年产5万吨乙醇的换热器设计化工原理课程设计任务说明书.doc

武汉工程大学化工原理课程设计说明书设计题目： 年产5万吨乙醇的换热器设计 学 号： 1203020511 学生姓名： 刘 放 专业班级： 2012级过程装备也控制工程05班 指导教师： 冯魏良 总评成绩： 武汉工程大学目 录摘 要.IAbstract.引 言.1第一章 设计方案的确定2 1.1换热器类型的确定2 1.2固定管板式换热器的结构特点及其工作原理.4 1.3流动空间的确定.5 1.4流速的确定.5 1.5材质的选择.6第二章 列管式换热器的设计7 2.1物性参数.72.2计算总传热参数.82.2.1热流量82.2.2平均传温度82.2.3冷却水的用量92.2.4总传热系数K9 2.3计算传热面积.9第三章 工艺结构尺寸113.1管径和管内流速113.2传热管束113.3平均传热温度差校正及管程数123.4传热管布置和排列间距133.5壳体内径143.6折流板143.7接管.153.8壳体壁厚.153.9壳体封头.16第四章 换热器核算174.1热量核算174.1.1壳程对流传热系数174.1.2管程对流传热系数174.2传热系数K184.3传热面积S18第五章换热器内流体的流动阻力335.1管程流动阻力335.2壳程阻力34第六章 设计结果汇总36设计小结与体会38参考文献39摘 要首先，根据设计任务书的要求，结合换热介质的物性标准确定传热器的类型。其次，根据流体流动及传热等章节中关于流动阻力、传热面积的计算，初步确定达到设计要求所要的传热面积，确定传热器的大致尺寸，尔后经过压降校核、传热校核，确定传热器尺寸。最后，通过化工机械设计确定换热器各附件的尺寸。 本次课程设计是列管式换热器的设计。列管式换热器（又称管壳式换热器） 是目前化工生产中应用最广泛的一种传热设备。它的应用已经有很悠久的历史了，现在，它被当做一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。关键词：列管式换热器,设计，水，乙醇AbstractFirst of all, according to the design plan requirements, we can combined with heat transfer medium of heat transfer properties of the standard to determine the type of device. Second, according to theories of fluid flow and heat transfer calculations on the flow resistance, heat transfer area, we can initially set to meet the heat transfer area of the design requirements, and to determine the approximate size ,and then to determine size after checking the pressure drop, heat transfer. Finally , according to theories of chemical mechanical design ，we can determine the size of all attachments of heat exchangers.This course is designed to the design of the shell and tube heat exchanger. Shell and tube heat exchanger (also known as the tube shell heat exchanger) is currently the most widely used in the chemical production of a heat transfer equipment. Its application has a very long history, now, it is treated as a kind of traditional standards of heat exchange equipment heavily used in many industrial sectors, especially in chemical, petroleum, energy, equipment and other departments in the use of heat exchange equipment, shell and tube heat exchanger is still in the dominant position.Keywords:fixed tube sheet heat exchanger, design, water,ethanol.I 引 言在化工、石化、石油炼制等工业生产中，换热器被广泛使用。在一般化工的建设中，换热器约占总投资的11。在炼油厂的常、减压蒸馏装置中，换热器约占总投资的20%。若按工艺设备重量统计，换热器在石油、化工装置中约占40%左右。随着化工、石化、炼油工业的迅速发展，各种新型换热器不断出现，一些传统的换热器的结构也在不断改进、更新。今后换热器的发展趋势将是不断增加紧凑性、互换性，不断降低材料消耗，提高传热效率和各种比特性，提高操作和维护的便捷性。 换热器的类型很多特点各异，分类方法也不尽相同。苦按其用途分，有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。技其结构类型分，有列管式、板式、螺旋板式、板翅式、板壳式利翅片管式等。若按传热原理和热交换方式分，有直接混合式、蓄热式和间壁式三类，列管式换热器是间壁式换热器的主要类型，也是应用最普遍的一种换热设备。 列管式换热器发展较早，设计资料和技术数据较完整目前在许多国家中都已有系列化标准产品。虽然在换热效率、紧凑件、材料消耗等方面还不及一些新型换热器，但它具有结构简单、牢固、耐用，适应性强，操作弹性较大，成本较低等优点，因而仍是化工、石化、石油炼制等工业中应用最广泛的换热设备,也是各类换热器的主要类型。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位双管板换热器为管壳式换热器的一种特殊结构，广泛应用于换热器管程和壳程介质严禁混合的场合。 34第一章 设计方案的确定1.1换热器类型的选定列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此，他们的热膨胀程度也有差别。必须考虑热膨胀的影响。根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。（1）管板式换热器这类换热器如图所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。（2）U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。（3）浮头式换热器浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。（4）填料函式换热器 填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。 目前固定管板式换热器产品达到了一个成熟阶段,凭借其高效、节能、环保的优势,在各行业领域中被频繁使用,并被用以替换原有管壳式和翅片式换热器,取得了很好的效果。1.2 固定管板式换热器的结构特点及其工作原理固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较多，在相同直径下面积较大，制造较简单。 固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。结构原理：固定管板式换热器管程和壳程中，流过不同温度的流体，通过热交换完成换热。当两流体的温度差较大时，为了避免较高的温差应力，通常在壳程的适当位置上，增加一个补偿圈（膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。1.3流动空间的确定两流体温度变化情况：热流体进口温度,出口温度；冷流体(循环水)进口温度，出口温度。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，乙醇走壳程。1.4流速的确定表1-1 换热器常用流速的范围介质循环水新鲜水一般液体易结垢液体低粘度油气体管程流速1.02.00.81.50.531.00.81.8530壳程流速0.51.50.51.50.21.50.50.41.0215故选用的不锈钢管，管内流速。 表1-2 列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速液体名称乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油 丙酮 氢气安全流速，m/s流速一方面涉及传热系数K的大小，另一方面也影响流体在管、壳程的阻力损失大小，应通过经济核算进行确定。(u=1.m/s）1.5 材质的选择 在进行换热器设计时，换热器各种零、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性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。而我们此次设计选用不锈钢。 第二章 列管式换热器的设计2.1物性参数定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程油的定性温度为:管程流体的定性温度为: 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。乙醇在下的有关物性数据如下:密度 定压比热容 导热系数 粘度 循环冷却水在下的物性数据如下:密度 定压比热容 导热系数 粘度 由插值法求水的物性数据 = =2.2计算总传热系数2.2.1热流量衡算，求热负荷 （2-1）由已知条件乙醇质量流量：由资料查得乙醇沸点高于70，无相变 2.2.2平均传热温差逆流=45=10 （2-2） 2.2.3冷却水用量 （2-3）水质量流量：体积流量：=2.2.4总传热系数K 因为乙醇的粘度在=0.51mPas之间。K值取在200到500之间。 2.3计算传热面积 （2-4）初取 考虑的面积裕度：。 第三章 工艺结构尺寸3.1管径结构尺寸表表 3-1 换热器的规格碳钢、低合金钢142192252.5323383不锈钢192252252.5322.5382.5选用传热管（不锈钢），取管内流速为,3.2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 （3-1） 取23根按单程管计算，所需的传热管长度为 （3-2） 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程机构。现取传热管长,则该换热器管程为 （3-3） 取2管程 传热管总根数 N=。3.3平均传热温差校正系数及壳程数平均传热温差校正系数 （3-4） （3-5）图2-1 对数平均温差校正系数温度校正系数表查得 可行 选择单壳程 平均传热温差 3.4传热管排列和方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。取管心距,则： 横过管束中心线的管数 （3-6） 3.5 壳体内径 采用正三角形排列、四管程结构，取管板利用率，则壳体内径为 （3-7）圆整后取3.6折流板采用圆缺型折流板则切去的圆缺高度为,取折流板间距则 故可取 B=0.3D=81mm 折流板数 折流板圆整面水平装配。3.7接管壳程流体进出口接管：乙醇流量为,则按管内径为 （3-8）乙醇: 取标准管径为。水：=m 取标准管径为d=273mm.3.8壳体壁厚选; （3-9）式中 _壳体的计算厚度； mm_壳体的计算压力；MPa_壳体的内直径；mm_壳体材料在设计温度下的许用应力MPa; Mpa;_壳体的焊接接头系数; ;则 考虑腐蚀及偏差向上圆整取3.9壳体封头 表3-4常用封头数据公称直径DN(mm)曲边高度（mm）直边高度（mm）内表面积A()容积V() 60017525 0.43740.0353 故选用公称直径， 直边高度的封头 第四章 换热器核算4.1热量核算4.1.1壳程对流传热系数 壳程流通截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 （4-1） （4-2） 4.1.2管程对流传热系数 （4-3） 管程流通截面积 管程流体流速 普兰特准数 4.2传热系数K 4.3传热面积S 壳程对流传热系数对圆缺形折流板；采用克思公式 （4-4） 当量直径，由正三角形排列得 （4-5） 普兰特准数 （4-6） 粘度校正 传热面积 该换热器的实际传热面积 （4-7） 该换热器的面积裕度为 （4-8） 传热面积不合适，该换热器不能够完成生产任务，所以此设计不合格。 接下来计算第二次1.4流速的确定表1-1 换热器常用流速的范围介质循环水新鲜水一般液体易结垢液体低粘度油气体管程流速1.02.00.81.50.531.00.81.8530壳程流速0.51.50.51.50.21.50.50.41.0215故选用的不锈钢管，管内流速。 表1-2 列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速液体名称乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油 丙酮 氢气安全流速，m/s流速一方面涉及传热系数K的大小，另一方面也影响流体在管、壳程的阻力损失大小，应通过经济核算进行确定。(u=1.1m/s）2.1物性参数 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程油的定性温度为:管程流体的定性温度为: 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 乙醇在下的有关物性数据如下:密度 定压比热容 导热系数 粘度 循环冷却水在下的物性数据如下: 密度 定压比热容 导热系数 粘度 由插值法求水的物性数据=2.2计算总传热系2.2.1热流量 由已知条件 乙醇质量流量： 由资料查得乙醇沸点高于70，无相变 2.3.2平均传热温差 逆流=45 =10 2.2.3冷却水的用量 水质量流量：=2.2.4总传热系数K 2.3计算传热面积 初取 考虑的面积裕度：。3.1管径和管内流速表 3-1 换热器的规格碳钢、低合金钢142192252.5323383不锈钢192252252.5322.5382.5选用传热管（不锈钢），取管内流速为,3.2传热管束依据传热管内径和流速确定单程传热管数 按单程管计算，所需的传热管长度为 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程机构。现取传热管长,则该换热器管程为 传热管总根数 N=。3.3平均传热温差校正及管程数平均传热温差校正系数 图3-2 对数平均温差校正系数温度校正系数表查得 可行选择单壳程平均传热温差 3.4传热管布置和排列间距采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距,则： 横过管束中心线的管数 3.5壳体内径采用正三角形排列、四管程结构，取管板利用率，则壳体内径为 圆整后取3.6折流板采用圆缺型折流板， 则切去的圆缺高度为,取折流板间距则 折流板数 折流板圆整面水平装配。3.7接管壳程流体进出口接管：乙醇流量为,则按管内径为 乙醇: 取标准管径为。水：=m;3.8壳体壁厚选; 式中 _壳体的计算厚度； mm_壳体的计算压力；MPa_壳体的内直径；mm_壳体材料在设计温度下的许用应力MPa; Mpa;_壳体的焊接接头系数; ;则 考虑腐蚀及偏差向上圆整取3.9壳体封头表3-3常用封头数据公称直径DN(mm)曲边高度（mm）直边高度（mm）内表面积A()容积V() 60017525 0.43740.0353 故选用公称直径，直边高度的封头。4.1热量核算4.1.1壳程对流传热系数 壳程流通截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 4.1.2管程对流传热系数 管程流通截面积 管程流体流速 普兰特准数 4.2传热系数K 4.3传热面积S壳程对流传热系数对圆缺形折流板；采用克思公式 当量直径，由正三角形排列得 壳程最大流体截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数 粘度校正 传热面积 该换热器的实际传热面积 该换热器的面积裕度为 传热面积合适，该换热器能够完成生产任务，所以此设计合格。 第五章 换热器内流体的流动阻力5.1管程流动的阻力总阻力等于各程直管阻力，回弯阻力及进出口之和。一般进出口阻力可忽略不计，管程总阻力的计算式为： Ft为结垢校正系数（25mm2.5mm换热管对应Ft=1.4) Np为管程数；Ns为串联的壳程数 为摩擦系数 取换热管绝对粗糙度0.01-0.55mm，取0.03mm。查莫迪图di=20mm 相对粗糙度 =0.044 故管程流动阻力在允许范围之内。5.2壳程阻力 流体流经管束的阻力 流体流经折流板缺口的阻力 式中：Fs=1.15 F为管子排列方式对压力降的校正系数，正三角形排列F=0.5，正方形直列F=0.3，正方形错列F=0.4为壳程流体的摩擦系数，当500时，=5Nc为横过管束中心线的管数，nc=为折流板数 D为壳体内径 B为折流板间距=28 D=310mm B=155mm 总阻力故壳程流动阻力也比较适宜。综上所述，该换热器管程与壳程的压力降均小于允许压强0.1MPa，均符合要求，所以所设计的换热器符合条件。第六章 设计结果汇总表6-1 换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表参数管程壳程流率（kg/s）1.11.4温度（进/出）/20/2570/30压力（MPa）0.10.1物性参数定性温度/2550997.05765 4.18052.88黏度/0.946990.68热导率0.6060.1774普朗特数6.5311.04设备结构参数型式浮头式台数1壳体内径/mm310壳程数1管子规格25mm2.5mm管心距/mm31.25管长/mm4500管子排列正三角形管子数目/根62折流板数/块28传热面积21.91折流板距/mm155管程数1材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.550.2624传热膜系数5878675污垢损失0.000210.00021阻力损失/MPa0.210.003526热负荷/kW888.88传热温差/23.27传热系数486裕度/%11.635表6.2 接管尺寸确定项目接管尺寸管内流速/(m/s）接管尺寸确定冷却水进口管111mm5mm16冷却水出口管111mm5mm35.1乙醇进口管48mm4mm1.97乙醇出口管48mm4mm0.536设计小结与体会 化工原理课程设计是培养个人综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，也起着培养学生独立 工作能力的重要作用。本次化工原理课程设计历时两周，是学习化工原理以来第一次独立的工业设计。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形；理解计算机辅助设计过程，利用编程使计算效率提高。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。在短短的两周里，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。我们从中也明白了学无止境的道理，在我们所查找到的很多参考书中，很多的知识是我们从来没有接触到的，我们对事物的了解还仅限于皮毛，所学的知识结构还很不完善，我们对设计对象的理解还仅限于书本上，对实际当中事物的方方面面包括经济成本方面上考虑的还很不够。 在实际计算过程中，我还发现由于没有及时将所得结果总结，以致在后面的计算中不停地来回翻查数据，这会浪费了大量时间。由此，我在每章节后及时地列出数据表，方便自己计算也方便读者查找。在一些应用问题上，我直接套用了书上的公式或过程，并没有彻底了解各个公式的出处及用途，对于一些工业数据的选取，也只是根据范围自己选