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1、工艺计算算例 工艺计算算例 一、设计题目： 一、设计题目： 设计一台换热器 二、操作条件： 二、操作条件： 1、苯：入口温度 80，出口温度 40。 2、冷却介质：循环水，入口温度 25，出口温度 30。 3、允许压强降：不大于 60kPa。 4、每年按 300 天计，每天 24 小时连续运行。 三、设备型式： 三、设备型式： 管壳式换热器 四、处理能力：四、处理能力： 114000 吨/年苯 工艺计算： 工艺计算： 一 计算热负荷 1. 一 计算热负荷 1. 流体流动途径的确定 流体流动途径的确定 本换热器处理的是两流体均不发生相变的传热过程，且均不易结垢，根据两流体的 情况，故选择苯走换热
2、器的管程，循环水走壳程。 2.确定流体的定性温度、物性数据 2.确定流体的定性温度、物性数据 冷却介质为循环水，取入口温度为：25 ，出口温度为：（25510） 苯的定性温度： 60 2 4080 m T 水的定性温度： 5 . 27 2 3025 m t 两流体的温差： 5 . 325 .2760 mm tT 由于两流体温差不大于 50，故选用固定管板式列管换热器.查手册知: 两流体在定性温度下的物性数据如下: 物性 流体 密度 /m 3 比热KJ/( oC) 粘度 mPas 导热系W/(m oC) 苯 836.6 1.828 0.381 0.151 水 996.35 4.176 0.852
3、 0.613 3计算热负荷和冷却水流量 3计算热负荷和冷却水流量 WTTCWQ phh 53 8 21 1022 . 3 3600/ )4080(10828 . 1 24300 1014 . 1 hkg ttCp Q Wc/ 4 . 15 )2530(10176 . 4 3600322000 ( 3 )12 4计算两流体的平均温度差计算两流体的平均温度差 暂按单壳程、多管程进行计算，逆流时平均温度差为： C t t tt tm 07.29 )2540( 3080 ln 25403080 ln 1 2 12 ， 而 091 . 0 2580 2530 12 12 TT tt P 8 2530 4
4、080 12 21 tt TT R 由化工原理上册页查图 419 可得: 232 P96 . 0 t 所以 Ctt mtm 9 . 2707.2996. 0 ， 又因为 0.96，故可选用单壳程的列管换热器。 8 . 0 二初选总传热系数二初选总传热系数 K 根据低温流体为水，高温流体为有机物（参见化工原理P355）有K值的范围：430 850W/( 2 m oC）, 假设 2 400/KWmC 又因为苯走管程且初选，L= 4.5m 的列管，所以设 mm. 219smui/9 . 0 由 iii nduV 2 4 可求得： - 1 - 单管程的管子根数： 2 2 115369 4 28 300
5、 24 3600 0.0153.14 0.9 4 i ii V n ud 根 5 2 0 0 3.22 10 28.85 400 27.9 m Q Sm Kt 27.17 28019. 014. 3 85.28 0 0 i i nd S L 取管长为 4.5m, 则管程数： 8 . 3 5 . 4 27.17 L L N i p 取管程数为 4 所以总管数： 4 28108 pi nNn根 据此初选固定管板式换热器规格尺寸为： 壳 径 D 600 管 子 尺 寸 192mm 管 程 数 p N 4 管 长 L 4.5 m 管子总数 n 108 管子排列方法 正三角形 三三 核算总传热系数核算总
6、传热系数 ）计算管程对流传热系数）计算管程对流传热系数1 i 2 2 2 04770 . 0 44 150 . 0108 44 md n A ii sm A V u i s i 925 . 0 325.99636002430000477 . 0 114000000 （与假设相一致 合 适） 湍流 4 3 106225. 1 10852. 0 325.996925. 0015. 0 Re ii i ud 8 . 5 613. 0 10852. 010176. 4 Pr 33 p i C 图 壳程摩擦系数 f0与 Re0的关系 所以 - 2 - CmW d i i i 2 4 . 0 8 . 04
7、 3 . 0 8 . 0 /4432 8 . 5)106225. 1 ( 015. 0 613. 0 023. 0 (PrRe023. 0苯被加热） 2）计算壳程对流传热系数）计算壳程对流传热系数 0 换热器中心附近管排中流体流通截面积为： 20 0 0244. 0 032. 0 019. 0 14 . 015. 01m t d hDA 式中 折流挡板间距，取 300； hmm 管中心距，对tmm5 . 225，mmt32。 因为 hkgWC/ 4 . 15 所以 sm A V u s /22 . 0 0244 . 0 6 . 863243003600 114000000 0 0 由正三角形排
8、列得： m d dt de05. 0 019. 014. 3 )019. 0 4 14. 3 032. 0 2 3 (4) 42 3 (4 22 0 2 0 2 24154 10381 . 0 6 . 83622 . 0 05 . 0 Re 3 0 0 苯 ude 因为 在范围内，故可用下式计算 0 Re 3 102 6 101 0 0 3 1 0 Pr36. 0 e d 55. 0 0 Re6 . 4 151. 0 10381. 010828. 1 Pr 33 0 p C 壳程中水被加热，取 ， 05. 1 所以 48405. 1)6 . 4()24154( 05. 0 151. 0 36.
9、 0 3 1 55. 0 0 CmW 2 / 3）确定污垢热阻 ）确定污垢热阻 管内、外侧污垢热阻分别取为： （井水）有机液体），WCmRWCmR sosi /00017. 0(/0002. 0 22 4）总传热系 - 3 - 数 0 K 因为苯为有机物，管子材料选用不锈钢，取其导热系数为/5 .16 W w (moC)，总传热系数 为： 0 K CmW d d d d RR K iii siso 2 44 00 0 0 /360 154432 19 15 19 100 . 2107 . 1 484 1 1 1 1 由前面计算可知，选用该型号换热器时，要求过程的总传热系数为CmW 2 /443
10、，在传热 任务所规定的流动条件下，计算出的为 0 KCmW 2 /526，其安全系数为： 100 360 360443 2 .20 故所选择的换热器是合适的。 四、核算压强降四、核算压强降 1）计算管程压强降）计算管程压强降 NsNFPPP pti21 前面已算出：smui925. 0， （湍流） 4 106225. 1Re i 取不锈钢管壁粗糙度 mm1 . 0 则0067. 0 15 1 . 0 i d ，由化工原理上册第一章 P54 的Re关系图中查得： 033. 08 所以 Pa u d L P i i 4322 2 925 . 0 325.996 015 . 0 5 . 4 033.
11、 0 2 22 1 Pa u P i 5115 2 925 . 0 325.996 3 2 3 22 2 对于的管子 4，Ns=1 mm219 PaPi52847144 . 151154322 - 4 - ）计算壳程压强降）计算壳程压强降 2 NsFPPP s ， 210 其中 2 1115. 1 2 0 01 u NnFfPNsF Bcs ， ， 管子为正三角形排列，取 F=0.4 121081 . 119 . 1 nnc 取折流挡板间距 mh15. 0 折流挡板数：291 15. 0 5 . 4 1 h L NB 壳程流通面积 2 00 025 . 0 019 . 0 124 . 015
12、. 0 mdnDhA c sm A V u s /2 . 0 025 . 0 6 . 836243003600 114000000 0 0 8344 10381 . 0 6 . 8362 . 0019 . 0 Re 3 00 0 ud 500 64 . 0 83440 . 5Re0 . 5 228. 0 228. 0 00 f 所以 PaP7710 2 2 . 0 6 . 836 1291264. 04 . 0 2 1 ， Pa u D h NP B 1334 2 2 . 0 6 . 836 4 . 0 15 . 0 2 5 . 329 2 2 5 . 3 22 0 2 ， PaP104011
13、15 . 1 13347710 0 由上面计算可知，该换热器管程与壳程的压强均满足题目要求，故所选换热器合适。 - 5 - 项 目 壳程（循环水）管程（苯） 项 目 壳程（循环水）管程（苯） 流量，/s 15.4 9.25 温度，（进/出） 25/30 80/40 定性温度， 27.5 60 密度，/m 3 996.325 836.6 比热，kJ/ 4.176 1.828 粘度，Pas 0.82510 -3 0.31810 -3 导热系数，kJ/m 0.613 0.151 物 性 普兰特数 5.29 5.27 壳体外径，mm 600 台数 1 管径，mm 192 壳程数 1 管长，m 4.5 管心距， 32 管数 108 管子排列 正三角形排列 传热面积， 108.4 折流板数 29 折流板距，m 0.3 结 构 参 数 管程数 4 材质 不锈钢 主要计算结果 壳程 管程 主要计算结果 壳程 管程 流速，m/s 0.925 0.22 污垢热阻,()/W 2.0 4 101.7 4 10 传热系数，W/（） 10401 4432 - 6 -
