课程设计--换热器设计

化工原理课程设计2-1说明书题 目：芳烃冷却器设计学生姓名：*学 号：*专业班级：*指导教师：*2015年7月8日化工原理课程设计（2-1）任务书专业班级 * 学号：* 学生： *一、题目芳烃冷却器的设计二、设计任务及操作条件工体流体热流体（苯45%+甲苯55%）冷流体（Water）总质量流率/（s）2830入口温度/9128出口温度/54-入口压力（绝压）/kPa550450允许压力降/kPa9060污垢热阻/（KW-）0.000150.00016三、选择合适的列管式换热器并进行核算1 选择合适的换热器；2 计算热负荷；3 计算温差和估计传热系数；4 估算换热面积；5 计算管程压降和给热系数；6 计算壳程压降和给热系数；7 计算传热系数；8 校核传热面积。四、 设计要求1. 手工计算完成换热器设计与校核；2. 用EDR软件完成换热器的设计、校核；3. 提交电子版及纸板：设计说明书、计算源程序。发出日期2015 年7月6 日 交入日期2015 年7 月11 日指导教师 *目录1. 前言 .12. 确定设计方案.22.1 选定换热器类型.22.2 确定冷热流体参数 .22.3 确定总传热系.22.3.1 管程传热系数.32.3.2 壳程传热系数.32.3.3 总传热系数K.32.4 估算传热面积.32.4.1 计算热负荷.32.4.2计 算传热面积.32.5 工艺结构及尺寸.42.5.1 管径和管内流速.42.5.2 管程数和传热管根数.42.5.3 传热管排列和分程方法.42.5.4 壳体内径.42.5.5 折流板.52.5.6 接管内径.52.6 换热器热量核算.52.6.1 平均传热温差校正.52.6.2 壳程对流传热系数.62.6.3 管程对流传热系数.62.6.4 总传热系数.72.6.5传热面积.72.7 换热器压降核算.72.7.1 管程流动阻力校核.72.7.2 壳程流动阻力校核.82.8 计算结果. .93. EDR设计与校核.103.1 初步规定.103.1.1 换热器结构.10 3.1.2流体空间选择.103.2设计结果与分析.103.2.1模拟结果.103.2.2结果分析.133.3校核.133.3.1核算结果.133.3.2结果分析.153.4设计结果.164. 结论.175. 参考文献.186. 致谢.19第一章 前言换热器是石油化工生产中重要的设备之一，它可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用十分广泛。换热器种类繁多，若按其传热面积的形状和机构可分成管型、板型和其他类型换热器，而管型换热器又可分为蛇管式换热器、套管式换热器、列管式换热器。板型换热器有螺旋板式换热器、板式换热器、板壳式换热器、板翅式换热器。其它类型换热器有蓄热式换热器、热管式换热器。本次设计内容为用管壳式换热器完成芳香烃冷却任务，与其他换热器相比，管壳式换热器主要优点是单位所具有的传热面积大，传热效果好，结构比较简单，处理能力大，适应性强，操作弹性大，尤其在高温、高压大型装置中应用更为普 。第2章 确定设计方案2.1选定换热器类型两流体温度变化情况：热流体（苯45%+甲苯55%）入口温度为91，出口温度为54。冷却水入口温度28，出口温度选为54。故热流体定性温度: 故热流体定性温度： 两流体温差： （2-1）因该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时冷却水进口温度会降低，因此壳体壁温和管壁温相差较大，故选用带膨胀节的列管式换热器。因循环冷却水较易结垢，为便于污垢清洗，故选定冷却水走管程，煤油走壳程。同时选用的碳钢管，管内流速取1.1m/s。2.2确定冷热流体物性参数查冷、热流体物性参数：表2-1 冷热流体物性参数流体物性定性温度密度kgm粘度mPas比热KJ/()导热系数W/(m)苯45%甲苯55%72.5824.340.33281.8710.1262冷却水35.72996.030.71644.8190.61382.3计算总传热系数2.3.1管程传热系数故采用下式计算 （2-2）2.3.2壳程传热系数假设壳程给热系数 =1200W/2.3.3总传热系数K=0.00016KW- =0.00015KW- （2-3）2.4估算传热面积2.4.1计算热负荷由热流体计算热负荷： （2-4） 2.4.2确定温度由热负荷计算水的出口温度以及逆流温差： (2-5)2.4.3 计算传热面积考虑20%裕度，S=1.2=79.881.2=95.862.5工艺结构及尺寸2.5.1管径和管内流速选用碳钢换热管，管内流速=1.1m/s。2.5.2管程数和传热管根数根据传热管内径和流速确定单程传热管数：（根）按单管程计算所需换热管的长度：按单管程设计，传热管过长，现取传热管长6m，则该换热器的管程数为=L/62(管程)。传热管总根数N=1562=312（根）。2.5.3传热管排列和分程方法采用组合排列，即每层内按正三角形排列，隔板两侧按正方形排列。取管心距则。横过管束中心的管数。 (2-6)2.5.4壳体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径： （2-7）取整 D=600mm2.5.5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=0.25 600=150mm。取折流板间距为B=0.5D=0.5600=300mm折流板数 。折流板圆缺采用水平安装。2.5.6接管管程流体（循环水）进出口接管，取接管内循环水的流速为1.5m/s，则接管内径 （2-8）取标准管径为200mm壳程流体（苯+甲苯）进出口接管，取接管内循环水的流速为1m/s，则接管内径 (2-9)取标准管径为200m2.6换热器热量核算2.6.1平均传热温差校正 (2-10)按单壳程双管程结构查单壳程 图，得，则 (2-11)2.6.2壳程对流给热系数 对于圆缺形折流板，可采用克恩公式 (2-12)当量直径由正三角形排列得 (2-13)壳程流通截面积 (2-14) 壳程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为2.6.3管程对流给热系数管程流通截面积管程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为2.6.4传热系数K2.6.5传热面积该换热器实际传热面积 (2-15)面积裕度 (2-16)可见换热面积裕度合适，能满足换热要求。2.7换热器压降核算2.7.1管程流动阻力校核 (2-17)（Ft 结垢校正系数，Np 管程数，Ns 壳程数）取换热管的管壁粗糙度为0.1mm，则 ，而查图得 对 的管子有管程压降符合要求。2.7.2壳程流动阻力校核常采用Eoss法计算壳程压降，该法的计算公式如下 (2-18)（Fs 为结垢校正系数，对液体 Fs=1.15，Ns 为壳程数）流体流经管束的阻力 （2-19）F为管子排列方式对压强降的校正系数，正三角形排列F=0.5 。为壳程流体的摩擦系数，时， (2-20)为横过管束中心线的管数，折流板间距B=0.3m，折流板数19块流体流经折流板缺口的阻力 (2-21)可见管程与壳程压降均符合要求，故设计换热器符合要求。2.8计算结果表2-2 计算结果换热器型式：带热补偿非标准的固定管板式管子规格252.5管数312根管长6m换热面积：104.3m2管间距，mm25排列方式正三角形工艺参数折流板形式上下间距300mm切口25%设备名称管程壳程壳体内径600mm保温层厚度无需保温物料名称循环水苯45%甲苯55%接管表操作压力，MPa0.450.55序号尺寸用途连接形式操作温度，28/4391/541DN200循环水入口平口流量，s30282DN200循环水入口平口密度，/m996.03824.433DN200混合料入口凹凸面流速，m/s0.850.7864DN200混合料出口凹凸面传热量，KW1938.365DN20排气口凹凸面总传热系数，W/K717.486DN20放净口凹凸面对流传热系数W/m2K4452.91414.5-污垢热阻k/W0.000160.00015-阻力降，kPa18.342.2-程数21-推荐使用材料碳钢碳钢-第三章 EDR设计校核3.1 初步规定 3.1.1换热器结构壳体和封头由冷热流体进口温差小于110，且污垢热阻小于0.00035 m2K/W，换热器的冷热流体均为较清洁流体，故选择固定管板式换热器，前封头采用B型，后封头采用M型，壳体为E型。换热管选用管外径为25 mm，壁厚为2.5 mm的光滑管，管子排列角度选择30，管间距为32 mm。折流板选用单弓形折流板。 3.1.2 流体空间选择表3-1 流体空间选择优先顺序管侧流体壳侧流体腐蚀强的流体需要冷凝的蒸汽（具有腐蚀性的除外）冷却水进出口温差较大的流体（37.78易结垢的流体低粘度流体压力高的流体温度较高的流体根据流体空间选择优先顺序，冷却水走管程，热流体走壳程。3.2 设计结果与分析 3.2.1模拟结果 图3-1模拟结果图3-2 模拟结果图3-3 模拟结果图3-4 模拟结果 图3-5 模拟结果3.2.2 结果分析（1）结构参数初步得到换热器为单管程BEM换热器，壳体内径438.15mm，换热管长6m，管径252.5mm，总根数132根。管心距32mm，弓形板圆缺率21.025%，板间距195mm，板数28。（2）面积余量实际面积与设计面积比为1，面积余量为0，需要进一步进行校核。（3）流速壳程流速1.92m/s，流速大，管程流速0.72m/s，需要校核。（4）压降壳测压降64.3kPa，管侧压降4.32kPa，在允许范围之内。（5）传热温差传热温差35.88，符合传热需要。（6）传热系数882.9W/(K),大于经验数值3.3 校核 参照设计结果查固定管板换热器主要工艺参数表（252.5mm）选择与设计规格接近的标准换热器，壳体公称直径600mm，壁厚10mm，管长6m，管数232根，管径252.5mm，折流板圆缺率30%。3.3.1 校核结果图3-6 校核结果图3-8 校核结果图3-9 校核结果图3-10 校核结果图3-11 校核结果3.3.2 结果分析（1）面积余量校核后面积余量25%，符合实际生产需求。（2）流速壳侧流体流速0.88m/s，管侧流速0.84m/s，在合理范围。（3）压降壳侧压降10.4kPa，管程压降7.3kPa，均小于允许压降。（4）传热系数换热器总传热系数为683.6W/m2K，在经验值范围之内。（5）热阻分布换热器壳侧热阻和管侧热阻分别为总热阻的43.74%和20.2%。3.4 设计结果根据校核结果选换热器型号： 具体的结构参数为：公称直径600 mm；管子为25mm2.5 mm的碳钢管，长度为6 m，管心距为32 mm，管子数为232，管程数为2，排列角度为30；折流板为圆缺率30%的单弓形折流板，间距为500 mm，折流板数9块；壳侧接管内径200mm，管侧接管内径200mm第4章 结论 本次设计结果满足传热任务，同时对结果进行了一系列优化，得到的结果具有一定实际参考价值。设计符合法规并且最经济的换热器，必须熟悉法规条文及公式应用和一般力学常识，了解使用者的要求，同时参考别人的设计方式及资料，参观换热器厂。并与制造厂技术人员探讨自己产品制造程序事宜，借以改进缺点。通过了解设备的基本结构，提高换热器的设计水平，可以使设计的产品向安全、经济的方向发展。 第5章 参考文献专著1李阳初，刘雪暖石油化学工程原理第二版 北京：中国石化出版社，2008（2010.8重印）：264-2842 王玉兰，郭晓艳，张颖，于英民 .化工原理课程设计 .第一版 .山东：中国石油大学（华东）出版社，2012:235-246 .第6章 致谢历时五天时间终于完成了课程设计作业，在此过程中从开始学习新的软件到设计完成，遇到了很多的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度