固定管板式換熱器2

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1、目錄 課程設計任務書3 一、課程設計題目3 二、工藝條件3 三、課程設計內容3 四、進度安排4 五、基本要求4 1 設計方案簡介4 1.1 選擇換熱器類型4 1.2 流體流動途徑安排5 2 確定物性參數(shù)5 2.1 定性溫度的確定5 2.2 基礎物性參數(shù)的確定5 3 基礎數(shù)據的計算6 3.1 水煤氣的流量計算：6 3.3 平均溫差7 3.4 估算傳熱面積7 3.5 加熱變換氣用量7 4 工藝結構尺寸7 4.1 管徑和管內流速7 4.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)7 4.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)8 5 主體設備的計算8 5.1 傳熱管排列方法9 5.2 殼

2、體內徑9 5.3 折流板9 6 附件的計算與選型10 6.1 拉桿數(shù)量與直徑10 6.2 接管10 6.3 膨脹節(jié)11 6.4 輸送設備11 7 換熱器的核算11 7.1 殼程表面換熱系數(shù)11 7.2 管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)12 7.3 污垢熱阻和管壁熱阻13 7.4 傳熱系數(shù)KC13 7.5 傳熱面積裕度14 7.6 壁溫核算14 7.7 換熱器內流體阻力計算15 8 換熱器主要結構尺寸和計算結果表17 結語17 參考資料18 18 課程設計任務書 一、課程設計題目 管殼式換熱器的設計 二、工藝條件 1 .物料組成(基準為100kmol干半水煤氣)

3、 組分 CO H2 N2 CO2 O2 CH4 H2O 半水煤氣 29.8 38.7 21.7 8.7 0.2 0.9 92 變換氣 3.0 65.1 21.7 35.5 1 0.9 81.3 2 .生產能力為1000kg(NH3)/h; 3 .消耗定額為3400m3干半水煤氣/h; 4 .常壓操作； 5 .溫度：半水煤氣進口158C,出口370C,變換器進口410C； 6 .換熱器損失的冷流體熱負荷的3.5%。 三、課程設計內容 1 .設計方案的選擇及流程說明； 2 .傳熱面積、換熱管根數(shù)； 3 .確定管束的排列方式、程數(shù)

4、、檔次、隔板的規(guī)格、數(shù)量; 4 .冷、熱流體進、出口管徑； 5 .殼體內徑。 四、進度安排 1．課程設計準備階段：收集查閱資料，并借閱相關工程設計用書； 2．設計分析討論階段：確定設計思路，正確選用設計參數(shù)，樹立工程觀點 小組分工 協(xié)作，較好完成設計任務； 3．計算設計階段：完成物料衡算、熱量衡算及主要設備的工藝設計計算； 4.課程設計說明書編寫階段：整理文字資料計計算數(shù)據，用簡潔的文字和適當?shù)膱D表 表達自己的設計思想及設計成果。 五、基本要求 1．格式規(guī)范，文字排版正確； 2.主要設備的工藝設計計算需包含：熱量衡量，工藝參數(shù)的選定，設備的 結構設計和工藝尺寸的設計

5、計算； 3．管束排列圖：以2號圖紙繪制，標明管束的排列方式、程數(shù)、隔板的規(guī) 4. 換熱器工藝條件圖：以2號圖紙繪制，圖面應包括設備的主要工藝尺寸， 技術特性表和接管表； 5. 按時完成課程設計任務，上交完整的設計說明書一份。 1設計方案簡介 設計方案選擇的原則是要保證達到工藝要求的熱流量，操作上要完全可靠， 結構上要簡單，便于維護，并進肯能節(jié)省操作費用和設備費用。 1.1 選擇換熱器類型 管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面 U形管式，依據給定的工藝條件（常壓操作，假定出口溫度為250C,則兩流體平均溫差為 66c>50C）考慮，固定板式換

6、熱器適用于管壁溫與殼體壁溫不大的場合，故可選 用，但是需要加膨脹節(jié)；浮頭式與U形管式換熱器均適用于溫差較大的，但是浮頭式與U形管式換熱器建構復雜，造價高，制造安裝要求高，增加了設備費用，故不選用。綜合考慮初步選擇固定板式換熱器。 1.2 流體流動途徑安排 由工藝條件中的物性組成可知半水煤氣中水含量大于變換氣，所以半水煤氣對材料的腐蝕性要大于變換氣。所以變換氣走殼程，半水煤氣走管程，這樣可以節(jié)約耐腐蝕性材料的用量，降低換熱器成本。 2確定物性參數(shù) 2.1 定性溫度的確定 tm= t2+tL 370+158 ,= 2 =264Co Tm T1+T2 410+270 =

7、340Co == 2 2 假定變換器出口溫度為260c 管程半水煤氣的定性溫度為： 殼程變換氣的定性溫度為： 2.2 基礎物性參數(shù)的確定 在264c下的半水煤氣的各組分物性參數(shù)為: 物性組成 CO H2 N2 CO C2 CH H2C 定壓比熱容 1.1 14.3 1.1 1.08 3.1 1.03 2.0 摩爾分數(shù) 0.155 0.200 0.110 0.045 0.001 0.0047 0.48 質量分數(shù) 0.23 0.021 0.165 0.106 0.001 0.008 0.46 黏度 0.268 0

8、.0129 0.0275 0.024 0.0313 0.0171 0.0172 導熱率 0.0119 0.1 0.0155 0.0058 0.013 0.016 0.599  由上表渴求的264co似的半水煤氣物性參數(shù): 熱導率 i = 0.0848W/m K 粘度 ％ = 2.024 10” Pa s 一?3 傷度pi=0.4235kg/m 定壓比熱容Cp1=1.781kJ/kgCo 在340co下變換氣的各組分物性參數(shù)： 物性組成 CO H2 N2 CO 02 CH4 H2O 定壓比熱容 1.1 14.3 1.1 1.0

9、8 3.1 1.03 2.0 摩爾分數(shù) 0.0146 0.317 0.10 0.17 0.0049 0.0044 0.396 質量分數(shù) 0.0215 0.033 0.16 0.40 0.0067 0.0074 0.37 黏度 0.268 0.0129 0.0275 0.024 0.0313 0.0171 0.017 由上表可得變換氣在330co下的物性參數(shù) 密度^=0.367kg/m3熱導率九2=0.1223W/mK 定壓比熱容Cp2=1.872kJ/kgCo黏度也=2.08><10'Pas 3基礎數(shù)據的計算 3.1 水煤氣的

10、流量計算: 體積流量qv1=3400+3400*92/100=6528(m3/h) 質量流量qm仁邛qv1=0.4235X6528=2764.608kg/h 3.2 半水煤氣的熱負荷Q 考慮到熱負荷損失為3.5% 所以:Q=qm1xCp1X(t2-t1)/(1-3.5%)=1136359.9kJ/h=315.66(kw) 3.3 平均溫差 按純逆流計算 Atl-At2 (270-158)-(410-370) 1? 250-158 ul410-3ffl =69.9 _ 3.4 估算傳熱面積 氣一氣傳熱系數(shù)K的范圍為10~40W/(m2 .K) 取取28W/(m2

11、? K)計算 Ap = 315.66X1000 28x69.9 2 =161.28 m 3.5加熱變換氣用量 Q1136359.9 qm2=0’.|7:j==4338.245kg/h CpZ^l1-iA)1.872X(410-270) 小宓皿也33 qv2=qm2“L=?....=11804.748m/h=3.28m/s 4工藝結構尺寸 4.1 管徑和管內流速 選用02.5X2.5較高級冷拔傳熱管(碳鋼)，取管內流速產13m/s 4.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 單程換熱管數(shù) qp6528/3600 ns=——==445（根） M：UjX0.022X1341

12、 按單管程數(shù)計算，所需的傳熱管長度為 Ap161.28 L=—:—==5.768m 皿％HX0,2X44S 按單管程計算，傳熱管長度符合要求，查JB/T4715—92固定管板式換RE熱器型式與基本參數(shù)，取管長l=6m則換熱器管程為 L5.768 Np=；=―-—=1（管程）fO 4.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均傳熱溫差校正系數(shù) mm R = 施體腿開 T1F tz—ti 410-270 =0.66 370-158 湖解的/升 P = 兩淑揭聰差 370-158 =0.84 410-158 按雙殼程，單管程結構，查圖得溫差校

13、正系數(shù) 地 =O.8O5>0.8故合適 平均傳熱溫差為 Atm=0.805X69.9=56.27Co 5主體設備的計算 主體設備的計算主要包括傳熱管的排列方式、殼體內經、折流板間距以及個數(shù)。 5.1傳熱管排列方法 采用組合排列法，即每程內按正三角形排列，隔板兩側采用矩陣排列 取管心距t=1.25do 則 t=1.5X25=31.532(mm) 各半中心到離其最近一排管中心距離按式 t S=-+6計算 2 32 即s=一+6=22(mm) 2 各程相鄰管的管心距為44mm. 5.2 殼體內徑 采用單管程結構，殼體內徑可由下式確定 D=t(b-1)+

14、(2_)do 對于正三角形排列b=1.1.■ b = 1.1 =23.2 D=32(23.2-1)+2.525X=772.9(mm) 查JB/T4715-92[7]固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)，可選取DN=800mm的卷制殼體。 5.3 折流板 采用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 h=0.25800=200(mm) 取折流板間距B=0.3D,則 B=0.3800=240(mm),可取B=300(mm) 傳熱菅長 折賴艇 折流板數(shù)量Nb 6000 1=-1=19(塊) 300 6附件的計算與選型 6.1 拉桿數(shù)量與直徑 本換熱

15、器傳熱管外徑為25mm,換熱管公稱直徑為800mm拉桿直徑/mm 換熱管外徑 10 14 19 25 32 38 45 57 拉桿直往 10 12 12 12 16 16 16 16 拉桿數(shù)量 拉桿直徑/mm 10 12 16 公稱直徑800mm 10 8 6 查表可知 拉桿直徑為16mm拉桿數(shù)量8 6.2 接管 殼程流體進出口接管：取接管內內流體流速為U1=25m/s，則接管內徑為: =0.409m = 409mm 可選擇*426x9的接管 管程流體進出口接管：取接管內流體流速U2=16m/s,則接管內徑為:

16、 _{4x6528/3600 D2=?—:=0.38m=380mm [mii711X16 可選擇0400X9的接管規(guī)格 6.3 膨脹節(jié) 本設計的換熱器因殼體壁溫與管子壁溫之差大于50c,故需在已選擇的固定 板管式換熱器的殼體上安裝溫度補償圈。 查GB16749-1997壓力容器波形膨脹節(jié)標準，選擇膨脹節(jié)的型號為ZDW（B） 型（臥式），當DN=800mm時，波高h=0.lV0.2DN,圓弧半徑R>3s（s為膨脹節(jié)的厚度），波長L>140+5s 則波高h=100mm,圓弧半徑R=35mm,波長L=200mm 6.4 輸送設備 本設計需要輸送的兩種流體均為氣體，且操作條件為

17、常壓，故可選擇鼓風 機為本設計的輸送設備。根據前面基礎數(shù)據計算結果可知，半水煤氣流量約為110m3/min,變換氣流量約為200m3/min,查D系列造氣爐鼓風機性能參數(shù)表［9］,可選用型號為D200-21的鼓風機2臺，其性能參數(shù)如下： 進口流量：200m3/min軸功率：104.6KW轉速：2960r/min 7換熱器的核算 7.1殼程表面換熱系數(shù) 用克恩法［4］計算 h0=0.36—Re0.55Pr1/3（，。.14 dew 當量直徑⑷求算依式 322 4(—t--d0) 24 de-- 「a 4 de = (^0.0322-DJ8SXO.0252) —'

18、=0.02m 3.14X0.025 殼程流通截面積，依式 & = BD(1 — dt0) ?。正 S 2 S0 = 0.3 0.8(1 ) = 0.0525m2 0.032 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 * U0 = 3.28 =62.48m/s 0.052S 0.02x62.48x0.367 2.024XT0-S =22658.261 黏度校正 lk7：82X103X2.08X10-S = :二三 =0.303 = 0.36 (口) Hw 01223 044 對1 0.02 >22658.26pS& X 0.3031/3 = 367

19、.47 W/(m2 - K) 7.2管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 根據式 管束流通截面積 hi = 0.023-1 Re0.8 Pr0.4 di S=0.785X0.022X445=0.13973m2 管內流體流速及雷諾數(shù) 6涿2。2 Ui===12.98m Sj0.13973 0.02X12.98X04235 Re==5431.85 2.024X10-5 CpO4.1,871X1000X2.024X10-S Pr===0.447 Al0.0348 一.'.08042一 故hi=0.023XX5431.85*0.447=68.73W/(m-K) 7.3 污

20、垢熱阻和管壁熱阻 管外側污垢熱阻R0=0.0038m2K/W 管內側污垢熱阻R=0.00m4K/W 管壁熱阻按式(3-34)[4]計算，查表3-11[4],碳鋼在264c時的熱導率為 42.7 W/(mK)則 b0.00252 Rw0.00006mK/W w42.7 42.8 熱系數(shù)KC …喂詈詈") 250.0038X250.00006X251 Kc=1/(一一一0.；一) '.―一二___= Kc=33.64W/(m2?K) 42.9 熱面積裕度 該換熱器的計算傳熱面積 Q3i￡6%；ig。3 Ac===166.76m /gn33.64x56.27

21、該換熱器的實際傳熱面一.3 A=TidolNT=3.14159X0.025X6X445=209.99m 面積裕度 A-Ac209.99-166.76 H=M00%=M00%=25.92% Ac166.7 傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。 42.10 核算 若考慮熱阻影響 Tw=Tm- 式中，Rh,Rc分別為熱流體和冷流體的污垢熱阻，m2-K/W tm = tz+t] 370+158 - =264C T1+T2 410+270 T m = = 2 2 340Co hc = hi = 68.73W/(m2K) hh = ho = 367.47

22、W/(m2 K) Ah = Q KcAT 315660 33.64X140 -2 =67.02m2 315660 即Tw=340(1/367.47+0.0038)=309.28Co 67.02 315660 tw=264+(1/68.73+0.004)=294.72Co 166.76 管壁平均溫度可取為 t='，：=(309.28+294.72)/2=302Co 殼體壁溫壁溫和傳熱管壁溫之差為 At=Tm-t=340-302=38Co 該溫差適當，故可用固定板管式換熱器 42.11 器內流體阻力計算 管程流體阻力 壁t=廊如+也Dr)NsNpFs

23、 Ns=2Np=1 02 由Re=5431.85,傳熱管相對粗糙度藐=0.01,查狄圖得1=0.047，流 速u=12.98m/s,p=0.4235kg/m3,所以 604235X12.982 』口=0.047TX-X=503.03Pa 0.022 ptl2 in04235X12.982 故APr=3=104.03Pa Apt=(503.03+104.03)2XK5=1821.18Pa 管程流體阻力在允許范圍之內。 殼程阻力 _.'s=(_.o+_.i)FsNs Ns=2Fs=1 流體流經管束的阻力 1PHo 維；o=FfoNTC(NB+1) F

24、=0.5 fo=5X[(Reo>500) 即fo=5X22658.26產28=0.508 Ntc=1.1%產=1.1X4450.5=23.205 Nb=19uo=62.48m/s 邸o=0.5X0.508X23.205X(19+1)X 0.367X62.48 =1351.52Pa 流體流過折流板缺口的阻力3 j2BP比 i=Nb。5-)_ B = 0.3m D=0.8m =599.05Pa 2X0.30.367X62.48 -i=19X(3.5-)X 總熱阻 腐=1351.52+599.52=1950.58Pa 殼程流體阻

25、力在允許范圍之內 8換熱器主要結構尺寸和計算結果表 設備結構 參數(shù) 形式 固定管板式 臺數(shù) 1 殼體內徑/mm 800mm 材質 碳鋼 管徑/mm 125M2.5 殼程接管 巾426M9 管長/mm 6000 管程接管 0400>9 管數(shù)目/根 445 折流板 個數(shù) 19 管子排列 正三角形 間距/mm 300 拉桿(根) 8 高度/mm 200 管心距/mm 32mm 傳熱回積/m 210m2 管程數(shù) 1 殼程數(shù) 2 波形膨脹節(jié) 型號 波高 圓弧半徑 波長 ZDW(B)(臥式) 100mm 35

26、mm 200mm 鼓風機(2臺) 型號 流Mm/s 軸功率KW 轉速r/min D200-21 200 104.6 2960 主要計算結果 殼程 流速m/s 12.98 62.48 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/[W/(m2K)] 68.73 367.47 污垢熱阻/(m2K/W) 0.004 0.0038 阻力/pa 1821.18 1950.58 熱流量/kW 315.66 傳熱溫差/K 56.27 傳熱系數(shù)/[W/(m2K)] 33.64 裕度/% 25.92 結語 本設計的評述或有關問題的分析討論 此次課程設計，里面數(shù)據處理

27、十分得繁瑣。但在大家得努力和指導老師得的 幫助下，一起完成得很好。通過這次得課程設計，我們大家都學會了不僅要學好 《化工原理》《化學反應工程》等專業(yè)課，還要對其他相關內容知識都要學好用 好，只有這樣才能為以后的工作和學習打下堅實的基礎。 我們在這個處理中,直接是按熱量橫算得到熱流體得質量流量。還有密度得 求取，按照公式，應該是求平均密度?？墒窃谝欢囟认職怏w得密度沒查到， 于是我們想到用理想氣體方程，，即可求出密度。不知可否 參考資料 [1]彬，陶鵬萬.氣體數(shù)據手冊.北京：化學工業(yè)出版社，2003 [2]陸振東.化工設計手冊.北京：化學工業(yè)出版社，1994 [3]王志魁.化工原理.北京：化學工業(yè)出版社，2004 [4]匡國柱，史啟才.化工單元過程及設備課程設計.北京：化學工業(yè)出版 社，2007 [5]董大勤.化工機械設備基礎.北京：化學工業(yè)出版社，2009 [6]李功樣，陳蘭英.常用化工單元設備設計.廣州：華南理工大學出版社， 2006 [7]JB/T4715-92固定管板式換熱器型式與基本參數(shù) [8]GB16749-1997壓力容器波形膨脹節(jié)標準 [9]D系列造氣爐鼓風機性能參數(shù)表 [10]熊潔羽.化工制圖.北京：化學工業(yè)出版社，2008