環境化工原理課程設計指導書和任務書環境化工原理課程設計指導書和任務書 一 確定設計方案一 確定設計方案 包括選擇換熱器的類型和管殼程安排 二 確定物性數據二 確定物性數據 定性溫度 對于一般氣體和水等低黏度流體 其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值 根據設計資料 確定管 殼程 流體的定性溫度 根據定性溫度 分別查取殼程和管程流體的有關物性數據 對混合氣體來說 最可靠的無形數據是實測值 若不具備此條件 則應分別查取混合無辜組分的有關物性數據 然后按照相應的加和方法求出混和氣體的物性數據 三 估算傳熱面積三 估算傳熱面積 1 熱流量 Q1 2 平均傳熱溫差 先按照純逆流計算 3 傳熱面積A 111 tcm p m t p m Q K t 傳熱系數K的取值可參考表 1 表表 1 K 值大致范圍值大致范圍 4 熱交換流體用量 m ipi tc Q 1 四 工藝結構尺寸四 工藝結構尺寸 1 管徑和管內流速 管徑和管內流速 根據表 2 3 4 5 確定管徑和管內流速 表表 2 常用換熱管的規格和尺寸偏差常用換熱管的規格和尺寸偏差 表表 3 列管換熱器中不同粘度液體的最大流速列管換熱器中不同粘度液體的最大流速 表表 4 列管換熱器的常用流速列管換熱器的常用流速 表表 5 列管式換熱器易燃易爆液體允許的安全流速列管式換熱器易燃易爆液體允許的安全流速 2 管程數和傳熱管數 管程數和傳熱管數 可依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數ns 2 4 i V d u 按單程管計算 所需的傳熱管長度為 L os p A d n 傳熱管過長時 采用多管程結構 根據實際情況 采用非標設計 確定傳熱管長l 換熱器的管程數為Np L l 傳熱管總根數Nt 2ns 3 平均傳熱溫差校正及殼程數平均傳熱溫差校正及殼程數 平均溫差校正系數 R 12 21 TT tt 熱流體的溫降 冷流體的溫升 P 21 11 tt Tt 冷流體的溫升 兩流體最初溫差 根據P R值查溫差校正系數圖如圖 1 所示 得各種情況的 t 平均傳熱溫差 mmt tt 塑 一般要求 t 的值不得低于 0 8 若低于此值 應考慮采用多殼程結構的換熱器或多臺換熱器串聯 4 傳熱管排列和分程方法傳熱管排列和分程方法 換熱管直徑越小 換熱器單位容積的傳熱面積越大 因此對于潔凈的流體可完管徑可取得 小些 但對于不潔凈或易結垢的流體 管徑應取的大些 以免堵塞 為了制造和維修的方便 我國目前試行的系列標準規定 采用 19 2mm 和 25 2 5mm 兩種規格 管長有 1 5 2 0 3 0 6 0m 排列方式 正三角形 正方形直列和錯列排列 如 圖 2 所示 傳熱管和管板的連接方法有脹接和焊接兩種 一般情況下 脹接時 管心距t 1 3 1 5 d0 焊接時 t 1 25d0 d0為管子外 徑 要注意 管心距最小不能小于 d0 6 mm 而且t d0值應稍大些 多管程結構中 隔板占有管板部分面積 一般情況下 隔板中心到離其最近一排管中心的距離可用式 s t 2 6 mm 表示 常用管心距如表 6 所示 表 6 常用管心距 表 6 常用管心距 圖圖 1 對數平均溫度差校正系數對數平均溫度差校正系數 t 的值的值 a 單殼程 b 二殼程 c 三殼程 d 四殼程 圖 2 換熱管排列方式 圖 2 換熱管排列方式 管束的分程方法常采用平行和 T 型方式 其前后管箱中隔板設置和介質的流通順序按圖 3 選取 圖圖 3 隔板形式與流通順序圖隔板形式與流通順序圖 5 殼體內徑 殼體內徑 對于單管程換熱器 殼體內徑為D t b 1 2 3 d0 式中t 管心距mm d0 傳熱管外徑mm 對正三角 形排列 b 1 1 T N 對正方形排列b 1 19 T N 對多管程換熱器殼體的內徑D 1 05t T N 式中 管板利用率 的取 值范圍如下 正三角形排列 管程 0 7 0 85 4 管程以上 0 6 0 8 正四邊形排列 管程 0 55 0 7 4 管 程以上 0 45 0 65 估算出殼體內徑后 需圓整到標準尺寸 卷制殼體的內徑 公稱直徑 以 400mm為基數 以 100mm 為進級檔 必要時也可采用 50mm為進級檔 6 折流板 折流板 有橫向折流板和縱向折流板兩類 單殼程換熱器僅需設置橫向折流板 多殼程換熱器不但需要設置橫向折流板 而且需要設置縱向折流板 臥式換熱器弓形折流板的圓缺面可以水平或垂直裝配 如圖 4 所示 圖圖 4 弓形折流板 左為水平圓缺 右為垂直圓缺 弓形折流板 左為水平圓缺 右為垂直圓缺 弓形折流板圓缺高度可為殼體內徑的 25 取折流板間距B 0 3D 折流板數目NB B 1 折流板間距 傳熱管長 換熱管的最大無支撐跨距見表 7 表表 7 最大無支撐跨距最大無支撐跨距 mm 換熱管外徑d010 14 19 25 32 38 45 57 最大無支撐跨距 800 1100 1500 1900 2200 2500 2800 3200 7 其他附件 其他附件 根據拉桿直徑選用表 8 和數量選用表 9 選用拉桿直徑和數量 表表 8 拉桿直徑選用表拉桿直徑選用表 mm 換熱管外徑 d 10 d 14 14 d 25 25 d 57 拉桿直徑dn10 12 16 表表 9 拉桿數量選用表拉桿數量選用表 公稱直徑 mm 拉桿直徑 mm 400 400 700 700 900 900 1300 1300 1500 1500 1800 1800 2000 2000 2300 2300 2600 10 4 6 10 12 16 18 24 28 32 12 4 4 8 10 12 14 18 20 24 16 4 4 6 6 8 10 12 14 16 8 接管 接管 包括管程和殼程流體進出口接管 設接管內氣體流速為 u 接管內徑為 1 4V D u 求出內徑后再確定安裝高度 五 換熱器核算五 換熱器核算 1 熱流量核算熱流量核算 1 殼程表面傳熱系數 用克恩法計算 見式14 0 3 1 55 0 0 1 0 PrRe36 0 we d 2 管內表面傳熱系數 4 08 0 PrRe023 0 i i i d 3 污垢熱阻和管壁熱阻 一些物質的污垢熱阻范圍見表 10 常用金屬材料的熱導率見表 11 表表 10 一些物質的污垢熱阻范圍一些物質的污垢熱阻范圍 表表 11 常用金屬材料的熱導率常用金屬材料的熱導率 4 傳熱系數為 e Koiowo o iiimo 1 1 e K dRdR d R ddd 5 傳熱面積裕度 計算傳熱面積 1 c em Q A Kt 該換熱器的實際傳熱面積為 poT Ad lN 該換熱器的面積裕度為pc c AA H A 傳熱面積裕度大于 15 20 合適 該換熱器能夠完成生產任務 2 壁溫計算壁溫計算 計算中 應該按最不利的操作條件考慮 管壁溫度為 mm cn w cn 11 Tt t 3 換熱器內流體的流動阻力換熱器內流體的流動阻力 1 管程流體阻力 tirsps ppp N N F 2 ii i 2 lu p d 查莫狄圖可得 i 2 殼程阻力 按式 ssios NFppp 計算 3 換熱器主要結構尺寸和計算結果見下表 參數 管程 殼程 流率 kg h 進 出口溫度 壓力 MPa 定性溫度 密度 kg m3 定壓比熱容 kj kg k 粘度 Pa s 熱導率 W m k 物性 普朗特數 形式 殼程數 殼程數 殼體內徑殼體內徑 臺數 管徑管徑 mm 管心距管心距 mm 管長管長 mm 管子排列 管子排列 管數目管數目 根 折流板數折流板數 個 傳熱面積 m2 折流板間距折流板間距 mm 設備結構參數 管程數 管程數 材質 主要計算結果 管程 殼程 流速 m s 表面傳熱系數 W m2 k 污垢熱阻 m2 k W 阻力 MPa 熱流量 KW 傳熱溫差 K 傳熱系數 W K 裕度 詳細資料參見有關參考書 參考文獻 參考文獻 1 化工單元過程及設備課程設計匡國柱 史啟才主編 化學工業出版社 2002 年 1 月第 1 版 2 換熱器設計手冊 錢頌文 主編 化學工業出版社 2002 年 8 月第 1 版 3 環境工程原理 胡洪營 張旭等合編 高等教育出版社 2005 年 8 月第 1 版 4 化工原理 王志魁編 化學工業出版社 2005 年 1 月第 3 版 5 化工原理 楊祖榮主編 高等教育出版社 2004 年 4 月第 1 版 6 化工原理 姚玉英主編 天津科學技術出版社 1992 年 11 月第 1 版 化工設備工藝設計任務書化工設備工藝設計任務書 某生產過程的流程如下圖所示 反應器的混合氣體經與進料物流換熱后 用循環冷卻水將其從T1 進一步冷卻至T2 之 后 進入吸收塔吸收其中的可溶組分 已知混和氣體的流量為qm1 h 壓力為 4 0MPa 循環冷卻水的壓力為 0 4MPa 循環 水的入口溫度為t1 出口溫度為t2 試設計一臺列管式換熱器 完成該生產任務 反 應 器 換熱器 分 離 罐 吸 收 塔 壓縮機 原料補充 吸收劑 循環冷卻水 物性特征 物性特征 混和氣體在定性溫度下的有關物性數 據如下 來自生產中的實測值 密度 定壓比熱容kJ kg 熱導率 3 1 mkg 1p c 1 w m 粘度Pas 1 循環水在定性溫度下的物性數據 密 度 2 994 3 m3 定壓比熱容 4 174kJ kg 熱 導 率 2p c 2 0 624w m 粘度 Pas10742 0 3 2 數據分配表數據分配表 其他數據不變 1 班 T1T2qm1t1t2 1 1p c 1 2 班 T1T2qm1t1t2 1 1p c 1 1 300 240 10 萬 2040 70 3 5 0 03221 30024015 萬2040 70 3 5 0 0322 2 300 190 10 萬 2040 70 3 5 0 03222 30019015 萬2040 70 3 5 0 0322 3 300 160 10 萬 2040 70 3 5 0 03223 30016015 萬2040 70 3 5 0 0322 4 300 110 10 萬 2040 70 3 5 0 03224 30011015 萬2040 70 3 5 0 0322 5 300 60 10 萬 2040 70 3 5 0 03225 30060 15 萬2040 70 3 5 0 0322 6 240 150 11 萬 2040 70 3 5 0 03226 24015015 萬2045 70 3 5 0 0322 7 240 130 11 萬 2040 70 3 5 0 03227 24013015 萬2045 70 3 5 0 0322 8 240 110 11 萬 2040 70 3 5 0 03228 24011015 萬2045 70 3 5 0 0322 9 240 90 11 萬 2040 70 3 5 0 03229 24090 15 萬2045 70 3 5 0 0322 10 240 60 11 萬 2040 70 3 5 0 03221024060 15 萬2045 70 3 5 0 0322 11 150 80 14 萬 1839 82 3 4 0 02921115080 13 萬1841 82 3 4 0 0292 12 150 70 14 萬 1839 82 3 4 0 02921215070 13 萬1941 82 3 4 0 0292 13 150 50 14 萬 1839 82 3 4 0 02921315050 13 萬1841 82 3 4 0 0292 14 150 55 14 萬 1839 82 3 4 0 02921415055 13 萬1841 82 3 4 0 0292 15 150 75 14 萬 1839 82 3 4 0 02921515075 13 萬1841 82 3 4 0 0292 16 130 75 10 萬 2045 85 3 3 0 02921613075 16 萬2349 87 3 3 0 0292 17 125 70 11 萬 2045 85 3 3 0 02921712570 17 萬2349 87 3 3 0 0292 18 125 65 12 萬 2045 85 3 3 0 02921812565 18 萬2349 87 3 3 0 0292 19 125 60 13 萬 2045 85 3 3 0 02921912560 19 萬2349 87 3 3 0 0292 20 125 55 14 萬 2045 85 3 3 0 02922012555 15 萬2349 87 3 3 0 0292 21 117 65 19 萬 2045 85 3 3 0 02922111765 26 萬2047 91 3 2 0 028 22 117 75 20 萬 2045 85 3 3 0 02922211775 26 萬2047 91 3 2 0 028 23 117 55 21 萬 2045 85 3 3 0 02922311755 26 萬2047 91 3 2 0 028 24 117 60 22 萬 2045 85 3 3 0 02922411760 26 萬2047 91 3 2 0 028 25 117 60 23 萬 2045 85 3 3 0 02922511760 26 萬2047 91 3 2 0 028 26 200 100 12 萬 2050 6