化工原理課程設(shè)計--用水冷卻氯苯換熱器設(shè)計

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

2、 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　設(shè) 計 地 點(diǎn) </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 </p>

3、<p>　　設(shè)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(shè)計任務(wù)書。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3-</p><p>　　1.2．換熱器的結(jié)構(gòu)形式。。。。。。。。。。。。。。。。

4、。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3-</p><p>　　1.3管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4-</p><p>　　1.4列管式換熱器的結(jié)構(gòu)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。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(shè)計方案。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。7-</p><p>　　2.1設(shè)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(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。12-</p><p>　　2.5 換熱器結(jié)構(gòu)圖。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。14-</p><p>　　2.6管板分布圖。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

8、。。15-</p><p>　　2.7結(jié)束語。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。16-</p><p>　　2.8參考文獻(xiàn)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。17-</p><p>　　1.1課程設(shè)計任務(wù)書<

9、;/p><p>　　設(shè)計題目：水冷卻氯苯換熱器的設(shè)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(zhì)：循環(huán)水，入口溫度20℃。</p><p>　　允許壓強(qiáng)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(yùn)行。</p><p>　　設(shè)備型式：管殼式換熱器</p><p>　　處理能力：學(xué)號＋40萬噸/年</p><p><b>　　設(shè)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(shè)計</p><p>　　設(shè)計結(jié)果概要或設(shè)計結(jié)果一覽表 。</p><p>　　設(shè)備簡圖（要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）。</p><p>　　對本設(shè)計的評述及有關(guān)問題的討論。</p><p>　　1.2換熱器的結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，造價低廉，用材廣泛，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng)力，這種補(bǔ)償方法適用于兩流體溫差小于70℃且殼方流體壓強(qiáng)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(guān)。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(yīng)用極為普遍，但結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)最簡單，操作最方便的一種換熱設(shè)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(nèi)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要增減，適當(dāng)?shù)剡x擇管內(nèi)、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(diǎn)</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(dá)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(shè)備本身不存在旁路,所有通過設(shè)備的流體都能在板片波紋的作用下形成湍流,進(jìn)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(shè)備本身體積外, 不需要預(yù)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(shè)計避免了死區(qū)的存在, 使得雜質(zhì)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(dāng)檢修、清洗時, 僅需松開夾緊螺柱即可卸下板片進(jìn)行沖刷清洗。(5) 產(chǎn)品適用面廣  

20、0;  設(shè)備最高耐溫可達(dá)180 ℃, 耐壓2. 0MPa , 特別適應(yīng)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(jié)構(gòu)</p><p>　　介質(zhì)流經(jīng)傳熱管內(nèi)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>　?。―）三角形錯列  （E）同心圓排列 </p><p>　　正三角形排列結(jié)

23、構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)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(kuò)脹，產(chǎn)生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達(dá)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(shè)計壓力不超過4 MPa，設(shè)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>　　①封頭 當(dāng)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(nèi)流體進(jìn)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(jié)構(gòu)。由于清洗、檢修管子時需拆下管箱，因此管箱結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝拆。</p><p>　?、鄯殖谈舭?當(dāng)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(nèi)應(yīng)設(shè)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(zhì)流速，增強(qiáng)傳熱。管程多者可達(dá)16程，常用的有2、4、6程。在布置時應(yīng)盡量使管程流體與殼程流體成逆流布置，以增強(qiáng)傳熱，同時應(yīng)嚴(yán)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(jié)式和搭扣式。各種形式進(jìn)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(jié)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(shè)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(dá)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(yīng)用于較為廣泛的領(lǐng)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(zhì)通過換熱板片上的通孔在板片表面進(jìn)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(zhì)分別在換熱板片的兩側(cè)流動,湍流形成的大量換熱面與板片接觸, 通過板片來進(jìn)行充分的熱傳遞,達(dá)到最終的換熱效果。冷熱介質(zhì)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(shè)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(jìn)口溫度120℃ 出口溫度25℃；冷流體進(jìn)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(zhì)溫度相差較大時，應(yīng)該設(shè)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(xué)性質(zhì)，不易產(chǎn)生污垢，水質(zhì)時間長會產(chǎn)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(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(guān)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(jīng)驗(yàn)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(jié)構(gòu)尺寸</p><p>　?。?）管徑和管內(nèi)流速選用Φ25×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u1=0.95m/s。</p><p&g

37、t;　?。?）管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)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(shè)計，根據(jù)本設(shè)計實(shí)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(zhì)，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(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.85 ，則殼體內(nèi)徑為：</p><p><b>　　可取D=700mm</b></p><p><b>　?。?）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>　?。?）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(dāng)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>　　（3）污垢熱阻和管壁熱阻</p><p><b>　　管外側(cè)污垢熱阻 </b></p><p><b>　　管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 </b></p><p>　　管壁熱阻按碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)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(shí)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(shè)管壁粗糙度由天津大學(xué)出版化工原理上冊第一章 中關(guān)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>　?。?）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(shè)要求。</p><p>　　2.4換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果：</p><p><b>　　換熱器結(jié)構(gòu)圖</b></p><p><b>　　管板分布圖</b></p><p><b>　　結(jié)束語</b></p>

50、<p>　　化工原理課程設(shè)計是培養(yǎng)個人綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識去解決某一設(shè)計任務(wù)的一次訓(xùn)練，也起著培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的重要作用。</p><p>　　在換熱器的設(shè)計過程中,我感覺我的理論運(yùn)用于實(shí)際的能力得到了提升，主要有以下幾點(diǎn)： </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(xiàn)中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集)的能力；</p>

51、;<p>　　(2)樹立了既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計思想，在這種設(shè)計思想的指導(dǎo)下去分析和解決實(shí)際問題的能力；</p><p>　　(3)培養(yǎng)了迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計算的能力；</p><p>　　(4)學(xué)會了用簡潔的文字，清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計思想的能力。</p><p>　　從設(shè)計

52、結(jié)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?yàn)槊河偷某隹跍囟仍龈?，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(yīng)增大.通過這個設(shè)計，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經(jīng)濟(jì)投入，設(shè)計參數(shù)的選擇十分重要.</p><p><b>　　主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　《化

53、工原理》天津大學(xué)化工原理教研室編 天津：天津大學(xué)出版社. （1999）</p><p>　　《換熱器》秦叔經(jīng)、葉文邦等 ，化學(xué)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(xué)工業(yè)出版社（2006）</p><p>　　《化工過程及設(shè)備設(shè)計》華南工學(xué)院化工原理教研室（1987）</p><p&g