1、化工原理換熱器設計丁二烯蒸汽冷凝器的設計年級：2014級姓名:逄江華學號:2014094068班級：化學工程與工藝班前言一、換熱器的種類 固定管板式換熱器管板式換熱器 浮頭式換熱器填料涵式換熱器換熱器 套管式換熱器蛇形式換熱器二、換熱器的特點1.管殼式換熱器管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標準換熱設備，它具有結構簡單，堅固耐用，造價低廉，用材廣泛，清洗方便，適應性強等優點，應用最為廣泛。管殼式換熱器根據結構特點分為以下幾種：固定管板式換熱器固定管板式換熱器兩端的管板與殼體連在一起，這類換熱器結構簡單，價格低廉，但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于50且殼方流體較清潔及不易結垢的物料。

2、帶有膨脹節的固定管板式換熱器，其膨脹節的彈性變形可減小溫差應力，這種補償方法適用于兩流體溫差小于70且殼方流體壓強不高于600Kpa的情況。浮頭式換熱器浮頭式換熱器的管板有一個不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關。浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清洗和檢修，適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱，應用極為普遍，但結構復雜，造價高。填料涵式換熱器填料涵式換熱器管束一端可以自由膨脹，與浮頭式換熱器相比，結構簡單，造價低，但殼程流體有外漏的可能性，因此殼程不能處理易燃，易爆的流體。2.蛇管式換熱器蛇管式換熱器是管式換熱器中結構最簡單，操作最方便的一種換熱設備，通常

3、按照換熱方式不同，將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。3.套管式換熱器套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管，其內管用U型時管順次連接，外管與外管互相連接而成，其優點是結構簡單，能耐高壓，傳熱面積可根據需要增減，適當地選擇管內、外徑，可使流體的流速增大，兩種流體呈逆流流動，有利于傳熱。此換熱器適用于高溫，高壓及小流量流體間的換熱。三、換熱器的發展趨勢70年代的世界能源危機，有力地促進了傳熱強化技術的發展。為了節能降耗，提高工業生產經濟效益，要求開發適用于不同工業過程要求的高效能換熱設備。這是因為，隨著能源的短缺(從長遠來看，這是世界的總趨勢)，可利用熱源的溫度越來越低，換熱允

4、許溫差將變得更小，當然，對換熱技術的發展和換熱器性能的要求也就更高。所以，這些年來，換熱器的開發與研究成為人們關注的課題。最近，隨著工藝裝置的大型化和高效率化，換熱器也趨于大型化，并向低溫差設計和低壓力損失設計的方向發展。同時，對其一方面要求成本適宜，另一方面要求高精度的設計技術。當今換熱器技術的發展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技術、強化傳熱技術及新型換熱器開發等形成了一個高技術體系。近年來，隨著制造技術的進步，強化傳熱元件的開發，使得新型高效換熱器的研究有了較大的發展，根據不同的工藝條件與換熱工況設計制造了不同結構形式的新型換熱器，并已在化工、

5、煉油、石油化工、制冷、空分及制藥各行業得到應用與推廣，取得了較大的經濟效益。設計任務（一）設計題目：丁二烯蒸汽冷凝器的設計（二) 設計任務及操作條件 1：處理能力 7510kg/h飽和丁二烯蒸汽， 2：設備形式 立式列管冷凝器 3：操作條件（1） 飽和丁二烯蒸汽：（溫度40，冷凝潛熱為373kJ/kg），冷凝液于飽和溫度離開冷凝器（2） 冷卻介質：水 入口溫度15，出口溫度35，流量：自己計算（3） 允許壓強降：不大于150kpa（4） 飽和丁二烯定性溫度下的物性數據：自查（5） 每年按330天計，每天24h連續運行(三）設計內容：1、設計方案的選擇及流程說明2、工藝計算，及校核3、主要設備工

6、藝尺寸設計 （1）立式列管冷凝器結構尺寸的確定 （2）傳熱面積、兩側流體壓降校核 （3）接管尺寸的確定4、設計結果匯總5、換熱器裝備圖及工藝流程圖（手工繪圖要求2號或3號；若計算機繪圖要求3號或4號）6、設計評述設計與選型的具體步驟一估算傳熱面積，初選換熱器型號1.查取冷熱流體在該定性溫度下的物性。2.根據換熱任務，計算傳熱量。3.確定流體在換熱器中的流動途徑。4.計算平均溫度差，并根據溫度差校正系數不應小于0.8的原則，確定殼程數。5.根據兩流體的溫度差和設計要求，確定換熱器的型號6.根據換熱流體的性質及設計經驗，選取總傳熱系數值K選7.根據總傳熱系數方程，初步計算傳熱面積S，并確定換熱器的

7、基本尺寸或按系列標準選設備規格。二計算管殼程壓力降1.殼程壓力降.2.管程壓力降。三核算總傳熱系數1殼程對流傳熱系數2.管程對流傳熱系數3.污垢熱阻4.總傳熱系數K5.K值與K選比較，若K/K選=1.151025，則初選換熱器合適，否則另選K選，重新計算，步驟同上。1、估算傳熱面積，初選換熱器型號 1.1基本物性數據的查取: 因為是用水冷凝1,3-丁二烯，所以其溫度不變，其定性溫度為40此溫度下的丁二烯的物性參數：0=595kg/m3 Cp0=2.0kJ/(kg）p0=0.248W/(m） 0=0.000275Pas冷卻水的定性溫度：T= 15+302 =25（）此溫度下的水的物性參數：i=9

8、96.8kgm3 i=0.0008937Pa sCpi=4.179kJ(Kg) pi=0.6075W(m)2、計算冷凝量、熱負荷、水耗量、普蘭特準數、平均傳熱溫差冷凝量W1=75103600=2.09kgs熱負荷Q=W1r=7510373=2801230kJh=778.1kJs水耗量Wi=QCpit2-t1=28012304.17（35-15）=33587.9kgh=9.33kgs普蘭特準數 Pr=Cpi ipi=4.1610000.00080.616=5.4平均傳熱溫差 t1=40-15=25（） t2=40-35=5()由t1t2=2552tm=t2-t1lnt2t1=5-25ln525=

9、12.43()由R、P值，查圖5-11（a）=1.0，因為0.8，選用單殼程可行。3、確定管徑和初選管速從腐蝕性、傳熱面積和價格三方面綜合考慮后，選用252.5mm無縫鋼管，此管的內徑di=0.02m。 綜合考慮管內Re,管程壓降p及單程管數三方面的因素，水的流速選為0.6 ms。4、估算總傳熱系數K有機物蒸汽-水系統冷凝操作的傳熱系數K值范圍為500-1500W/(m2)Re=diiuii=0.029960.60.0008937=13374i=0.023idi(diuiii)0.8(Cpiii)0.4=0.0230.60750.020(13374)0.8(4.1791030.00089370

10、.6075)0.4=2892.1W/(m2）殼程傳熱系數：假設殼程的傳熱系數0=2500W/(m2）污垢熱阻Rsi=0.00058m2K/WRs0=0.000176m2K/W管壁的導熱系數=45W/(m）K=1doidi+Rsidodi+bdodm+Rso+10=10.0252892.10.020+0.000580.0250.020+0.00250.025450.020+0.000176+12500=554.8W/(m2)5、計算傳熱面積傳熱面積 S=QKtm=778.1103554.812.43=112.83(m2)6、確定換熱器工藝結構尺寸6.1單程管數為：n=Wu4di2=49.330.

11、63.140.022996.8=49.750（根）6.2 單程管長為：l=Sndo=9.3503.140.025=2.4（m）6.3選定換熱器管長l=2m，則管程數Np為Np=2.42=1.2取Np=2程，則總管數為：n=2n=250=100（根）6.4初選換熱器根據S=112.83m2，n=100根，Np=2，選用G700-2-16-158.4列管換熱器，其實際傳熱面積為158.4m2，有關參數如下：公稱直徑DN 700mm 公稱壓力PN 1.6106Pa傳熱面積 158.4m2 管程數Np 管 數 342 管 長 2m管子規格 252.5mm 管心距 32mm管子排列方式 正三角形6.5管

12、程壓降的計算Rei=diiuii其中，ui為選定換熱器的實際操作流速，由下式計算ui=Vin4di2式中 Vi=W=9.33996.8=0.0093（m3/s)n=3422=171(根）所以 ui=0.009317140.022=0.17（m/s）故 Rei=0.020.17996.80.0008937=3792.2由于Rei=3792.2，根據傳熱管相對粗糙度0.0075，查莫狄圖得i=0.039W/（m），又取管程結垢校正系數Ft=1.5，故得管程壓降為pi=pildi+3FtNpiui22=0.03960.02+31.52996.80.1722=635.2N/m250故i=0.023id

13、i(diuiii)0.8(Cpiii)0.4=0.0230.60750.0237920.8(6.15)0.4=1054.1W/(m2）6.7 計算冷凝給熱系數o一般情況下，水平管的冷凝給熱系數大于垂直管的冷凝給熱系數，所以列管換熱器選用水平安裝方式。對于n根水平管束，可用下式計算冷凝給熱系數0=2.0232lnW=2.020.60.2483595263420.00027575103600=3280W/m26.8 計算K值K=1doidi+Rsidodi+bdodm+Rso+1o =10.0251054.100.02+0.000580.0250.020+0.00250.025450.0225+0

14、.000176+13280=408.2W/(m2)6.9 計算傳熱面積及安全系數S=QKtm=778.1103408.212.43=153.4（m2）實際換熱器的傳熱面積為158.4m2，故安全系數為158.4153.4=1.03有合適的傳熱面積裕度，該換熱器能夠完成生產任務。6.10 計算管束與殼體溫差根據對流傳熱速率可得 Q=iS(tw-tw)故tw=QiS+tm=7781001054.1158.4+28.5=33.1而管束的平均溫度為tmg=tw+tw2=40+33.12=36.6()則殼體與管束的溫差為t=T-tmg=40-36.6=3.456.47以上各項計算結果表明，所選型號的換熱

15、器合用。6.11. 計算接管殼程流體進出接管：已知飽和丁二烯蒸汽的密度=2.453kg/m3,取丁二烯流速為25m/s，則丁二烯入口接管內徑為：d=4Vu=4751036002.4533.1425=0.208（m）取標準管徑為207mm，取標準管2196mm取接管內丁二烯流速為u=1.0m/s，則接管內徑為d=4Vu=4751036005953.141.0=0.067（m）取標準管徑為70mm，取標準管763mm管程流體進出接管：取接管內循環水流速u=1.5m/s，則接管內徑為d=4280123036009963.141.5=0.81取標準管徑為150mm，取標準管1594.5mm6.12計算

16、折流板采用弓形折流板，取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=0.3700=210mm取折流板間距 B=0.3D,則B=0.3700=240mm,可取B為300mm。折流板數 N=傳熱管長折流板間距-1=6000300=19塊折流板圓缺面水平裝配。7、換熱器的主要結構尺寸和計算結果表1冷熱流體物性數據表物料名稱操作壓操作溫度污垢系數導熱系數比熱流體密度粘度MPam2K/WW/(mK）kJ/kgKg/m3mPa/s冷卻水0.115/350.000580.60754.179996.80.0008937丁二烯0.1400.0001760.2482.05950.000275表2管程、殼程計算數據表名稱流量流速傳熱量總傳熱系數對流傳熱系數阻力降程數使用材料kg/ hm/sKWW/m2KW/m2KMPa管程33587.90.17778.1408.21054.1635.22無縫鋼管殼程751032801無縫鋼管表3 工藝設備尺寸表換熱器型式換熱面積/m2管子規格管數管長mm管間距mm排列方式折流板型式間距mm切口高度殼體內徑mm固定管板式158.4252.5342200032三角形上下30025%70011