化工原理课程设计-处理量23950.08吨年乙苯冷却列管式换热器的设计.docx

银川能源学院 化工原理课程设计列管式换热器成绩银川能源学院化工原理课程设计题目：处理量23950.08吨/年乙苯冷却列管式换热器的设计学生姓名 学 号 指导教师 院 系 石油化工学院专 业 能源化学工程年 级 化学工程教研室制 目录摘要11.设计任务书21.1 设计题目：21.1.1 设计课题工程背景21.1.2 设计的目的21.2 工艺操作条件21.3 设计内容22 课程设计概述22.1 设计目的22.2 换热器设备的在生产中作用及应用22.3 工艺流程示意图32.4 列管式换热器的特点32.4.1 应用特点32.4.2 设备的结构特点32.5 设计方案的确定42.5.1 换热器类型的选择42.5.2 换热器内流体通入空间的选择42.5.3 流速的选择43.换热过程工艺计算53.1 工艺计算及主要设备设计53.1.1 选择换热器的类型53.1.2 管程安排53.2 确定物性数据53.3 传热面积的初定63.3.1 传热速率的计算63.3.2 冷却水用水量63.3.3 平均传热温差63.3.4 总传热系数的初选63.4 换热器主要尺寸的确定63.4.1 管径和管内流速63.4.2 管程数和传热管数73.4.3 管子在管板上按三角形的排列管数73.4.4 壳体的内径83.4.5 折流板数的确定83.4.6 封头83.4.7 封头或管箱的法兰与垫片93.5 接管计算93.6 传热系数的校核103.6.1 管内对流传热系数的计算103.6.2 确定污垢热阻113.6.3 传热系数K113.7 计算所需传热面积113.8 计算阻力损失113.8.1 管程流动阻力113.8.2 壳程流动阻力124 课程设计技术说明及汇总13心得体会14设计过程的评价和有关问题的讨论14致谢14参考文献15化工原理课程设计评价表16摘要本次课程设计为换热器，让我们了解了换热器的结构，分类，作用以及如何正确的选择合适的换热器。换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要的地位。所以，本次课程设计我们设计列管式换热器。设计内容有设计任务书、课程设计概述、换热工艺计算等。设计过程主要通过设计任务书和国标准则，计算两流体的定性温度，查资料确定物性数据，计算总传热系数、工艺结构尺寸和确定主要零部件。设计结果为单壳程和单管程的固定管板式换热器。其优点结构简单、紧凑，制造成本低；管内不易积垢，即使产生污垢也便于清洗。关键词：换热器；列管式换热设备；固定管板式换热器；设计计算。AbstractThe curriculum design is given priority to with heat exchanger, let us understand the structure of the heat exchanger, classification, function and how to correctly select the appropriate heat exchanger. Heat exchanger, it is part of the thermal fluid heat transfer to cold fluid equipment, also called heat exchanger. Heat exchanger is a chemical, oil, food and many other industrial departments of general equipment, occupies an important position in the production. So, the course design of our design of shell and tube heat exchanger. Design content has the design specification, summary of curriculum design, so the heat exchange process calculation, etc. Mainly through the design plan descriptions of the design process and gb standards, calculated two fluid temperature, check information to determine physical properties data, calculating the total heat transfer coefficient, process structure size and determine the main components. Design results for single shell side and tube side of fixed tube plate heat exchanger. The advantages of simple structure, compact, low manufacturing cost. Tube is not easy to fouling, even cause fouling also facilitate clean.Key words: heat exchanger; Shell and tube type heat transfer equipment; fixed tube plate heat exchanger；Design calculation.11.设计任务书1.1 设计题目：处理量 3024 kg/h 乙苯冷却器的设计1.1.1 设计课题工程背景 在石油化工生产过程中，常常需要将各种石油及化工产品（如汽油、煤油、柴油，乙苯等）进行冷却，本设计以某合成橡胶厂冷却乙苯产品为例，让学生熟悉列管式换热器的设计过程。 1.1.2 设计的目的 通过对乙苯产品冷却的列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。1.2 工艺操作条件（1）乙苯：入口温度136 出口温度 45 （2）冷却介质：自来水， 入口温度30 出口温度50（3）允许压降：不大于0.1mpa（4）每年按330天计，每天24小时连续运行 1.3 设计内容（1）工艺设计：确定设备的主要工艺尺寸，如：管径、管长、管子数目、管程数目等，计算K。（2）结构设计：确定管板、壳体、封头的结构和尺寸； 确定连接方式、管板的列管的排列方式、管法兰、接管法兰、接管等组件的结构。（3）绘制列管式换热器的装配图及编写课程设计说明书。2 课程设计概述2.1 设计目的课程设计是化工原理课程教学中综合性和实际性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使我们体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过课程设计使我们能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工设计的主要程序和方法，进而提高我们分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以培养我们树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。2.2 换热器设备的在生产中作用及应用换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%20%，在炼油厂约占总费用35%40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。2.3 工艺流程示意图乙苯从换热器壳程下方进入，从换热器上方排出，换热水从换热器左侧的入口进入，从右侧出口排除。2.4 列管式换热器的特点2.4.1 应用特点列管换热器的特点是壳体和管板直接焊接，结构简单、紧凑。在同样的壳体直径内，排管较多。管式换热器具有易于制造、成本较低、处理能力达、换热表面清洗比较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，由于两管板之间有管子相互持撑，管板得到加强，故在各种列管换热器中他的管板最薄，其造价比较低，因此得到了广泛应用。2.4.2 设备的结构特点列管式换热器的结构特点是管束以焊接或胀接在两块管板上，管板分别焊接在外壳的两端并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体上装有流体进出口接管。与其他形式的换热器相比，结构简单，制造成本较低。管内不易积累污垢，即使产生了污垢也便于清洗，但无法对管子的外表面进行检查和机械清洗，因而不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。由于管子和管板与壳体的连接都是刚性的，当管子和壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体和管子中将产生很大的温差应力，以至管子扭弯或从管板上松脱，甚至损坏整个换热器。当管子和壳体的壁温差大于50时，应在壳体上设置温差补偿膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应力，膨胀节的形式较多，常见的有形、平板形和形等几种。由于形膨胀节的挠性与强度都比较好，所以使用得最为普遍。当要求较大的补偿量时，宜采用多波形膨胀节。当管子和壳体的壁温差大于60和壳程压强超过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。2.5 设计方案的确定2.5.1 换热器类型的选择 对于列管式换热器，首先根据换热流体的腐蚀性或其它特性选项定其结构材料，然后再根据所选项材料的加工性能，流体的压强和温度、换热的温度差、 换热器的热负荷、安装检修和维护清洗的要求以及经济合理性等因素来选项定其型式。设计所选用的列管换热器的类型为固定管板式。列管换热器是较典型的换热设备，在工业中应用已有悠久历史，具有易制造、成本低、处理能力大、换热表面情况较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，故在大型换热器中占优势。 固定管板式列管换热器的特点是，壳体与管板直接焊接，结构简单紧凑，在同样的壳体直径内排管最多。由于两管板之间有管板的相互支撑，管板得到加强，故各种列管换热器中它的管板最薄，造价最低且易清洗。缺点是，管外清洗困难，管壁与壳壁之间温差大于50时，需在壳体上设置膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形以降低温差压力，使用范围仅限于管、壳壁的温差不大于70和壳程流体压强小于600kpa的场合，否则因膨胀节过厚，难以伸缩而失去温差补偿作用。2.5.2 换热器内流体通入空间的选择在列管式换热器中，对于流体流径的选择一般可以考虑以下几点：（1）不洁净或易结垢的流体走易于清洗的一侧；对于固定管板式换热器，一般走管程；U形管换热器，一般走壳程。（2）粘性大的或流量小的流体，宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动 时，在较低的雷诺数（Re100）下，即可达到湍流，有利于提高传热系数。（3）有腐蚀性流体应走管程，这样，只有管子、管板和管箱需要使用耐腐蚀的材料，而壳体及管外空间的其他零件都可以使用比较便宜的（4）压力高的流体走管程，因为管子直径小，承受压力的能力好，还避免了采用高压壳体和高压密封。（5）有毒的流体走管程，减少泄漏的机会。（6）饱和蒸汽一般走壳程，便于冷凝液的排出，而且蒸汽较清洁，无清洗 要求。（7）被冷却的流体走壳程，便于散热。（8）对于固定管板式换热器，若两流体的温差较大，对流传热系数较大者宜走管程， 这样可以降低管壁与壳壁的温差。减少热应力。 以上原则，在实际中不可能同时兼顾，对具体情况仔细分析，抓住主要方面。例如首先从流体的压力、腐蚀性以及清洗等方面考虑，然后再对压力降和传热系数等方面要求进行校核，以便作出较恰当的选择。2.5.3 流速的选择换热器内流体的流速大小,应有经济衡算来决定.增大器内流体的流速,可增强对流传热,减少污垢在换热管表面上沉积的可能性,即降低了污垢的热阻,使总传热系数增大,从而减少换热器的传热面积和设备的投资经费,但是流速增大,又使流体阻力增大,动力消耗也就增多,从而致使操作费用增加,若流速过大,还会使换热器产生震动,影响寿命,因此选取合适的流速是十分重要的。3.换热过程工艺计算根据任务书所下达的换热任务，进行完整的换热过程的工艺计算。其目的是确定设备的主要工艺尺寸和参数，如换热器的传热面积；换热管管径、长度、根数；管程数和壳程数；换热管的排列和壳体直径，以及管壳程流体的压强降等；为结构设计提供依据。化工工艺计算的步骤大致如下：3.1 工艺计算及主要设备设计根据任务书所下达的换热任务，进行完整的换热过程的工艺计算。其目的是确定设备的主要工艺尺寸和参数，如换热器的传热面积；换热管管径、长度、根数；管程数和壳程数；换热管的排列和壳体直径，以及管壳程流体的压强降等；为结构设计提供依据。化工工艺计算的步骤大致如下：3.1.1 选择换热器的类型两流体温度变化情况：（1）乙苯的进口温度136,出口温度45（2）水的进口温度30,出口温度50该换热器采用自来水来加热，管壁与壳壁温差较大，流体压强不高，初步确定选用固定管板式换热器。3.1.2 管程安排 从流体流经管程或壳程的选择标准来看，乙苯宜走壳程；自来水较洁净，不会污染壳程，所以自来水宜走管程，以便及时排除冷凝液。综上所述，乙苯走壳程，自来水走管程。3.2 确定物性数据定性温度：T(乙苯)=（136+45）/2=90.5T(水)=（30+50）/2=40利用内插法计算壳程和管程流体的有关物性数据。表（1） 基础物性数据98乙苯40冷却水密度 / kg/m845.5992.2定压比热容/ kJ/(kgk)1.91154.174热导率/ w/(mk)0.11326770.634粘度/ pas0.00032990.0006533.3 传热面积的初定乙苯的质量流量：3024kg/h3.3.1 传热速率的计算Q =qmoCpot0=30241.9115(136-45)=526014 kJ/h=146115W3.3.2 冷却水用水量3.3.3 平均传热温差逆流传热温差为: 按单壳程多管程进行计算，对逆流传热温度差进行校正温差校正数为0.86两流体的平均温差为3.3.4 总传热系数的初选K值大致范围为280850。所以可选取K=300,则估算的传热面积为因为是估算面积，考虑到有10%-25%的设计裕度，故选15%的设计裕度再次进行计算。A=13.91.15=163.4 换热器主要尺寸的确定3.4.1 管径和管内流速 选用25mm2.5mm的传热管（不锈钢钢管），管内径di=0.025-0.00252=0.02m，取管内流速ui=0.5m/s3.4.2 管程数和传热管数依据传热内径和流速确定单程传热管数 di=0.02m d0=0.025m总管数：按单管程计算，所需的传热管长度为按单管程设计，传热管过长，现取传热管长l=4.5m，则该换热器管程数为热管总根数 N=412=48(根）3.4.3 管子在管板上按三角形的排列管数表（2）正三角形排列时的管数六角形的层数对角线上的管数不计弓形部分时管子的根数弓形部分管数换热器内总管数在弓形的第一排在弓形的第二排在弓形的第三排在弓形的总管数123456789101112131415163579111315171921232527293133719376191127169217271331397469547631721817345678910111225671824303642486690102114719376191127187241301367439517613721823913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。管心距t的确定：横过管数中心线的管数: 3.4.4 壳体的内径隔板中心到离其最近一排中心距离采用多管程结构，取管板利用率=0.8，壳体内径为：D可选取的直径有（273 325 400 500 600 700 800 ）mm故圆整可取：D=273mm3.4.5 折流板数的确定 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=0.25273=68.25mm。B取150mm（0.2DB 500 ，故对于正三角形排列, F = 0.5挡板数为：则，流体流过管束的阻力 总压力降总压强降：以上核算结果表明符合设计要求。164 课程设计技术说明及汇总表（3）课程设计技术说明及汇总一览表参数管程壳程进/出温度/136/4530/50允许压降/MPa0.10.1物物性定性温度/90.540密度/（kg/m3）845.5992.2定压比热容/kJ/(kg)）1.91154.174粘度/（paS）0.00032990.000653热导率/w/(mk)0.11326770.634普朗特数5.84.32雷诺数43893585设设备结构参数形式固定管板式台数1壳体直径/mm273壳程数1管径/mm252.5管心距/mm32管长/m4.5管子排列三角形管数目/根48折流板数/个29计算传热面积/m213.9折流板间距/mm68.25估算传热面积/ m216管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.50.5污垢热阻/W/(mOC）0.0001720.000172阻力/（pa）255.26592.02物质的质量流量/(kg/h)30246301平均传热温差/34.976面积裕度25%心得体会在这次的课程设计中，我学到了很多。不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何完成一件事情。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，通过这次换热器的设计，我在多方面都有所提高。综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识，进行一次设计工作的实际训练，培养和提高了我独立工作的能力，巩固与扩充了我课程所学的内容，掌握了设计的方法和步骤也懂得了怎样分析，了解了列管式换热器的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。对知识的理解程度上也有了显著的加深，对以后学习和实践各方面都有明显的帮助，也对以后的处理问题思考方式上有了很大的提升。设计过程的评价和有关问题的讨论经过这两周的学习，我对于课程设计有了初步的认识，对于化工生产中的传热问题有了一定的认识与了解。这次课程设计综合实践性比较强，设计是在兼顾了技术上先进行、可行性，经济合理性。此次设计涉及的工艺计算和结构设计比较全面，从多方面考察了我们的知识基础。从工艺计算到结构设计，每一个环节都集中考察了我们的综合性应用能力。在工艺计算方面，此次设计精度比较高，设计比较严谨，各项参数的选定经过了综合的考虑并进行了认真的计算和校核，达到了课程设计预期的目的。在结构设计方面，各个结构的选材、尺寸的确定也经过了仔细的计算，并认真地画出了各部件的图，