兰州交通大学化工原理课程设计讲解

1、兰州交通大学化工学院化工原理课程设计化工原理课程设计题目：年产1.5万吨苯冷却器工艺设计学 院 化学与生物工程学院 专 业 应用化学 班 级 应用化学1102班 姓 名 学 号 年 月 日1目录 换热器设计任务书- 4 -一.设计题目- 5 -2. 设计条件- 5 -三.换热器的介绍 - 7 -四.确定设计方案- 15 -五.估算传热面积- 15 - 1.传热量 - 15 - 2.冷却水用量- 15 - 3.平均传热温差 - 15 - 4.传热面积- 15 -六.工艺结构尺寸- 16 - 1.管径及管内流速 - 16 - 2.管程数及传热管数 - 16 - 3.传热温度校正- 17 - 4.传

2、热管排列- 17 - 5.折流板-17 - 6.接管- 17 -七.传热器校核- 18 - 1.传热面积校核 - 18 - 2.壁温校核- 20- 3.压力校核- 21-八.结构设计- 22- 1.管子的设计- 22- 2.管板的设计-23 - 3.折流板设计- 23- 4.壳体设计 - 24- 5.壳程接管程设计- 24- 6.封头设计 - 25- 7.支座设计- 25-九.符号说明- 26-十.参考文献- 28-化工原理课程设计任务书（2班）一、 设计题目：苯冷却器的工艺设计二、 设计条件1 生产能力1.5万t/a粗苯2 设备形式：非标准系列列管换热器3 操作压力：常压4 苯的进出口温度：

3、进口80，出口355 换热器热损失为热流体热负荷的3.56 每年按330天计，每天24小时连续生产7 建厂地址：兰州地区8 要求管程和壳程的阻力都不大于104Pa三、设计步骤及要求1. 确定设计方案1) 选择列管换热器的类型2) 选择冷却剂的类型和进出口温度3) 查阅介质的物性数据4) 选择冷热流体流动的空间及流速5) 选择列管换热器换热管的规格6) 换热管排列方式7) 换热管和管板的连接方式8) 选择列管换热器折流挡板的形式9) 材质的选择2. 初步估算换热器的传热面积S3. 结构尺寸的计算1) 确定管程数和换热管根数及管长2) 平均温差的校核3) 确定壳程数4) 确定折流挡板、隔板规格和数

4、量5) 确定壳体和各管口的内径并圆整4. 校核1) 核算换热器的传热面积，要求设计裕度不小于10%，不大于20%2) 核算管程和壳程的流体阻力损失3) 管长和管径之比为610如果不符合上述要求重新进行以上计算5. 附属结构如封头、管箱、分程隔板、缓冲板、拉杆和定距管、人孔或手孔、法兰、补强圈等的选型6. 将计算结果列表（见下表）四、 设计成果1. 设计说明书（A4纸）4 内容包括封面、任务书、目录、正文、参考文献、附录5 格式必须严格按照兰州交通大学毕业设计的格式打印2. 换热器工艺条件图（2号图纸）（手绘）五、时间安排1) 第十九周第二十二周2) 第二十二周的星期五（7月25日）下午两点本人

5、亲自到指定地点交设计成果，最迟不得晚于星期五的十八点钟六、 设计考核1) 设计是否独立完成2) 设计说明书的编写是否规范3) 工艺计算与图纸正确与否以及是否符合规范4) 答辩七、 参考资料1. 化工原理课程设计 贾绍义 柴诚敬 天津科学技术出版社2. 换热器设计手册 化学工业出版社3. 化工原理 夏清 天津科学技术出版社换热器主要工艺结构尺寸和计算结果一览表参数管程壳程操作条件物料名称流量（/h）操作温度（）操作压力（MPa）物性参数定性温度（）密度（/m3）定压比热（kJ/）粘度（mPas）导热系数（w/m）主要工艺性能参数流速（m/s）对流传热系数（w/m2）污垢热阻（m2/ w）阻力损失

6、（MPa）热负荷（w）传热总系数（w/m2）传热平均温差（）传热面积（）设计裕度（%）设备结构参数换热器的型式材质程数换热管规格（mm）直径（mm）长度（m）折流挡板型式数目（个）数目排列方式间距（mm）管心距（mm）化工原理课程设计报告一 设计题目：年产1.5万吨苯冷凝器的工艺设计二 设计条件 1.设计任务:设计一冷凝器，冷凝液体苯 (1).处理能力:1.5104t/a。 (2).冷却剂：自来水，进口温度t1=25 出口温度t2=35 2.操作条件： （1）生产方式：连续操作; （2）生产时间：每年以330天计算，每天24小时; （3）冷凝器操作压力为常压，管程和壳程的阻力都不大于104 P

7、a.3. 换热器的介绍 一、概述 目前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。两流体温度变化情况：热流体进口温度80，出口温度35；冷流体进口温度25，出口温度35，该换热器使用循环冷却水冷却，壳体壁温与管子壁温之差不是太大，操作压力不是太大，综合冷热流体的性质，初步选择固定管板式换热器。二、板式换热器的优点(1)换热效率高,热损失小(2)占地面积小重量轻(3)污垢系数低(4)检修、清洗方便(5)产品适用面广三、板式换热器的类型及工作原理 1.板式换热器按照组装方式可以分为可拆式、焊接式、

8、钎焊式等形式;按照换热板片的波纹可以分为人字波、平直波、球形波等形式;按照密封垫可以分为粘结式和搭扣式。各种形式进行组合可以满足不同的工况需求,在使用中更有针对性。比如同样是人字形波纹的板片还因采用粘结式还是搭扣式密封垫而有所不同,采用搭扣式密封垫可以有效的避免胶水中可能含有的氯离子对板片的腐蚀,并且设备拆装更加方便。又如焊接式板式换热器的耐温耐压明显好于可拆式板式换热器,可以达到250、2.5MPa。因此同样是板式换热器,因其形式的多样性,可以应用于较为广泛的领域,在大多数热交换工艺过程都可以使用。 虽然板式换热器有多种形式,但其工作原理大致相同。板式换热器主要是通过外力将换热板片夹紧组装在

9、一起,介质通过换热板片上的通孔在板片表面进行流动,在板片波纹的作用下形成激烈的流,犹如用筷子搅动杯中的热水,加大了换热的面积。冷热介质分别在换热板片的两侧流动,湍流形成的大量换热面与板片接触,通过板片来进行充分的热传递,达到最终的换热效果。冷热介质的隔离主要通过密封垫的分割,或者通过大量的焊缝来保证,在换热板片不开裂穿孔的情况下,冷热介质不会发生混淆。 2.流程安排 从两流体的操作压力及传热的角度考虑，苯走壳程有利于与空气散热，加强传热效果，同时循环水走管程有利于污垢的清除，但苯属于危险化学品，有毒，遵循化工生产安全第一的原则，选择苯走管程，水走壳程。 3.接管流体流速选择 管程流体苯的接管流

10、速初选0.8ms,壳程流体水的接管流速初选为1ms。 4.换热管的选择及排列方式 选择252.5的碳钢传热管，选择正方形排列，这样有利于污垢的清除。 四、换热设备 定义 使传热过程得以实现的设备称之为换热设备。 按用途分类 冷却器 冷凝器 加热器 换热器 再沸器 蒸气发生器 废热(或余热)锅炉 按换热方式分类 直接接触式换热器 蓄热式换热器 间壁式换热器 换热器的基本要求 热量能有效地从一种流体传递到另一种流体，即传热效率高，单位传热 面上能传递的热量多。 换热器的结构能适应所规定的工艺操作条件，运转安全可靠，密封性好， 清洗、检修方便，流体阻力小。 价格便宜，维护容易，使用时间长。 换热器选

11、型应考虑的因素 流体的性质。 换热介质的流量、操作温度、压力。 管壳式换热器 1、管壳式换热器的类型 （1）固定管板式换热器1封头；2法兰；3排气口；4壳体；5换热管；6波形膨胀节；7折流板（或支持板）；8防冲板；9壳程接管；10管板；11管程接管；12隔板；13封头；14管箱；15排液口；16定距管；17拉杆；18支座；19垫片；20、21螺栓、螺母 （2）浮头式换热器1防冲板；2折流板；3浮头管板；4钩圈；5支耳 浮头结构示意图浮头式重沸器1偏心锥壳；2堰板；3液面计接口（3）U形管式换热器 U形管式换热器 1中间挡板；2U形换热管；3排气口；4防冲板；5分程隔板填料函式换热器（4）填料函

12、式换热器 1纵向隔板；2浮动管板；3活套法兰；4部分剪切环；5填料压盖；6填料；7填料函2、管壳式换热器的结构 管壳式换热器流体的流程 一种流体走管内、称为管程，另一种流体走管外、称为壳程。管内流体从换热管一端流向另一端一次，称为一程；对U形管换热器，管内流体从换热管一端经过U形弯曲段流向另一端一次，称为两程. 3、换热管及其在管板上的排列 换热管在管板上的排列形式有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形等 （1）换热管的排列形式 管板和管子的连接 管板和管子的连接方式有胀接和焊接，对于高温高压下常采用胀、焊并用的方式。 胀接 胀接适用于换热管为碳钢，管板为碳钢或低合金钢，设计压力不超过4

13、MPa、设计温度不超过350，且无特殊要求的场合。 焊接 碳钢或低合金钢，温度在300以上，大都采用焊接连接（2）管板与换热管的焊接连接 管箱 管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。（3）管箱结构形式1隔板；2管板；3箱盖 壳体及其与管板的连接 在壳程进口接管处常装有防冲板或称缓冲板。（4）进口接管及防冲板的布置 在固定管板式中，两端管板均与壳体采用焊接连接、且管板兼作法兰用，在浮头式、U形管式及填料函式换热器中采用可拆连接，将管板夹持在壳体法兰和管箱法兰之间。（5）管板与壳体连接结构 折流板 折流板的作用 引导壳程流体反复地改变方向作错流流动或其他形式的流动，并可调节 折流板间距以获

14、得适宜流速，提高传热效率。另外，折流板还可起到支 撑管束的作用。 折流板的分类 常用折流板有弓形和圆盘-圆环形两种 弓形的有单弓形、双弓形及三弓形，单弓形和双弓形应用最多。 弓形折流板 圆盘-圆环形折流板 折流板缺口尺寸 （6）折流板的固定 折流板的固定是通过拉杆和定距管来实现的。 拉杆结构 4、管壳式换热器的标准 GB1511999管壳式换热器 是由国家技术监督局发布的关于管壳式换热器的国家标准。该标准是管壳 式换热器设计和制造的主要依据。 标准代号为JBT4714472092 该标准对浮头式换热器和冷凝器、固定管板式换热器、立式热虹吸式重沸器及U形管式换热器的具体结构形式、基本参数及其组合

15、都作了具体的规定(定型)。 换热器的型号 DN - A- - -或 管束的级别 管程/壳程数，单壳程时只写Nt 公称长度/换热管外径，m 公称换热面积 管程/壳程设计压力，MPa；压力相等时只写pt 公称直径，mm； 分别表示前端管箱、壳体、后端结构形式5、其他类型换热设备简介（1）板面式换热器 螺旋板式换热器 螺旋板换热器的结构是由两张平行的钢板在专用的卷床上卷制而成，它是具有一对螺旋通道的圆柱体，再加上顶盖和进出口接管而构成的。 螺旋板换热器结构形式与型螺旋板换热器 板式换热器 板式换热器是由一组长方形的薄金属传热板片构成，用框架将板片夹紧组装于支架上。两个相邻板片的边缘衬以垫片(各种橡胶

16、或压缩石棉等制成)压紧，板片四角有圆孔，形成流体的通道。1上导杆；2垫片；3传热板片；4角孔；5前支柱；6固定端板；7下导杆；8活动端板 板翅式换热器 板翅式换热器 1，3侧板；2，5隔板；4翅片6、空冷器 空冷器是以空气作为冷却介质，对流经管内的热流体进行冷却或冷凝。主要由管束、风机、构架及百叶窗等部件组成。 空冷器结构1百叶窗；2管束；3构架；4风机套管式换热器 套管换热器（a） 光滑管； (b）带有翅片的管子和可以拆卸的套管三、确定数据物性 定性温度：对一般水等底黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故管程定性温度为 T=57.5壳程流体的定性温度为 t=30在定性温度下两流体

17、的物性数据如下表： 流体物性温度T 密度 (kgm3)比热容 kJ(kg.)导热系数 W(m.)黏度 Pa.s水30995.74.17461.7610-280.0710-5苯57.5839.181.8204132.6410-339.410-54 估算传热面积 1.传热量 苯的流量为： W=1893.940kg/h 总传热负荷为： = W.C.(T1-T2) =1893.9401.8204(80-35)=1.551510kJ/h 需交换的热量为： kJh=41589W 2.冷却水的用量 W=3586.97kg/h 3.平均传热温差 按纯逆流计算，得 = () 4.传热面积 初选K=400W(m2

18、.K),则估算的传热面积为： 六.工艺结构尺寸 1.管径和管内流速 选用252.5碳钢传热管,取管内苯的流速为0.52m 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为： 为核算方便取5根。 按单管程计算，所需的传热管长度为 按单管程计算，传热管过长，宜采用多管程结构，现取传热管长=3m,则 该换热器的管程数为 传热管总根数为：(根) 3.平均传热温差校正及壳程数 = =0.83 平均传热温差为 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。温度校正图 4.传热管排列和壳体内径 采用三角形排列，这样有利于传递热量。 取管中心距,则 t=1.202

19、5=30(mm) 管束中心线最外层管至壳体内壁的距离e取,则 e=1.525=37.5(mm) 横过管束中心线的管数为： 壳体的内径为： 根据卷制壳体的进级挡，可取=325mm 5.折流板 采用弓形折流板（水平圆缺），取弓形折流板圆缺高度为壳体直 径的20%，则切去的圆缺高度为： H=0.2325=65（mm） 取折流板间距h=0.4=0.40.325=0.13(m),取h=150mm,则折流板数 为： 6.接管 管程流体进出口接管：取接管内苯的流速为=0.8m/s,则接管内径 为： 由于苯是有粘度的液体，所以圆整后取标准管子为453.5。 壳程流体进出口接管：取接管内水的流速=1.5m/s,

20、则接管内径为 圆整后取标准管子为453.5。 七.换热器校核 1.传热面积校核 （1）.管程传热系数 雷诺准数为 普兰特准数为 W/(m2.) (2).壳程传热系数 换热管列管之中心距t=32mm,则流体通过管间最大截面积为 水的流速为 壳程当量直径为 雷诺准数为 普兰特准数为 苯被冷却，取，则为 w/(m2.) 取换热管内外污垢的热阻分别为 =0.00017m2./ =0.0002m2./ 管壁的热阻为：取碳钢的导热率，壁厚b=0.0025m,则 总传热系数为 =359.2994/(m2.) 理论传热面积为 实际传热面积为 该换热器的面积裕度为： 传热面积裕度合适，该换热器能完成任务。 2.

21、壁温核算 因管壁很薄，且管壁热阻很小，管壁温度可按下式计算 计算中，应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢的热阻为零计算传热管壁温。 （） 传热管壁温和壳体温之差为 （） 因此选用固定管板式换热器比较合适。 3.压力降校核 （1）管程压力降校核 其中， NP=8; 取管壁粗糙度为0.1mm，Re=22151,查-Re图得 则： 莫狄图 （2）壳程压力降校核 其中，, ; 其中，F=0.3, , , 计算表明，管程和壳程压力降都能满足要求。 八结构设计 1.管子的设计 （1）采用光滑管光滑管结构简单，制造容易。缺点是它强化传热的性能不足。为了提高换热器的传热系数，可采用结构形式多样化的管子，

22、如异性管，翅片管，螺纹管等。 （2）选用的管子。 （3）管长 我国生产的无缝钢管长度一般为6m，故系列中换热管的长度分为1.5，2,3,4.5,6 米几种， 本设计中采用3米长的管子。 （4）管子的排列形式 管子的排列方法常用的有正三角形直列，正三角形 错列，正方形直列和正方形错列。 .正三角形错列 .正方形直列 .正方形错列 正三角形排列比较紧凑，在一定的壳径内可排列较多的管子，且传热效果好，但管外清洗较为困难。而正方形排列，管外清洗方便，适用于壳程中的流体易结垢的情况，其传热效果较正三角形差些。本设计中采用正三角排列方式，这样有利于充分传热。 2.管板的设计 （1）管板的作用：固定作为传热

23、面的管束，并作为换热器两端的间壁，将管程流体分隔开来。 （2）管板上的管孔数：即为壳体中的传热系数（包括圆缺形板区安置的）。 （3）管板上的孔间距不宜过大，避免布管疏松，不利传热；也不宜过小，避 免焊接时引起较大的应力，影响焊接质量，另外也不利于清扫壳程管束。 （4）管板与壳体连接采用不可拆式，即直接焊在壳体上，稍微延伸，兼作法兰，便于对胀口进行检查和维修以及清洗管子。 （5）管板直径与厚度 管板与壳体直径应保持一致，管板厚度与材料强度，介质压力，温度和压差，温差以及管子和外壳的固定方式和受力因素有关。对于管子与管板胀接时，为保证胀接的可靠性，管板的最小厚度为0.75。管子与管板焊接时，由于焊

24、接可以达到甚至超过管子本身的强度，只要管子强度足够，管子厚度可不受限制，而由焊接工艺及焊接变形等要求来确定。 本设计中选用由于管子与管板采用 ，但焊接式，故取。 （6）采用多管程，故管板中间要留有隔板的位置。 （7）管子在管班上的固定方法，必须保证管子和管板连接牢固，不会在连接处产生泄漏。连接方式一般有三种：胀接法，焊接法，胀焊并用法；一般采用的事胀接法和焊接法。由于焊接法在高温高压下仍能使用，保持连接的紧密性，管孔加工要求低节约空的加工工时，同时焊接工艺比胀接工艺简单等优点，故本设计中采用焊接法。根据标准规定，管子外径为25mm时，管板孔的直径为25.8mm,允许偏差；相邻孔中心距32mm，

25、管孔中心距偏差：相邻孔间，任意孔间；支撑板孔直径25.6mm,允许偏差。 管子露出管板的长度，采用1.5mm。 3.折流板设计 （1）采用圆缺形型折流板。 （2）圆缺形折流板在卧式换热器中的排列分为圆缺上下方向和圆缺左右方向两种。上下方向排列者可造成液体的剧烈湍动，增大传热膜系数，这种结构最为常用。故本设计中选用圆缺上下方向排列。 (3)圆缺折流板的圆缺高度一般为%至40%，本设计中采用 H=20%Di=20%325mm=65mm。 （4）允许折流板的间距与管径有关，取折流板间距h=0.4D,则h=0.4325mm=130mm，取h为150mm。 折流板数目= 折流板圆缺面水平装配 （5）折流

26、板厚度为5mm. 4.壳体设计 壳体厚度计算： 其中 ，,，（双面焊缝）， 故 考虑到开孔的削弱及安全，以及开孔的强度补偿措施，取壳体厚度为8mm。 5.壳程接管的设计 （1）.管程流体进出口接管：取接管内苯的流速为=0.8m/s,则接管内径 为： 圆整后取标准管子为453.5。 （2).壳程流体进出口接管：取接管内水的流速=1.0m/s,则接管内径为 圆整后取标准管子为453.5。 （3）壳层流体出口接管，为方便计算，取与管程进出口管规格相同。 （4）接管的外伸长度6 .封头设计 由于椭圆形封头制造方便，结构合理，用材较少，故本设计采用标准椭圆形封头： 为了与筒体配套和焊接方便，标准椭圆形封

27、头内径为325mm，厚度为8mm，曲面高度为30mm，直径高度为50mm。 7.支座设计化工设备中的支座是支撑设备位置用的一种必不可少的部件，在某些场合，支座还可以承受设备操作时的震动，地震载荷，风雪载荷等。支座的结构形式和尺寸往往取决于设备的型号，载荷情况及构造材料。常用的有：悬挂式支座，支撑式支座和鞍式支座。本设计中采用支撑式支座，以满足立式冷凝器的要求。 九符号说明1、英文字母(1).小写英文字母 管径 m a传热系数 w/(.) 壳程流体的摩擦系数 折流板圆缺高度 m 管数 冷流体温度 平均传热温 t管心距 流速 长度 m2(2).大写英文字母传热面积 折流板间距定压比热容 换热器内径 结垢校正系数 F管子排列方式对压力降的