華東理工化工原理課程設(shè)計(jì)

1、華東理工大學(xué) 2010 級(jí)化工原理課程設(shè)計(jì)溫樂斐 10103638 復(fù)材 101一前言1. 換熱器的相關(guān)說明換熱器( heat exchanger )，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備， 又稱熱交換器。 是進(jìn)行熱交換操作的通用工藝設(shè)備。 被廣泛應(yīng)用于化工、 石油、 動(dòng)力、食品與其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工 生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用更加 廣泛。換熱器種類很多，根據(jù)使用目的可分為冷卻器、加熱器、冷凝器和汽化器； 根據(jù)結(jié)構(gòu)材料可分為金屬材料換熱器和非金屬材料換熱器；尤其是根據(jù)冷、熱 流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：

2、間壁式、混合式和蓄熱式。 在三類換熱器中， 間壁式換熱器應(yīng)用最多。 據(jù)統(tǒng)計(jì) ,這類換熱器占總用量的 99 % 間壁式換熱器又可分為管殼式和板殼式換熱器兩類,其中管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性 ,在長期的操作過程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),其設(shè)計(jì)資料比較齊全 ,在許多國家都有了系列化標(biāo)準(zhǔn)。近年來盡管管殼式換熱器也受到了新型換熱器的挑戰(zhàn),但由于管殼式熱交換器具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固、操作彈性大、應(yīng)用材料廣等優(yōu)點(diǎn),管殼式換熱器目前仍是化工、石油和石化行業(yè)中使用的主要類型換熱器,尤其在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中仍占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。如何確定最佳的換熱器 ,是換熱器優(yōu)化的問題。 2泵的評(píng)價(jià)與選用泵的性能參數(shù)主要

3、有流量和揚(yáng)程，此外還有軸功率、轉(zhuǎn)速和必需汽蝕余量流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過泵出口輸出的液體量，一般采用體積流量；揚(yáng)程是單 位重量輸送液體從泵入口至出口的能量增量，對(duì)于容積式泵，能量增量主要體現(xiàn)在壓力能增加上，所以通常以壓力增量代替揚(yáng)程來表示。3.設(shè)計(jì)任務(wù)書的作用本設(shè)計(jì)書對(duì)指定有機(jī)物進(jìn)行冷卻，如何選擇合適的換熱器，如何合理安排操 作管路以與如何選擇合適的離心泵作出詳細(xì)的計(jì)算說明。一.工藝要求要求將溫度為78 C的某液態(tài)有機(jī)物冷卻至60 C,此有機(jī)物的流量為9.85kg/s。現(xiàn)擬用溫度為t1=20 C的冷水進(jìn)行冷卻。要求換熱器管殼兩側(cè)的壓降皆不應(yīng)超過O.IMpa。已知有機(jī)物在69 C時(shí)的物性數(shù)據(jù)如下：

4、二. 流程：管路布置如圖（右方參考圖），已知泵 進(jìn)口段管長L進(jìn)=5米，泵出口段管長 L出 =15米，（均不考慮局部阻力損失）三. 要求1. 選用一個(gè)合適的換熱器2. 合理安排管路3. 選用一臺(tái)合適的離心泵二計(jì)算結(jié)果明細(xì)表(1)管殼式換熱器的規(guī)格公稱公稱壓管程數(shù)管子根中心排管程流換熱管管心距換熱直徑力N數(shù)管數(shù)通面積長度/mm面積DN/mPN/NNt/m2L/mm/m2mMPa19 2 mm325288100.007830002515.2(2)離心泵的型號(hào)規(guī)格型號(hào)轉(zhuǎn)速n/(r/mi n)流量揚(yáng)程/m效率/%功率必需氣蝕量(NPSH)r/m質(zhì)量(泵/底座)/kgm 3/hL/s軸功率電 機(jī) 功 率I

5、S65-50-1252900154.1721.8581.5432.050/41256.9420691.972.5308.3318.5682.23.02(3)計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果記錄項(xiàng)目結(jié)果單位冷卻劑出口溫度36C循環(huán)水定性溫度28C熱負(fù)荷393.606kW冷卻水質(zhì)量流量5.894kg/s并流對(duì)數(shù)平均溫差38.53C逆流對(duì)數(shù)平均溫差40.99C估算換熱面積14.772 m管程流動(dòng)面積0.00782 m管內(nèi)冷卻水流速0.759m/ s管程給熱系數(shù)3891.74W/m2 C摩擦系數(shù)0.0358管程壓降8741.72Pa殼程流動(dòng)面積0.02642 m殼程有機(jī)物流速0.659m/ s當(dāng)量直徑0.0144m殼程給

6、熱系數(shù)1568.06W/m2 C殼程壓降4903.46Pa核算傳熱系數(shù)757.18W/m2 C校核傳熱面積12.682 m冷卻水流量29.736m3/h總局部阻力系數(shù)18.65阻力損失4.57m壓頭(揚(yáng)程)16.236m四.計(jì)算過程一.選擇合適的換熱器1.確定物性數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)方案：冷卻水：用溫度t1=20 °C的河水進(jìn)行冷卻，從 tm>10 °C與防止 水中鹽類析出為原則，選擇出口溫度為 36 C?？紤]到冬季使用時(shí)，其進(jìn)口溫度 較低，換熱器管壁溫與殼體壁溫之差較大；夏季時(shí)河水的溫度變化也不是很大，因此選用管殼式換熱器。從二種流體的物性來看，由于冷卻水較易結(jié)垢，若其 流速太

7、低，將會(huì)加快污垢增長速度， 使換熱器的熱流量下降，所以從綜合考慮， 應(yīng)使冷卻水走管程，有機(jī)液態(tài)化合物走殼程，并且保證冷卻水的流速不宜過慢。入口溫度為t1=20 C，出口溫度為t2=36 C冷卻水的定性溫度為 tm= (20+36 ) /2=28 C兩流體的溫差Tm-tm=69-28=41 C兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下物性溫度密度粘度比熱容導(dǎo)熱系數(shù)流體Ckg/m3mPa kJ/(kg CW/(m C有機(jī)物699970.62.220.16循環(huán)水28995.70.80124.1740.61712.計(jì)算熱負(fù)荷Q和qm29.85 2.22 (78 60)393.606kW由熱量衡算3.計(jì)算溫差tm

8、和估計(jì)傳熱系數(shù)K估并流時(shí)，A t1=T1-t1=78-20=58tmt1t2 58 24158In 1Int224逆流時(shí)，A t1=T1-t2=78-36=42t m逆t1t2 42 40.t1. 42t240C,At2=T2-t2=60-36=24C38.53 CC,At2=T2-t1=60-20=40C40.99 CQ393.606qm25.894kg/s冷卻水所需的流量：Cp2(t2 tj4.174 (36 20)換熱器的總的換熱量:QqmlCp1(Tl T2)由于在相同的流體進(jìn)出口溫度下，逆流流型具有較大的傳熱溫差，所以選擇逆 流。由于水與中有機(jī)物的傳熱系數(shù) K在290698之間，故取

9、總傳熱系數(shù)K現(xiàn)暫取:K 650W/m2 C4. 估算換熱面積QK tm逆393.606 103 一 “ 2 14.77m650 40.99 15. 根據(jù)條件選取合適的換熱器根據(jù)A估可以選擇下述標(biāo)準(zhǔn)換熱器(查附錄得)：公稱直公稱壓管程數(shù)管子根中心管程流換熱管管心換熱徑力N數(shù)排通面積長度距面積DN/mPN/N管數(shù)/m2L/mm/mm/m2mMPaNt19 2mm325288100.007830002515.2I 傳熱管排列與分程方法:采用組合排列法，即每程內(nèi)均按照正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列取管心距 l=1.25d0 則 l=1.25*19=23.75mm 取 l=24mm隔板中心到離其最

10、近一排管中心距離為：S=l /2+6=24/2+6=18mm則各程相鄰管的管心距為36mm管束的分程方法，每程各有傳熱管44根，其前后管箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按書上圖所示n.殼體內(nèi)徑：采用多殼程結(jié)構(gòu)，其殼程內(nèi)徑：取管板利用率n =0.7則D=282.55mm按卷制殼體的進(jìn)級(jí)擋可取 D=300mmm.折流板間距:擋板的間距對(duì)殼程的流動(dòng)有重要的影響，間距太大，不能保證流體垂直流過管束，使管外給熱系數(shù)下降；間距太小，不便于制造和檢修，阻力損失亦大。般取擋板間距為殼體內(nèi)徑的 0.21.0倍。故取B=240mm故折流板數(shù):2傳熱管長折流板間距2根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)換熱器提供的參數(shù)管程流動(dòng)面積:Al 0.007

11、8m管內(nèi)冷卻水流速Uiqm25.894995.7 0.00780.759/sReidm 220.015 0.759 995.714148.830.8012 10管程給熱系數(shù)i:0.40023產(chǎn)計(jì)40023 嚴(yán)。.8Cpi i0.023 0.6171 14148.830.80.0154.174 1030.8012 100.61710.43891.74W/ m2 C取鋼的管壁粗糙度£為0.1mm，則0.1 - d0.230.2368Rei0.10.1 681514148.830.0358管程壓降：丄l3 ftNp-2 ui3.02 l c 995.7 0.7592pt0.035831.5

12、 2 -d20.01528741.72 Pa 0.1 MPaA2BD 1d°l0.24 0.3100.02420.015 mu。qm19.850.0159970.659 m sdeid0J30.02420.7850.019220.0144 mdo3.140.019Re。deu。有0.01440.65999730.6 1015768 .55PrCp 2.223310 0.6 108.325殼程中有機(jī)物被冷卻,0.160.140.36 Re 00.55 Pr "3 de0.360.1615768 .550.55 8.325130.950.01441568 .06W / m2 C

13、其大于估算的K值,故可行。管束中心線管數(shù)Ng 10殼程流動(dòng)面積:A2NTCd00.240.3 10 0.0190.0264 m2U0qm1有A29.850.374 m s997 0.0264Re°d0U0°.°19 °.374 99711807.800.6 10 3因 Re 500,5 Re 0.22851 1807 .80 0.2280.590管子排列為三角形,F=0.5， fs=1.15殼程壓降:2B2u0psFfoNgNb 1Nb3.5fs0D220.240.37420.5 0.59010 121123.51.15 9970.324903.46 P

14、a0.1MPa8.計(jì)算傳熱系數(shù)K計(jì)污垢熱阻和管壁熱阻：2 O管外側(cè)污垢熱阻R外0.000176m c/w2 OR內(nèi) 0.00021m C/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻31取鋼管壁厚2 10 m，熱導(dǎo)率 50W m Ki0113891.7411568.060.000176 0.000212 1050757.18W/(m2 °C)9.校核傳熱面積QA十K 計(jì)tm逆393606 103212.68m2757.18 40.99 1所選換熱器：A15.2m2所以選擇的換熱器符合要求。二.安排管路和選擇合適的離心泵1 .管徑初選qm2 5.894 kg sqm2 5.89433qv咚3600 0.00592

15、m3/s 21.31m3 hr1995.7初取水合適流速U 1.5mS5.984qm20.004m21u 995.7 1.54 0.00471.36mm3.144d- dl4A由于71.36mm不是標(biāo)準(zhǔn)管徑，因此確定d=73mm 壁厚3mm的熱軋無縫鋼管5.894qm21A 995.7 0.067241.68m/s符合經(jīng)濟(jì)流速范圍故確定：u 1.68m/ s d=73mm壁厚3mm2. 壓頭He在水槽液面與壓力表處列柏努利方程Pag0.15 mm/d0.00224Red| u0.067 995.71.68/0.8012 10 3139885.16查圖得0.023局部阻力:底閥一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)90。彎頭

16、3個(gè)球心閥1個(gè)（全幵）8.50.75 36.4故0.75 36.40.58.5 1.018.65換熱器壓降Pt8741.72PaHfl2 ut0.02315 518.650.0671.6828741.72d2gg2 9.81995.7 9.81HP2Pagzu22gHf200008 -1.682-4.5714.76m4.57m84.5714.76m995.7 9.812 9.81qv uAl 1.68 0.06720.0059m3/s 21.24m3/h4另外：突然減小=0.5，突然增大=1.0對(duì)泵的壓頭安全系數(shù)取 1.1，亡' -27=1.114.76=16.236m對(duì)流量的安全系數(shù)

17、取 1.4, qve=1.421.24=29.736 m3/h3. 泵的選擇因?yàn)槭禽斔秃铀?，并且根?jù)qv和He以與is型離心泵系列特性曲線可以選用清水 泵，由以上數(shù)據(jù)查表得取泵：IS65-50-125其參數(shù)為：轉(zhuǎn)速：2900 r / min 流量30 m3 / h揚(yáng)程：H=18.5m 效率：68%軸功率：2.22kW必需汽蝕余量:3m五. 附錄(1)相關(guān)流體的物理性質(zhì)物性溫度密度粘度比熱容導(dǎo)熱系數(shù)流體kg/m 3mPa skJ/(kg 7W/(m 7有機(jī)物699970.62.220.16循環(huán)水28995.70.80124.1740.6171(2)計(jì)算使用的物理數(shù)據(jù)管外側(cè)污垢熱阻：R外 0.00

18、0176m2 °C/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：2 OR內(nèi) 0.00021m C/W鋼管熱導(dǎo)率：50W m 1 K 1六. 符號(hào)說明主要符號(hào)說明符號(hào)意義計(jì)量單位A面積m 2Cp定壓比熱容kJ/(kg K)d管徑mg重力加速度m/s 2H f單位重量流體的機(jī)械能損失ml管路長度mm質(zhì)量kg虛擬壓強(qiáng)PaP流體壓強(qiáng)PaPa大氣壓PaB擋板間距mT周期時(shí)間st時(shí)間st溫度Cu流速m/sqv體積流量m3/sq m質(zhì)量流量Kg/s絕對(duì)粗糙度mm局部阻力系數(shù)摩擦系數(shù)動(dòng)力黏度Pa s密度Kg/m 3He有效壓頭mD換熱器殼徑mf校正系數(shù)fo殼程流體摩擦系數(shù)K傳熱系數(shù)2W/(m K)Nt管子總數(shù)Q熱流量W 或 J/S給熱系數(shù)W/(m2 K)熱導(dǎo)率W/(m K)數(shù)群G