环境化工原理课程设计任务书及指导书
环境化工原理课程设计指导书和任务书
一、确定设计方案
包括选择换热器的类型和管壳程安排 二、确定物性数据
定性温度:对于一般气体和水等低黏度流体,其定性温度可取流体进出口温度的平均值。根据设计资料,确定管、壳程流体的定性温度。根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对混合气体来说,最可靠的无形数据是实测值。若不具备此条件,则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据,然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据。 三、估算传热面积
1热流量 Q1=m1cp1Δt1 2.平均传热温差Δtm 先按照纯逆流计算。3.传热面积Ap=Q
表1 K值大致范围
,传热系数K的取值可参考表1。
KΔtm
4.热交换流体用量 m=Q1
cpiΔti
四、工艺结构尺寸
1.管径和管内流速 根据表2、3、4、5确定管径和管内流速。
表2 常用换热管的规格和尺寸偏差
表3 列管换热器中不同粘度液体的最大流速
表4 列管换热器的常用流速
表5 列管式换热器易燃易爆液体允许的安全流速
2.管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数ns=
V
,按单程管计算,所需的传热管长度为
4
di2u
L=
Ap
πdons
,传热管过长时,采用多管程结构。根据实际情况,采用非标设计,确定传热管长l,换热器的管程数为Np=L,
l
传热管总根数Nt=2ns
3.平均传热温差校正及壳程数
平均温差校正系数R=热流体的温降=T1−T2,P=冷流体的温升
冷流体的温升
t2−t1
两流体最初温差
=t2−t1 T1−t1
根据P,R值查温差校正系数图如图1所示,得各种情况的εΔt。平均传热温差Δtm=εΔtΔtm塑℃
一般要求εΔt的值不得低于0.8,若低于此值,应考虑采用多壳程结构的换热器或多台换热器串联。
4.传热管排列和分程方法 换热管直径越小,换热器单位容积的传热面积越大。因此对于洁净的流体可完管径可取得小些。但对于不洁净或易结垢的流体,管径应取的大些,以免堵塞。为了制造和维修的方便,我国目前试行的系列标准规定采用φ19×2mm和φ25×2.5mm两种规格,管长有1.5、2.0、3.0、6.0m,排列方式:正三角形、正方形直列和错列排列,如图2所示。
传热管和管板的连接方法有胀接和焊接两种。一般情况下,胀接时,管心距t=(1.3-1.5)d0,焊接时,t=1.25d0(d0为管子外径)。要注意,管心距最小不能小于(d0+6)mm,而且t/d0值应稍大些。
多管程结构中,隔板占有管板部分面积。一般情况下,隔板中心到离其最近一排管中心的距离可用式s=t/2+6(mm)表示。常用管心距如表6所示。
表
6 常用管心距
图1 对数平均温度差校正系数εΔt的值 (a)单壳程 (b)二壳程 (c)三壳程 (d)四壳程
图2 换热管排列方式
管束的分程方法常采用平行和T型方式,其前后管箱中隔板设置和介质的流通顺序按图3选取。
图3 隔板形式与流通顺序图
5.壳体内径 对于单管程换热器,壳体内径为D=t(b-1)+(2-3)d0,式中t—管心距mm;d0—传热管外径mm。对正三角形排列,
,式中η—管板利用率,η的取
值范围如下:正三角形排列,2管程,η=0.7—0.85,4管程以上η=0.6—0.8。正四边形排列,2管程,η=0.55—0.7,4管程以上η=0.45—0.65。估算出壳体内径后,需圆整到标准尺寸。卷制壳体的内径(公称直径)以400mm为基数,以100mm为进级档,必要时也可采用50mm为进级档。
6.折流板 有横向折流板和纵向折流板两类。单壳程换热器仅需设置横向折流板,多壳程换热器不但需要设置横向折流板,而且需要设置纵向折流板。卧式换热器弓形折流板的圆缺面可以水平或垂直装配,如图4所示。
图4弓形折流板(左为水平圆缺,右为垂直圆缺)
弓形折流板圆缺高度可为壳体内径的25%。取折流板间距B=0.3D。折流板数目NB=传热管长−1
折流板间距
换热管的最大无支撑跨距见表7。
表7 最大无支撑跨距/mm
换热管外径d0最大无支撑跨距 7.其他附件
根据拉杆直径选用表8和数量选用表9,选用拉杆直径和数量。
10 14 19 25 32 38 45 57 800 1100 1500 1900 2200 2500 2800 3200
表8 拉杆直径选用表 mm
换热管外径d 拉杆直径dn
10≤d≤14
14<d<25
25≤d≤57
10 12 16
表9 拉杆数量选用表
8.接管
包括管程和壳程流体进出口接管:设接管内气体流速为u,接管内径为D=
1
五、换热器核算
1热流量核算
(1)壳程表面传热系数
用克恩法计算,见式α=0.36λ1Re0.55Pr(μ0.14
00
deμw(2)管内表面传热系数 α=0.023λiRe0.8Pr0.4
i
di
(3)污垢热阻和管壁热阻,一些物质的污垢热阻范围见表10,常用金属材料的热导率见表11。
表10一些物质的污垢热阻范围
表11常用金属材料的热导率
(4) 传热系数Ke为
Ke=
(
doRdRd1
+io+wo+Ro+ didmαidiαo
Q1,该换热器的实际传热面积为A=πdlN
poT
KeΔtm
(5)传热面积裕度 计算传热面积A=
c该换热器的面积裕度为H=Ap−Ac
Ac
传热面积裕度大于15%—20%,合适,该换热器能够完成生产任务。 2壁温计算
计算中,应该按最不利的操作条件考虑。管壁温度为
Tm
tw=
c
+
tmn
c+n
3换热器内流体的流动阻力
2
(1)管程流体阻力Δpt=(Δpi+Δpr)NsNpFs, Δp=λlρu,查莫狄图可得λi。
ii
di2
(2)壳程阻力 按式Δps=(Δpo+Δpi)FsNs计算 (3)换热器主要结构尺寸和计算结果见下表:
参数 流率(kg/h) 进/出口温度/℃ 压力/MPa
定性温度/℃ 密度/(kg/m3) 物
性
定压比热容/[kj/(kg•k)] 粘度/(Pa•s) 热导率(W/m•k) 普朗特数 形式 设备结构参数
壳体内径/㎜ 管径/mm 管长/mm 管数目/根 传热面积/m2管程数 主要计算结果 流速/(m/s)
表面传热系数/[W/(m2•k)] 污垢热阻/(m2•k/W) 阻力/ MPa 热流量/KW 传热温差/K
传热系数/[W/(㎡•K)] 裕度/%
详细资料参见有关参考书。 参考文献
[1]化工单元过程及设备课程设计匡国柱,史启才主编,化学工业出版社,2002年1月第1版[2]换热器设计手册,钱颂文主编,化学工业出版社,2002年8月第1版[3]环境工程原理,胡洪营,张旭等合编,高等教育出版社,2005年8月第1版[4]化工原理,王志魁编,化学工业出版社,2005年1月第3版[5]化工原理,杨祖荣主编,高等教育出版社,2004年4月第1版[6]化工原理,姚玉英主编,天津科学技术出版社,1992年11月第1版
化工设备工艺设计任务书
某生产过程的流程如下图所示,反应器的混合气体经与进料物流换热后,用循环冷却水将其从T1℃进一步冷却至T2℃之后,进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为qm1㎏/h,压力为4.0MPa ,循环冷却水的压力为0.4MPa ,循环水的入口温度为t1℃,出口温度为t2℃ ,试设计一台列管式换热器,完成该生产任务。
管程 管程
壳程 壳程数 台数 管心距/mm 管子排列 折流板数/个 折流板间距/mm 材质
壳程
:密度
cp2
=4.174kJ/kg℃;热导率
1kg/m3;定压比热容cp1kJ/kg
λ1w/m;粘度μ1Pas; λ2
=0.624w/m℃;粘度
μ2=0.742×10−3Pas
物性特征:
度
ρ2=994.3
㎏/m3;定压比热容
数据分配表(其他数据不变)
1班
T1T2qm1t1
[***********]
t2
ρ1
cp1
λ1
2班
T1
[***********][***********][***********][***********][***********]
T2
[1**********]060 [1**********] 60 80 70 50 55 75 75 70 65 60 55 65 75 55 60 60 10090 80 70 60
qm1
15万15万15万15万15万15万15万15万15万15万13万13万13万13万13万16万17万18万19万15万26万26万26万26万26万17万18万19万10万9万
t1
[***********][***********][***********]202020
t2
ρ1
cp1
λ1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 [***********][***********]282930
1 2 3 4 5 6 7 8 9
万 300 300 300 300
190 10万 160 10万 110 60
10万 10万
0.03220.03220.03220.03220.03220.03220.03220.03220.03220.03220.02920.02920.02920.02920.02920.02920.02920.02920.02920.02920.02920.02920.02920.02920.02920.02920.02920.02920.02920.0292
0.03220.03220.03220.03220.03220.03220.03220.03220.03220.03220.02920.02920.02920.02920.02920.02920.02920.02920.02920.0292万 万 万 11万
10 11万 2011 14万 1812 14万 1813 14万 1814 14万 1815 14万 1816 10万 2017 11万 2018 12万 2019 13万 2020 14万 2021 19万 2022 20万 2023 21万 2024 22万 2025 23万 2026 万 2027 13万 2028 14万 2029 15万 2030 11万 20