化工原理课程设计报告

1、课程设计任务书设计题目： 水冷却环己酮换热器的设计 一、 设计条件1、 处理能力 53万吨/年2、 设备型式 列管式换热器3、 操作条件a 环己酮：入口温度120，出口温度为43b 冷却介质：自来水，入口温度20，出口温度40c 允许压强降：不大于1×105Pad 每年按330天计，每天24小时连续运行4、 设计项目a 设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。b 换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。c 换热器的主要结构尺寸设计。d 主要辅助设备选型。e 绘制换热器总装配图。 二、设计说明书的内容1、 目录；2、 设计题目及原始数据(任务书)；3、 论述换热器总体结

2、构(换热器型式、主要结构)的选择；4、 换热器加热过程有关计算(物料衡算、热量衡算、传热面积、换热管型号、壳体直径等)；5、 设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等)；6、 主体设备设计计算及说明；目录1. 前言11.换热器简介12. 列管式换热器分类：22. 设计方案简介22.1换热器的选择22.2流程的选择22.3物性数据23. 工艺计算33.1试算33.1.1计算传热量33.1.2计算冷却水流量33.1.3计算两流体的平均传热温度33.1.4计算P、R值33.1.5假设K值43.1.6估算面积53.1.7拟选管的规格、估算管内流速53.1.8计算单程管数53.1.9计算总管数53.1.1

3、0管子的排列63.1.11折流板63.2核算传热系数63.2.1计算管程传热系数63.2.2计算壳程传热系数73.2.3污垢热阻73.2.4计算总传热系数73.3核算传热面积73.3.1计算估计传热面积73.3.2计算实际传热面积83.4压降计算83.4.1计算管程压降83.4.2计算壳程压降83.5附件93.5.1接管93.5.2拉杆94. 换热器结果一览总表105. 设计结果概要111.结果116. 致谢127. 附录131.符号表含义及单位132.管子排列方式图153.换热器主要尺寸示意图164.参考文献165.ChemCAD运行结果161. 前言1.换热器简介换热器是将热流体的部分热量

4、传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。化工生产中所用的换热器类型很多。按其用途分，有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。按其结构分，有列管式、板式等。不同类型换热器，其性能各异，因此要了解各种换热器的特点，以便根据工艺要求选用适当类型，同时还要根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力等。列管式换热器是目前应用最广泛的一种换热设备，设计资料和数据比较完善，目前在许多国家已有系列化标准。列管式换热器在换热效率、紧凑性和金属消耗量等方面不及其他新型换热器，但由于它有结构牢固。适

5、应性大、材料范围广等独特优点，因而在各种换热器的竞争发展中仍占有绝对优势。列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温度差补偿结构来分，主要有以下几种。1) 固定管板式换热器 这类换热器结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能清洗。因此换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接顶盖，顶盖和壳体上有流体进出口管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者热膨胀性质不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在

6、管壁与壳壁温度相差50以上时，为了安全起见，换热器应有温差补偿装置。靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应力。但这种换热器只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强超过588kPa，时，由于补偿圈过早，难以伸缩而失去温差补偿的作用，此时就应考虑其他结构。2) 浮头式换热器 换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以便管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。这种型式换热器的优点为：管束可以拉出，便于清洗；管束的膨胀不受壳体的约束，因而当两种换热流体的温差较大时，不会因管束与壳体的热膨胀量不同而产生温差应力。其缺点

7、是结构复杂，造价高。3) 填料函式换热器 这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式换热器简单，造价也比浮头式换热器低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒介质。4) U形管式换热器这类换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排管数目少。对于列管式换热器，一般要根据换热流体的腐蚀性及其他特性来选择结构与材料，根据材料的加工性能、流体的压力和温度、换热器管程与壳程的温度差的热负荷、检修清洗的要求等因素决定采用哪一类型的列管式换热器。2. 列管式换热器分类： 类型 特点固定管板式刚性结构用于

8、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差补偿能力，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 斧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固定床反应器中2. 设计方案简介2.1换热器的选择在水冷却环己酮换热器设计中，要遵循经济，传热效果好，方便清洗，符合实际需要等原则采用浮头式列管换热器。浮头式换热器的优点为：管束可以拉出，便于清洗；管束的膨胀不受壳体的

9、约束，因而当两种换热流体的温差相差较大时，不会因管束与壳体的热膨胀量不同而产生温差应力。2.2流程的选择在列管换热器中，考虑到冷却水常是工业用水，含有、等盐类，受热后容易析出形成垢层，在管内流体要维持高速，可避免悬浮颗粒沉积，所以冷却水走管程。环己酮为被冷却流体且流量小一般走壳程，便于散热。2.3物性数据 a.定性温度：取流体进出口的平均值管程冷却水定性温度 壳程环己酮定性温度 b.根据定性温度,通过CHEMCAD软件查询可得壳程和管程流体的相关物性参数冷却水在30下相关物性参数：密度 定压比热容 导热系数 粘度 环己酮在81.5下相关物性参数：密度 定压比热容 导热系数 粘度 3. 工艺计算

10、3.1试算 3.1.1计算传热量 3.1.2计算冷却水流量 3.1.3计算两流体的平均传热温度环己酮 120 43冷却水 40 20温差 80 23选取逆流方式: 3.1.4计算P、R值拟采用单壳程，偶数管程的浮头式换热器由上图查得 平均传热温度校正 3.1.5假设K值由环己酮走壳程，冷却水走管程且环己酮为中有机物，查K值大致范围表可得K的范围为290689在此范围内取K=300。管程壳程总传热系数/W/（m3·）水（流速为0.91.5m/s）水冷水冷水冷水盐水有机溶剂轻有机物0.5mPa·s中有机物=0.51mPa·s重有机物1mPa·s水（流速为1m

11、/s）水水溶液2mPa·s水溶液2mPa·s有机物0.5mPa·s有机物=0.51mPa·s有机物1mPa·s水水水水水水水水水（流速为0.91.5m/s）水（流速较高时）轻有机物0.5mPa·s中有机物=0.51mPa·s重有机物1mPa·s轻有机物0.5mPa·s有机溶剂=0.30.55mPa·s轻有机物0.5mPa·s中有机物=0.51mPa·s重有机物1mPa·s水蒸气（有压力）冷凝水蒸气（常压或负压）冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝有

12、机物蒸气及水蒸气冷凝重有机物蒸气（常压）冷凝重有机物蒸气（负压）冷凝饱和有机溶剂蒸气（常压）冷凝含饱和水蒸气的氯气（50）SO2冷凝NH3冷凝氟里昂冷凝5826988141163467814290698116467233582198233233465116349582332326465217453489116310715822908582119329158211434958211631163495817458211631743498141163698930756 3.1.6估算面积 3.1.7拟选管的规格、估算管内流速 管径选择 选用传热管（碳钢） 估算管内流速 取管内流速 3.1.8计算单程

13、管数 单程管数 3.1.9计算总管数 管长 若按单程设计，则传热管过长，因此采用多管程结构 若取传热管长，则该换热器管程数为 则传热管总根数 3.1.10管子的排列 确定管子排列方法 正三角形排列 管心距 穿过中心线管数 取管板利用率为0.8 壳体内径 则在之内 3.1.11折流板 采用弓形折流板（水平圆缺）取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的，则折流板的高度为 折流板间距 板数 3.2核算传热系数 3.2.1计算管程传热系数 流通截面积 流速 雷诺系数 普朗特数 传热系数 3.2.2计算壳程传热系数 当量直径 流通截面积 流速 雷诺系数 普朗特数 传热系数 3.2.3污垢热阻 管程水污垢热阻 壳

14、程环己酮污垢热阻 3.2.4计算总传热系数 则在之间，满足要求3.3核算传热面积 3.3.1计算估计传热面积 3.3.2计算实际传热面积 则在之间，满足要求3.4压降计算 3.4.1计算管程压降 注：结构校正因数，取1.4 ：管程，由前面计算为4 ：串联的壳程数（为1） 由知， 则 3.4.2计算壳程压降 注：校正因数，壳程 ：管子排列方法对压力降的校正系数（三角形排列）取 ：壳程流体摩擦系数。 当时， ：横过管束中心线管子数 ：折流挡板数 3.5附件 3.5.1接管 A.计算管程流体进出口接管的直径 水流速 内径 取 B.计算壳程流体进出口接管的直径 环己酮流速 内径 取 3.5.2拉杆 壳

15、体直径壳体直径/mm拉杆直径/mm最少拉杆数壳体直径/mm拉杆直径/mm最少拉杆数2002501041100128273，400，500，60012412501210800，1000126 查上表可得：拉杆直径， 最少拉杆数为64. 换热器结果一览总表参数管程壳程流率(kg/h)121729.75666920进口温度/20120出口温度/4043压力/MPa0.10.1物性参数定性温度/3081.5密度/（kg/m3）995.7892.994定压比热容/kJ/（kg）4.1742.07569粘度/（mPas）0.8012×0.850161×热导率（W/m）0.61710.1

16、25835普朗特数5.4214.02设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/mm800台数1管径/mm25管心距mm32管长/mm6000管子排列正三角形管数/根480折流板数/个18传热面积/m2226.08折流板间距mm0.32管程数4材质碳钢圆缺高度/mm120拉杆直径及数量12mm，6接管/mm440270主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.2250.372表面传热系数/W/（m2）1388.87854.53污垢热阻/（m2/W）0.3439×0.176×管壁热阻/（m2/W）45阻力/ kPa1.9731613.842113热流量/KW2822温度校正系数0.

17、87传热温差/39.79总传热系数ko/W/（m2）365.245. 设计结果概要1.结果（1）估算管内流速。（2）由计算得管长，取单程管长，符合要求。（3）换热器的长度与壳体直径之比（4）壳程流体流速（5）传热温差校正系数（6）在之间，符合要求。（7）在的范围之内，符合要求。（8）管程压降，符合要求。（9）壳程压降，符合要求。6. 致谢在本次化工原理课程设计的学科学习过程中，我对ChemCAD和AotoCAD软件进行了一些了解，并且在完成设计报告中能够熟练运用这两种软件，同时，在使用WPS Office软件对文字排版有了更进一步的掌握。绘制简单的设备图，查找相关物性参数，对文本进行处理，公式

18、编辑器的使用以及自动生成目录等等，都在这次学习中得到了加强训练。这次换热器的设计，让我复习并更深刻地了解了换热器的相关知识，让我体会到细节的重要性，如果单位看错就可能造成结果的千差万别。估值，是一个不断尝试不断重复的过程，而这个过程总不会一帆顺风，但是过程中也许可以找到小小的联系，不断地尝试之后就意味着离成功不远了。设计课程到此已经即将结束了，在此要非常感谢老师的指导，尤其是期中检查，不仅仅是对我们课程设计的敦促，同时给我们提供了一个上台展示的机会，还提醒了我们在这过程中存在的问题。另外，还要感谢同学的帮助，能够及时解答疑惑。7. 附录1.符号表含义及单位字母意义单位冷流体的定性温度热流体的定

19、性温度密度定压比热容导热系数粘度热流量或或冷流体的质量流量热流体的质量流量温度校正系数按逆流情况求得的对数平均温差有效平均传热温差估算传热面积管子内径管程数按单程计算的管长选定的每程管长换热管的总根数管心距穿过中心线管数壳体内径折流板高度折流板间距折流板数管程流通截面积壳体流通截面积管程流体流速壳体流体流速雷诺系数普朗特数管程对流传热系数壳程对流传热系数当量直径冷却水的污垢热阻环己酮的污垢热阻总传热系数管壁的热导率管壁的厚度实际传热面积估计传热面热管程总压力降单程直管阻力单程局部阻力污垢校正系数壳程总压力降流体流过管的压力降流体流过折流板缺口的压力降结垢校正系数管子排列方式对压力降的校正因数壳

20、程流体的摩擦系数冷流体的流速热流体的流速流体体积流量2.管子排列方式图3.换热器主要尺寸示意图4.参考文献【1】任晓光 化工原理课程设计指导 化学工业出版社 2009.1【2】王志祥 制药化工原理 化学工业出版社2005.5 【3】上课所用PPT5.ChemCAD运行结果 TABULATED ANALYSIS -Overall Data: Area Total m2 226.19 % Excess 16.46 Area Required m2 189.22 U Calc. W/m2-K 405.09 Area Effective m2 220.37 U Service W/m2-K 347.8

21、3 Area Per Shell m2 220.37 Heat Duty MJ/h 1.07E+004 Weight LMTD K 45.73 LMTD CORR Factor 0.8477 CORR LMTD K 38.76Shellside Data: Crossflow Vel. m/sec 3.6E-001 EndZone Vel. 2.2E-001 Window Vel. 2.2E-001 Film Coef. W/m2-K 3451.00 Reynold's No. 10725 Allow Press. Drop Pa 34473.80 Calc. Press. Drop

22、Pa -3429.14 Inlet Nozzle Size m 0.44 Press. Drop/In Nozzle Pa 46.56 Outlet Nozzle Size m 0.44 Press. Drop/Out Nozzle Pa 7.45 Mean Temperature K 303.00 Rho V2 IN kg/m-sec2 54.70 Press. Drop (Dirty) Pa -5829.53Stream Analysis: SA Factors: A 20.23 B 61.80 C 3.10 E 14.87 F 0.00 Ideal Cross Vel. m/sec 0.

23、59 Ideal Window Vel. m/sec 0.34Tubeside Data: Film Coef. W/m2-K 723.11 Reynold's No. 10866 Allow Press. Drop Pa 34473.80 Calc. Press. Drop Pa 6268.43 Inlet Nozzle Size m 0.27 Press. Drop/In Nozzle Pa 49.34 Outlet Nozzle Size m 0.27 Press. Drop/Out Nozzle Pa 21.78 Interm. Nozzle Size m 0.00 Mean

24、Temperature K 354.50 Velocity m/sec 0.55 Mean Metal Temperature K 313.45Clearance Data: Baffle m 0.0100 Outer Tube Limit m 0.7850 Tube Hole m 0.0008 Outer Tube Clear. m 0.0150 Bundle Top Space m 0.0000 Pass Part Clear. m 0.0000 Bundle Btm Space m 0.0000Baffle Parameters: Number of Baffles 17 Baffle

25、Type Single Segmental Inlet Space m 0.500 Center Space m 0.303 Outlet Space m 0.500 Baffle Cut percent 32.000 Baffle Overlap m 0.050 Baffle Cut Direction Horizontal Baffle Cut Basis Diameter Number of Int. Baffles 0 Baffle Thickness m 0.003 Shell: Shell O.D. m 0.83 Orientation H Shell I.D. m 0.80 Shell in Series 1 Bonnet I.D. m 0.80 Shell in Parallel 1 Type AEL Max. Heat Flux Btu/ft2-hr 0.00 Imping. Plate Impingement Plate Sealing Strip 5Tubes: Number 480 Tube Type Bare Length m 6.00 Free Int. Fl Area m2 0.