化工原理课程设计

1、 课程设计说明书 化工原理课程设计 课程名称： 化工原理课程设计 课 题： 列管式换热器设计 学 院： 化学与生物工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 班 级： 2013级 1班 姓 名： 刘威 学 号： 201307719 指导老师： 雷 洋 目 录摘 要2概 述3化工原理课程设计任务书5一、 设计题目5二、设计条件5三、设计步骤6四、设计要求6五、设计成果6六、设计考核71.1变换器水冷器设计81.1.1确定设计方案81.1.2确定物性数据81.1.3估算传热面积81.1.4 工艺结构尺寸91.1.5 换热器核算112.1换热器主要尺寸和计算结果153.1流程图18参考文献19附 录20

2、附 图21第 20 页 共 22 页摘 要 换热器是进行热量传递的通用工艺设备，它在炼油、化工及其他工业中广泛应用。按用途可分为加热器、冷却器、冷凝器和蒸发器等。由于生产的规模，传热的要求各不相同，换热器的类型也是多种多样的。换热器按照其传热特征可分为直接接触式，蓄热式和间壁式三大类。在换热器中至少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。传热过程是化工、石油、动力、食品、国防等各工业部门重要的单元操作之一。在建设费方面，换热设备在化工炼油装置中所占的比例，一般可达20%50%。因此，无论从能源的利用，还是从工厂的投资来看，合理的选择和设计换热器，都具有

3、重要的意义。【关键词】 换热器；固定板式换热器；传热面积；核算；校正；概 述 传热设备也简称换热器，是化工、石油、动力、轻工等许多工业部门中应用最为广泛的设备之一。按用途可分为加热器、冷却器、冷凝器和蒸发器等。由于生产的规模，传热的要求各不相同，换热器的类型也是多种多样的。换热器按照其传热特征可分为直接接触式，蓄热式和间壁式三大类。（1） 直接接触式 直接接触式换热器中，冷、热两流体通过直接混合而实现热量交换，在工艺上允许两种流体相互混合的情况下，这是比较方便和有效的，其结构也比较简单。这类换热器常用于气体的冷却和水蒸气的冷凝。（2） 蓄热式 蓄热式换热器简称蓄热器，它主要由热容量大的蓄热室构

4、成，室中可充填耐火砖或金属带等作为填料，如图所示。当冷，热两种流体交替的通过同一蓄热室时，即可通过填料将得自热流体的热量，传递给冷流体达到，换热的目的。为适应连续操作，至少需要两个蓄热器交替使用。这类换热器的结构较为简单，且可耐高温，常用于气体的余热或冷量的利用。给缺点是设备体积较大，而且两种流体交换时难免有一定程度的混合。(3) 间壁式 间壁式换热器特点是在冷热两种流体之间用一金属壁(或石墨等耐腐蚀且导热性较好的非金属壁)隔开，以便两种流体在互不接触情况下进行热量传递。下面简单介绍一下固定管板式换热器。 如图所示的管板式换热器是列管式换热器中结构较简单、使用较广泛的一种。该类型换热器是通过胀

5、接、焊接法等将管束的两端固定在壳体两端的固定板上构成的，由于管板与外壳固定在一起，所以称为固定管板式列管换热器。这类换热器的结构比较简单、质地较轻，造价便宜，在相同的壳程情况下，可较其他类型的列管式换热器多一些换热管，但管外不能机械清洗。 当壳体和管束之间的温差较大（大于50）而壳体承受压力不太高时，仍可采用固定管板式，但需在壳体上加上热补偿结构以消除过大的热应力。可以采用具有温差补偿圈的固定管板式换热器，它依靠膨胀节的弹性变形减少温差应力，但这种装置只能用在壳壁与管壁温差低及管程和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6MPa时，由于补偿圈过厚难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他

6、结构。列管式换热器的标准介绍 列管式换热器的设计、制造、检验预验收必须遵循中华人民共和国国家标准钢制管壳式（即列管式）换热器(GB1511999)执行。按照此标准，对换热器的参数作如下规定。 公称直径（mm）：卷制圆筒，一圆筒内径作为换热器的公称直径，mm；钢管制圆筒，以钢管外径作为换热器的公称直径。 换热器的传热面积（m2）;计算传热面积是以换热管外径为基准，扣除深入管板内的换热管长度后，计算所得到的管束外表面积的总和；公称传热面积指经过圆整后的计算传热面积。 换热器的公称长度（m）：以换热管长度作为换热器的公称长度。换热管为直管时取直管长度；换热管为U型管时，取U型管得直管段长度。 该标准

7、还将列管式换热器的主要组合部件分为前端管箱、壳体和后端结构（包括管束）三部分。该标准将换热器分为、两级，级采用较高级冷拔换热管，适用于无相变和易产生震动的场合。级采用普通冷拔换热管，适用于再沸、冷凝和无震动的一般场合。 化工原理课程设计任务书1、 设计题目：设计中型氮肥厂用变换气水冷立式列管换热器二、设计条件1.热流体：变换气，工作压力为1.4MPa，进口温度为65，要求降到38，变换气流量为95780 kg/h。2.冷流体：水，进口温度为32，出口温度为42，操作压力为0.3MPa。3.已知变换气及冷却水在定性温度下的物性数据：密度（kg/m3）黏度(mPa·s)比热容(kJ/kg

8、·)导热系数（W/(m·)）变换气12.830.01582.4950.0806冷却水9930.7184.1780.6224.两流体均无相变。5.建厂地址：兰州地区6.要求管程和壳程的阻力都不大于50kPa三、设计步骤1.掌握换热器设计概况、设计原则（以概论综述形式体现在说明书中）2.确定设计方案 （1）选择列管换热器的类型 （2）确定冷热流体流动空间及流速 （3）确定冷热流体的定性温度及相关物性数据3.初步估算换热器的传热面积。4.初选换热器的规格5.校核 （1）核算换热器的传热能力及传热面积，要求设计裕度不小于10%，不大于20%。 （2）核算管程和壳程的流体阻力损失。如

9、果不符合上述要求重新进行以上计算。5.将换热器主要结构尺寸和计算结果列表。6.总结设计过程，绘制列管式换热器设计流程图。四、设计要求1.说明书采用统一封面和纸张；2.方案和流程的选择要阐明理由；3设计过程思路清晰，内容完全；五、设计成果1.设计说明书（A4纸，不少于20页） （1）内容包括封面、摘要、目录及页码、任务书、正文、小结、参考文献、附录或符号说明。 （2）格式必须严格按照兰州交通大学毕业设计要求打印。2. 变换气水冷立式列管换热器装配图（A1图纸手绘）六、设计考核1.设计是否独立完成，是否存在抄袭行为；2.设计说明书的编写是否规范；3.结构尺寸计算与图纸是否规范和正确；4.答辩七、参

10、考资料1.化工原理及设备课程设计李芳 化学工业出版社2.化工原理谭天恩（第四版） 化学工业出版社3. 化工原理课程设计贾绍义 天津大学出版社1.1变换器水冷器设计1.1.1确定设计方案（1） 选择换热器的类型 由设计任务确定选择固定管板式换热器。（2）流程安排 压力高的流体流经管内，因为管直径小，承受高压能力好，同时避免了采用高压外壳和高压密封。选择热流体走管程。1.1.2确定物性数据 冷流体定性温度37，热流体定性温度51.5，定性温度下的冷、热流体的物性数据见下表：密度（kg/m3）黏度(mPa·s)比热容(kJ/kg·)导热系数（W/(m·)）变换气12.8

11、30.01582.4950.0806冷却水9930.7184.1780.6221.1.3估算传热面积（1） 热流量 (2)平均传热温差（3） 计算传热面积。假设则，则 （4） 冷却水用量 1.1.4 工艺结构尺寸（1） 换热管管径和管内流速选用25mm×2.5mm较高级冷拔传热管（不锈钢），取管内流速ui=5m/s。（2） 管程数和传热管数 按单程管计算，所需的传热管长度为 长度合适可以按照单管城计算。（3） 换热管排列采用正三角形排列法，根据换热管直径查表可知管中心距为32mm。（4） 壳体内径 按单管程结构，壳体内径按如下图确定。参考卷制壳体的公称直径，可取D=1300mm。(5

12、) 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内经的22%，则切去的圆缺高度为260mm；取折流板间距B=350mm。（6） 接管直径计算 取壳程流体进出口接管按圆整后取接管公称直径为250mm。取u2=13m/s,则按圆整后接管公称直径为450mm。1.1.5 换热器核算 （1）热流量核算管内表面传热系数变换气被冷却，n取0.3，管程流通面积故壳程表面换热系数壳程当量直径de和流速u0为 注：粘度校正系数为1。污垢热阻和管壁热阻 查表选取污垢热阻 Rd0=0.0008598。式中 Tm热流体的平均温度； tm冷流体的平均温度管材料选用不锈钢304，然后查表，利用内插法得到。传热系数K计

13、算 得传热面积裕度实际传热面积10%14.5%20% ，所以在合理范围内（2） 换热器内流体阻力核算管程流体阻力 Ns=1, Np=1, Ft= 1.4,由Re=85774.2查得绝对粗糙度为0.1，传热管相对粗糙度，查莫迪图i=0.03。则则， 管程流动阻力在允许范围内。壳程阻力Ns =1 Ft =1.15，流体流经管束的阻力其中，F= 0.5，则流体通过折流板缺口的阻力总阻力，壳程阻力也较适宜。2.1换热器主要尺寸和计算结果。换热器主要尺寸和计算结果参数管程（热流体）壳程（冷流体） 流量95780154433 平均相对分子质量18 温度（进口/出口）/65/3832/42 压力/MPa1.

14、40.3物性定性温度/密度/12.83993定压比热容/2.4954.178粘度/1.58×10-57.18×10-5热导率/0.08060.622普朗特数设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/mm1300壳程数1管长/mm4550管心距/mm32管径/mm25×2.5管子排列三角形管数目/根1321折流板数/个12传热面积/m2471.8折流板间距/m0.35管程数1材质 流速/5.050.434 表面传热系数/639.43300 污垢热阻/0.00017190.0008598 阻力236417968 热流量1792.28 传热温差/12.65 传热系数/3

15、51.1 裕度/%14.5%3.1流程图确定设计方案根据物性数据，估算传热面积 确定结构尺寸10%裕度20%pi50kPap050kPa 换热器核算 换热器符合要求结束 参考文献1 王元文.管壳式换热器的优化设计J.广东化工,2005,3:43-44.2 董宝春. 管壳式换热器的工艺设计J.甘肃石油和化工,2009,9(3):34-38.3 解小銮.管壳式换热器设计的几个问题J.石油和化工设备,2011,11:22-24.4 中国石化集团上海工程有限公司 化工工艺设计手册(第三版)上册 M 北京:化学工业出版社,2003,264-331.5 刘巍 等 冷换设备工艺计算手册(第二版)M 北京:中

16、国石化出版社,2008.6 陆恩锡,张慧娟.化工过程模拟原理与应用 M 北京:化学工业出版设,2011.37 JB/T4715-92,固定管板式换热器型式与基本参数S.8 JB/T4714-92,浮头式换热器型式与基本参数S.9 JB/T4717-92,U 型管式换热器型式与基本参数S.10 王新,张湘凤.管壳式换热器的设计计算J.小氮肥设计技术,2006,27(2):6-8.11 夏清,陈常贵等.化工原理上册 M 天津:天津大学出版社,2005.12 钱颂文,廖景娱等译 换热器设计手册 M 北京:中国石化出版社,2004.13 祁玉红.三种换热器的比较 J.青海大学学报(自然科学版),2006,24(6).14 董其伍,刘敏珊,苏立建.管壳式换热器的研究进展 J.化工设备与管道,2006,43(6).15 秦叔经,叶文邦等.换热器M. 北京:化学工业出版社,2003.附 录热流体质量流量，； 冷流体质量流量，；体积流量，； 热流体定压比热容，；冷流体定压比热容，；热流体进出口温差，；热负荷，； 热损失；对数平均传热温差，； 平均传热温差，；P、R因数； 温度校正系数；K总传热系数，； 估算传热面积，；传热面积，； 管径，mm；管内径，mm 管外径，mm；