化工原理课程设计(列式管换热器的设计)

1、化工原理课程设计 题目：列管式换热器的设计前言 换热器是化学、石油化学及石油炼制工业以及其它一些行业中广泛使用的热量交换设备。它不仅可以单独作为加热器、冷却器使用而且是一些化工单元操作的重要附属设备。因此在化工生产中占有重要的地位。本次我的任务是列管式换热器的设计，主要目的是使我对自控设计有较完整的概念，培养我综合运用本门课程及有关选修课程基础理论和基本知识去完成某项单元操作设备设计任务的实践能力，进一步提高设计计算、制图、视图、编写技术文件，查阅参考文献与资料、仪表类型选择的能力。本次设计首先根据所给条件，结合换热介质的物性特征确定换热器的类型。其次，根据流体流动及传热等章节中关于流体阻力，

2、传热面积的计算，初步确定所需要的传热面积。最后经过压降校核、传热校核、压力降阻力的计算，从而确定该设计是否符合列管式换热器的设计要求。目录一 设计任务与条件 .,.2 二 设计计算 . 22.1确定设计方案 . 2 2.1.1 选择换热器类型 . 2 2.1.2 管程安排 . 2 2.3 估计传热面积 . 32.3.1 热流量 （忽略热损失） . 3 2.3.2 冷却水的用量 . 3 2.3.3 平均传热温差 . 3 2.3.4 初算传热面积 . 3 2.4 工艺结构尺寸 . 4 2.4.1 管径和管内流速 . 4 2.4.2 管程数和传热管数 . 42.4.3平均传热温差校正及壳程数 . 4

3、 2.4.4 传热管排列和分程方法 . 5 2.4.5 壳体直径 . 5 2.4.6 折流板 . 5 2.4.7 接管 . 5 2.5 换热器核算 . 6 2.5.1 传热面积校核 . 6 2.5.2 换热器内压降的核算 .8 三 设计结果汇总表及参考文献 . 9一、设计任务与条件某生产过程中，反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水将其从120进一步冷却至50之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为2.0×kg/h，压力为6.9Mpa，循环冷却水的压力为0.4Mpa，循环水的入口温度为27，出口温度为37，试设计一台列式管换热器，完成该生产任务。经查得混合气

4、体在85下有关物性数据：密度=90kg/；=3.297kJ/(kg.)；热导率=0.0279W/(m.)；黏度=1.5×Pa.s。1、 设计计算（一）确定设计方案（1）选择换热器的类型 两流体的温度变化情况为： 热流体进口温度120，出口温度为50； 冷流体进口温度27，出口温度为37.计算出两流体的温差约为46.75，但该换热器采用的是循环冷却水冷却，当在冬季进行操作时，其进口温度会降低，导致两流体的温度差大于50，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大。而浮头式换热器优点是：浮头式换热器的管束连同浮头可以自由伸缩，与外壳的膨胀无关，因而不产生温差应力，而且管束可

5、以抽出，便于清洗管程和壳程，结构坚固，可靠性高适应性广，处理能力大，能承受较高的工作压力。这些优点表明对于管子和壳体间温差大、壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况，浮头式换热器很能适应。综合考虑初步选用浮头式换热器。（2） 管程安排 从两流体的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但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，使换热器的热流量下降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混合气体走壳程。(2） 确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进、出口温度的平均值。故壳程混合气体的定性温度为 T=85管程流体的定性温度为 T=32已知混合气体

6、在85下有关物性数据如下，密度=90kg/；定压比热容=3.297kJ/(kg.)；热导率=0.0279W/(m.)；黏度=1.5×Pa.s。查得循环水在32下有关物性数据：密度=995.21kg/；定压比热容=4.178kJ/(kg.)；热导率=0.619W/(m.)；黏度=0.764×Pa.s。（3） 估算传热面积 (1)热流量（忽略热损失） =200000×3.297×(120-50)=4.62×(kJ/h)=12833.33(kW)（2） 冷却水用量（忽略热损失） =307.16（kg/s）=1105792(kg/h) （3）平均传热温

7、差 先按照纯逆流计算，得 混合气体 12050 冷却水 3727 83 23 =46.75（）（4） 初算传热面积 由于壳程气体的压力较高，故可选较大的K值。 假设 K=280W/(.)， 则估算的传热面积为 =980()(四）工艺结构尺寸管壳式换热器中常用的流速范围流体的种类一般液体易结垢液体气体流速m/s管程0.53.0>1.05.030.0壳程0.21.5>0.53.015.0（1）管径和管内流速 因管程走的是易结垢的流体，所以选用 较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速=1.3m/s。（2）管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程管传热管数 =756 按单程管计算，所需

8、的传热管长度为 L= 按单程管设计，传热管过长，与采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=7m，则传热管的管程数为（管程）传热管总根数 n=平均传热温差矫正及壳程数 平均温差校正系数计算如下按单壳程，双管程结构，查图得平均传热温差 （）由于平均传热温差矫正系数>0.8，同时壳程流体流量较大，选用单壳程可行。（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。（等边三角形的排列的优点是：管板的强度高;流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高，相同壳程内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是：便于清洗

9、列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合。）管间距 相邻两根管子的中心距t称为管间距,管间距小，有利于提高传热系数，且设备紧凑，但由于制造上的限制，一般，为管的外径，这里取管心距，则(mm)隔板中心到离其最近一排管中心距离（mm)各程相邻管的管间距为44mm。（5） 壳体直径 采用多管程结构，壳体直径按 估算。取管板利用率=0.7，则壳体直径为=1.05×32×（mm)按卷制壳体的进级档，可取D=1600mm。（6） 折流板 （折流档板的选用安装折流挡板的目的是为了加大壳程流体的速度,使湍动程度加剧,提高壳程流体的对流传热系数，弓形挡板的弓形缺口过大或过小都不利于传热，还

10、往往会增加流动阻力，通常切去的弓形高度为外壳内径的1040%，,常用的为20%和25%两种） 一般采用弓形折流板，这里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=0.25×1600=400(mm)取折流板间距B=0.3D(，则B=0.3×1600=480（mm)折流板数目（7） 接管 壳程流体进出口接管：根据上表1，取接管内气体流速为，则接管内径为（m)圆整后可取关内径为300mm. 管程流体进出口接管：取接管内液体流速为，则接管内径为(m)圆整后可取关内径为370mm.（5） 换热器校核（1） 传热面积校核管程传热膜系数。按=0.023RePr 当流体

11、被冷却时：n=0.31 =0.023RePr 管程流体流通截面积S=0.785×0.02×=0.2374（m)管程流体流速和雷诺数分别为=1.30(m/s)Re=33868普朗特数Pr=5.16=0.023RePr=0.023×=4898W/(m.)2 壳程传热膜系数。 =0.36Pr(）管子按正三角形排列，传热当量直径为=壳程流通截面积壳程流体流速及其雷诺数分别为（m/s）普朗特数黏度校正冷却时，W/(m.)3 污垢热阻和管壁热阻。查表得管外侧污垢热阻，管内侧污垢热阻。已知管壁厚度,碳钢在该条件下的热导率为，m4 总传热系数K。总传热系数K为5 传热面积校核。传

12、热面积为()6 换热器实际传热面积为S7 换热器的面积裕度为传热面积裕度范围是（1.12.5），所以该传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 图 1摩擦系数与雷诺数Re及相对粗糙度的关系（2） 换热器内压降的核算1 管程阻力结垢校正因子，对管子取1.4由，对于碳钢管，取管壁粗糙度，所以传热管相对粗糙度0.005，由图1中双对数坐标图得，流速 ，。（pa）管程流体阻力在允许范围内。2 壳程阻力。按下式计算其中壳程结垢校正系数，液体取1.5，气体取1.0，所以=1.0流体流经管束的阻力 管子按正三角形排列，当时，对正三角形排列，流体流过折流板缺口的阻力其中，则总阻力由于该换热器壳程流体的操作

13、压力较高，所以壳程流体的阻力比较适宜。换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程壳程流率/（kg/h）1105792200000进（出）口温度/27(37)120(50)压力/Mpa0.46.9物性定性温度/3285密度/(kg/m3)995.2190定压比热容/kJ/(kg·)4.1783.297黏度/Pa·s0.764×1031.5×10（-5）热导率/W/(m·)0.6190.0279普朗特数5.161.773设备结构参数型式浮头式壳程数1壳体内径/mm1600台数1管径/mm25×2.5管心距/mm32管长/mm7000管子排列正三

14、角形管数目/根1512折流板数/个14传热面积/980折流板间距/mm480管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s)1.33.67表面传热系数/W/(·)4898830污垢热阻/(·)/W0.00020.000172阻力/Mpa0.03810.0723热流量/kw12833.33传热温差/K46.75表面传热系数/W/(·)514裕度156符号说明换热器的热负荷，W；、分别为冷、热流体的质量流量，kg/h；、分别为冷、热流体的平均比热容，kJ/(kg.)；、冷流体的进、出口温度，；、热流体的进、出口温度，；传热平均温度差，；S估算的传热面积；串联的壳程

15、数；L传热管长度，m；管程数；温度差校正系数，；，m；，m/s；壳程接管内径，m；管程接管内径，m；Z隔板中心到管中心距离，mm；Re雷诺数；pr普郎特数；位于管束中心线上的管数；因直管摩擦阻力引起的压力降，pa；因回弯阻力引起的压力降，Pa；管程结垢校正系数；K总传热系数，W/(m.)；管程流体流通 截面积，；-壳程流通截面积,；壳程总阻力引起的压降，Pa流体横向通过管数的压降，Pa流体通过折流板缺口处的压降，Pa壳程结垢校正系数;F管子排列方法对压降的校正系数；壳程流体的摩擦系数；串联的壳程数；管程数；折流挡板数；B折流挡板间距；D外壳直径，m；分别为管内径、管外径、平均直径，m；分别为管内、管外对流传热系数，W/(m.)；分别为管内、管外污垢热阻，m.)/W；b换热器的厚度；管壁材料的热导率，W/(m.)；对流传热系数，W/(m.)；分别为液体在主体平均温度、壁温下的黏度；传热当量直径m参考文献1 贾绍义，柴诚敬，张金利.化工原理及实验：上册.北京：高等教育出版社, 20042 柴诚敬, 张国亮. 化工流体流动与传热. 北京: 化学工业出版社, 20073 柴诚敬化工原理（上、下册).北京：高等教育出版社, 20054 国家医药管理局上海医药设计院.化工工艺设计手册.第2版.北