化工原理课程设计换热器设计

1、程设计设计任务：换热器班级：13 级化学工程与工艺（ 3）班姓名：魏苗苗学号：90目录化工原理课程设计任务书 2设计概述3试算并初选换热器规格61.流体流动途径的确定62.物性参数及其选型63. 计算热负荷及冷却水流量74. 计算两流体的平均温度差75. 初选换热器的规格7工艺计算101.核算总传热系数10132. 核算压强降设计结果一览表 16经验公式16设备及工艺流程图 17设计评述17参考文献18 化工原理课程设计任务书一、设计题目：设计一台换热器二、 操作条件：1、苯：入口温度80C，出口温度40C。2、冷却介质：循环水，入口温度C。3、允许压强降：不大于 50kPa。4、每年按300

2、天计，每天24小时连续运行三、 设备型式：管壳式换热器四、 处理能力：109000吨/年苯五、设计要求：1、选定管壳式换热器的种类和工艺流程。2、管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸的设计3、设计结果概要或设计结果一览表。出口温度C壳体内部空间利用率70%选疋管程流速u( m/s)1壳程流体进出口接管流体流速u1 (m/s)14、设备简管程流体进出口接管流体流速u2 （m/s）图。（要求 按比例画出主要结构及尺寸）5、对本设计的评述及有关问题的讨论。六、附表：1.设计概述热量传递的概念与意义热量传递是指由于温度差引起的能量转移，简称传热。由热力学第二定 律可知，在自然界中凡是有温差存在时，热

3、就必然从高温处传递到低温处， 因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。化学工业与热传递的关系化学工业与传热的关系密切。这是因为化工生产中的很多过程和单元操 作，多需要进行加热和冷却，例如：化学反应通常要在一定的温度进行，为 了达到并保持一定温度，就需要向反应器输入或输出热量；又如在蒸发、蒸 馏、干燥等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热量。此外，化工设备 的保温，生产过程中热能的合理利用以及废热的回收利用等都涉及到传热的 问题，由此可见；传热过程普遍的存在于化工生产中，且具有极其重要的作 用。总之，无论是在能源，宇航，化工，动力，冶金，机械，建筑等工业部 门，还是在农业，环境等

4、部门中都涉及到许多有关传热的冋题。应予指出，热力学和传热学既有区别又有联系。热力学不研究引起传热 的机理和传热的快慢，它仅研究物质的平衡状态，确定系统由一个平衡状态 变成另一个平衡状态所需的总能量；而传热学研究能量的传递速率，因此可 以认为传热学是热力学的扩展。根据载热介质的不同，热传递有三种基本方式：此外，流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程，即是热由流体传到固体表面（或反之）的过程，通常称为对流传热。换热器的概念、意义及基本设计要求在化工生产中为了实现物料之间能量传递过程需要一种传热设备。这种设 备统称为换热器。在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种 不同的换热

5、过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝。换热器就是用来进行这些 热传递过程的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高的流体传递到 温度较低的流体，以满足工艺上的需要。它是化工炼油，动力，原子能和 其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备，对于迅速发展的化工炼 油等工业生产来说，换热器尤为重要。换热器在化工生产中，有时作为一 个单独的化工设备，有时作为某一工艺设备的组成部分，因此换热器在化 工生产中应用是十分广泛的。任何化工生产中，无论是国内还是国外，它在生产中都占有主导地位换热器设计要求：序号特别要求1对事故工况的校核2对官相隔板强度的校核3各部件吊耳安装位置的校核4浮头式和U形管束固定管板外径延伸

6、，使管板兼作试压法兰时的强度 校核5管板的刚度校核6风载荷和地震载荷的校核7进出口接管承受管线载荷的校核8叠装换热器中，底下那台换热器的校核9鞍式支座的校核10外表油漆干膜厚度的检测11封头热压成形时，终压温度的检测12壳体直线度的检测13氢工况的判别及材料要求1. 3 管壳式换热器的简介它包括：固定管板式换热器、U?型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。管箱和壳体主要决 定

7、管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。螺旋板式换热器、板式换热器一样属于间壁式换热器，其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量 传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体 被加热，进而实现两流体换热工艺目的。2.试算并初选换热器规格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，且水易结垢，根据两流体的情况，故选择循环水走换热器的管程，苯走壳程。确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管换热器的型式冷却介质为循环水，入口温度为：25 C，出口温度为：33 C；苯

8、的定性温度:Tm 叮 602C;水的定性温度:t m= (25+33) /2=29 C；两流体的温差:Tm tm 60 27.5 32.5 C两流体温差不大于50C，不考虑热补偿；故选用固定管板式列管换热器。cp= S水=cp= sCp苯二 0=( kg. oC)Cp水=(kg. oC)苯=(m C)水=(m- C)苯水计算热负荷和冷却水流量Q= W*C 苯*1000* (80-40 ) /3600=Wc=Q*3600/1000/C 水/(32-25)= kg/h计算两流体的平均温度差按单壳程、多管程进行计算，逆流时平均温度差为： t =( t2 t1 ) /ln( t2/ t1)=(80-3

9、3)-(40-25)/l n (80-33)/(40-25)=CP=(t2-t1)/(T2-T1)=(33-25)/(80-40)=R=(T1-T2)/(t2-t1)=(80-40)/(33-25)=5由化工原理上册 P238页查图4 19可得：t=所以 tm=A t * t C不需要热补偿又因为，故可选用单壳程的列管换热器。试算和初选换热器的规格根据低温流体为水，高温流体为有机物(参见化工原理P355)有K值的范围:2430850W/(m C), 假设 K0=300W/(rh C ) 因为水走管程且初选 25* , L= 6m的列管，所以设U=1m/sV Ui di2 ni由4可求得：V=

10、kg/h /*3600)=A3 ni=4V/*=取 37 根S0=Q/( tm*K0)=A2Li =S0/*d *nj=初选管程为Np=3Np=L/L=6=n=Np* n =3*37=111 根 t=*d 0=*25=32mmc=*nA1/2=13 根取整：450mmD=*t* (111/) Ai/2=423mm采用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=*450=,取 h=110mm折流板间距取B=150mm折流板数：皆传热管长/折流板间距-1=6000/150-仁39块折流板圆缺面水平装配壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为u仁1m/s,贝U接管内径为取整d仁90mm管

11、程流体进出口接管：取接管内循环水流速u2=s,则接管内径为d2=4V/*u)A1/2=4*A1/2=取整 d2=100mm壳 径D450 mm管子尺寸25X管程数Np3管长Lm管子总数n111管子排列方法正三角形S1=*111* () =A2若采用此传热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为:K仁Q/(S1* tm)= W/(m 2C )3工艺核算核算总传热系数Ui=Vi/Ai=4*( ni*diA2)=4*(37*4*a2)=s与假设相一致合适Rei=di*ui*10A-3)=湍流Pri =C*图壳程摩擦系数f0与Re0的关系所以a i =*(水 /di)*( Re) *=(W/( 卅.C

12、)换热器中心附近管排中流体流通截面积为:式中h折流挡板间距，取150mmt管中心距，对25 2.5mm， t 32mm因为Wh= (kg/h) =(3600*=所以Uo=Vs/Ao由正三角形排列得：de=4( .3/2 *t 2 4 *d o2)/ d o)=4*(,3/2 * 4因为6Reo在1 10范围内且壳程中苯被冷却，取（卩/卩w）=；所以a。= W/（卅C ）管内、外侧污垢热阻分别取为:Rsi= W/（卅 c ）Rso= W/（卅 c ）忽略管壁热阻、总传热系数 K2为:K2 K。doidi-RsoRsi-d00di1由前面计算可知41919要求过程的总传热系数为2，其安全W/（旷C

13、），在传热任务所规定的流动条件下，计算出的为 （m2C ）系数为：n = () /*100%=%故所选择的换热器是合适的。安全系数过高，说明设计过程中材料浪费，管数是主要影响因素之一，可控制其它条件不变，适当降低管程数，减少总管数。Np=2O= (W/(卅c )K2= (W/(卅C )n = *100%=%符合条件Np=1:K1=(W/(卅C )K2=(W/(卅C )n” = *100%=% 不符合条件n=Np*ni=2*37=74 根t=*d 0=*25=32mmnc=* nM/2=11 根D=*t* (74/) A1/2=345mm取整：450mm采用弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%则

14、切去的圆缺高度为h=*450=，取 h=110mm折流板间距取B=150mm折流板数：比=传热管长/折流板间距-1=6000/150-仁39块折流板圆缺面水平装配壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为u1=1m/s,贝U接管内径为 d1= 4V/*u)F1/2取整d仁90mm管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u2=s,则接管内径为d2=4V/*u)A1/2=4*A1/2= 取整 d2=100mm壳 径D450 mm管子尺寸25X管程数Np2管长Lm管子总数n74管子排列方法正三角形s仁=*74*() 2若采用此传热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为：K仁Q/(S1* tm)= (W/(

15、卅c )计算管程压强降前面已算出：Rei= (湍流)取不锈钢管壁粗糙度 0.1mm 则相对粗糙度/ di=摩擦系数入=所以：计算得： P1= Pa P2= Pa 对于25 X的管子Ft= ，Ns=1，Np=2P i= Pa500Po =( P1+A P2 )*Fs*Ns取 Fs= Ns=1 其中：管子为正三角形排列，取：F=Nc=根取11根NB=39所以 P1= P2=p0 =Pa50000Pa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。4设计结果一览表5经项目管程（循环水）壳程（苯）验公流量，kg /s_ 式温度,C（进/出）80/40-管程-传热对流物定性温

16、度，C60性密度，kg /m3系数比热，kJ/ kgCi 迪粘度，Pa-sx 10-3x 10-3特斯和贝关联导热系数，kJ/m C尔特式：普兰特数壳程对流结壳体外径，mm500台数1传热系数构管径，mm25*壳程数10可用参管长，m6管心距，mm32关联式计数管数150管子排列正方形斜转算：45管程压强传热面积，卅折流板数39管程数5折流板距，m材质不锈钢主要计算结果壳程管程流速，m/s污垢热阻,（m2C ）/W*10A-4x 10A-4传热系数，W/3C）降、：壳程压强降埃索法：6 设备及工艺流程图7 设计评述通过本次课程设计，我对换热器的结构、性能都有了一定的了解，同时，在设计过程 中，

17、我也掌握了一定的工艺计算方法。换热器是化工厂中重要的化工设备之一，而且种类繁多，特点不一，因此，选择合适 的换热器是相当重要的。在本次设计中，我发现进行换热器的选择和设计是要通过反复计 算，对各项结果进行比较后，从中确定出比较合适的或最优的设计，为此，设计时应考虑 很多方面的因素。首先要满足传热的要求，本次设计时，由于初选总传热系数不合适，使 规定条件下的计算结果与初设值的比值不在要求范围内，因此，经过多次计算，才选择到 合适的 K 值为，计算结果为，安全系数为，满足要求。 其次，在满足工艺条件的前提下选择合适的换热器类型，通过分析操作要求及计算，本次 设计选用换热器为上述计算结果。再次，从压强降来看，管程约为 Pa，壳程约为，都远低于要求值（100kPa），因此, 可适当加大流速，从而加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低 污垢热阻，然而，流速增加，流动阻力也会随之增大，动力消耗就增多，因此，作出经济 衡算在确定流速时是相