化工原理换热器课程设计.doc

武汉工程大学化工原理课程设计说明书 目 录 摘 要iabstractii第一章 换热器概述11.1概述11.2固定管板式换热器的优缺点31.2.1优点31.2.2 缺点41.3固定管板式换热器的构成及结构特点41.4固定管板式换热器的结构原理4第二章 设计方案的确定及设计计算52.1确定设计方案52.1.1选择换热器的类型52.1.2流动空间及流速的确定52.2确定物性数据62.3计算总传热系数72.3.1热流量72.3.2平均传热温差72.3.3冷却水用量82.3.4总传热系数k82.4计算传热面积102.5工艺结构尺寸102.5.1管径结构尺寸表102.5.2管程数和传热管数102.5.3平均传热温差校正系数及壳程数112.5.4传热管排列和方程方法132.5.5 壳体内径152.6换热器核算172.6.1第一次核算17 2.6.2第二次核算.20 2.6.3第三次核算.252.7接管302.8壳体封头31第三章 换热器内流体的流动阻力333.1管程流动阻力333.2壳程阻力33换热器主要结构尺寸和计算结果汇总36附表及符号说明37设计小结39致谢40参考文献41 摘 要 在化工、石化、石油炼制等工业生产中，换热器被广泛使用。在一般化工厂建设中，换热器约占总投资的11%。在炼油厂的常、减压蒸馏装置中，换热器约占总投资的20%。若按工艺设备重量统计，换热器在石油、化工装置中约占40%。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。 换热器的类型很多，特点混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛。本次设计用循环水对甲苯进行的冷凝，采用列管式换热器中的固定管板式换热器。换热器为单壳程双管程，由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的流量下降，所以应使循环水走管程，其流速为,甲苯走壳程.其流速为。管程工作温度22.5，壳程工作温度50，管程传热面积0.02192平方米，壳程传热面积0.0383平方米，传热管140根，折流板数25块。关键词：固定管板式；换热器；设计；甲苯；总传热系数 abstract in the chemical, heat exchanger is widely used in petrochemical, oil refining and other industrial production . in the general chemical plant construction, heat exchanger accounts for about 11% of the total investment. in atmospheric acuum distillation unit of refinery, the heat exchanger accounts for about 20% of the total investment . if we think about weight according to the process equipment, heat exchanger in oil, chemical plant about 40%.therefore, the design and selection to be used, a very important role in efficient heat exchanger to reduce the equipment cost and operating costs. type of heat exchanger according to the different mode of heat transfer can be divided into: hybrid, regenerative and partitions . partitions heat exchanger is the most widely used . the design of recycled water condensation on methylbenzene fixed tube sheet heat exchanger tube heat exchanger.in this design we condensed methylbenzene with circulating water, using the array of fixed tube plate heat exchanger in heat exchanger. the heat exchanger is a single shell and double tube pass.due to the circulating cooling water are more prone to fouling , if the flow rate is too low, will speed up the dirt growth rate of decline in the flow of the heat exchanger , it should be circulating water to the tube process , methylbenzene go the shell. the flow rate of water 1.2metre per second,and the velocity of methylbenzene is 0.8metre per second . whats more tube side working temperature of 22.5, the shell side working temperature of 50 , the tube heat transfer area of 0.02192 square meters, the shell side heat transfer area of 0.0383 square meters, heat transfer tube 140, a baffle plate number 25 block. keywords：fixed tube plate heat exchanger; heat; design; methylbenzene; the total heat transfer coefficientii 第1章 换热器概述1.1概述换热器的类型很多，特点各异，分类方法也不尽相同。若按其用途分，有加热器、冷却器、蒸发器和再沸器等。按其结构类型分，有列管式、板式、螺旋板式，翅板式、板壳式和翅片管式。按其传热原理和热交换方式分，有直接混合式、蓄热式和间壁式三类，列管式换热器是间壁式换热器的主要类型，也是应用最普遍的一中换热设备。列管式换热器发展较早，设计资料和技术数据较完整，目前许多国家中都已经有系列化标准产品。虽然在换热效率、紧凑性、材料消耗等方面还不及一些新型换热器，但它具有结构简单、牢固、耐用，适应性强，操作弹性大，成本较低等优点，因此是仍是化工、化石、石油炼制等工业中应用最广泛的换热设备，也是各类换热器的主要类型。列管式换热器种类很多，分类方法各异，目前使用的列管换热器主要以无热补偿和补偿办法不同来进行分类。因为列管式换热器在使用时，由于冷、热流体温度不同，使壳体受热不均，其热膨胀程度不同。如果两者温差大于50，就可能使管束扭弯变性，从板管上松脱，甚至整个设备变性、毁坏。所以要从结构上加以改进，以消除或减轻热膨胀的不利影响。这种结构改进方法称为热补偿法或温差补偿法。按有无这种补和不同的补偿办法，可分为三种固定管板式换热器、浮头式列管式换热器、u形管式列管式换热器。 1-挡板 2-补偿圈 3-放气嘴图1-1 带有补偿圈的固定管板式列管式换热器如图1-1是带有补偿圈的固定管板式列管式换热器，当壳程与管束温差较大是，可以依靠补偿圈的弹性形变，来调节壳体与管束之间的不同膨胀，减少温差应力，但这种结构通常适合用于壳体与管束温差低于60-70，壳程流体压力小于600kpa的情况。因为壳程压力过大，补偿圈难以伸缩，将失去热补偿作用。 1-管程隔板 2-壳程隔板 3-浮头 图1-2 浮头式固定管板式列管式换热器如图1-2是浮头式固定管板式列管式换热器，这种换热器中，一端的管板用法兰与外壳连接，另一端的管板不与壳体连接，可沿着管轴方向自由伸缩，并在这块板管上连接一个端盖，称之为浮头。当壳体与管束因温度不同而引起不同热膨胀时，管束连同浮头就可以在壳体内沿着轴管方向自由伸缩，消除温差应力。这种结构复杂，造价也较高，但由于管束可整体从壳体拉出，便于清洁与检修，所以仍是目前应用较广的一种结构形式。 1-u形管 2-壳程隔板 3 -管程隔板 图1-3 u形管式固定管板式列管式换热器如图1-3是 u形管式固定管板式列管式换热器，这种换热器只有一个管板，管程至少为两称，每根管子都变成u形，两端固定在同一管板上。这样，每根管子均可以按管长均可按管长方向自由伸缩，已解决热补偿问题。这种换热器结构简单、质量小，管束可抽取，检修和清洗方便。但管内不易清洗，所以要求管程流体应清洁。另外管板利用率较低，管子更换困难。这种换热器适用于高压和高温场合。 如图1-4固定管板式列管式换热器，目前固定管板式换热器产品达到了一个成熟阶段,凭借其高效、节能、环保的优势,在各行业领域中被频繁使用,并被用以替换原有管壳式和翅片式换热器,取得了很好的效果。图1-4固定管板式列管式换热器1.2固定管板式换热器的优缺点1.2.1优点1、 旁路渗流较小 2、 锻件使用较少，造价低； 3、 无内漏； 4、 传热面积比浮头式换热器大20%30%。5、污垢系数低，检修、清洗方便，产品适用面广。1.2.2 缺点 1、壳体和管壁的温差较大，壳体和管子壁温差t50,当t50时必须在壳体上 设置膨胀节； 2、易产生温差力，管板与管头之间易产生温差应力而损坏； 3、壳程无法机械清洗； 4、管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低；1.3固定管板式换热器的构成及结构特点 固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较多，在相同直径下面积较大，制造较简单。 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。1.4固定管板式换热器的结构原理结构原理：固定管板式换热器管程和壳程中，流过不同温度的流体，通过热交换完成换热。当两流体的温度差较大时，为了避免较高的温差应力，通常在壳程的适当位置上，增加一个补偿圈（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。 第二章 设计方案的确定及设计计算2.1确定设计方案2.1.1选择换热器的类型 由第一章中简介，经比较先择及结合本设计实际情况，两流体温度变化情况：热流体甲苯进口温度,出口温度；冷流体(循环水)进口温度，出口温度选择固定管板式列管式换热器。2.1.2流动空间及流速的确定 在固定管板式式换热器中，对于流体流径的选择一般可以考虑以下几点： (1)不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。(2)腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。 (3)压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。 (4)饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。(5)被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。(6)需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。(7)粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低re(re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。我国现行的系列标准中，管径有，等规格，故选用的碳钢管。由表2-1及表2-2知管内流速取m/壳程流速 表2-1 换热器常用流速的范围介质循环水新鲜水一般液体易结垢液体低粘度油气体管程流速1.02.00.81.50.531.00.81.8530壳程流速0.51.50.51.50.21.50.50.41.0215 表2-2 列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速液体名称乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、 汽油丙酮 氢气安全流速，m/s 2.2确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程甲苯的定性温度为:管程流体水的定性温度为: 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。甲苯在下的有关物性数据如下:密度 定压比热容 导热系数 粘度 循环冷却水在下的物性数据如下:密度 定压比热容 导热系数 粘度 2.3计算总传热系数2.3.1热流量 2.3.2平均传热温差 2.3.3冷却水用量 2.3.4总传热系数k 管程传热系数 由表2-3经分析可知，选择污垢热阻 表2-3 常见流体的污垢热阻rs流体m/kw流体m2/kw水（50）水蒸气蒸馏水0.09优质不含油0.052海水0.09劣质不含油0.09清净的河水0.21液体未处理的凉水塔用水0.58盐水0.172已处理的凉水塔用水0.26有机物0.172已处理的锅炉用水0.26熔盐0.086硬水，井水0.58植物盐0.52气体燃料油0.1720.52空气0.260.53重油0.86溶剂蒸汽0.172焦油1.72管壁的导热系数 假设壳程的传热系数 以外表面积为基准 2.4计算传热面积 考虑的面积和裕度：。2.5工艺结构尺寸2.5.1管径结构尺寸 表 2-4 换热器的规格碳钢、低合金钢142192252.5323383不锈钢192252252.5322.5382.5由上表知，选用mm传热管（碳钢） 2.5.2管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数 按单程管计算，所需的传热管长度为 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程机构。管长：1.5m，2m，3m，4.5m，6m和9m现取传热管长,则该换热器管程为 传热管总根数 n=。2.5.3平均传热温差校正系数及壳程数平均传热温差校正系数 图2-1 对数平均温差校正系数温度校正系数图查得平均传热温差 2.5.4传热管排列和方程方法换热管在管板上的排列方式主要有等边三角形、正方形直列、正方形错列等如下图所示。三角形排列较紧凑，可在一定的管板面积上配置较多的管子数传热效果好，管板强度较高，在管板加工时也便于划线与钻孔。 图2-2换热管排列方式 图2-3管程布置图由上面各个图及分析采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距,则： 横过管束中心线的管数 2.5.5 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径为 圆整后取 2.5.6折流板 图2-4弓形折流板折流板（见上图）作用：为了加大壳程流体的速度，增强湍动程度，以提高壳程流体对流传热系数，往往在壳程内装置折流板。另外折流板对换热管束起着支撑作用，可以防止管子变性。缺点：挡板的存在使流体助力增加，另外挡板和壳体间、挡板和管束间的间隙如过大，部分流体会从间隙流过，产生旁流，严重时可能对流传热系数变小。故一般采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内的（图2-5）则切去的圆缺高度为, 取折流板间距则故可取 （a） 缺口过小 （b)缺口适当 （c)缺口过大 图2-5折流板的排列及长度 折流板数 折流板圆整面水平装配。2.6换热器核算 2.6.1第一次核算壳程对流传热系数对圆缺形折流板；采用克恩公式 当量直径，由正三角形排列得 壳程流体截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数 粘度校正 管程对流传热系数 管程流通截面积 管程流体流速 普兰特准数 传热系数 传热面积 该换热器的实际传热面积 该换热器的面积裕度为 传热面积不太合适，该换热器不能完成生产任务。2.6.2第二次核算.再次假设壳程的传热系数水流速改为1.1m/s.计算步骤与上面同。以外表面积为基准 2.6.2.1计算传热面积 考虑的面积和裕度：。2.6.2.2工艺结构尺寸(1)管径结构尺寸表 表 2-5 换热器的规格碳钢、低合金钢142192252.5323383不锈钢192252252.5322.5382.5由上表知选用mm传热管（碳钢），取管内流速为, (2)管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数 按单程管计算，所需的传热管长度为 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程机构。管长：1.5m，2m，3m，4.5m，6m和9m现取传热管长,则该换热器管程为 传热管总根数 n=。(3)传热管排列和方程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，取管心距,则： 横过管束中心线的管数 (4)壳体内径采用多管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径为 圆整后取(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的；则切去的圆缺高度为, 取折流板间距则故可取 折流板数 折流板圆整面水平装配。2.6.2.3换热器核算壳程对流传热系数对圆缺形折流板；采用克恩公式 当量直径，由正三角形排列得 壳程流体截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数 粘度校正 管程对流传热系数 管程流通截面积 管程流体流速 普兰特准数 传热系数 传热面积 该换热器的实际传热面积 该换热器的面积裕度为 传热面积不太合适，该换热器不能完成生产任务。2.6.3第三次核算.再次假设壳程的传热系数选择水的流速为1.2m/s以外表面积为基准 2.6.3.1计算传热面积 考虑的面积和裕度：。2.6.3.2工艺结构尺寸(1)管径结构尺寸表表 2-7 换热器的规格碳钢、低合金钢142192252.5323383不锈钢192252252.5322.5382.5由上表知选用mm传热管（碳钢），取管内流速为,(2)管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数 按单程管计算，所需的传热管长度为 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程机构。管长：1.5m，2m，3m，4.5m，6m和9m现取传热管长,则该换热器管程为 传热管总根数 n=。(3)传热管排列和方程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，取管心距,则： 横过管束中心线的管数 (4)壳体内径采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为 圆整后取(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的；则切去的圆缺高度为, 取折流板间距则故可取 折流板数 折流板圆整面竖直装配。2.6.3.3换热器核算壳程对流传热系数对圆缺形折流板；采用克恩公式 当量直径，由正三角形排列得 壳程流体截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数 粘度校正 管程对流传热系数 管程流通截面积 管程流体流速 普兰特准数 传热系数 传热面积 该换热器的实际传热面积 该换热器的面积裕度为 传热面积合适，该换热器能够完成生产任务。2.7接管 管程流体进出口接管：水流速为,则按管内径为 取标准管径为。 壁厚为。壳程流体进出口接管：甲苯流速为,则按管内径为 取标准管径为。 壁厚为。 选; 式中 _壳体的计算厚度； mm_壳体的计算压力；mpa_壳体的内直径；mm_壳体材料在设计温度下的许用应力mpa; mpa;_壳体的焊接接头系数; ;则 表2-8壳体直径对应的壁厚参数表 由上表可得：考虑腐蚀及偏差向上圆整取 2.8壳体封头 表2-8常用封头数据由上表知，我们选用下表中数据： 表2-9选取的公称直径对应的各项数据表公称直径dn(mm)曲边高度（mm）直边高度（mm）内表面积a()容积v() 50012525 0.3090.0213 故选用公称直径， 直边高度的封头 第三章 换热器内流体的流动阻力3.1管程流动阻力 图3-1管程流动阻力图据上图3-1知： 上式中：直管中因摩擦阻力引起的压力降，pa; 回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，pa;可由经验公式估算； 结垢校正系数，无因次，的换热器取1.5； 串联的壳程数； 管程数； 由，传热管相对粗糙度为，查莫狄图得 。流速 ， ，所以 3.2壳程阻力 上式中：流体管束的阻力，pa； 流体流经折流板口的阻力，pa; 结垢校正系数，无因次，对液体=1.15,对气体=1.0； 上式中：管子排列方式对压力降的校正系数；三角形排列=0.5，正方形直列=0.3，正方形错列=0.4； 壳程流体的摩擦系数，； 横过管束中心线的管数； 折流板间距，m; 壳体直径，m； 折流板数目； 按壳程流通截面积计算的流速，m/s;总阻力 故壳程流动阻力也比较适宜。综合以上分析之设计的换热器合理。 换热器主要结构尺寸和计算结果汇总 换热器型式：固定管板式换热面积：91.69m工艺参数名称管程壳程物料名称循环水甲苯操作压力，mpa-操作温度，20（入）-25（出）70（入）-30（出）流量kg/h9463127777.8流体密度kg/m3998838流速m/s1.20.2406传热量kw549.4总传热系数w/m2k5864污垢系数w/m2k0.0003443940.00017197阻力降m2k/w0.06949280.004226程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格252.5mm管数 140管长mm9000管心距:mm32排列方式正三角形折流板型式上下间距350mm切口高度25壳体内径，mm500保温层厚度mm10 附表及符号说明 附表1 合理压力降的选取操作情况操作压力，pa(绝)合理压力降，pa减压操作p=01 0.1p低压操作p=11.70.5p1.7110.35中压操作p=11310.351.8较高压操作p=3 81(表)0.72.5 符号说明英文字母 t冷流体温度，； t热流体温度， 有限差值 d管径，m； 对流传热系数，w/；k总传热系数，w u-为流速 re雷诺准数； pr-普朗特准数 -污垢热阻热阻，w l单程管传热管管长，m； b折流板间距，m；h圆缺高度，m； d换热器外壳内径，m； 下标2冷流体； 1热流体； 设计小结忙碌时时间总是过得那么的快，这次课程设计即将结束了，但在这两周里我们不仅学到了许多的知识也学到了许多的做学问的细节态度，并且从中我们感受到了学习的乐趣和团体协作及进取精神。这次化工原理课程设计我们设计的是换热器，我们是小组为单位，然后组员进行讨论来确定实验方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备的计算，并要对我们的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。 在设计中我们对所学知识进行了充分的复习。通过课程设计，我们把专课程中所获得的理论知识在实际的设计工作中综合地加以动用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产实践密切地结合起来。这次设计，初步培养了我们对压力容器设计的工作能力；树立正确的设计的思想。 在设计中我们要兼顾水的流速,甲苯的传热系数，效率，以及中d的系数，真是有点棘手。通过控制变量不断进行对一个变量进行微调直至最后满足要求。过程真是有点难受呀，不过我们组里的换热面积算的还是挺好的，满足了要求，那个压降虽然老师没要求，但我们那个的确有点大。 在设计中，关于公式首先，计算公式必须符合规范的要求，在多种公式中选择更安全、更合理的公式；其次，计算的步骤可以参照书或者其它资料，计