课程设计--换热器设计
化工原理课程设计2-1说明书
题 目:芳烃冷却器设计
学生姓名:*** 学 号:******** 专业班级:******* 指导教师:***
2015年7月8日
化工原理课程设计(2-1)任务书
专业班级 **** 学号:******** 学生: *** 一、题目
芳烃冷却器的设计 二、设计任务及操作条件
三、选择合适的列管式换热器并进行核算
1 选择合适的换热器; 2 计算热负荷;
3 计算温差和估计传热系数; 4 估算换热面积;
5 计算管程压降和给热系数; 6 计算壳程压降和给热系数; 7 计算传热系数; 8 校核传热面积。
四、 设计要求
1. 手工计算完成换热器设计与校核; 2. 用EDR软件完成换热器的设计、校核;
3. 提交电子版及纸板:设计说明书、计算源程序。 发出日期2015 年7月6 日 交入日期2015 年7 月11 日
指导教师 ***
目录
1. 前言 ........................................................................................................................1 2. 确定设计方案..........................................................................................................2 2.1 选定换热器类型..................................................................................................2 2.2 确定冷热流体参数 ..........................................................................................2 2.3 确定总传热系..................................................................................................2 2.3.1 管程传热系数i........................................................................................3 2.3.2 壳程传热系数0.......................................................................................3 2.3.3 总传热系数K.............................................................................................3 2.4 估算传热面积....................................................................................................3 2.4.1 计算热负荷................................................................................................3 2.4.2计 算传热面积...........................................................................................3 2.5 工艺结构及尺寸............................................................................................4 2.5.1 管径和管内流速........................................................................................4 2.5.2 管程数和传热管根数................................................................................4 2.5.3 传热管排列和分程方法............................................................................4 2.5.4 壳体内径....................................................................................................4 2.5.5 折流板........................................................................................................5 2.5.6 接管内径....................................................................................................5 2.6 换热器热量核算................................................................................................5 2.6.1 平均传热温差校正....................................................................................5 2.6.2 壳程对流传热系数....................................................................................6 2.6.3 管程对流传热系数......................................................................................6
2.6.4 总传热系数..................................................................................................7 2.6.5传热面积.......................................................................................................7 2.7 换热器压降核算..................................................................................................7 2.7.1 管程流动阻力校核......................................................................................7 2.7.2 壳程流动阻力校核......................................................................................8 2.8 计算结果.......................................................................... ...................................9 3. EDR设计与校核.....................................................................................................10 3.1 初步规定…………………………………………..…………………………..10 3.1.1 换热器结构………………………………………………………………..10 3.1.2流体空间选择……………………………………………….……………..10 3.2设计结果与分析……………………………………………………………….10 3.2.1模拟结果……………………………………………………….…………..10 3.2.2结果分析…………………………………………………….……………..13 3.3校核………………………………………………………………….…………13 3.3.1核算结果………………………………………………….………………..13 3.3.2结果分析………………………………………………………...…………15 3.4设计结果……………………………………………………………………….16 4. 结论…………………………………………………………………...………….17 5. 参考文献................................................................................................................18 6. 致谢……………………………………………………………….….…….…….19
第1章 前言
第一章 前言
换热器是石油化工生产中重要的设备之一,它可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用十分广泛。换热器种类繁多,若按其传热面积的形状和机构可分成管型、板型和其他类型换热器,而管型换热器又可分为蛇管式换热器、套管式换热器、列管式换热器。板型换热器有螺旋板式换热器、板式换热器、板壳式换热器、板翅式换热器。其它类型换热器有蓄热式换热器、热管式换热器。
本次设计内容为用管壳式换热器完成芳香烃冷却任务,与其他换热器相比,管壳式换热器主要优点是单位所具有的传热面积大,传热效果好,结构比较简单,处理能力大,适
【1】
应性强,操作弹性大,尤其在高温、高压大型装置中应用更为普遍 。
第2章 确定设计方案
2.1选定换热器类型
两流体温度变化情况:热流体(苯45%+甲苯55%)入口温度为91℃,出口温度为54℃。冷却水入口温度28℃,出口温度选为54℃。
故热流体定性温度: Tm(9154)/272.5℃ 故热流体定性温度: tm(2854)/241℃
两流体温差: Tmtm31.5℃ (2-1) 因该换热器用循环冷却水冷却,冬季操作时冷却水进口温度会降低,因此壳体壁温和管壁温相差较大,故选用带膨胀节的列管式换热器。
因循环冷却水较易结垢,为便于污垢清洗,故选定冷却水走管程,煤油走壳程。同时选用192的碳钢管,管内流速取1.1m/s。
2.2确定冷热流体物性参数
查冷、热流体物性参数:
表2-1 冷热流体物性参数
2.3计算总传热系数
2.3.1管程传热系数i
Re
diuii
0.0151.1996.03
22941.110000
0.0007164
i
故采用下式计算i
idiuiicp
i0.023
dii
0.023
0.80.4
0.610.4
22941.10.84.1890.7160.61 (2-2) 0.015
5446.7W/m2C
2.3.2壳程传热系数0
假设壳程给热系数 0=1200W/㎡·℃ 2.3.3总传热系数K
Rsi=0.00016㎡·K·W-¹ Rso=0.00015㎡·K·W-¹
K
(
1
1
i
Rsi)
dodo1Rsodidmo
1
(2-3)
10.0190.00020.0191(0.00016)0.000155446070.015450.0171200680.27W/m2C
2.4估算传热面积
2.4.1计算热负荷
由热流体计算热负荷:
QW1cp1T1T2
281.871103(9154) (2-4) 1.94106W
2.4.2确定温度
由热负荷计算水的出口温度以及逆流温差:
t2Q/W2Cp2t1
1.94106(304.189103)+28 =43.43℃
T1t2T2t1
ln T1t2/T2t1
(2-5)
9143.43542837.7℃ln91-43.43/5428
tm,逆
2.4.3 计算传热面积
Q1.94106
S79.88m2
Ktm,逆680.2735.7
考虑20%裕度,S=1.2S=79.881.2=95.86㎡
2.5工艺结构及尺寸
2.5.1管径和管内流速
选用碳钢换热管192,管内流速ui=1.1m/s。 2.5.2管程数和传热管根数
根据传热管内径和流速确定单程传热管数:
ns
V30/996.03
156(根) 22
/4diui0.7850.0151.1
按单管程计算所需换热管的长度:
L
Snsdo
95.86
10.3m
1563.140.019
按单管程设计,传热管过长,现取传热管长6m,则该换热器的管程数为Np=L/62(管程)。传热管总根数N=1562=312(根)。 2.5.3传热管排列和分程方法
采用组合排列,即每层内按正三角形排列,隔板两侧按正方形排列。取管心距
t1.25do则t1.251925mm。
横过管束中心的管数nc21(根)。 (2-6) 2.5.4壳体内径
采用多管程结构,取管板利用率η=0.7,则壳体内径:
D1.051.05554.2mm (2-7) 取整 D=600mm
2.5.5折流板
采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为 h=0.25 600=150mm。
取折流板间距为B=0.5D=0.5600=300mm 折流板数 NB2.5.6接管
管程流体(循环水)进出口接管,取接管内循环水的流速为1.5m/s,则接管内径
d取标准管径为200mm
壳程流体(苯+甲苯)进出口接管,取接管内循环水的流速为1m/s,则接管内径
d取标准管径为200m
传热管长6000
1119(块) 。折流板圆缺采用水平安装。
折流板间距300
0.160m (2-8) 0.178m (2-9) 2.6换热器热量核算
2.6.1平均传热温差校正
P
t2t143.4328
0.24T1t19128
R
T1T29454
2.4 (2-10) t2t143.4328
按单壳程双管程结构查单壳程 PR图,得0.90,则
tm0.9035.732.13C (2-11)
2.6.2壳程对流给热系数o
对于圆缺形折流板,可采用克恩公式
du
o0.36oeoo
deo
0.55
cpoooow
1/30.14
(2-12)
当量直径由正三角形排列得
22224do40.0250.019
440.017m (2-13) de
do3.140.019
壳程流通截面积
d0.0192
SoBD1o0.30.610.043m (2-14)
t0.025壳程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为
uo
28/824.34
0.043
0.786m/s
Re0.0170.786824043
o
0.000332833112
Pr1.8710.3328o0.134.8
o0.36
0.13
0.017
331120.554.81/31414.5W/m2C2.6.3管程对流给热系数
管程流通截面积i
Si0.7850.01721560.0354m2
管程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为
u30/996.03
i
0.0354
0.85m/s
Re0.0200.85994i0.00071617726.66
Pr4.1890.716i0.613
4.9
u0.8
0.4
idiiicpii
i0.023d
iii0.0230.6130.80.4
0.015
17726.664.9
4452.9W/m2C
2.6.4传热系数K
6
K
1(Rsi)ooRsoididmo
1
(14452.90.00016)0.0190.0020.0210.015450.0170.000151414.5714.48W/m2C2.6.5传热面积
Q1.94106
St84.08m2K
m717.4832.13
该换热器实际传热面积
SpdoLNnc3.140.019631221104.17m2 (2-15) 面积裕度
H
SpS104.1784.08
S
100%
156.1
100%19.4% (2-16)
可见换热面积裕度合适,能满足换热要求。
2.7换热器压降核算
2.7.1管程流动阻力校核
pi
p1
p2
Ft
Np
Ns
(Ft 结垢校正系数,Np 管程数,Ns 壳程数)
取换热管的管壁粗糙度为0.1mm,则 /d0.0067,而Rei17726 查图得 i0.038
pLu2i6996.030.852
1id0.0380.01525469.2Pa
i2pu
2
i
0.85
2
23
2
3
996.032
1079.4Pa
对 192mm的管子有Ft1.4,且Np2,Ns1
pi
p1
p2
Ft
Np
Ns
5469.21079.41.42118.3kPa60kPa
7
(2-17)
管程压降符合要求。 2.7.2壳程流动阻力校核
常采用Eoss法计算壳程压降,该法的计算公式如下
pppFN (2-18)
o
1
2
s
s
(Fs 为结垢校正系数,对液体 Fs=1.15,Ns 为壳程数) 流体流经管束的阻力
FfoncNB1p1
2
uo
2
(2-19)
F为管子排列方式对压强降的校正系数,正三角形排列F=0.5 。 fo为壳程流体的摩擦系数,Re0500时,
0.228
fo5.0Reo5.033112
0.228
0.466 (2-20)
nc为横过管束中心线的管数,nc21 折流板间距B=0.3m,折流板数19块
824.430.842
0.50.4621191p124.6kPa
2
流体流经折流板缺口的阻力
2
2BuoNB3.5p2D2
20.3824.430.852193.5p212.1Pa (2-21) 0.62
p24.612.11.15142.2Pa90kPa
o
可见管程与壳程压降均符合要求,故设计换热器符合要求。
2.8计算结果
表2-2 计算结果
8
9
第三章 EDR设计校核
3.1 初步规定
3.1.1换热器结构
壳体和封头
由冷热流体进口温差小于110℃,且污垢热阻小于0.00035 m2·K/W,换热器的冷热流体均为较清洁流体,故选择固定管板式换热器,前封头采用B型,后封头采用M型,壳体为E型。
换热管
选用管外径为25 mm,壁厚为2.5 mm的光滑管,管子排列角度选择30°,管间距为32 mm。
折流板
选用单弓形折流板。 3.1.2 流体空间选择
表3-1 流体空间选择优先顺序
根据流体空间选择优先顺序,冷却水走管程,热流体走壳程。
3.2 设计结果与分析
3.2.1模拟结果
图3-1模拟结果
10
图3-2 模拟结果
图3-3 模拟结果
11
图3-4 模拟结果
图3-5 模拟结果
12
3.2.2 结果分析 (1)结构参数
初步得到换热器为单管程BEM换热器,壳体内径438.15mm,换热管长6m,管径Φ25×2.5mm,总根数132根。管心距32mm,弓形板圆缺率21.025%,板间距195mm,板数28。
(2)面积余量
实际面积与设计面积比为1,面积余量为0,需要进一步进行校核。 (3)流速
壳程流速1.92m/s,流速大,管程流速0.72m/s,需要校核。 (4)压降
壳测压降64.3kPa,管侧压降4.32kPa,在允许范围之内。 (5)传热温差
传热温差35.88℃,符合传热需要。 (6)传热系数
882.9W/(㎡·K),大于经验数值
3.3 校核
【2】
参照设计结果查《固定管板换热器主要工艺参数表(Φ25×2.5mm)》,选择与设计
规格接近的标准换热器,壳体公称直径600mm,壁厚10mm,管长6m,管数232根,管径Φ25×2.5mm,折流板圆缺率30%。 3.3.1 校核结果
图3-6 校核结果
13
图3-8 校核结果
图3-9 校核结果
14
图3-10 校核结果
图3-11 校核结果
3.3.2 结果分析
(1)面积余量
校核后面积余量25%,符合实际生产需求。 (2)流速
15
第3章 EDR设计与校核
壳侧流体流速0.88m/s,管侧流速0.84m/s,在合理范围。
(3)压降
壳侧压降10.4kPa,管程压降7.3kPa,均小于允许压降。
(4)传热系数
换热器总传热系数为683.6W/m2·K,在经验值范围之内。
(5)热阻分布
换热器壳侧热阻和管侧热阻分别为总热阻的43.74%和20.2%。
3.4 设计结果
根据校核结果选换热器型号::BEM600
具体的结构参数为:
公称直径600 mm;
管子为ϕ25mm×2.5 mm的碳钢管,长度为6 m,管心距为32 mm,管子数为232,管程数为2,排列角度为30°;
折流板为圆缺率30%的单弓形折流板,间距为500 mm,折流板数9块;
壳侧接管内径200mm,管侧接管内径200mm
2.561184I 1.625
第4章 结论
第4章 结论
本次设计结果满足传热任务,同时对结果进行了一系列优化,得到的结果具有一定实际参考价值。
设计符合法规并且最经济的换热器,必须熟悉法规条文及公式应用和一般力学常识,了解使用者的要求,同时参考别人的设计方式及资料,参观换热器厂。并与制造厂技术人员探讨自己产品制造程序事宜,借以改进缺点。通过了解设备的基本结构,提高换热器的设计水平,可以使设计的产品向安全、经济的方向发展。
第5章 参考文献
专著
[1] 李阳初,刘雪暖.石油化学工程原理.第二版. 北京:中国石化出版社,2008(2010.8重印):264-284.
[2] 王玉兰,郭晓艳,张颖,于英民 .化工原理课程设计 .第一版 .山东:中国石油大学(华东)出版社,2012:235-246 .
第6章 致谢
历时五天时间终于完成了课程设计作业,在此过程中从开始学习新的软件到设计完成,遇到了很多的困难和障碍,都在同学和老师的帮助下度过了。在此首先我要感谢指导老师王兰娟老师,她给我提出了许多合理建议,不厌其烦解答我的问题,使我能按时完成设计 。
还要感谢我的同学和朋友,在设计的过程中给我很多有用素材,教会我如何使用软件。谢谢你们。
化工原理课程设计2-1成绩汇总表
指导教师签字:
年 月 日