列管式换热器的选用和设计化工原理课程设计.doc

化工原理课程设计 化工原理课程设计说明书 列管式换热器的选用和设计 苏州科技学院天平学院 班级：应 化11-21 姓名：庄 国 强 指导老师：杨 兰 2013-6-20前言 本书是根据化工原理设计课题“列管式换热器的选用和设计”编写而来的。针对这个课题，我们通过一学期的理论学习，网上查阅，资料图纸相结合的方式对列管式换热器的各个零部件及其具体结构，加工制造方法等有一定的了解，为这次课程设计和本书的编写奠定了基础。在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体一种流体温度较高放出热量另一种流体则温度较低吸收热量。随着我国工业的不断发展对能源利用，开发和节约的要求不断提高因而对换热器的要求也日益提高。换热器的设计，制造，结构改进及传热机理的研究十分活跃一些新型高效的换热器相继问世。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同换热器的类型也多种多样不同类型的换热器各有优缺点性能各异。 本书共分为十个部分：第一部分绪论，主要是对列管式换热器的介绍。第二部分是任务书。第三部分选择换热器。第四部分：工艺计算第五部分：工艺结构。第六部分：核算换热器。第七部分：参数总结。第八部分：涉及感想。第九部分：参数解释。第十部分：参考书目。第十一部分：自己设计的换热机图纸。 由于本人知识有限，经验不足，书中一定存在不少缺点错误，望各位老师提出宝贵的指正意见。 作者：庄国强 目录一、绪论5二、课程设计任务书71.设计任务及条件72.设计项目及内容73.设计结果及要求7三、设计方案和简介81.换热器类型的选择82.管程安排83.确定物性数据8四、工艺计算91.热流量92.平均传热温度93.传热面积94.冷却水用量9五、工艺结构设计101.管径与管内流速102.管程数和传热管数103.平均传热温差校正及壳程数104.传热管排列和分程方法115.壳体内径116.筒体直径核计算117.折流板118.接管129.其他附件12六、换热器核算131.热流量核算132.压力降核算15七、热换器主要结构尺寸和计算结果一览表17八、设计评价19九、符号说明21十、参考书目23十一附件一. 绪论换热器是在工业生产中实现物料之间热量传递过程的一种设备，故又称热交换器。它是化工、炼油、动力和原子能及许多工业部门广泛应用的一种通用设备，是保证工艺流程和条件，利用二次能源实现余热回收和节约能源的主要设备。在化工厂换热器约占总投资的1020%；由于工艺流程不同，生产中往往进行着加热、冷却、蒸发或冷凝等过程。通过换热器热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺需求。管壳式换热器(shell and tube heat exchanger)又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。 根据冷热流体换热方式的不同可将换热器分为混合式换热器、蓄热式换热器和间壁式换热器。其中以间壁式换热器应用最为广泛，型式也最为多样。按换热器传热面形状和结构的特点，间壁式换热器又可分为管式换热器、板式换热器和特殊式换热器三类。列管换热器主要特点： 1、耐腐蚀性：聚丙烯具有优良的耐化学品性，对于无机化合物，不论酸，碱、盐溶液，除强氧化性物料外，几乎直到100都对其无破坏作用，对几乎所有溶剂在室温下均不溶解，一般烷、径、醇、酚、醛、酮类等介质上均可使用。2、耐温性：聚丙烯塑料熔点为164-174，因此一般使用温度可达110-125。3、无毒性：不结垢，不污染介质，也可用于食品工业。4、重量轻：对设备安装维修极为方便。列管式换热器是化工生产中常用的一种换热设备, 结构简单, 适应性强; 单位体积所具有的传热面积大并传热效果好; 而且种类多, 型号全。 二. 化工原理课程设计任务书一、设计任务及条件某化工厂在生产过程中，需将纯苯液液体从80冷却到55，其流量为21000kg/h，冷却介质采用35的循环水。要求换热器的管程和壳程压降不大于10kpa，试设计能完成上述任务的列管换热器。名称苯循环水密度kg/m3828.6992.6比热kj/(kg)1.8414.174导热系数w/(m)0.1290.632黏度ns/m20.3521030.67103二、设计项目及内容1 设计方案：选择换热器类型2 工艺计算：确定换热器型号3 结构设计：确定设备工艺尺寸4 绘制图纸：换热器工艺条件图三、设计任务及条件1.说明书：封面、目录、课程设计任务书、设计方案简介、设计条件及主要物性参数值、工艺计算、工艺结构设计、设计结果一览表、设计评述、参考文献和主要符号说明。2.图纸：换热器工艺条件图（a2），包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表和管口表。三. 设计方案简介一、设计方案的确定1.换热器类型的选择 两流体温度变化情况：热流体进口温度80，出口温度55冷流体进口温度35，出口温度43（根据设计经验，选择冷却水的温升为8）从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用固体管板式换热器。2. 管程安排从二种物流的操作看出，应使苯走管程，循环水走壳程，但由于循环冷却水较易结垢，若流速忒低，将会加快结垢，综合考虑，应使循环水走管程，苯走壳程。这样可以提高冷却效果，便于苯通过壳程向空气中散失。3.确定物性数据定性温度：一般气体和低粘度流体可取流体进出口温度的平均值。纯苯的定性温度为：t= =67.5冷却水的定性温度为：t= =39密度kg/m3比热导热系数黏度ns/m2苯828.61.8410.3521030.129循环水992.64.1740.671030.632四. 工艺计算1.热流量q=whcpo（t1-t2）= 1.841103（80-55）=2.685105w2.平均传热温度苯80 55 冷却水43 353. 传热面积根据流体情况，参照有关资料 假设k估=450w/(m2) 2.685105/(45025.9) = 23 m24. 冷却水用量wc = = 2.685105/4.174103(43-35) =8.05 kg/s = 28975 kg/h五. 工艺结构尺寸1. 管径与管内流速选用 25mmx2.5的碳钢管。取管内流速2. 管程数和传热管数管内径：d=0.025-0.005=0.02nc = = = 52（根） 按单程换热计算，管束长度l为l = = = 5.3（m）按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据设计实际情况采用标准设计，取传热管长l=3m,则该换热器管程数为np = （管程）传热管总根数 n = = 104（根）3.平均传热温差校正及壳程数由书化工原理查得 = 0.94平均传热温差tm = tm = 0.9427.6 = 25.9由于0.8，故取双壳程合适4.传热管排列和分程方法采用组合排列法，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t=1.2 do，则t=1.225=30 (mm)nc= 1.19 = 1.19 =12 (根)分程方法：每一程的管数应该大致相等，采用平方分法，此方法便于接管。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d = 1.05t = 1.0530 =384.00(mm)圆整可取d400mm6. 筒体直径核计算壳体内径d，应等于或大于管板的直径，所以直径的计算可以决定壳体的内径，其表达式为：di=t（ne-1）+2e因为按正三角形排列：ne=1.1=1.1=11取e=1.2d0=1.225=30mm所以di=30（11-1）+230=360mm圆整可取di400mm7.折流板采用圆缺形折流板，取折流板圆缺高度为壳体内径的25，则切去的圆缺高度为h0.25400100(mm)。取折流板间距b0.3d，则b0.3400 120(mm)可取b=150mm折流板数 nb=传热管长/折流板间距-1=3000/150-1=19(块)折流板圆缺面水平装配8.接管壳程流体进出口接管：取接管内纯苯流速为 u1.0 m/s，则接管内径为 d1 = = = 0.095（m）取标准管径为133 mm11mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u1.5 m/s，则接管内径为d2= = = 0.081（m）取76mm6.5mm无缝钢管。9.其他附件本换热器壳体内径为400mm，故其拉杆直径为6 ，最少拉杆数为4，壳程入口处，应设置防冲挡板 六. 换热器核算1. 热流量核算a. 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式当量直径，由正三角形排列得壳程流通截面积壳程流体流速及其雷诺数分别为 = = 0.529 m/sre0 = = = 31131普兰特准数：pr = = = 5.024粘度校正 = = =1663.5w/(m2)b. 管程对流传热系数rei = = = 14815.9（湍流）普兰特准数pr = = =4.42=2858.53w/(m2)c、污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻管内侧污垢热阻碳钢在该条件下的热导率为50 ，所以d、传热系数 =460.2(w/(m2)e、传热面积裕度计算传热面积为：该换热器的实际传热面积为:该换热器的面积裕度为：传热面积裕合适，该换热器能够完成生产任务2. 压力降核算a. 管程流动阻力，由，传热管相对粗糙度，查莫狄图得，流速，所以， 管程流动阻力在允许范围之内。b. 壳程压力降，流体流经管束的阻力：管子为正三角形排列取折流挡板间距为z=0.2m流体流过折流板缺口的阻力，总阻力壳程流动阻力也比较合适。计算结果表明，管程和壳程的压降均能满足设计条件 七. 热换器主要结构尺寸和计算结果一览表设计数据结果一览表参数管程壳程流量（kg/h）2897521000进口温度（）3580出口温度（）4355压力（kpa）常压物性参数定性温度（）3967.5密度（kg/m3）992.6828.6定压比热容（j/(kg)）4.1741.841粘度（pas）0.0003520.000670热导率（w/(m)）0.6320.129普朗特数4.425.024雷诺数14815.931131设备结构参数形式固定式台数1壳体内径（mm）400壳程数2管径（mm)管子排列正三角形管长（mm）3000材质无缝碳钢管数目（根）104折流板数/个19传热面积（m2）24折流板间距/mm200主要计算结果管程壳程流速（m/s）0.50.529表面传热系数(w/(m2)2858.31663.5阻力(kpa)2.6236.111传热量（w）256000传热系数(w/(m2)460.2裕度%6.6 八设计评价课程设计是化工原理课程的一个总结性教学环节，可以培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。课程设计不同于平时的作业，在设计中需要自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己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。 通过课程设计,我以下几个方面的能力得到了提升 (1)查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力； (2)树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力； (3)迅速准确的进行工程计算的能力； (4)用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。经过简单的设计计算，以及相关的核算过程。可以比较出所设计的换热器大致能满足生产要求。其中设计时的计算值k=230w/(m2)，与校核所得的k=274.7 w/(m2)相差不大，且换热器的换热面积303.2m2也有16.3%的裕量，以及最后流动阻力的计算结果都在生产工艺要求的范围之内。说明这次的换热器的设计是可以实现工艺生产的。通过这次设计学习，我们需要耐心地计算好每一步，需要学会在不断地演算中发现问题，并通过查阅资料和联系实际来解决这些问题，。要能够善于前后联系，整体上把握好设计的方向。总的来说，这次的设计还是比较成功的。要想设计更好的，更适合工业化生产的换热器，那还需要大量查阅资料，不断积累经验与相关知识。 九符号说明英文字母因数d折流板间距，mre雷诺准数c系数，无量纲a传热面积，m2d管径，mt冷流体温度，换热器外壳内径，mt热流体温度，f摩擦系数u流速，m/sf系数质量流量，kg/sh圆缺高度r热