化工原理课程设计

TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1前言 2\o"CurrentDocument"1.1固定管板式换热器 2\o"CurrentDocument"2列管式换热器的工艺设计 3\o"CurrentDocument"试算和初选换热器的规格 3计算热负荷 3计算两流体的平均温度差 3初选换热器规格 4\o"CurrentDocument"核算压强降 4管程压强降 4\o"CurrentDocument"核算总传热系数 6管程对流传热系数ai 6壳程对流传热系数ao 6污垢热阻 7总传热系数KO 7列管式换热器设计朱婉琴（新疆工业高等专科学校乌鲁木齐830091）摘要：本次课程设计是列管式换热器的设计。列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计，其中以热力设计最为重要。列管式的换热器的设计内容主要包括根据换热任务和有关要求确定设计方案，试算和初选换热器的规格；核算管程、壳程压强降；核算总传热系数。本组选择的换热器为G40040163型换热器，计算结果为:K的估计值为450,K^q计算值是555，45H1.23,在1.15-1.25范围内，所选换热器合适。K, 450关键词：列管式换热器；设计；计算；结论1前言换热设备是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在化工、石油、轻工、食品、动力、制药、冶金等许多工业部门中广泛应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中，换热器占设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。随着环境保护要求的提高，近年来，加氢装置的要求越来越多，如加氢裂化，煤油加氢，汽油、柴油加氢和润滑油加氢等，所需的高温、高压的换热设备的数量随之加大，在这些场合，换热设备通常占总投资的50%以上。换热设备也是回收余热、废热，特别是地位热能的有效装置。列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质可分别采用普通碳钢、紫铜或不锈刚制作。在进行换热时，一种流体由封头的连接管处进入，在管内流动，从封头另一端的出口管流出，这称为管程；另一种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种。1.1固定管板式换热器这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此类换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两边，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时，管子和管板于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，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，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。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60-70℃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，就应考虑其他结构。

2列管式换热器的工艺设计第四小组设计任务和设计条件某厂用冷却水冷却从反应器出来的循环使用的有机液，操作条件及物性如下表：物料温度/℃质量流量/(kg/h)比热/[kJ/(kg•℃)]密度/(kg/m3)导热系数/[W/(m•℃)]黏度/Pa・s入口出口有机液6550400002.2619500.1720.742水25t2200004.18710000.6211试选用一台适当型号的列管式换热器。2.1试算和初选换热器的规格本题为两流体均不发生相变的传热过程，根据两流体的情况，因有机液为被冷却流体，水易结垢，选择水走换热器的管程，有机液走壳程。2.1.1计算热负荷Q=WCp(T-T)=40000x2.261x103x(65-50)=376833.33Whh1 2 36002.1.2计算两流体的平均温度差暂按单壳程、多管程进行计算。逆流时平均温度差为376833.33 二16.2℃WCp 20000*4.178x10312=(+A376833.33 二16.2℃WCp 20000*4.178x10312=(+At=25+16.2=41.2℃At-At (50—25)—(65—41.2)—2 1।AtIn—2At1如(50-25)

n(65-41.2)=24.39℃t-tq ;T1-t1412—25 =0.40565-25T-T-4 t-t461—505二0.93由图3-24查得甲八二0.93所以 At二甲八八tm=0.93x24.39=22.69℃2.1.3初选换热器规格根据两流体的情况，假设K=450W/(m?・℃)S二-Q-

KAtm376833.S二-Q-

KAtm由于Tjm65+2525+41=24.4℃<50℃，因此不需考虑热补偿。壳径/mm400管子尺寸/mm①25X2.5公称压强由于Tjm65+2525+41=24.4℃<50℃，因此不需考虑热补偿。壳径/mm400管子尺寸/mm①25X2.5公称压强/atm16管长/m6公称面积/m?40管子总数86管程数3管子排列方法正三角形据此，由换热器系列标准(参见附录中选定的G-400-40-16-3型换热器)。有关参数如下：实际传热面积S=n兀dL=86x3.14x0.025x(6-0.1)=39.83^若采用此传热面积的换热器，则要求过程中的总传热系数为K=450W/(m?・℃)。2.2核算压强降2.2.1管程压强降工Ap=(Ap+Ap)FN式中F=1.4,N=3管程流通面积A=—d2•—=—x0.022x86=0.009m?i4iNp4V_ 20000了=3600x0.009x1000i=0.6173m/sRei（湍流）_dup_0.02x0.6173x1000_Rei（湍流）―R― 1x10-3 一设管壁粗糙度£_0.1mm,__01_0.005，由九-Re关系图中查得：九二0.038d20i所以AqLpu2八ccc6 1000x0.61732Ap_X——_0.038x——x _2172Pa1d2 0.02 21000x0.61731000x0.617322_571.6Pa则工Ap.=(Ap1+Ap2)FN_(2172+571.6)x1.4x3_11523.1Pa2.2.2壳程压强降ZAp_(Ap'1+Ap'2)FNpu2其中F_1.15,N_1,Ap'_Ffn(N+1)1ocB 2管子为正三角形排列，F_0.5n_1.1,n_1.1x.v86_10c取折流挡板间距 h_0.3mNB=L-1NB=L-1壳程流通面积063-1_19A_h(D-nd)_0.3x(0.4-10x0.025)_0.045^400003600x400003600x950x0.045_0,2599m/s〉500Re_dyP_0.020x0.2599x950_〉500o― 0.742x10-3fO_5.0Re-0.228_5.0x6655-0.228_Pu2 950x0.25992 「所以 Ap'_Ffn(N+1)o_0.5xx10x(19+1)x _Paoc'b,2 2

950,以5992二⑵9Pa2950,以5992二⑵9PaAp,=N(3.5———)——J=19X(3.5- )义bd2 0.42Ap=(Ap;+Ap'2)FN=(+1219)x1.15x1=Pa计算表明，壳程和壳程压强降都能满足要求。2.3核算总传热系数管程对流传热系数aiRei=12346(湍流)Pr=

iCpPr=

iCpN 4.187x1x10-30.621=0.0067a=a=0.023—Re0.8Pr0.4=0.023x0621x123460.8x0.00670.4=id 0.02iW/(m2・℃)2.3.2壳程对流传热系数ao即九dupCpU1Na=0.36(—)(J-)0.55(Cpr.)3(上)0.14odU九u

e w取换热器列管之中心距t=32mm。流体通过管间最大截面积为，"d，"d八…，”A=hD(1-—)=0.3x0.4x(1-t0.020.032)=0.045m2m/sV_40000—= m/sA0.045x950Re-du；P_0.02xx950e0―eN-0.742x10-3「CpU2.261x0.742x10-3o入 0.172壳程中油品被冷却，取(立)0.14-1.04。U

w所以1x3x1.040.14-TOC\o"1-5"\h\z入du1x3x1.040.14-a-0.36(—)()0.55(—1_)3(一)0.14-0.36x x0.55odU九U 0.02

W/（^^℃）2.3.3污垢热阻参见表3-16，管内、外测污垢热阻分别取为Rs=m2・℃/WRs=0.00026m?・℃/W总传热系数KO管壁热阻可忽略时，总传热系数KoK o-K o-K估计555450=1.23K