管壳式换热器课程设计

1、目录d第一部分，甲苯冷凝器的设计设计任 TOC o 1-5 h z 务4设计要求4三、工艺结构尺寸6管径和管内流 HYPERLINK l bookmark97 o Current Document 速6管程数和传热管 HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 数6平均传热温差校正及壳程 HYPERLINK l bookmark105 o Current Document 数6（4）传热管的排列和分程数 TOC o 1-5 h z 法7（5）壳体内 HYPERLINK l bookmark113 o Current Document 径7四、换热器主要

2、传热参数核算8（1）计算管程对流传热系 HYPERLINK l bookmark122 o Current Document 数8（2）计算壳程对流传热系 HYPERLINK l bookmark126 o Current Document 数8（3）确定污垢热 HYPERLINK l bookmark130 o Current Document 阻9（4）总传热系数9第二部分，甲苯冷却器的设计一、试算并初选换热器规 TOC o 1-5 h z 格11流体流动途径的确定11确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管换热器的型式11二、计算总传热系数11计算热负荷11冷却水用量12计算平均传热温度

3、 HYPERLINK l bookmark154 o Current Document 差12总传热系数 HYPERLINK l bookmark134 o Current Document K12估算换热面 TOC o 1-5 h z 积12三、工艺结构尺寸12管 径 和 管 内 流速12管 程 数 和 传 热 管数12平均传热温差校正及壳程 HYPERLINK l bookmark169 o Current Document 数13传热管的排列和分程方 HYPERLINK l bookmark173 o Current Document 法14壳体内径14四、换热器主要传热参数核算15(1

4、)壳程对流传热系数 15管程对流传热系 TOC o 1-5 h z 数 16基于管内表面积的总传热系 HYPERLINK l bookmark195 o Current Document 数 16计算面积裕 HYPERLINK l bookmark198 o Current Document 度17化工原理课程设计任务书一、设计任务题目#.#万吨/年甲苯精馏塔冷凝冷却(水冷)换热系统工 艺设计。二、任务给定条件热流条件：流量为10500kg/h的甲苯蒸汽从120C, 0.14 MPa(绝压) 冷凝到120C, 0.14 MPa(绝压)甲苯液，再冷却到30C； 120C 甲苯汽相热焓140 Kc

5、al/Kg,液相焓53 Kcal/Kg, 30C甲苯液 相焓13 Kcal/Kg ；定性温度80C时甲苯密度810Kg/m3,比热 0.446(Kcal/Kg. C)绝对粘度 0.32(cp),比热 0.104 (Kcal/(m.h. C)。冷流条件新鲜水初始温度25C,循环水初始温度45C,换热后水温升15C。水的物性数据由化原上册附录查取。管壳式换热器类型提示设计压力1.6MPa,要求管程和壳程的压降不大于30kPa,冷 凝采用浮头式，冷却采用固定管板式管壳式换热器。三、设计要求每个设计者必须提交设计说明书和冷凝冷却系统工艺流程 图（A3）。1 .设计说明书必须包括下述内容：封面、目录、设

6、计任务书、设计计算书、设计结果汇总表、 设计自评和符号说明、参考文献等。2.设计计算书应包括的主要内容和设计计算的步骤：1）计算热负荷、收集物性常数。根据设计任务作冷凝冷 却系统热衡算确定流体放热速率或冷流体吸热速率，和新鲜水、 循环水流率。考虑了热损失后即可确定换热器应达到的传热能 力Q;按定性温度确定已知条件中未给出的物性常数。2）根据换热流体的特性和操作参数决定流体走向（哪个走 管程、哪个走壳程）；计算平均温差。3）初步估计一个总传热速率常数K估（查上册附录23）, 计算传热面积A估。4）根据A估初选标准换热器（由换热器手册查取，初定型号 及系列结构参数）；5）换热面积的核算。分别选关联

7、式求出管内、外传热膜系 数，估计污垢热阻，求出总传热速率常数K核，得出所需传热面 积A需，将A需与A实际进行比较，若A实际比A需大15%-25%，则设 计成功；否则重新计算。6）管程和壳程压力降的核算（计算经验公式在换热器手册 查取，若查不到，可使用课本提供的公式代替）。7）接管尺寸的计算。8）冷凝冷却系统工艺流程图说明。9）吨油操作费用和固定资产折旧费用评价（新鲜水3.6元/ 吨，循环水1.6元/吨，8000元/平方米传热面积，换热 器使用年限10年，固定资产投资年利率16%）,（评价比 较你的前、后学号计算结果）。3 .符号说明的格式：分为英文字母、希腊字母，要按字母排序，要写出中文名 称

8、和单位；参考文献的格式：按GB7714-87的要求。完成起始时间2013年3月3日至2013年3月10日发给学生：（签名）指导教师：梁伯行冷凝器工艺设计一、设计任务1处理能力：把6000+500X9=10500Kg/h的120c甲苯蒸汽冷凝成120：匚 甲苯液。2设备形式：浮头式换热器。由于热流体进出口温度都为120C,冷流体 进口温度45匚，出口温度为60匚。冷热流体温度差异不大，壳 程压降较小，因此可以采用浮头式换热器。3已知条件：热流体：入口温度为120 C甲苯蒸汽：冷凝温度120 C冷凝液于 饱和温度下离开冷凝器。冷却介质：循环水。入口温度45L，设定出口温度60，匚。允许压降：液体1

9、0-30kPa，气体1-10kPa。二、设计要求选择适宜的浮头式换热器并进行核算。1浮头式换热器的设计工艺计算书本设计的工艺计算如下：此为一侧流体恒温的浮头式换热器设计2确定立体流动空间冷凝水走管程，甲苯蒸汽走壳程。由于蒸汽比较干净不易 结垢，甲苯蒸汽通过壳壁面向空气中散热，提高冷凝效果的同 时可以及时排除冷凝液。原料液中可能含有杂质、易结垢，所 以原料液走管程便于清洗管子。因碳钢管价格低强度好，预热 器中的流体没有腐蚀性，所以选用碳钢管。3计算流体的定性温度，确定流体的物性数据循环水的定性温度：t = W =竺60 = 52.5。22C甲苯的定性温度：T = L_L = 120 C2根据定性

10、温度查得的物性参数为：名称密度PKg/逐定压比热CpKJ/(Kg -C)导热系 入W/(m -C)粘度口Pa - s汽化热rKJ/Kg120C甲苯液体769.412.0390.38372.28 x10 -4354.6水986.854.1820.64655. 247 x 10-4219.784计算热负荷Qh = w甲 - r = 105003600 - 354.6 x 103 =1034250 W5冷却水耗量-hC 1 At10342504.182 x (60 45)=59354.38Kg / h6计算有效平均温度差120C甲苯蒸汽T:1209120C循环水 t: 60 C45C60 C75C干

11、=67.22 C 1 75 ln一60肉-肉75-60 广Z 一ln 2Z17选取经验传热系数K值根据管程走水，壳程走甲苯汽，总传热系数K = 290 1160W/m2 - C，现暂取 K = 500W/m2 - C。8 估算换热面积S = - = 1034250 = 30.77m2KAt 逆 500 x 67.22三、工艺结构尺寸1、管径和管内流速选用0 25 X 2.5mm较高级冷拔传热管（碳钢10）,取管内流 速 u = 1m/s。2、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N - qv - 59354.38/（769.41 x3600）69 （根）广京厂坎5 X顷2 X按单

12、程管计算，所需的传热管长度为：工二_冬=5.7 (m)兀 d n3.14 x 0.025 x 69选定换热器管长l=3m,则管程数Np为：Np= 539 = 1.9，取管程.二2,则总管数为：m=2X69=138根根据S=30.77m2,m=138根，Np=2，查表，选用固定管板式换热器（JB/T4717-92），其实际传热面积为44.9m2,有关参数如 下：公称直径DN600mm公称压力PN1.6X106Pa传热面积S44.9管程数Np2管数m198管长l3m管子规格25 x 2.5mm管心距32mm管子排列方式：正三角形换热器的实际换热面积S = n兀d0（L - 0.1）= 138 x

13、3.14 x 0.025（3 - 0.1）= 31.42m2该换热器所要求的总传热系数1034250 =489.69W/m2 - C31.42 x 67.223、平均传热温差校正及壳程数依化工单元过程及设备课程设计P63，公式3-13a和3-13b,平均传热温差校正系数R =匚=尝=6 t2-t140-25P = 土L = 40-25 = 0.16T -11120-25平均传热温差校正为t 二甲 XAf 二27.05X0.91=24.62( C)由于平均传热温差校正系数大于0.8,同时壳程流体流量较 大，故取单壳程合适4、传热管的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

14、 采用正方形排列。其中，每程内的正三角形排列，其优点为管 板强度高，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，相同的壳程内可排列更多的管子。查热13 / 33交换器原理与设计P46，表2-3管间距，取管间距:t =32 mm。由化工原理上册P278，公式4-123，得横过管束中心 线的管数为n = 1.1( N = 1.1(138 = 13(根) c由化工单元过程及设备课程设计P67，公式3-16,隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+3=32/2+3=19 mm取各程相邻管的管心距为38mm。5、壳体内径采用多管程结构，取管板利用率n=0.7，由流体力学与 传热P

15、206,公式4-115,得壳体内径为Di =1.05t =1.05X32/138 /0.7=471.77 mm ,查阅化工原理（上）,附录二十三:热交换器，取D =600mm。i6、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=0.25X 600=150 mm ,故可取h=110 mm。取折流板间距 B=0.6D.，则 B=0.6X600=360 mm。取板间距B = 350mm，则:折流板数N二传热管长1 = 30 1=8块B折流板间距350折流板圆缺面水平装配。四、核算总传热系数Ko（1）计算管程对流传热系数ai59354.38=0.017m3/si

16、 3600 x 986.850.0170.022(3.14/4) x (138/2) x 0.0202=0.77m/s=0.022m2Rei0.020 x 0.77 x 986.850.0005247=28964.15 20000（湍流）=3.394.182 x 103 x 0.00052470.6465a = 0.023土Re 0.8 Pr 0-4 = 0.023 x 0.6465 x(28964.15).8 G.39) = 4496.09W./(m2 C)i d i i0.020（2）计算壳程对流传热系数ao壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式a = 0.36 4 Re 0-55

17、Pri/3（ ）0.14o d o 日当量直径，由正三角形排列得AA3 兀3兀4（工 12-d 2） 4（工 X 0.0322-_ 0.0252）d =4= 0.020me-d3.14 X 0.025o壳程流通截面积S = BD （1 -do） = 0.35X0.6X（1-0025） = 0.046m ot0.032壳程流体流速及其雷诺数分别为u = 10500/（3600）= 0.08m/so 0.046X 769.41Re = .02 X 0.8X769.41 = 5399.39o 0.000228普兰特准数2.039x103x0.000228 4 Pr = 1.210.3837粘度校正（

18、工）0.14 = 0.95Pw TOC o 1-5 h z 03837,a = 0.36 xx 5399.390.55 x 1.211/3 x 0.95 = 789.54W (m2 C)o0.02确定污垢热阻R = 1.74 x 10-4 m2 .C/W , R = 1.7197 x 10-4 m2 OC/W总传热系数KK = L.-4 + +R 土 +怛 +R +_!a d1 dXdso a_1 11 mO1=0。25+0.000174 蛭+0.0025x 0。25+0.0001719弁二449609x 0.0200.02045x 0.022578954=5546W (m2 .C)所选换热器

19、的安全系数为554.6 - 489剧x 100 , =13.3 a489.69000 0表明该换热器的传热面积裕度符合要求。求换热器的台数 根据总传热系数，确定传热面积:Q 1034250s = 27.74m 2K 0 M554.6 x 67.22求所需换热管数:S 流通=3.14 X 0.025 X 3=0.2355n =二=27.74 = 118(根)总 s 0.2355流通所需换热器台数:n118198=1（台）预留25%的预备管量以及预留多1台做备用，故选取换热器台 数为2台。所以，根据题目要求所需，总共需要2台浮头式换热器并 联对甲苯蒸汽进行冷凝。换热器的主要结构尺寸和计算结果见表参

20、数管 程冗 程物料名称循环水甲苯流率/ (kg/h)59354.3810500进/出温度/C45/60120/120换热器结构参数换热器类型浮头式换热器壳体内径/mm600壳程数2管径/mm中25X2.5管心距/mm32管长/mm3000管子排列正三角 形管数目/根198管程2传热面枳/m244.9传热系数W / m2 C554.6污垢阻力/ (w/m2 K)0.0001740.000172热流量/W1034250传热温差/c67.5安全系数/%13.3甲苯的冷却一、试算并初选换热器规格流体流动途径的确定本换热器处理的是两流体均不发生相变的传热 过程，且均不易结垢，根据两流体的情况，故选择水走

21、换热 器的管程，甲苯走壳程。确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管换热器的 型式冷却介质为新鲜水，取入口温度为：25 C,出口温度为：（25+ 15） C甲苯的定性温度：T =+ 30 = 75 Cm 2水的定性温度：t = 25 + 40 =32.5C m 2两流体的温差： T -1 = 75 - 32.5 = 42.5 C根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。甲苯在75C下的有关物性数 据冷却水在32.5C下的物性数据密度p =810 kg/m3密度p =994.9 kg/m3定压比cp =1.888定压比cp=4.127热容kJ/(kg C)热容kJ/(kg C)导热系

22、数入 o=0.124W/(m C)导热系 数入i=0.6218W/(m C)粘度H 0=0.000383 Pa - s粘度H i=0.000763Pa s由于两流体温差不大于50C,故选用固定管板式管壳式换热器。二、计算总传热系数计算热负荷Q0 = m 0 Cp、T= 1050 x 1.888 乂 何，(-3)- 3600 = 495600W冷却水用量m = - = 495600 X 3600= 28820.94奴 / hi c (t2 -ti) 4.127x 1000 x (40-25)两流体的温差T -1 = 75 - 32.5 = 42.5。C 10000(湍流)i 日0.000763i

23、p _ 七尸, _ 4.127 x 103 x 0.000763 _ 5 06 % p 0.6218.i以=0.023 土 Re 0.8Pr0.4 = 0.023 x 0.6218 x(13039.32X(5.06*4 = 2680.48W./(m2 .C) i d i i0.020(2)选取经验传热系数K值根据管程走水，壳程走甲苯，总传热系数K = 430 850W/m2 - C，现暂取 K = 600W/m2 C。估算换热面积S = - = 495600 = 30.54m 2KAt 逆 600 x 27.05三、工艺结构尺寸1、管径和管内流速选用0 25 X 2.5mm较高级冷拔传热管(碳

24、钢10),取管内流 速 u= 0.5m/s。2、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N = 次 =28820.94/(994.9x3600)急52 (根)s 一兀 八 0.785 x 0.022 x 0.5 d 2 u30.54按单程管计算，所需的传热管长度为：L =工=3024=7.5 (m) 兀 d 0 n3.14 x 0.025 x 52选定换热器管长l=4.5m,则管程数Np为：N = 75 = 1.7，取管程N =2，则总管数为：m=2X52=104根 p 4.5p根据S=30.54m2,m=104根，Np=2，查表，选用固定管板式换热器，其实际传热面积为28.8m2

25、，有关参数如下：公称直径DN450mm公称压力PN2.5X106Pa传热面积S43.5管程数Np2管数m126管长l4.5m管子规格25 x 2.5mm管心距32mm管子排列方式：正三角形换热器的实际换热面积S = n兀d0(L - 0.1)= 104 x 3.14 x 0.025(4.5 - 0.1)= 35.92m2该换热器所要求的总传热系数Q一 =495600 = 510.07W/m2 - CS 2 逆 35.92 x 27.053、平均传热温差校正及壳程数依化工单元过程及设备课程设计P63，公式3-13a和3-13b,平均传热温差校正系数R = H = 6t2 -ti40-25P =

26、土L = 40-25 = 0.16T - ti 120-25平均传热温差校正为t 二甲 XAf 二27.05X0.91=24.62( C)由于平均传热温差校正系数大于0.8,同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适4、传热管的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。其中，每程内的正三角形排列，其优点为管 板强度高，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，相同的壳程内可排列更多的管子。查热 交换器原理与设计P46，表2-3管间距，取管间距:t =32 mm。由化工原理上册P278，公式4-123，得横过管束中心 线的管数为由化工单元过程

27、及设备课程设计P67，公式n = .：t N = 1.1、： 104 = 12（根） c隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+6=32/2+6=22 mm3-16,取各程相邻管的管心距为44mm。5、壳体内径采用多管程结构，取管板利用率n=0.7，由流体力学与 传热P206,公式4-115,得壳体内径为Di =1.05七丽=1.05X32/104 /0.7=409.6 mm ,查阅化工原理（上）,附录二十三:热交换器，取Di =450mm。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=0.25X450=112.5 mm，故可取 h=110 mm。

28、取折流板间距 B=0.6D.,则 B=0.5X450=270 mm。取板间距B = 250mm，则:折流板数N 二传热管长1 = 450 1=17块B折流板间距250折流板圆缺面水平装配。四、换热器主要传热参数核算1、热量核算(1)壳程对流传热系数对于圆缺形折流板，可采用克恩公式。由流体力学与传 热，公式4-60、4-61,得a = 0.36-oReo.55 Pri/3（，）0.14ew其中:当水做冷却剂时，粘度校正为& )0.14 =1.05Mw当量直径，管子为正三角形排列时，依化工单元过程及设备课程设计，公式3-22得4(里312 -nd 2)d =24 oe n do4(1! X 0.0

29、322-_ X 0.0252)二4=0.0202 m3.14 x 0.025壳程流通截面积，由流体力学与传热P164,公式4-62,S = BD(1 do )=0.25X0.45X(1 21225)=ot0.0320.0246 m2壳程甲苯的流速及其雷诺数分别为u =匕=10500/(3600 x810) =0.i46m/so S0.0246Re =p u d = 0.0202x0.146x810 =6237 21 TOC o 1-5 h z o疽0.000383.普朗特准数（传热传质过程设备设计P26,公式1-43）p _ J。匕 _ 1.888 x 103 x 0.000383 _ 5 8

30、3 r 一气 0.124.o因此，壳程甲苯的传热膜系数a 为一 0.124 一一 ，一、0.02a = 0.36xx6237.210.55 x5.831/3 x 1.05 = 515.65W/(m2 -C)(2)管程对流传热系数由流体力学与传热，公式4-52a、4-52b，得a.二 0.023Re0.8Pr0.3，i其中:程流通截面积S =哇 n =0.022 X 104 X 314 =0.0163 m2.4224程冷却水的流速及其雷诺数分别为U =匕=28820.94/(3600 x994.9) =0.494m/s.S0.0163iRe =P = 0.22x.494x994.9 =13011.68. p .0.000763普兰特准数p _ 七尸._ 4.127 x 103 x 0.000763 _ 5 06 r 一 % 0.6218.i因此，管程冷却水的传热膜系数a.为a =0 . 023 X 13011.680.8 X 5.060.3 X 0.6218.0.02=2