.052 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù) 形式 浮頭 臺(tái)數(shù) 4 殼體內(nèi)徑/mm 4300 殼程數(shù) 1 管徑/mm 管心距/mm 11 管長(zhǎng)/mm 12000 管子排列 組合 管數(shù)目/根 11382 折流板數(shù)/個(gè) 12 傳熱面積/ 10722 折流板間距/mm 900 管程數(shù) 7 材質(zhì) 不銹鋼 主要計(jì)算結(jié)果 管程 殼程 流速/(m/S) 24.994 16.63 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/[W/(K)] 1702 1457 污

14、垢熱阻/(K/W) 0.0002 0.0001 熱流量/Kw 18753 傳熱溫差/K 54.7 傳熱系數(shù)/[W/(K)] 54.246 裕度/% 69.64% (八)設(shè)計(jì)自我評(píng)述 通過(guò)自行設(shè)計(jì)工程中使用的換熱器,初步了解了換熱器設(shè)計(jì),以及復(fù)雜的工程計(jì)算.通過(guò)工程計(jì)算選取合適的尺寸等等,遠(yuǎn)比想象中困難的多.甚至感覺(jué)到時(shí)間緊迫,與手頭資料不全.平時(shí)要養(yǎng)成積攢重要資料的習(xí)慣.設(shè)計(jì)一臺(tái)符合規(guī)格,生產(chǎn)要求的換熱器所考慮的諸多事項(xiàng) 通過(guò)大量的查找文獻(xiàn),捕捉數(shù)據(jù)過(guò)程,充分培養(yǎng)了我的自我學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考能力,進(jìn)一步加深了對(duì)化工設(shè)計(jì)和步驟的了解 由于是初次設(shè)計(jì),時(shí)間緊湊,設(shè)計(jì)

15、有諸多欠缺考慮之處,而面積裕度達(dá)到了60%+有很多不足之處.希望通過(guò)以后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐逐漸改善. (九)參考資料 化工原理 上冊(cè).大連理工出版社 化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)(第二版).化學(xué)工業(yè)出版社 化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書 換熱器.化學(xué)工業(yè)出版社 換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè).中國(guó)石化出版社 (十)主要符號(hào) 符號(hào) 意義 單位 A 傳熱面積 B 厚度 m 定壓比熱 d 直徑 m 管外徑 m K 傳熱系數(shù) l 長(zhǎng)度 m M 質(zhì)量流率 kg/s Q 熱流密度 R 熱阻 R 半徑 m T 溫度 K 傳熱溫差 K 溫差修正系數(shù) - t 時(shí)間 s 導(dǎo)熱系數(shù) 傳熱效率 -