化工原理课程设计-固定管板式冷却器的设计.doc

化工原理课程设计说明书姓 名： 班 级： 应化bg082 系 别： 药化学院 指导教师： 日 期： 2011.01.10 化工原理课程设计任务书1. 设计题目： 固定管板式冷却器的设计2. 设计条件：（1） 处理能力：227301kg（混合气）/；（2） 设备形式：标准列管式换热器； （3） 操作条件： 混合气：入口温度110，出口温度60；压力不大于0.6mpa； 冷却介质：自来水入口温度为30，出口温度为38，压力不大于0.6mpa； 允许压强降：管程、壳程压强降均不大于100kpa，50 kpa；（4） 物性参数： 物性流体温度/m3mpascpkj/(kg)w/（m混合气体85901.510-23.2970.0279井水34994.30.7424.1740.6243. 设计计算内容：（1）传热面积、换热管根数；（2）确定管束的排列方式、程数、折流板的规格和数量等；（3）壳体的内径；（4）冷、热流体进、出口管径；（5）核算总传热系数；（6）管壳程流体阻力校核。4. 设计成果：（1）设计说明书一份；（2）换热器工艺条件图；5. 设计时间：一周。目 录化工原理课程设计任务书2一、 设计概述1.1设计目的及意义：51.2固定管板式换热器的特点二、确定物性数据6三、确定设计方案：63.1选择换热器的类型：63.2流体流入空间的选择7四、估算传热面积74.1计算传热量q74.2传热温差8五、初算传热面积8六、确定换热器工艺结构尺寸86.1选管子规格86.2总管数和管程数86.3确定管子在管板的排列方式：96.4 壳体内径的确定96.5 折流板106.6 其他附件106.7 接管106.71管程流体进出口接管106.72壳程流体进出口接管11取接管内流体流速 u=1.8m/s11七、换热器校核117.1传热面积的校核117.11传热温差的校正117.12 总传热系数k的计算117.3流体流动阻力的核算147.31管程流体阻力147.32.壳程流体阻力14八、设计结果汇总15九、设计评述17十、参考文献171. 王明辉化工单元过程课程设计，北京，化学工业出版社，200217一、 设计概述1.1设计目的及意义：化工原理课程设计是完成基础课程及化工原理课之后，进一步学习化工设计技术的基础知识，培养化工设计能力的重要教学环节，该训练的目的是使学生学会如何运用化工单元操作的基本原理、基本规律以及常用设备的结构和性能的等知识去解决工程上的实际问题；是培养学生正确树立工程观念和严谨的科学作风。通过课程设计，使我们初步掌握化工单元操作设计的基本程序和方法，熟悉查阅技术资料、国家技术标准，正确地选用公式和数据，运用简洁的文字和工程语言正确表达设计思想和结果；提高学生综合运用所学知识，独立解决实际问题的能力。1.2固定管板式换热器的特点固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。 特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。 固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。 固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。 固定管板式换热器的特点是：1、旁路渗流较小；2、造价低；3、无内漏；4、固定管板式换热器的缺点是，壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合。二、 物性参数 物性流体温度/m3mpascpkj/(kg)w/（m混合气体85901.510-23.2970.0279井水34994.30.7424.1740.624混合气定性温度：t=85井水定性温度：t=34三、 确定设计方案： 该设计任务的热流体为混合气，冷流体为井水，为使混合气通过壳体壁面向空气中扩散，提高冷却效果，故使混合气走壳程，另外，井水易结垢，为便于提高流速减少污垢，以及便于清除污垢，使井水走管程。四、 估算传热面积：4.1计算传热量q1、计算热负荷 (忽略热损失)q=qm1cp1(t1-t2)= 227301/36003.297103(110-60)=1.04107w2、冷却水用量(忽略热损失)qm2=q/cp2(t2-t1)=1.04107/4.174103(38-30)=311.45kg/s4.2传热温差先按逆流计算=五、 初算传热面积：参照传热系数k的大致范围：取k=280w/m则估算传热面积a=774.29m则实际传热面积为估算值的1.15倍，则a=1.15774.29=890.44m2六、 确定换热器工艺结构寸6.1选管子规格选用25mm2.5mm的无缝钢管，管长l=9m6.2总管数和管程数总管数 n=1260单程流速 u=0.79m/s按管程流速的推荐范围，选管程流速为=1.6m/s,所以管程数为 m=2所以管程为双管程。6.3确定管子在管板的排列方式：因管程为双管程，故采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列，管板布置如下图：实际排管数为1260排除341根拉杆，则实际换热管为919根。取管心距a=1.25d0，则 a=1.2525=31.2532隔板中心到离其最.近一排管中心距离按式（3-16）计算 s=t/2+6=32/2+6=22各程相邻管的管心距为44。6.4 壳体内径的确定采用多管程结构取管板利用率,壳体内径可按式（3-19）估算。取管板利用率=0.8，则壳体内径为 d=1.05t=1.0532=1333mm按壳体标准圆取整d=1400mm换热器长径比l/d=9/1.4=6.43 可卧式放置。取管板厚度为40mm，设管子与管板焊接时伸出管板长度为3mm，所以换热器的实际传热面积 a=nd0(l-20.04-20.003) =9193.140.025（9-20.04-20.003） =639.17m2管程实际流速 ui= =2.17m/s管程实际流速在推荐范围内。6.5 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%.则切去的圆缺高度为 h=0.251400=350mm，因为0.2db0.8，所以选用双壳程。于是得传热温差校正值为：7.12 总传热系数k的计算7.121 管内传热膜系数雷诺数 re=58157.2 普朗特数 pr=4.96流体被加热，取 =0.023repr = =8818.9w/(m)7.122管外传热膜系数用克思法计算 =0.036repr()管子按三角形排列 当量直径为de= =0.02m壳程流体截面积 s=bd(1-)=0.45(1-)=0.13781m壳程流体流速 u=5.09m/s雷诺数 re=610800 普朗特数 pr=1.77壳程中丁油被冷却，取()=0.95 =0.36=873.35w/(m)7.123污垢热阻和管壁热阻查表可查管外侧污垢热阻: r=0.859810m/w 已知管壁厚度管内测污垢热阻: r=3.439410m/w管壁热阻：不锈钢在该条件需按的导热系数 =45.4w/( m)7.124总传热系数k k= = =537.66w/(m)7.125传热面积校核所需传热面积 该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适，在10%25%范围内，该换热器能够完成生产任务。7.3流体流动阻力的核算7.31管程流体阻力已知 =1,=1,=1.4由re=58157.2500(湍流)，传热管对粗糙度0.1，所以查表得 pa pa 100kpa管程流体阻力在允许范围之内。7.32.壳程流体阻力按下式计算： 已知fs=1.15;ns=1 , 管子按正三角形排列 f=0.5，b=1.1=1.1= 35.56折流挡板间距 b=0.45m折流挡板数 =19壳程流通截面积 = 总阻力=由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。八、 设计结果汇总换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：参数管程壳程进/出口温度/30/38110/60物性定性温度/3485密度/（kg/m3）994.390定压比热容/kj/（kgk）4.1743.297粘度/（pas）0.7421.5热导率（w/mk） 0.6240.0279设备结构参数形式固定式壳程数2壳体内径/1400台数1管径/252.5管心距/32管长/9000管子排列正三角形管数目/根919折流板数/个19传热面积/639.17折流板间距/150管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）2.175.09污垢热阻/（k/w）3.43940.8598阻力/ kpa62.940.1热流量/kw10400传热温差/k37.43传热系数/w/（k）537.66裕度/%15.8%九、 设计评述通过本次设计我对列管式换热器有了更深刻的认识,不仅仅是局限与课本所学的基本内容，从列管式换热器的类型到内部基本结构都有所认识，尤其是其中的传热面积和壳体直径部分,通过查询各种资料和手册，对换热器进行可深入的研究并对其进行优化设计，并正确掌握了过程计算以及工艺设备的设计计算方法，思考了如何兼顾技术上的先进性、可行性、经济上的合理性，学会了用精炼的语言、简洁的文字、清晰的图表来表达自己的设计思想和设计结果。 在进行换热器的选择和设计时,应在满足传热要求的前提下,再考虑其他各项问题.它们之间往往又是互相矛盾的.如:若设计换热器的总传热系数较大,将导致流体通过换热器的阻力增大,相应的增加了动力费用;若增加换热器的表面积,可能使总传热系数或阻力减小,但却又要受到换热器所能允许的尺寸的限制,且换热器的造价也提高了.所以应当综合考虑以