甲苯加熱器的設計(浮頭列管式)

1、甲苯加熱器的設計 蹇木強摘 要換熱器是目前許多工業(yè)部門廣泛應用的通用工藝設備,其結構簡單,制造方便,在相同的管數情況下其殼體內徑最小,管程分程方便。此次設計是根據甲苯加熱過程相關技術要求為依據，以安全生產和經濟效益為考量標準。根據要求，選定浮頭式列管換熱器，經過計算選用的換熱器的公稱直徑為700 mm，管數為292根，管程為4，公稱面積為135 m2。初選總傳熱系數，經過計算得到實際總傳熱系數。經過面積核算、壁溫檢驗、壓降驗算等方法，可以發(fā)現，所選用的換熱器符合生產要求，能夠完成任務。關鍵詞：浮頭式換熱器：工藝計算；對流傳熱系數；壁溫校核；壓強降目 錄1 問題重述41.1設計題目41.2 基礎

2、數據41.2.1處理能力41.2.2 設備型式41.2.3 操作條件41.3設計范圍52 問題背景53 初選換熱器的類型53.1確定流體通入的空間53.2換熱器類型的選擇64 換熱器的工藝計算74.1 基本物性數據74.2 熱負荷的計算74.3 平均溫度差84.4 估算傳熱面積84.5 試選換熱器型號84.6 換熱器其他附件計算94.6.1 折流擋板的計算94.6.2 管束中心線的管數計算95 換熱器核算105.1 管程對流傳熱系數105.2 殼程對流傳熱系數（一）105.3 總對流傳熱系數（一）115.4 壁溫校核（一）135.5 殼程對流傳熱系數（二）135.6 總程對流傳熱系數（二）14

3、5.7 壁溫校核（二）145.8 核算管壓降155.8.1管程壓強降155.8.2直管壓強降155.8.3 回彎管的壓強降155.8.4 殼程壓強降166 換熱器的主要結構尺寸和工藝設計167 設計結果評價178 結束語189 參考文獻2010 附表2010.1 水的物性數據2010.2 水蒸汽的物性數據2110.3 絕對粗糙度數據2110.4 列管換熱器內常用的流速范圍22甲苯加熱器的設計1 問題重述1.1設計題目甲苯加熱器的設計1.2 基礎數據1.2.1處理能力流量為的甲苯。1.2.2 設備型式臥式列管換熱器1.2.3 操作條件 1.2.3.1 甲苯 入口溫度為20 ，出口溫度為100 。

4、 1.2.3.2 加熱介質 200 Kpa絕壓的飽和水蒸氣，冷凝液在飽和溫度下排出。 1.2.3.3 允許壓強降 要求換熱器的管程壓強降小于70 kpa。 1.2.3.4 物性數據 甲苯在定性溫度下的物性數據如下：表1 甲苯定性溫度下的物性數據物理量密度（）黏度（ ·）比熱容（）導熱系數（）數據8301.820.1271.3設計范圍1） 選擇適宜的列管式換熱器并進行核算；2） 確定列管式換熱器結構及工藝尺寸。2 問題背景列管式換熱器是化工生產中常用的一種換熱設備，結構簡單，適應性強；單位體積所具有的傳熱面積大并傳熱效果好；而且種類多，型號全1。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋

5、板等組成。所需材質 ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進行換熱時，一種流體由封頭的連結管處進入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程列管式換熱器。列管式換熱器是在工業(yè)生產中應用非常廣泛, 尤其是在高溫、高壓和大型換熱設備中的應用。因此掌握它的設計計算, 對于強化傳熱過程，了解工業(yè)換熱設備，有著很重要的意義。 本設計為甲苯加熱的換熱器，通過相關數據的核算，選擇合適的換熱器裝置，并確定此換熱器的結構和工藝尺寸。3 初選換熱器的類型3.1確定流體通入的空間 在列管式換熱器中，哪一種流體流經管程，哪一種流經殼程，取決

6、于多種因素，主要從以下三個方面考慮。1 傳熱效果1） 黏度大的流體貨流量小的流體，宜在管間流過。2） 待冷卻的流體走殼程好，便于散熱。3） 兩流體溫差較大時。宜將對流傳熱系數大的流體走殼程，以減小管壁與殼體的溫差，減小熱應力。 2 設備結構1）高壓的流體、腐蝕性的流體宜在管內流過。這樣，管子采用耐高壓或耐腐蝕的材料，殼體采用一般材料。2）有毒的氣體宜走管內，防止泄露直接進入大氣。3 清洗方便1） 不潔凈或易結垢的流體宜在管內流過，以便于清洗管子。2） 飽和蒸汽一般通入殼程，以便于及時排出冷凝液，且蒸汽較潔凈，殼程不必清洗。 根據以上選擇原則，結合具體情況，為使水蒸汽的冷凝液及時排出，且減少殼程

7、不必要的清洗次數，因此，選擇水蒸汽走殼程，甲苯走管程。3.2換熱器類型的選擇兩流體的溫度變化情況如下：（1） 甲苯：入口溫度=20 ，出口溫度=100 。（2） 飽和水蒸汽：入口溫度=出口溫度=120.2 。 因此，甲苯的平均溫度為飽和水蒸汽的平均溫度為兩流體的溫度差為 因此，此次設計采用浮頭式列管換熱器，基本結構如如下圖所示。圖1 浮頭式換熱器其主要優(yōu)點是管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當兩種換熱器介質的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產生溫差應力。4 換熱器的工藝計算4.1 基本物性數據定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平

8、均值。管程流體（甲苯）的定性溫度為：殼程流體（水蒸汽）的定性溫度為：在定性溫度下，管程流體甲苯的有關物性數據見表1，殼程流體水蒸汽如下：表2 飽和水蒸汽的部分物性數據（絕壓200kPa）物理量溫 度（）蒸汽密度（）比汽化焓（）數 據 120.21.1274.2熱負荷的計算熱負荷的計算（不計熱損失）式中： 熱負荷； 甲苯的質量流量； 甲苯的比熱容； ， 甲苯的入口與出口溫度。4.3 平均溫度差因為殼程中水蒸汽的溫度不變，采用并流和逆流的平均溫度差是相同的。采用逆流方式，甲苯 水蒸汽 因此，平均溫度差為4.4 估算傳熱面積結合表2-5與表4-72，輕質有機物的總傳熱系數K值的范圍為580-1190

9、，選總傳熱系數。4.5 試選換熱器型號選傳熱管，內徑為，外徑為。材料為碳鋼。選取公稱直徑，公稱面積為，管長為，管數為292根，管程為4的FB系列的浮頭式換熱器。因此，每管程的管數根，管的中心距為，正方形錯列，如下圖所示。圖2 正方形錯列的管子排列方式示意圖此時，實際面積為因此，4.6 換熱器其他附件計算4.6.1 折流擋板的計算折流擋板的主要作用是引導殼程流體反復的改變方向，以加大殼程流體流速和湍動速度，致使殼程對流傳熱系數提高。折流板間距折流板數 塊采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25，則切去的圓缺高度為4.6.2 管束中心線的管數計算橫過管束中心線的管數為： 根5 換熱器核

10、算5.1 管程對流傳熱系數管內甲苯的流速雷諾數為普朗特數為由上面數據可知， ， ，。所以，符合下式：甲苯是被加熱的，因此，取。則另外，可以求得管程流體流通截面積S為5.2 殼程對流傳熱系數（一）首先需要假設壁溫，根據相關知識，壁溫應接近對流傳熱系數大的流體溫度，故可假設壁溫為。此時，式中，為飽和蒸汽的溫度。定性溫度為在定性溫度下，根據相關數據2，利用插值法得到蒸汽和冷凝液的部分物性數據如下：表3 蒸汽和冷凝液的部分物性數據（）物理量比汽化熱(蒸汽)r()水的密度（）水的熱導率（）水的黏度（）數據9510.685假設蒸汽在水平管外冷凝，采用下面的公式。式中，為橫過管束中心線的管數，在4.6中已求

11、出。特征尺寸取外徑。代入相關數據，解得：5.3 總對流傳熱系數（一）下表為部分流體的污垢熱阻的經驗值，結合表2-6和表4-62，選取甲苯的污垢熱阻為，水蒸汽的污垢熱阻為。碳鋼的熱導率選為。表4 部分流體污垢熱阻經驗值（單位：）總傳熱系數的求取采用下面的公式。其中，為管壁外徑與內徑的平均直徑，以對數平均值表示。因此，下面進行換熱器的安全系數計算。安全系數P不符合1025%的安全范圍。5.4 壁溫校核（一）下面對假設的壁溫進行驗算，看是否符合計算結果。使用下面的公式。代入相關數據，可以求出的值。利用，可以求出，利用，可以求出，與假設壁溫相差較大，假設不成立。采用公式，也存在較大誤差，所以重新假設壁

12、溫計算總傳熱系數。5.5殼程對流傳熱系數（二）重新假設壁溫，此次使壁溫更加接近與水蒸汽的溫度。因此，設壁溫為。從而可以得出，溫差為定性溫度為此溫度下，冷凝液的物性數據如下： 表5 水的部分物性數據（）物理量密度（）熱導率（）黏度（）數據944.70.6858表中數據是根據110 和120 相關數據利用插值法得到，同樣的方法可以得到此溫度下飽和蒸汽的比汽化焓。根據以上數據和蒸汽在水平管外冷凝的對流傳熱系數公式，可以求得5.6 總程對流傳熱系數（二）5.3中選取的相關污垢熱阻，在這里同樣可以使用，即選取甲苯的污垢熱阻為，水蒸汽的污垢熱阻為。碳鋼的熱導率選為。下面進行換熱器的安全系數計算。安全系數P

13、符合1025%的安全范圍。5.7 壁溫校核（二）（1）根據以下公式進行檢驗壁溫。因此，傳熱面積為因此，可以求得所以與假設的壁溫基本相同，假設正確。（2）利用另一種檢驗方法，公式與5.4中相同，即 代入相關數據，解得與假設的壁溫相差不大，可以認為在誤差允許的范圍之內，符合條件。5.8 核算管壓降5.8.1管程壓強降對于多程列管換熱器，管程壓強降的計算式為：式中， ， 分別為直管和回彎管中摩擦阻力引起的壓強降，； 結垢校正因子，無因次。對于的管子取值為1.4，對于的管子取值為1.5； 管程數； 串聯(lián)的殼程數。5.8.2直管壓強降由前面可知，因此流體的流態(tài)為湍流。選取碳鋼的絕對粗糙度為3，則其相對粗

14、糙度可以求得，。結合圖1-28，可以得出摩擦系數為。因此，直管壓強降為5.8.3 回彎管的壓強降回彎管的壓強降采用如下的經驗公式。代入相關數據，解得因此，管程壓強降為5.8.4 殼程壓強降殼程中是水蒸汽，壓強降可按流體沿直管流動的的壓強降計算，但是要用當量直徑代替內徑。計算方法可以采用克恩法等。根據相關知識可知，水蒸汽的壓強降是比較小的，可以忽略不計。所以，流體流經換熱器因流動阻力所引起的壓強降為符合壓強降條件，換熱器選擇能夠滿足需求。6 換熱器的主要結構尺寸和工藝設計根據設計要求，通過利用換熱器設計相關知識對數據進行了運算和檢驗，從而得到了滿足要求的浮頭式列管換熱器，換熱器的結構尺寸、工藝設

15、計以及計算結果如下表所示。表6.1換熱器的主要結構尺寸和工藝設計換熱器型式：浮頭式列管換熱器換熱器面積（）：135（公稱面積），97.2（估算面積）工 藝 參 數項 目管程殼程物料名稱甲苯水蒸汽操作壓力無200 kPa(絕壓)操作溫度（入口/出口）20/100120.2/120.2流量5940流體密度8301.127流速1.3未計算傳熱量總傳熱系數860對流傳熱系數17939715污垢系數壓強降忽略不計程 數41使用材料碳 鋼管子規(guī)格管數292管心距32排列方式正方形錯列殼體內徑700折流擋板型式弓形折流板數29擋板間距210表6.2換熱器的主要結構尺寸和工藝設計項 目數 據項 目數據殼徑D7

16、00管尺寸管程數4殼程數1管 數n292管排列方式正方形錯列中心排管數21管心距32mm管程流通面積0.023傳熱面積（）137.57 設計結果評價（1）通過分析計算，選取浮頭式列管換熱器進行數據處理，通過分析得到，而，因此安全系數為，符合安全系數范圍，符合要求。流體流經換熱器的壓強降為，小于要求值。另外，本設計通過對面積校核、壁溫校核等計算可知均滿足要求，完全滿足生產任務，設計的換熱器較為合理。（2）通過分析浮頭式換熱器管程和殼程傳熱與阻力性能特點,采用能量系數來評價強化傳熱,以利于提高其換熱性能。本設計中： ，滿足要求，性能良好。（3）效益評價：生命周期方法是一種針對產品或生產工藝對環(huán)境影

17、響進行評價的過程4,它通過對能量和物質消耗以及由此造成的廢棄物排放進行辨識和量化,來評估能量和物質利用對環(huán)境的影響,以尋求對產品或工藝改善的途徑。這種評價貫穿于產品生產、工藝活動的整個生命周期,包括原材料的開采和加工、產品制造、運輸、銷售、產品使用與再利用、維護、再循環(huán)及最終處置。本設計中使用水作加熱介質，無污染，耗資少，無有害氣體產生，整個過程簡單，易操作，環(huán)境和經濟效益良好，并且甲苯流速不是很高，有效地保證了操作的安全性。（4）本設計中面積、總傳熱系數、壓強降等均有比較好的裕度保證，即使生產使用中出現比較大的誤差，設備結構也能保證不出現大的安全損傷的事故，具有良好可靠的安全保證。8 結束語

18、化工原理課程設計是培養(yǎng)個人綜合運用化工課程相關知識及有關選修課程的基本知識去解決設計任務的一次訓練，既深化了學生的理論知識，又鍛煉了學生利用所學知識解決實際生產任務，而且也在一定程度上培養(yǎng)了學生獨立思考、獨立工作能力。在換熱器的設計過程中,我完全獨立地完成了此次設計任務，所學的理論知識在運用于實際的過程中得到了加深和強化，自己的獨立思考和理論聯(lián)系實際的能力得到了提升，主要有以下幾點： (1)掌握了查閱資料，選用公式和搜集數據的能力，并且鍛煉了自己在較短時間內學習和領悟新知識的能力，培養(yǎng)了迅速準確地進行工程計算的能力；(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

19、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；(3)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，鍛煉了自己在論文寫作方面的能力。9 參考文獻1 呂利霞. 列管式換熱器的設計J. 內蒙古石油化工, 2001(27): 136-137.2 王志魁. 化工原理M. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2009, 165.3 陳鳳, 余漢成, 孫在蓉. 管道內壁粗糙度的確定J. 天然氣與石油, 2007, 25(6): 9-11.4 朱曉峰, 生命周期方法論J. 科學學研究, 2004, 22(6): 566-571.10 附表10.1 水的物性數據表7 水的部分物性數據溫度t 密度kg/m³比熱容cpkJ/(kgK)熱導率W/(mK)動力黏度Pas普朗特數Pr108933.74.1560.6730.0002542911.57109942.44.1950.6790.0002566451.59110951.04.2330.6850.0002591.60111950.24.2350.6850.000256841.59112949.44.2360.6850.000254681.57113948.64.2380.6850.000252521.56114947.84.2400.6850.0