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化工原理课程设计
化工原理课程设计
管壳式换热器选型
姓名:
梁华超
学号:
2013261113
班级:
13级应用化学本科班
指导老师:
张兵
前言
1.换热器的设备简介
传热是热能从热流体间接或直接传向冷流体的过程。
其性质复杂,不但要考虑经过间壁的热传导,而且要考虑到间壁两边流体的对流传热,有时还须考虑到辐射传热。
在化学工业中常遇到的热交换问题,根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即:
间壁式、混合式和蓄热式。
其中间壁式换热器詹用量最大,据统计,这类换热器占总用量的99%。
间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类,其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验,其设计资料基本齐全,在许多国家都有了系列化的标准。
因此,作为广泛应用于各个领域的工业设备,它在国民经济中具有非常重要的作用。
换热器(英语翻译:
heatexchanger),是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备,又称热交换器。
管壳式换热器按结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器、双重管式换热器、填料函式换热器和双管板换热器等。
前3种应用比较普遍。
固定管板式换热器的结构:
主要有外壳、管板、管束、顶盖(又称封头)等部件构成。
它的特点是结构简单,没有壳侧密封连接,相同的壳体内径排管最多,在有折流板的流动中旁路最小,管程可以分成任何管程数,因两个管板由管子互相支撑,故在各种管壳式换热器中它的管板最薄,
造价最低,因而得到广泛应用。
这种换热器的缺点是:
壳程清洗困难,
有温差应力存在。
这种换热器适用于两种介质温差不大,或温差较大但壳程压力不高及壳程介质清洁,不易结垢的场合。
在满足工艺过程要求的前提下,换热器应达到安全与经济的目标。
换热器设计的主要任务是参数选择和结构设计、传热计算及压降计算等。
设计主要包括壳体形式、管程数、换热管类型、管长、管子排列、管子支承结构、冷热流体的流动通道等工艺设计和封头、壳体、管板等零部件的结构、强度设计计算。
换热器的工艺设计计算,依据设计任务的不同可分为设计计算和校核计算两种,包括计算换热面积和选型两个方面。
一般已知冷、热流体的处理量和它们的物性。
进出口温度、压力由工艺要求确定。
设计中需选择或确定的数据有三大类,即物性数据、结构数据和工艺数据。
具体来说,可以通过一下步骤来进行:
初选换热器的尺寸规格,计算管程的压降和给热系数,计算壳程压降和给热系数,计算传热系数、校核传热面积。
考虑到所用传热计算是的准确程度及其他未可预料因素,保持传热面积上的裕度,应使最后A/A计=1.15~1.25,否则就要重新估计、选择,重复计算。
2.泵的选用与评价
泵指改变容积内流体的压力或输送流体的机器,主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等,也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。
化工生产设计的流体可能是强腐蚀性、有毒、易燃易爆、高温或低温以及含有固体悬浮物等,其性质千差万别。
为适应各种不同的需要,研制了多种形式的输送机械,依作用原理不同,可将其分为:
动力式(叶轮式):
包括离心式、轴流式等;容积式(正位移式):
包括往复式、旋转式等;其他类型:
如喷射式等。
其中离心泵由于其效率高,性能范围和适用领域广,因此是现代应用最广、产量最大的泵。
离心泵的性能,是指离心泵在标准工况下的流量、扬程、效率、功率、转度、必需汽蚀余量等性能参数。
流量是指单位时间内通过泵出口输出的液体量,一般采用体积流量;扬程是单位重量输送液体从泵入口至出口的能量增量,对于容积式泵,能量增量主要体现在压力能增加上,所以通常以压力增量代替扬程来表示。
泵的效率不是一个独立性能参数,它可以由别的性能参数通过公式∆P∆u2l+Σleu2H=∆Z+++λ(ρg2gd2g计算求得。
在实际选泵的过程中,还要合理配置,安全运行,这样才能做到优质输送。
泵选型的原则是:
使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、吸程等工艺参数的要求;机械方面可靠性高、噪声低、振动小;经济上要综合考虑到设备费、运转费、维修费和管理费的总成本最低。
根据工艺流程,、专业要求,,应将下面五个方面加以考虑,既液体输送量、装置扬程、液体性质、管路布置以及操作运转条件等。
水泵的选取并不难,只要做到经验与理论计算相结合,充分利用各台水泵的特性,就能做到使用最少的功率达到水泵的最大出水量,做到安全、优质、低耗输送。
目录
1.设计任务…………………………………………………3
1.1工艺与要求…………………………………………………3
1.2流程与管路图………………………………………………3
2.计算结果明细表…………………………………………3
3.计算过程…………………………………………………4
3.1换热器的选型………………………………………………4
3.1.1换热器的选择………………………………………………4
3.1.2换热器管程的计算………………………………………5
3.1.3换热器壳程的计算………………………………………6
3.1.4换热器的验证与说明……………………………………6
3.2管路的铺设与泵的选型……………………………………7
3.2.1管道的选用………………………………………………7
3.2.2泵的选型与计算说明……………………………………7
4.附录………………………………………………………8
4.1物性明细表…………………………………………………8
4.2符号说明……………………………………………………8
5.参考文献…………………………………………………9
1.设计任务
1.1工艺要求
要将温度为78°C的某液态有机物冷却至60°C,此有机物的流量为
6.55kg/s。
先拟用温度为t1=°C的冷水进行冷却。
要求换热器管壳两侧的压降皆不应超过0.1MPa。
一直有机物在69°C时的物性数据如下:
ρ=997kg/m3Cp=2.22kJ/kg·°Cμ=0.6mPa·sλ=0.16W/m·°C
要求:
1.选用合适的换热器;2.合理安排管路;3.选用一台合适的离心泵。
1.2流程与管路图
管路布置如右图,已知泵进口段管长L进=5米,泵出口段管长L出=15米(均不包括局部阻力损失)。
2.计算结果明细表物理量
换热器选型
热流量Q(kW)数值BES273-1.6-11.1-4.5/25-2换热器261.74
纯逆流平均推动力Δtm逆(°C)实际平均推动力Δtm(°C)初步计算的A估(m2)冷却水质量流速qm2/(kg/s)管内流速ui/(m/s)管内流动雷诺系数Re管程给热系数αi/(W·m-2·K-1)管程阻力损失ΔPt/(Pa)横过管束中心线的管数NTC壳程流动面积A0/m2壳程流速u0/m·s-1壳程流动雷诺数Re0壳程流体摩擦系数f0壳程压降ΔPS/Pa当量直径de/mm最大流动截面A'/m2壳程实际流速u0/m·s-1壳程实际雷诺数Re0壳程给热系数α0/(W·m-2·K-1)计算传热系数K计/(W·m-2·K-1)计算传热面积A计/m2实际传热面积A实/m2A实/A计泵的选型路内流速u/m·s-1泵的扬程He/m
泵的体积流量qv/m3·h-1最大允许安装高度[Hg]/m39.037.8
11.543.140.62815609.13157.458556.730.01570.41817364.40.5408209.820.190.008960.73315609.11428.3712.89.7111.31.164
IS50-32-125型单级单吸离心泵
2.5119.311.344.44
3.计算过程
3.1换热器的选型
综合考虑夏冬两季水温,将初温定为20°C;考虑到化工生产中的实际,将冷却水出口温度定为40°C。
查的此时的物性参数如下:
ρ=995.7kg/m3
μ=801.2μPa·s
Cp=4.174kJ/kg·°C
λ=0.6171W/m·°C
=
t1+t220+40=°C=30°C此时22
3.1.1换热器的选择
选择流动方式为逆流,初估K为600.选用单壳程双管程固定管板式换热器.
Q=qm1cp1(T1−T2)=6.55×2.22×(78−60)kW=261.74kW
(T−t)−(T2-t)(78−40)−(60−20)1
∆tm逆=12=°C=39.0°C
1−278−40ln()ln(T2−t160−20
T−T78−60t−t40−20R=12==0.9P=21==0.34
t2−t140−20T1−t178−20
由R、P的值从表上读出ϕ=0.97>0.8,故流动方式选择有效。
∆tm=ϕ∆tm逆=0.97×39.0°C=37.8°C
Q261.74×1032
A估==m=11.54m2
K∆tm600×37.8
根据以上计算值,选取换热器型号及其基本参数如下:
BES273-1.6-11.1-4.5/25-2换热器
273公称直径DN/mm管子尺寸mmΦ25×2.51.64.5工程压强PN/MPa管长L/m
工程面积m211.1管数NT32管程数Np2中心管距l/mm32管子排列方式正三角形中心排管数7
Q261.74×103
qm2==kg/s=3.14kg/s
cp2(t2−t1)4.174×103×(40−20)
综合冷、热流体流动通道的注意事项,最终选择冷却水走管程通道,有机液体走壳程通道的方式。
选用25%圆缺挡板,挡板间距150mm。
3.1.2换热器管程的计算
ui=
NTdi2ρ24qm2NP
=
3.14×2
m/s=0.628m/s2
0.785×32×0.02×995.7
ε值取0.15mm,则
ε0.15==0.0075进而求出λ值为0.034.di20
对于正三角形排列,管程结垢校正系数ft取1.4,则压降为:
ρui2L4.5995.7×0.6282
∆Pt=(λ+3)ftNp=(0.034×+3)×1.4×2×Pa=5855Pa〈0.1MPa
di20.022
符合题目要求。
ρ2u2di995.7×0.628×0.02
==15609.1〉10000所以管程给热系数可用下式计−6
µ2801.2×10
λ2diuiρ20.8cp2µ20.4
算:
αi=0.023()()
diµ2λ2
Rei=
0.61710.02×0.628×995.70.84.174×103×801.2×10−60.42
=0.023××()×()W/m
0.02801.2×100.6171
=3157.4W/m2
3.1.3换热器壳程的计算
压降计算中的各项参数:
NTC=1.19(NT)0.5=1.19×(32)0.5=6.73
A0=B(D−NTCd0)=0.15×(0.273−6.73×0.025)m2=0.0157m2
q6.55u0=m1=m/s=0.418m/s
ρ1A0997×0.0157
×997
由于Re0=d0u0ρ1=0.025×0.418=17364.4〉500所以
µ10.6×10−3
f0=5.0Re−0.228=5×17364.4−0.228=0.540
已知换热器内折流板数目为19,正三角形排列F=0.5,可得壳程压降:
2
2Bρ1u0
∆Ps=[Ff0NTC(NB+1)+NB(3.5−fs
D2
2×150997×0.4182
=[0.5×0.54×6.73×(19+1)+19×(3.5−×1.15×Pa
2732
=8209.8Pa〈0.1MPa
所以符合题目要求。
列管为正三角形排列,所以:
2π2l−d0)4××322−0.785×252)de==mm=20.19mmπd03.14×25
d25
A'=BD(1−0=0.15×0.273×(1−m2=0.00896m2
l32q6.55u0=m1=m/s=0.733m/s
ρ1A'997×0.00896
由于
Re0=
ρ1u0de997×0.733×0.02019
==2.46×104〉2000−3
µ10.6×10
故壳程给热系数可按下式计算:
1
cµλ1µp11
α0=0.36Re0.55(3(0.14
deλ1µw
0.162.22×103×0.6×10−3140.55
=0.36××(2.46×10)×(3×0.95W/m2
0.020190.16
=1428.3W/m2
3.1.4换热器的验证与说明
污垢热阻:
R水=0.00021m2·K/kW
K计=
1
+R水+R有机物+α0αi
1
R有机物=0.000176m2·K/kW
=
+0.00021+0.000176+1428.33157.4=712.8W/m2
W/m2
Q261.74×103
A计==m2=9.71m2
K计ϕ∆tm逆712.8×0.97×39
A实=NTπd0L=32×3.14×0.0025×4.5m2=11.3m2
A实11.3==1.164
由于A计9.71因此所选的换热器符合要求。
设计说明:
本次换热器选用的固定管板式换热器,其结构简单,制造成本低,管程清洗方便,在工程上广泛应用。
如果实际操作中发现其膨胀之差较大,还可以在壳体上设置膨胀节,减少管、壳程温差而产生的热应力。
但是由于其壳程无法机械清洗,如果有机物较脏或有腐蚀性时,应使其走管程或换用其他类型换热器。
因为管子腐蚀后连同壳体一同报废,设备寿命较低,因此实际应用时应注意防腐蚀。
3.2管路的铺设与泵的选型
3.2.1管道的选用
本次管道铺设,所有直管均选用Φ45mm×2.5mm的无缝钢管,在拐角处选用两个90°方形弯头,一个球心阀,并在水泵进口处不设置底阀。
无缝钢管的绝对粗糙度为ε=0.15mm,其他局部阻力系数ζ明细表如下:
管件(阀件)名称ζ值
球心阀6.4
90°方形弯头×3
1.3
水泵进口2.5
3.2.2泵的选型与计算说明
u=
qm22
dρ24
=
3.14
m/s=2.51m/s2
0.785×0.04×995.7
ε0.15==3.75×10−3可算得λ=0.028d40
2
进而求出H=∆Pt+∆P+∆z+(λL出+L进+∑ζ)u
e
ρ2gd2g
由
已知
5855+200005+152.512
=m+8m+(0.028×+6.4+2.5+1.3×3)×m995.7×9.810.042×9.81=19.3m
q3.14qv=m2=×3600kg/h=11.34kg/h
ρ997
故最终选用IS50-32-125型单级单吸离心泵,其性能参数如下:
转速n/r·min-1
流量qv/m3·h扬程H/m效率η/%
IS50-32-125型单级单吸离心泵2900轴功率/kW12.5电机功率/kW20必需汽蚀余量(NPSH)r/m60质量(泵/底座)/kg
1.13
2.22.032/46
假设泵的管路损失为Σhf3m=水柱,所处环境为30°C(Pv=4.2455kPa)时泵的最大允许安装高度为:
[Hg]=
P0−PV
−ΣHf(0−1)−[(NPSH)r+0.5]ρg
101325−4245.5=m−3m−(2.0+0.5)m
995.7×9.81=4.44m
即泵的安装高度距离水面最大4.44m,否则容易出现汽蚀现象。
设计说明:
以上选择仅仅基于流量和扬程两方面计算,没有考虑到实际操作过程中的安装高度、阀门调节等问题,因此具体在选泵的时候还要再做更详细的考虑。
4.附录
4.1物性明细表
物理量
有机物69°C时的密度ρ1/kg·m-3
有机物69°C时的动力粘度μ1/mPa·s有机物69°C时的比热容Cp1/kJ·kg·K有机物69°C时的热导率λ1/W·m-1·K-1
数值9970.62.220.16
冷却水30°C时的密度ρ1/kg·m-3
冷却水30°C时的动力粘度μ1/mPa·s冷却水30°C时的比热容Cp1/kJ·kg·K冷却水30°C时的热导率λ1/W·m-1·K-1无缝钢管绝对粗糙度ε/mm
河水的污垢热阻R水/m2·K·kW-1
有机物的污垢热阻R有机物/m2·K·kW-130℃下水的饱和蒸汽压Pv/kPa995.70.80124.1740.61710.150.000210.0001764.2455
4.2符号说明
符号说明
流体的密度ρi
流体的动力粘度μi流体的比热容Cpi流体的热导率λi流体的流速ui
流体的质量流率qmi流体的体积流率qvi流体经过的截面积Ai流体流动的雷诺系数Re流体温度t给热系数αi传热系数Ki污垢热阻Ri
阻力系数及校正系数fi直径与当量直径di部件数目Ni压降ΔPi扬程He参数R参数P
最大允许安装高度[Hg]
符号单位kg/m3Pa·sJ/kg·KW/m·Km/skg/sm3/sm2无°CW/(m2·°C)W/(m2·°C)(m2·°C)/W
无m个Pam无无m
5.参考文献
[1]王元文.管壳式换热器的优化设计[J].广东化工,2005(3),43-44.[2]董溢.浅谈管壳式换热器[J].科技信息,2010(5),755-756.
[3]陈敏恒,从德滋,方图南,等.化工原理上册.第三版[M].北京:
化学工业出版社,2006.
[4]徐海燕.浅谈实际设计工作中离心泵的合理选型[J].甘肃科技,2008,3(5),55-56.
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