化工原理课程设计列管式换热器

1、材料工程原理B课程设计设计题目：处理量 10 x104吨/年煤油冷却器的设计专业：_班级：学号：姓名：日期：指导教师：设计成绩：日期：设计任务书设计题目处理量10X104吨/年煤油冷却器的设计一.设计要求：1.处理能力:(10X104)吨/年煤油2 .设备型式：列管式换热器二.操作条件1.煤油：入口温度 140C,出口温度 40Co2 .冷却介质：采用循环水，入口温度 30C,出口温度 40C3 .允许压降：不大于 105Pa。4 .煤油定性温度下的物性数据：Pc=825kg/m3,h=7.15C0-4Pas,Cpc=2.22kJ/(kgC),2c=0.14W/(m-C)5 .每年按 330

2、天计，每天 24h 连续生产。三.设计任务选择适宜的列管换热器并进行核算。绘制带控制点的工艺流程图和设备结构图，并编写设计说明书任务下达日期：2015.12.21任务完成日期：2015.12.25指导教师：学生：目录一、概述1.二、设计方案说明1.2.1列管式换热器设计简介1.2.2列管式换热器的类型22.2.1固定管板式2.2.2.2浮头式换热器22.2.3 U型管式换热器.32.2.4填料函式换热器32.3换热器类型的选择32.4流体流径流速的选择.32.5材质的选择4.2.6换热器其他结构的选择4.2.6.1管程结构4.2.7工艺流程草图5.6.确定计算方案6.1选择换热器的类型61流体

3、流径流速的选择6确定物性参数6.估算传热面积7.1热流量7.1平均传热温差7.1传热面积7.1冷却水用量8.工艺结构尺寸8.1管径和管内流速.8.1管程数和传热管数81平均传热温差校正及壳程数91传热管排列和分程方法91壳体内径9.1折流板101接管1.0换热器核算1.01热流量核算101.5壳程表面传热系数101.5污垢热阻和管壁热阻121.5传热系数K1.21.5换热器面积裕度1.21换热器内流体阻力计算.131.5管程流体阻力1.31.5壳程阻力1.3壁温核算1.4水泵15四、换热器主要结构尺寸和计算结果表.16五、设计心得体会17参考资料18主要符号说明1.8课程设计是学习化工设计基础

4、知识，培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过这一实践教学环节，使学生掌握化工单元过程及设备设计的基本程序和方法，熟悉查阅和正确使用技术资料，能够在独立分析和解决实际问题的能力方面有较大提高，增强工程观念和实践能力。为此，学生应在进行本课程设计的实践过程中，以实事求是的科学态度，严谨认真的工作作风完成以下内容。(1)设计方案简介(2)主要设备的工艺设计计算(3)主要设备的结构设计与机械设计(4)典型辅助设备的选型(5)带控制点的工艺流程图(6)主要设备的工艺条件图(7)主要设备的总装配图(8)编写设计说明书二、设计方案说明列管式换热器设计简介列管式换热器的设计、制造、检验与验收必须遵循中华人民

5、共和国国家标准“钢制管壳式(即列管式)换热器”(GB151执行。按该标准，换热器的公称直径做如下规定：卷制圆筒，以圆筒内径作为换热器公称直径，mm钢管制圆筒,以钢管外径作为换热器的公称直径，mm列管式换热器的工艺设计主要包括下列内容：根据生产任务和有关要求确定设计方案；初步确定换热器结构和尺寸；核算换热器的传热能力及流体阻力；确定换热器的工艺结构。列管式换热器的类型5.2.1.%4固定管板式固定管板式换热器是用焊接的方式将管束的管板固定在壳体两端。制造方便，紧凑，造价较低。适用于壳程流体清洁，不易结垢，或者管外侧污垢能用化学处理方法除掉的场合，同时要求壳体壁温与管子壁温之差不能太大，一般情况下

6、，该温差不得大于50Co若超过此值，应加温度补偿装置。通常是在壳体上加一膨胀节。但这种装置只能用在管壁温与壳体壁温之差低于6070C及壳程压力不高的场合.当壳程流体表压超过0.7MPa时，由于膨胀节的材料较厚,难以伸缩而失去对热变形的补偿作用，此时不宜采用这种结构。5.2.2.%4浮头式换热器浮头式换热器是采用法兰把管束一端的管板固定到壳体上，另一端管板可以在壳体内自由伸缩，并在这端管板上加一顶盖后称为“浮头”。这类换热器的主要特点是管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内。管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生热应力。但这种换热器结构较为复杂，造价高，制造安装要求高。适用于壳体壁温与管壁温差较大

7、或者壳程流体易结垢的场合。-vs劣爰旗=/一图1-I-Ittvmttvm ii多袋N?詈HI多小5.2.3.%4U 型管式换热器这类换热器的管束是由弯成U型的传热管组成。其特点是管束可以自由伸缩，不会产生温差应力，结构简单，造价比浮头式低，管外容易清洗。但管板上排列的管子较少。另外由于管束中心一带存在间隙，且各排管子回弯处曲率不同,长度不同，故壳程流体分布不够均匀，影响传热效果。适用于壳程流体易结垢，或壳体壁温与管壁温之差较大的场合，但要求管程流体应较为清洁，不易结垢。图35.2.4.%4填料函式换热器这类换热器具有浮头换热器的优点，克服了固定管板式换热器的缺点，结构比浮头式简单，制造方便，易

8、于检修清洗。但这种换热器密封性能较差，故壳程中不宜处理易燃、易爆或有毒的流体。同时要求壳程流体的压力不宜过高。换热器类型的选择本次设计为煤油冷却器的工艺设计，工艺要求煤油（热流体）的入口温度140C,出口温度40Co采用循环冷却水作为冷却剂降低热的没有温度，冷却水的入口温度30C,出口温度40Co根据换热器的分类与特性，结合上述工艺要求，最大使用温差小于120C,选用固定管板式换热器，又因为管壳两流体温差大于60C,故因选用带膨胀节的固定管板式换热器。流体流径流速的选择循环冷却水易结垢，而固定管板式换热器的壳程不易清洗，且粘度大的流体应走壳程，故选择循环冷却水为管程流体，煤油为壳程流体。根据流

9、体在直管内常见适宜流速，管内循环冷却水的流速初选为ui=1.0m/so材质的选择换热器的设计时，换热器的各种零件，部件的材料应根据设备的操作压力，操作温度，流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺要求来选取。换热器的常用材料有：碳钢和不锈钢。碳钢，价格低强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是比较合理的。据生产要求，冷热流体分别为水和煤油，均无腐蚀性化学性质比较稳定，以及生产经济合理，选择碳钢作为换热器的材料。换热器其他结构的选择5.6.1.%4管程结构换热管的布置和排列间距：常用的换热管有（|）19X2mm（I）25x2mm小25x2.5mm,故可选择

10、换换热管径625x2.5mm=5.6.2.%4壳程结构壳体：直径小于400mm勺壳体通常用钢管制成，壳体大于400mm勺壳用钢板卷焊而成。折流板：常用的为圆形折流板，切缺率通常为20%至50%垂直圆缺用于水平冷凝器，水平再沸器等，选用垂直圆缺。推荐折流板间隔最小值为内径的1/5或小于50mm最大值取决于支持管所必要的最大间隔。此设计中使用折流板问隔为内径的1/4。工艺流程草图列管式换热器热源蒸汽压缩机工艺流程图三、换热器设计计算确定计算方案选择换热器的类型本次设计为煤油冷却器的工艺设计，工艺要求煤油（热流体）的入口温度140C,出口温度40Co采用循环冷却水作为冷却剂降低热的没有温度， 冷却水

11、的入口温度30C,冷却水白出口温度40Co根据间壁式换热器的分类与特性表，结合上述工艺要求，最大使用温差小于120C,选用固定管板式换热器， 又因为管壳两流体温差大于60C,故因选用带膨胀节的固定管板式换热器。流体流径流速的选择根据流体流径选择的基本原则，循环冷却水易结垢，而固定管板式换热器的壳程不易清洗，且循环冷却水的推荐流速大于煤油的推荐流速，故选择循环冷却水为管程流体，煤油为壳程流体。 根据流体在直管内常见适宜流速， 管内循环冷却水的流速初选为ui=1.0m/s,管子选用（|）25X2.5mm的换热管。确定物性参数定性温度：可取流体进口温度的平均值。管程流体的定性温度煤油90c下的物性数

12、据140402=90C30402=35C根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据表1煤油在90c下的有关物性数据循环冷却水在35c下的物性数据密度_3po=825kg/m密度.3pi=994kg/m定压比热容Cpc=2.22kJ/(kgC)定压比热容Cp=4.08kJ/(kgC)导热系数入c=0.14W/(mC)导热系数入i=0.626W/(m-C)粘度邛=7.15M10-4Pas粘度D=7.25M10-4Pas估算传热面积3.3.1 热流量10X107mc=330X24Qc=mccpcAt=12626.26X2.22x(140-40)=2.80X106kJ/h=778.62kW3.

13、3.2 平均传热温差3.3.3 传热面积假设壳程传热系数=400W（m2C）,管壁导热系数九=45W（m2C）则K=298.7W/（m2C）,则估算面积778619o=66.84m2298.7X39考虑15%勺面积裕度，WJ:Ap=1.15X66.84=76.86m2p=12626.26(kg/h)tmAt1-At2(140-40)-(40-30)4ln 瓦140-401n40-30=39cKAtm3.3.4 冷却水用量工艺结构尺寸管径和管内流速选用小25X2.5mM专热管，取管内流速ui=0.5m/s管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数68627.45n=二994X360。叼

14、23根ns冗23.142di2uX0.022X0.544按单程管计算，所需的传热管长度为66.843.14X0.025X123=6.92m按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用标准设计，现取传热管长为l=4.5m,则该换热器的管程数为：L6.92工口N=2官桂pl4.5换热器的总传热管数为Qc2.80X106CpiN4.08X（40-30）=68627.45kg/hApns九d0NT=Npns=123X2=246根ps平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数:140-40c1040-3040-30=0.091140-30按单壳程，4管程结构，温差校正系数查阅有

15、关图表。但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R,PR代替P,查同一图线，可得y=0.83平均传热温差Atm=%t&m=0.83X39=32.37C由于平均传热温差校正系数大于0.8,故取单壳程合适传热管排列和分程方法多管程换热器采用组合排列法，即每一程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方法。取管心距 t=1.25d0,则t=1.2525=32mm隔板中心到离其最近一排管中心的距离为s=L6=22mm2各程相邻管子的管心距为2s=222=44mm横过管束中心线的管数nc=1.19而=1.19XV246-=19根RT1-T2R二t2-t1P=t2-t1

16、T1-L3.4.5 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率“=0.7,则壳体内径为D=1.05tJN/=1.05X32xj24%7=629.88mm按卷制壳体的晋级挡，圆整到D=650mm3.4.6 折流板采用弓形折流板（水平圆缺），取弓形折流板切去的圆缺高度为壳体内径的25%则切去的圆缺高度为h=0.25X650=162.5mm允许的折流板最小间距为壳体内径的20麻50mm（取两者中的较大值）折流板间距 B=DX20%=650X0.2=130mm,取150m七、ay 传热管长 4500,折流板数 NB=+匚法人上喑-1=-1=29 块B折流板间距 1503.4.7 接管壳程流体进出口接管：取接

17、管内煤油流速为U1=1.0m/s,则接管内径为=0.0736m=73.6mm取管内径为80mm管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s,则接管内径为Z.，4X68627.45/（3600X994）D2=V=0.1563m=156.3mm2uu23.14X1取管内径为160mm4X12626.26/(3600X825)3.14X1换热器核算热流量核算壳程表面传热系数采用克恩公式当量直径，由正三角排列得壳程流通截面积/d。、/0.025、2Sc=BD(1-)=0.15X0.65X(1-)=0.021mct0.032壳程流体流速及其雷诺数12626.26.、(3600X825)1=0.

18、20m/s0.021普朗特准数cpM2.22X103X7.15X104Pr=-=11.34%=0.36Re0.55Prde0.14粘度校正0.14110.140一Ja0=0.36XX11.3430.020X4615.380.55X1=586.48w/(m2K)3.5.1.2管内表面传热系数cccc入C0.8C0.4oti=0.023Re Prdi管程流通面积冗2ns3.142Si=di=X0.02444246x2=0.0386m2管程流体流速及其雷诺数det2-Hdl4内X0.0322-3.14X0.0252,J4-d03.140.025=0.020mVcuc=-=cScRec=deUcp0.

19、02X0.20X825=4615.38(10.0007150.14068627.45(3600X994)0.0386Rei=0.02X0.50X9940.000725=13710.34普朗特准数Pr一_3_44.08107.25100.626=4.730.626080426=0.023XX113710.34.X4.73.=2734.36W/(mK)0.023.5.1.2 污垢热阻和管壁热阻查表得管外侧污垢热阻1.72X10-4m2K/W管内侧污垢热阻3.44X10-4m2K/W管壁热阻查表得碳钢在此温度下热导率为48.85b0.002552RW=5.1父10(mK/W)W48.853.5.1.

20、3 传热系数 K1K=;d0Rid0RWd01+R,0+OCidididmOC01=_Z_50.0250.000344X0.0255.1X10X0.025+0.000172+2734.36X0.0200.0200.02252=354.50W/(m2K)1586.483.5.1.4 换热器面积裕度与K对应的计算传热面积QKC%778.62X103=354.50X32.37=67.85m2=0.50m/sUi=该换热器的实际传热面积AP=Ttd0l(N-NC)=3.14X0.025X4.5X(246-19)=80.19m2换热器的面积裕度传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务换热器内流体阻力计

21、算管程流体阻力Pt=pip.$NpFsNs=1,Np=4,Ft=1.5,P=iPr=-Udi22由 Re=27091.6,传热管相对粗糙度0%。=0.0005,查莫迪图得九i=0.0275W/(m2C)流速 Ui=0.988m/s,994kgm4.59940.9882=0.0275=3001.83Papt=3001.831455.43141.5=26743.56：二100kpa管程流体阻力在允许范围之内。壳程阻力ps=炉中0仙FsNs，Fs=1.15Ns=1流体流过管束的阻力Apo=FfcNTc(NB+1)UcAP-AC80.19-67.85H=AC67.85=18.19%0.0229940.

22、9882二1455.43PaF=0.5uc=0.20m/scfc=5.0XReJ228=5.0X4615.38-0.228=0.73ccNTC=nc=1.19.NT=19NB=19_2/、825X0.20Ap0=0.5X0.73X19x(19+1)X2=2288.56Pa流体流过折流板缺口的阻力22Bpuc如=心03.5-6)彳NB=29B=0.15m,D=0.65m2X0.15994X0.202Api=29X(3.5)X=1751.73Pa0.652总阻力Aps=(2288.56+1751.73)X1.15X1=34646.335Pa10kPa因此，壳程流动阻力也比较适宜壁温核算因为管壁很薄

23、，而且壁热阻很小。冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为10C,出口温度为30c核算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。壁温 tw=TmD-5c+1厮Tm=0.4T1+0.6T2=0.4M40+0.6X40=80Ctm=0.4t2+0.6t1=0.4X40+0.6X30=34C线=%=2734.36w/m2C2Koh=%=568.48w/mC80+34传热管平均壁温tw二

24、产4.367568.48=41.92C112734.36+568.48壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=58.55C壳体壁温和传热管壁温之差为母=90-41.92=48C50C 与假设基本一致，不需要膨胀节。3.7 水泵水的流速qm=68627.45kg/h=19.06kg/s水的实际流量为qv0.021=7A3.14X0.164pdu5Re=-=2.74X10(1取 e=0.0002,%=0.001 查表得入=0.042截止阀全开时阻力系数，=6,管入口=0.5,取吸入管路总长 l=5m,换热器高出截面高出水表面 z=7moXu2管路压头损失2Hf=：+2=1.91mfd2g在换

25、热器与蓄水池水表面列伯努利方程，扬程H=Az+2Hf=8.91m根据流量和扬程，可选择泵的型号为IS80-50-200q=qm=0.019m3/s,vPqvmax1.1qv=0.021m3/s=69m3/h1.04m/s四、换热器主要结构尺寸和计算结果表表2换热器型式：带膨胀节的固定管板式换热器管口表换热面积：89.02m2符号尺寸用途连接形式工艺参数aDN80冷却循环水入口平向名称壳程bDN80冷却循环水出口平向物料循环水煤油cDN170煤油入口凹凸面操作压力，MPa0.40.3dDN170煤油出口凹凸面操作温度，C30/40140/40eDN20排气口凹凸面,kg/h68627.45126

26、26.26流体密度，kg/m3994825流速，m/s0.50.2热负荷，kW1695.8厂总传热系数，W/(m2.c)263.9E对流传热系数4734350.4污垢热阻，m2-C/W0.0003440.000172CJ压降，MPa0.001150.003951.程数21推荐使用材料低碳钢低碳钢5对列管管子规格小25X2.5243管长，mm4500管间距，mm32-排列方式正三角形心P折流板1型式弓形水平间距，mm150切口高度25%壳体内径，mm650五、设计心得体会作为高XX专业的学生，我深知化工原理是一门非常重要的专业基础课程，进行适当的设计训练对于加深我对课程的理解是非常重要和有意义的

27、。这是第一次做化工原理课程设计，通过本次设计，我认为自己已经初步掌握化工设计的一些基本知识了。本次设计的是煤油冷却器，根据温差和物性确定本设计的换热器为带膨胀节的固定管板式换热器或浮头式换热器，而鉴于浮头式换热器的造价一股比固定管板式换热器的造价高出二十多个百分点，以降低投资成本为目的，选择带膨胀节的固定管板式换热器。通过本次设计，我学会了如何根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。了解到了工艺设计计算过程中要进行工艺参数的计算。通过设计不但巩固了对主体设备图的了解，还学习到了工艺流程图的制法。通过本次设计不但熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及网上资源，对前面所学课程有了更深的了解。但由于时间较为仓促，查阅的文献有限，本次设计还有