化工13级G杰化工课程设计2-1

1、中国石油大学（华东）化工原理课程设计2-1化工原理课程设计2-1说明书题 目：芳烃冷却器设计学生姓名：郭杰学 号：1303010806专业班级：化学工程与工艺1306 班指导教师：王兰娟2015年 7 月 9日化工原理课程设计（2-1）任务书 专业班级： 化工 1306 学号：1303010806 学生：郭杰 一、 题目芳烃冷却器的设计 二、 设计任务及操作条件工艺流体热流体（苯 51%+甲苯 49%)冷流体（Water）总质量流率/（kgs-1）3128入口温度/9328出口温度/54入口压力（绝压）/k Pa550450允许压力降/k Pa9060污垢热阻/（m2KW-1）0.000150

2、.00016注：热流体组成为质量百分数三、选择合适的列管式换热器并进行核算1 选择合适的换热器； 2 计算热负荷； 3 计算温差和估计传热系数； 4 估算换热面积； 5 计算管程压降和给热系数； 6 计算壳程压降和给热系数； 7 计算传热系数； 8 校核传热面积。 四、设计要求1. 手工计算完成换热器设计与校核； 2. 用 EDR 软件完成换热器的设计、校核； 3. 提交电子版及纸板：设计说明书、计算源程序。 发出日期 2015年7月6日 交入日期 2015年7月11 日 指导教师 王兰娟 目录前 言 1第1章 设计计算3 1.1 确定设计方案3 1.1.1选定换热器类型3 1.1.2选定流体

3、流动空间及流速3 1.2 确定物性数据3 1.3 计算总传热系数3 1.3.1 计算热负荷（热流量） 3 1.3.2 计算逆流平均温度差 3 1.4 总传热系数 K4 1.5 估算传热面积4 1.6 工艺结构尺寸4 1.6.1 管径和管内流速 4 1.6.2 管程数和传热管数 4 1.6.3 平均传热温差校正及壳程数 4 1.6.4 传热管排列和分程方法 4 1.6.5 壳体内径 5 1.6.6 折流板 5第2章 校核计算6 2.1 热量核算6 2.1.1 壳程对流给热系数 6 2.1.2 管程对流给热系数 7 2.1.3 传热K7 2.1.4 传热面积 7 2.2 换热器内流体的流动阻力7

4、2.2.1 管程流动阻力 7 2.2.2壳程流动阻力 8第3章 换热器主要工艺结构参数和计算结果9第4章 EDR设计与校核10 4.1 初步规定10 4.2 EDR设计 10 4.2.1 建立文件 10 4.2.2 设置选项 10 4.2.3 工艺参数 11 4.2.4 物性数据 12 4.2.5 结构数据 12 4.2.6 结果数据 13 4.3 EDR校核 15 4.3.1 换热器评价分析及调整选项 15 4.3.2 EDR校核分析 164.4 EDR设计结果17参考文献18致 谢19附 录 20附录A20附录B22前言前言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；

5、另一种流体则温度较低，吸收热量。3540。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加强。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。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。 换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。 换热器按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形

6、状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等），如表1所示。表1 传热器的结构分类 类 型 特 点 间 壁 式 管 壳 式 列管式 固定管板式 刚性结构 用于管壳温差较小的情况（一般50），管间不能清洗 带膨胀节 有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力 浮头式 管内外均能承受高压，可用于高温高压场合 U型管式 管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难 填料函式 外填料函 管间容易泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质 内填料函 密封性能差，只能用于压差较小的场合 釜式 壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮 双套管式 结构比较复杂，主要用于高温高压场合和

7、固定床反应器中 套管式 能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器 螺旋管式 沉浸式 用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热 喷淋式 只用于管内流体的冷却或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热 螺旋板式 可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用作回收低温热能 平板式 结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净 板壳式 板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高 混合式 适用于允许换热流体之间直接接触 蓄热式 换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合 完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。 （1）合理地实现所规定的

8、工艺条件 （2）安全可靠（3）有利于安装、操作与维修（4）经济合理 24设计计算第1章 设计计算1.1 确定设计方案1.1.1选定换热器类型两流体温度变化情况：热流体（苯 40%+甲苯 60%）入口温度为93，出口温度为54，冷流体（冷却水）入口温度为28，出口温度选为48.两流体的定性温度如下：热流体（苯 40%+甲苯 60%）的定性温度 =（93+54）/2 = 73.5冷却水定性温度 =（28+48）/2 = 38 两流体的温度差 = 73.5-38 = 35.5因该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时冷却水进口温度会降低，因此壳体壁温和管壁温相差较大，故选用带膨胀节的列管式换热器。1.1

9、.2选定流体流动空间及流速因循环冷却水较易结垢，为便于污垢清洗，故选定冷却水走管程，热流体走壳程。同时选用252.5的碳钢管，管内流速取。1.2 确定物性数据两流体在定性温度下的物性数据如下表：表2 两流体在定性温度下的物性流体物性定性温度密度kg/m3粘度 mPa s比热 kJ/(kg)导热系数 W/(m )热流体73.5823.850.32891.8760.1263冷却水38995.190.67844.1880.61731.3 计算总传热系数1.3.1 计算热负荷（热流量）按热流体计算，即 (1-1)1.3.2 计算逆流平均温度差 (1-2)1.4 总传热系数K假设总传热系数5561.5

10、估算传热面积 (1-3)考虑15%的面积裕度，1.6 工艺结构尺寸1.6.1 管径和管内流速选用的碳钢换热管,管内流速。1.6.2 管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定单程传热管数 (1-4) 按单管程计算所需换热管的长度 (1-5)按单管程设计，传热管过长，现取传热管长l=6m，则该换热器的管程数为 (1-6) 传热管的总根数 N=1802=360根1.6.3 平均传热温差校正及壳程数 (1-7) 按单壳程双管程结构查单壳程-P-R图，得=0.84=0.84=0.8434.64=29.10 (1-8) 单壳程双管程属于1-2折流，现用1-2折流的公式计算平均温度差 (1-9)1.6.4

11、传热管排列和分程方法 采用组合排列，即每层内按正三角形排列，隔板两侧按正方形排列。取管心距t=1.25,则t=1.252532mm 横过管束中心线的管数=1.19=1.19=23根1.6.5 壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径，圆整取D=800mm (1-10)1.6.6 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=0.25800=200mm,取h=200mm取折流板间距为B=0.3D=0.3800=240mm,取B=300mm折流板数，折流板圆缺水平安装。1.6.7 接管壳程流体（热流体）进出口接管：取接管内煤油流速为1.0m

12、/s，则接管内径,取标准管径为200mm管程流体（循环水）进出口接管，取接管内循环水的流速为1.5m/s,则接管内径，取标准管径为200mm。 校核计算第2章 校核计算2.1 热量核算2.1.1 壳程对流给热系数对于圆缺形折流板，可采用克恩公式： (2-1)当量直径由正三角形排列得： (2-2)壳程流通截面积： (2-2)壳程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为： (2-3) (2-4) (2-5) 2.1.2 管程对流给热系数 (2-6)管程流通截面积: (2-7)管程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为: (2-8） (2-9) (2-10）2.1.3 传热系数K (2-11）2.1.4 传热面积

13、该换热器的实际换热面积:面积裕度为:换热面积裕度合适，能够满足设计要求。2.2 换热器内流体的流动阻力2.2.1 管程流动阻力 (2-12）（ 结垢校正系数， 管程数， 壳程数）取换热管的管壁粗糙度为0.01mm，则,由于查图得=0.036， (2-12） (2-13）对252.5mm的管子有，且，管程阻力在允许的范围之内。Pa (2-14）2.2.2壳程流动阻力 对壳程有折流挡板时，计算壳程阻力的方法有Bell法、Kern法和Esso法等。Bell法计算结果与实际数据的一致性较好，但计算比较麻烦，而且对换热器的结构尺寸要求较详细。工程计算中常采用Esso法，该法的计算公式如下： (2-15）

14、 （为结垢校正系数，对液体 =1.15，为壳程数）流体流经管束的阻力： (2-16） F为管子排列方式对压强降的校正系数，正三角形排列F=0.5，正方形直列F=0.3，正方形错列时，F=0.4. 为壳程流体的摩擦系数，当 (2-17）为横过管束中心线的管数，=23.折流板间距B=0.3m,折流板数=19 (2-18）流体流经折流板缺口的阻力： (2-19）由于37.66kP90kP,该换热器的管程与壳程压降均满足要求，故所设计的换热器合适。换热器主要工艺结构和计算结果第3章 换热器主要工艺结构参数和计算结果将本换热器的设计计算结果列于下表：表3 换热器主要工艺结构参数和计算结果设备结构参数型式

15、固定管板式换热器壳程数1壳体内径/500台数1管径/202.5管心距/32管长/6000管子排列正三角形管数目/(根)342折流板数/(块)9传热面积/158.7折流板间距/200管程数2材质碳钢管主要计算结果管程壳程流速/0.851.07污垢热阻/0.000160.00015阻力/4.7737.66热流量/传热系数/ 612.3裕度/ 24.7EDR设计与校核第4章EDR设计与校核4.1 初步规定（1）流体空间选择热流体走壳程，冷流体走管程。（2）壳体和封头换热流体为甲苯和乙苯，选择平盖管箱B。冷热流体温差较大，因此选择浮头式换热器，后端选择S,壳体形式选择单壳程。因此，TEMA type

16、选择BEM。（3）换热管选用管外径19mm，壁厚2mm的碳钢换热管。由于壳程流体较脏，且为浮头式换热器，因此换热管选错列正三角形，管间距25mm。（4）折流板选单弓形折流板。（5）换热器方位换热器水平放置，折流板切口方向为水平方向。4.2 EDR设计4.2.1 建立文件 启动EDR软件，在File菜单下选择“ Shells and Tube Exchanger” ，点击OK，选择保存路径，将文件保存。4.2.2 设置选项4.2.3 工艺参数4.2.4 物性数据4.2.5 结构数据4.2.6 结果数据（1）结构参数换热器形式为单台1管程BEM换热器，壳体内径径660mm，管长4500mm，管外径

17、25mm，管壁厚2.5mm，管子排列方式为正三角形，管间距32mm，单弓形折流板。（2） 面积余量 为零，需在校核模式中调整。（3）压降壳侧压降0.1306bar，管侧压降0.0377bar，小于允许压降。（4）流速壳侧最高流速2.14m/s，管侧最高流速1.07m/s，管侧流速偏高，壳侧偏高，在校核模式调节。（5）传热系数总传热系数为702.6W/(m2)，在经验值范围内。（6）传热温差为34.64，无矫正。4.3 EDR校核4.3.1 换热器评价分析及调整选项4.3.2 EDR校核分析分析项目：（1）面积余量圆整后换热器的面积余量为24.7%，符合工艺要求。（2）压力降“Process C

18、onditions”区域所示，壳侧压力降和管侧压力降均小于允许压力降。（3）流速“Velocities”区域所示，换热器壳侧和管侧流速分别为1.07 m/s和0.85m/s，均在合理范围内。（4）传热系数换热器总传热系数为702.6W/m2K，在经验值范围之内。（5）热阻分布热阻集中分布在壳侧，符合原油实际情况，对于浮头式壳侧亦容易清洗。换热器壳侧热阻和管侧热阻分别为总热阻的45.3%和21.4%。（6）压降分布错流、窗口流压降分别61.89%和26.58%，壳侧和进出口管嘴压降分别为4%、2.68%，管侧和进出口管嘴压降分别为7.9%、4.08%，压降分布合理4.4 EDR设计结果 设计出的换热器型号为:。具体的结构参数为：公称直径700 mm；管子为25mm2.5mm的碳钢管，长度为4.5 m，管心距为31.2 mm，管子数为342，管程数为2，排列角度为30；折流板为圆缺率25%的单弓形折流板，间距为480 mm。中国石油大学（华东）化工原理课程设计2-1参考文献1石油化学工程原理（上） 中国石化出版社.2石油炼制及石油化工计算方法图表集 炼制系编.3化学工程手册 化学工业出版社.4冷换设备工艺计算手册 中国石化出版社.5换热器工艺设计6 GB 151-1999管壳式换热器.7 JB/T 4715-92 固定管板式换热器与基本参数.中国石油大学（华东）化工原理