甲苯預熱器的選型設計講解

安徽理工大學化工原理課程設計說明書設計項目：甲苯預熱器的選型設計學院名稱： 化學工程學院專業(yè)班級： 化工10-3班學 號：學生姓名：設計組序： 第八組指導教師： 張洪流二○一三年元月七日1目錄化工原理課程設計任務書 3前言 4設計內容 71.確定基本數(shù)據(jù) 72．流徑的選擇 73．熱負荷及熱空氣用量計算 74．傳熱平均溫度差計算 75．估算傳熱面積 86．初選換熱器型號 87．核算傳熱系數(shù) 8設計結果一覽表 9換熱器展示 10結束語 10參考文獻： 11安徽理工大學課程設計（論文）成績評定表 132化工原理課程設計任務書同學：威名化工廠擬采用一列管換熱器以凈化后的熱空氣加熱甲苯。已知：原料質量流量為 5500 kg/h，初始溫度為20℃，要求加熱至 50 ℃；空氣進口溫度為 155 ℃，出口溫度比進口溫度低20℃。試根據(jù)工藝要求進行標準列管式換熱器的選型設計。設計時間：（校歷20周）指導教師：張洪流二○一三年元月七日3前言本次化工原理課程設計短短幾天，是學習化工原理以來第一次獨立的工業(yè)設計?；ぴ碚n程設計是培養(yǎng)學生化工設計能力的重要教學環(huán)節(jié)，通過課程設計使我們初步掌握化工設計的基礎知識、設計原則及方法；學會各種手冊的使用方法及物理性質、化學性質的查找方法和技巧；掌握各種結果的校核，能畫出工藝流程等圖形；理解計算機輔助設計過程，利用編程使計算效率提高。在設計過程中不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產上的安全性和經濟合理性?；ぴ碇饕芯炕卧僮鬟^程中的動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞的基本理論與規(guī)律，以及實現(xiàn)這些傳遞過程的生產設備和技術。整個課程體系分為：立理論教學、實習、實驗和課程設計四個相互獨而又緊密聯(lián)系的部分，課程設計則是上述課程的總結性教學環(huán)節(jié)，是進一步鞏固、深化和具體應用課程理論知識與實驗技能的重要過程，是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識完成化工設計任務的全面訓練。屆此，威名化工廠擬采用一列管換熱器以凈化后的熱空氣加熱甲苯進行的專項設計。眾所周知，甲苯是重要的化工原料，以凈化后的熱空氣加熱甲苯一直是一個重要的課題。如何獲得較大的生產率，較大的經濟效益，較高的安全系數(shù)和設計方案的較強可操作性仍然是技術難題。本設計正是以優(yōu)化的理念進行估算設計核算力求達到較高要求而進行的方案設計。以凈化后的熱空氣加熱甲苯的原理:操作時甲苯由封頭的接管進入器內,經封頭與管板間的空間分配至各管內，流過管束后，由另一端封頭上的接管流出換熱器。而熱空氣由殼體上的接管流入，殼體內裝有若干塊折流擋板以改善殼程的傳熱，流體在殼體內沿折流擋板作折流運動，從殼體上的接管流出換熱器。兩流體在換熱器內隔著管壁進行換熱。而對于換熱器而言，換熱器是石油、化工、輕工等行業(yè)的常用設備，在工藝流程中起到為化學反應過程和物理操作過程創(chuàng)造必要條件、 提高熱量綜合利用和回收余熱的作用。在化工建設投資中，換熱器約占總投資的11％。在煉油廠的常、減壓蒸餾裝置中，換熱器約占總投資的20%。若按工藝設備重量統(tǒng)計，換熱器在石油化工裝置中約占40%左右，由此可見換熱設備在化工設備中的地位。工業(yè)換熱器的種類繁多，其中以列管式技術最為成熟，同時具有適用范圍廣、耐壓性能好、便于強化傳熱等優(yōu)點，故迄今為止仍以列管式換熱器占絕大多數(shù)。列管換熱器的工藝設計包括標準設備的選型設計和非標準設備的工藝設計兩類。由于有了系列標準，為便利和降低成本，原則上應盡可能選用標準設備。只有在實際要求與標準系列相差較大時，方需自行設計。列管式換熱器又稱管殼式換熱器，是一種通用標準換熱設備。雖然在換熱效率、緊湊性、材料消耗等方面不及新型換熱器，但由于其具有結構簡單、牢固耐用、適應性強、操作彈性大等優(yōu)點，故在石化、輕工等行業(yè)工業(yè)換熱設備中仍占主導地位。列管式換熱器根據(jù)結構特點可分為多種類別。甲苯是重要的化工原料，然而甲苯在進入反應設備中參加反應時，往往會對甲苯的溫度有一定的要求。因此，甲苯的加熱設備換熱器的設計一直是一個重要的課題。如何獲得較大的加熱效率，較大的經濟效益，較高的安全系數(shù)和換熱器的較強可操作性仍是技術難題。本設計正是以優(yōu)化換熱器的換熱效率和安全操作的理念進行的方案設計。本實驗加熱劑為熱空氣，選用熱空氣具有易于調節(jié)，冷凝潛熱大，熱利用率高等優(yōu)點。流動空間選擇是指換熱器管程和殼程各走什么介質，此問題受多方因素4制約，通常確定原則如下：（1）不潔凈或易結垢的流體宜走管程；因為管程清洗較方便。（2）有腐蝕性的流體宜走管程；以免管子和殼體同時被腐蝕，且管子便于維修和更換。（3）有毒害的流體宜走管程；以減少直接泄漏，提高生產的安全性。（4）高壓流體宜走管程；以節(jié)省材料消耗、降低人員傷亡事故發(fā)生率。（5）高溫加熱劑與低溫冷卻劑宜走管程； 以減少設備的熱量或冷量的損失。（6）有相變流體宜走殼程；如冷凝傳熱過程，管壁面冷凝液厚度即傳熱膜的厚度，讓蒸汽走殼程有利于及時排除冷凝液，從而提高冷凝傳熱膜系數(shù)。（7）被冷卻流體宜走殼程；以便散熱，增強冷卻效果。（8）高粘度或低流量流體宜走殼程；流體在有折流擋板的殼程中流動時，因流速與流向不斷改變，在Re>100的情況下即可達到湍流，有利于提高此類流體的傳熱效果。（9）若兩流體溫差較大時，對流傳熱系數(shù)較大的流體宜走殼程；因管壁溫度接近于較大的流體，讓較大的流體走殼程可以減小管子與殼體的溫差，從而減小溫差應力。上述原則往往不能同時兼顧，在選擇流動路徑時，應視具體情況抓住主要矛盾。一般優(yōu)先考慮操作壓強、防腐及清洗等方面的要求。該設計中由于甲苯具有毒性，為避免泄露引發(fā)安全事故，我們采用甲苯走管程，熱空氣走殼程本次設計中我們經過一系列科學而嚴謹?shù)挠嬎悴捎昧薝型管式換熱器。其結構特點是：管子折成U形后固定在同一管板上，管束末端也可以自由伸縮，具有自熱補償功能，管程數(shù)也為偶數(shù)。U型管式換熱器的優(yōu)點是：結構簡單、造價低，一般化工廠的附屬機修車間就能自制；只有一個管板，密封面少，耐壓性能好，運行可靠；管間清洗較方便。其缺點是：因管束存在回彎部分，易阻塞，故管程清洗較困難；可排管子數(shù)目較少，其管束最內層管間距大，殼程流體易走短路，一般用于管、殼程溫差較大且管程介質不易結垢的場合。為確保設計的合理性，在本設計過程中，設計人員采用了最新化工工程標準及數(shù)據(jù)。設計中賦予了一定的裕度，因此在一定程度上物料的進料流量及換熱器內的氣液兩相流量均具有一定的可調性，大大減少化工生產過程中事故發(fā)生的概率，減少由于事故發(fā)生所造成的損失。此外，設計在滿足工藝要求的前提下力求降低生產成本，以確保系統(tǒng)的最優(yōu)化，設計方案的可操作性強本設計是武寧、汪龍、李小丹、王?；鄯止?:武寧、汪龍負責計算參數(shù)，校核比對。包括：（一）初選換熱器：a）.基本數(shù)據(jù)的查取，b)流徑的選擇，c)熱負荷的計算，d)傳熱溫度差計算，e)選K值，估算傳熱面積，f)初選換熱器型號；（二）換熱器性能校核:g)核算壓降,h）核算傳熱系數(shù)。（三）校驗換熱器是否滿足要求，若不能做相應的管徑調整，重復（一）（二）步驟，直至滿足要求為止。王?；圬撠煵殚啍?shù)據(jù)，核實記錄。李小丹負責組織協(xié)調，歸納匯總，并整理出最后結果。在實際計算過程中，我們還發(fā)現(xiàn)由于沒有及時將所得結果總結，以致在后面的計算中不停地來回翻查數(shù)據(jù)，這會浪費了大量時間。由此，我們在每章節(jié)后及時地列出數(shù)據(jù)表，方便自己計算也方便讀者查找。在一些應用問題上，我們直接套用了書上的公式或過程，并沒有徹底了解各個公式的出處及用途，對于一些工業(yè)數(shù)據(jù)的選取，也只是根據(jù)范圍自己選擇的，并不一定符合現(xiàn)實應用。因此，一5些計算數(shù)據(jù)有時并不是十分準確的，只是擁有一個正確的范圍及趨勢，而并沒有更細地追究下去，因而可能存在一定的誤差，影響后面具體設備的選型。由于時間倉促，加之設計人員的水平有限，另在換熱器的裝配圖中少部分數(shù)據(jù)缺失及諸多不可預見性因素，難免有設計的缺陷和不足之處，衷心希望各位專家老師的批評指正，使設計更趨完美。這次專業(yè)性較強的課程設計，讓我認識到：課堂上理論知識掌握的再好，沒有落實到實處，是遠遠不夠的。換熱器的設計，從課本上簡單的理論計算，到根據(jù)需求滿足一定條件的切實地進行設計，不再僅僅包括呆板單調的計算，還要根據(jù)具體要求選擇、區(qū)分和確定所設計的換熱器的每一個細節(jié)，我覺得這是最大的一個挑戰(zhàn)。鳴謝：此次課程設計在威名化工廠與安徽理工大學的合作下開展的。我們設計小組在張洪流老師的帶領與指導下，經過多次修改和完善，最終圓滿完了本次設計任務。在此感謝我們的張洪流老師.老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；老師循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪；這次設計的每個實驗細節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開老師您的細心指導。而您開朗的個性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很順利的完成了這次課程設計。同時感謝對我們幫助過的同學們，謝謝你們對我們的幫助和支持，讓我們感受到同學的友誼。由于本小組組員的設計能力有限，在設計過程中難免出現(xiàn)錯誤，懇請老師們多多指教,我十分樂意接受你們的批評與指正，本人將萬分感謝。感謝可愛的組員們,我們一起經歷過的聚散喜悲，一起走過的每一段路，友情的無私為我們的大學時光重重地寫下了無悔。小組成員：武寧、汪龍、王?；?、李小丹6設計內容項目名稱設計計算過程1.確定基本1.確定基本數(shù)據(jù)2050數(shù)據(jù)甲苯的定性溫度35℃2查教材附錄得甲苯在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)為：＝860kg/m3， =0.63×10-3Pa?s，Cp=1.80kJ/kg?℃， =0.147W/m?℃。2．流徑的選擇．熱負荷及熱空氣用量計算4．傳熱平均溫度差計算

熱空氣出口溫度比進口溫度低 20℃，則其出口溫度為 155-20=135℃。155 135 145℃熱空氣的定性溫度 2查教材附錄得空氣在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)為：＝0.844kg/m3，＝23.9×10-6Pa?s，Cp＝1.014kJ/kg?℃，＝0.03299W/m?℃， Pr=0.683。2．流徑的選擇因為甲苯是有毒流體，減少泄露量，提高生產的安全性，甲苯走管程，熱空氣走殼程。3．熱負荷及熱空氣用量計算由于是加熱過程，故熱負荷按冷流體甲苯計算。又因為對該過程而言，熱損失越小越有利于加熱，所以在確定熱負荷及熱空氣用量時可不考慮熱損失。也即熱負荷Q/Qcqm,cCc(t2t1)55001.80(5020)82.5kW3600熱空氣用量Q/82.5qm,h4.068kg/sCh(T1T2)1.014(155135)4．傳熱平均溫度差計算先求逆流時的傳熱平均溫度差：tm't1t2(13520)(15550)109.9℃lnt1ln13520t215550傳熱溫差大于50℃，表明該換熱過程需要考慮熱補償。選用U型管式換熱器。為提高傳熱效果，擬選用單殼程、偶數(shù)管程結構。故需核算溫差校正系數(shù)：T1T2155135Rt1500.67t220t2t15020Pt11550.222T120由R和P的值，查化工原理教材傳熱章中的t算圖得：t＝0.98>0.875．估算傳熱面積6．初選換熱器型號．核算傳熱系數(shù)

也即，選用單殼程、偶數(shù)管程可行。實際傳熱平均溫度差為：tm= t tm＝0.98×109.9＝107.7℃5．估算傳熱面積參照表2-12，取K估=800W/m2?℃。則有：/82.5103S估＝Q51.07m2K估tm15107.76．初選換熱器型號根據(jù)換熱器的實際計算傳熱面積接近估算傳熱面積的原則，查JB/T4715-92固定管板式換熱器規(guī)格表。考慮到操作接近常壓，故管、殼程設計壓力均取為1.0MPa，以節(jié)省鋼材消耗，降低設備費用。換熱管選用19×2mm普通碳素鋼冷拔鋼管，以便管程的清洗。因直徑超過450mm，故需采用封頭管箱。初選換熱器型號為：BIU6001.063.93II419主要參數(shù)如下表：600mm公稱壓力(自選)1.0MPa殼體內徑計算傳熱面積63.9m2中心排管數(shù)12管子規(guī)格Φ19×2mm管長3000mm管子數(shù)184管程數(shù)4管子排列方式正三角形管程流通面積0.0163m2管間距25mm折流擋板間距(自選)200mm7．核算傳熱系數(shù)采用此換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為K需＝Q/82.510314.72S實tm52.1W/m?℃107.7（1）管程對流傳熱系數(shù)i0.023Re0.8Prn0.0230.147205785.710.87.7140.4di0.0159090.713W/m2?℃（2）殼程對流傳熱系數(shù)（凱恩法）Ao=L/(D－ncdo)=0.2×(0.6－12×0.019)＝0.0744m2故殼程流速uo4.06864.78m/s0.8440.0744deu)0.55(cp)13o0.36(wdo由于換熱管采用正三角形排列，故4(3t2do2)4(30.025240.0192)de2420.017mdo0.019deu0.01764.780.84438889.682.391058cp1.0142.391050.0007350.03299w=1.05管程甲苯被加熱，取0.0329938889.680.550.000735131.05=22.68W/m2o0.36?0.017℃（3）污垢熱阻參照表2-13，分別取管內外污垢熱阻為Rsi=1.72×10－4m2?℃/W Rso=3.0×10－4m2?℃/W4）總傳熱系數(shù)因壁面熱阻通常很小，可忽略。故總傳熱系數(shù)為1K計doRsido1Rsoididio122.35W/m2?℃0.0191.721040.0193.010419090.7130.0150.01522.68K計/K需＝22.35/14.7=1.52表明所選換熱器能滿足傳熱要求。故選用型號為BIU6001.063.934II的換熱器是合適的。19設計結果一覽表：9殼體內徑600mm公稱壓力1.0MPa計算傳熱面積63.9mm中心排管數(shù)12管子規(guī)格Φ19×2mm管長3000mm管子數(shù)184管程數(shù)4管子排列方式正三角形管程流通面積20.0163m管間距25mm折流擋板間距200mm換熱器展示：型管式換熱器正三角形排列結束語10小組成員：武寧、汪龍、李小丹、王希慧武寧、汪龍負責計算參數(shù)，校核比對。王?；圬撠煵殚啍?shù)據(jù)，核實記錄。李小丹負責組織協(xié)調，歸納匯總，并整理出最后結果。在短短的幾天里，從開始的一頭霧水，到同學討論，再進行整個流程的計算，再到對工業(yè)材料上的選取論證和后期的程序的編寫以及流程圖的繪制等過程的培養(yǎng)，我真切感受到了理論與實踐相結合中的種種困難，也體會到了利