《45万吨列管式换热器的设计》要点

1、2014 一届化工原理课程设计45万吨列管式换热器的设计学生姓名学号7071210235所属学院生命科学学院专业化学工程与工艺班级化工14-2班指导教师 田维亮 李秀敏塔里木大学教务处制目录化工原理课程设计（塔里木大学）化工原理课程设计任书 1摘要3第一部分 前言4第二部分换热器设计简介52.1 换热器的类型52.2 设计方案简介 6第三部分列管式换热器的设计计算 83.1 试算并初选换热器规格 8第四部分换热器设计104.1 初步选择换热器规格 104.2 核算总传热系数 k 0 114.3 计算压强降13第五部分零件计算145.1 管子的规格和排列方法 145.2 管程和壳程数的确定 15

2、5.3 外壳直径的确定155.4 折流板形式的确定 165.5 主要附件的尺寸设计 16第六部分 设计结果汇总表17参考文献18小结19附录20化工原理课程设十方教师评分表 21化工原理课程设计任书专业化学工程与工艺班级化工14-2班学生姓名燕学文发题时间： 2012 年 12 月 8 日一、设计题目：煤油冷却器的设计1 .处理能力：年处理煤油45万吨2 .设备形式：列管式换热器3 .设计参数(1) 煤油：入口温度 140c,出口温度 40 c(2) 冷却介质：自来水，入口温度 30 c,出口温度40 c(3) 允许压强降：不大于 100kpa(4) 煤油定性温度下的物性数据：密度 825kg

3、/m3,黏度7.15 x 10-4pa.s ,比热容2.22kj/(kg. c),导热系数 0.14w/(m. c)(5) 每年按330天计，每天24小时连续运行(6) 建厂地区：大气压为 760mmhg自来水年平均温度为 20c的库车县。三、设计要求和工作量完成设计说明书一份四、设计说明书主要内容(参考)化工原理课程设计任务书摘要第一章前言第二章换热器设计简介换热器概述换热器的分类换热器选型及其依据管程和壳程数的确定流动空间的选择流体流速的选择流动方式的选择第三章列管式换热器的设计计算传热系数k平均温度差对流传热系数污垢热阻流体流动阻力(压强降)的计算第四章 换热器设计确定物性数据传热面积初

4、值计算管侧传热系数管内给热系数传热核算壳侧压力降管侧压降计算裕度计算第五章零件计算封头缓冲挡板放气孔、排液孔接管假管拉杆和定距管膨胀节第六章设计结果汇总主要结构参数表第七章设计小结参考文献附 录五、主要参考文献m 谭天恩，等.化工原理（第三版）.北京：化学工业出版社，20092大连理工大学化工原理教研室 .化工原理课程设计.大连：大连理工大学出版社，19943贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计.天津：天津大学出版社，20024时钧主编.化学工程手册（第二版）.北京：化学工业出版社，1996参考文献并不局限于上述所列。六、设计进度安排下发设计任务书并进行初步讲解0.5天搜集、查阅相关资料并完成综述

5、0.25天确定工艺条件和设计方案0.25天完成设计计算3天完成附属设备主要工艺尺寸计算0.5天总结0.5天七、仪器设备塔里木大学化工原理实验室查资料和进行计算机辅助设计指导教师（签名）： 2012年 月 日摘要3化工原理课程设计（塔里木大学）首先，根据任务书要求，结合换热介质物性标准确定换热器类型。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，确定传热器大致尺寸，然后根据压降校核、传热校核确定传热尺寸，最后，通过化工机械 确定换热器各附件尺寸。经过上述步骤选定固定板式换热器，本换 热器的处理能力是45万吨，采用单壳程、4管程，共用710根换

6、热 管,管程压降6.694 io4pa,壳程压降5.5439 io4pa,裕度29.3%, 此换热器符合生产要求。关键词：固定板式换热器、设计、任务书第一部分 前言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。换热器的应用广泛，它的主要功能是保证工艺过程对介质所要 求的特定温度，同时也是提高设备能源利用率的主要设备之一。换 热器既可以是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也 可是某一工艺设备的组成部分，如列管式热交换器。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把 低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽 冷凝成液体。这些过程均和热量传递有密

7、切联系，因而均可通过换 热器来完成。第二部分换热器设计简介2.1 换热器的类型换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。 在这类换热器中，冷、热流体被固体 壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。将在后面做重点介绍。直接接触

8、式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合 的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。 此类换热器结构简单， 可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。 其缺点是设备的体积 庞大，且不能完全避免两种流体的混合。工业上最常见的换热器是间壁式换热

9、器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存 在下来。使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的

10、固定管板式、浮头式和 u形管式等几种类型。2.2 设计方案简介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。5化工原理课程设计(塔里木大学)(1) .固定管板式换热器这类换热器如图1-1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。图1-1 固定管板式换焦麝一垢1流再振 2管束 3无体4-封土妾管 6管版(2

11、) . 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。1-2 u型管贰换热器(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

12、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。由1-3 浮头式换热器1一壳前 之一固定骋板 3一隔板 ，一浮为的喝法兰 5浮勒骨悔 白一呼去就(3).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

13、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。闺1-4 填料函式换热雅1一活劭皆假之一埴料山/3- 堪料 4-帆料由 s蜿画制版(5).换热器类型的选择我们设计的是煤油冷却器，冷却器是许多工业生产中常用的设备。列管式换 热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广。列管式换热器有固定管板式、 浮头式、u形管式和填料函式等类型。列管式换热器的形式主要依据换热器管程 与壳程流体的温度差来确定。由于两流体的温差大于50七，故选用带补偿圈的固定管板式换热器。这类换

14、热器结构简单、价格低廉，但管外清洗困难，宜处理 壳方流体较清洁及不易结垢的物料。因水的对流传热系数一般较大，并易结垢， 故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。第三部分列管式换热器的设计计算3.1试算弁初选换热器规格(1)、定流体通入空间两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择 水走换热器的管程，煤油走壳程。(2)、确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管式换热器的形式 ：被冷却物质为煤油，入口温度为140c,出口温度为40，c冷却介质为自来水，入口温度为30c ,出口温度为40c煤油的定性温度： tm -(140 40)/2 =90七水的定性温度：tm =

15、(30 40)/2 =35七两流体的温差：tm -tm -90-35 =55：c由于两流体温差大于 50c,故选用带补偿圈的固定管板式列管换热器。表3-1两流体在定性温度下的物性数据物性 流海、 温度七密度pkg/m3黏度nmpa s比热容cp kj/(kg i)导热系数九w/(m：c)煤油908250.7152.220.14水359940.7284.1740.626(3)、计算热负荷q按管内煤油计算，即一5一32.22 103(140-40)=3.5038 106w4.5 105 103q =w1cph(t； -t2)=330 24 3600若忽略换热器的热损失，水的流量可由热量衡算求得，即

16、wc =3.5038 106cp,c(t2 -t1) - 4.174 103 (40 - 30)=83.94kg/s(4)、计算两流体的平均温度差，并确定壳程数逆流温差t2 - 沌(t1 -t2) -(t2 -t1)(140-40)-(40 -30)lnmlnxt2 -ti,14040ln40-30= 39.086 c9t2 -t140 -30t -t2140 -40r-2 = =10化工原理课程设计（塔里木大学）40 -30140 -30= 0.091表3-2校正系数邛15由r和p查图得温度校正系数为中占=0.85,所以校正后的温度为：tm = tm .t =39.086 0.85 = 33

17、.23 c又因中a =0.85 0.8,故可选用单壳程的列管式换热器。第四部分 换热器设计4.1初步选择换热器规格根据管内为水，管外为有机液体，k值范围为左右350w/（m2 户c）, 假 设2.k=430w/（m 户c）故62=277.5mq 3.5038 10s =k.：tm380 33.23140 40 40 30由于tm -tm =-= 55c50c ,因此需要考虑热补偿。22煤油温度高，走壳程可增加其散热，且煤油粘度较大，装有折流挡板时，走壳程可在较低的re下即能达到湍流，有利于提高壳程一侧给热系数。初选固定板式换热器规格尺寸如下:外壳直径d1000mm管程流通面积s 0.05570

18、m2管数n 710管长l4.5m中心距32mm换热器的实际传热面积管排方式一一正三角形排列公称压力p 4kpa管程数4管尺寸 4 25x 2.5mm （不锈钢管）公称面积s 245.2 m2s0 =n二d0(l-0.1) =710 3.14 0.025 (4.5-0.1) = 245.2m2采用此换热面积的换热器，则要求换热过程的总传热系数为:3.5038 10 6216.3 33.23-4304.2核算总传热系数ko（1 ）、计算管程对流传热系数a i,因为管中水的质量流量为 wc=83.94kg/s,则一一 _一 _ _ _3 .水的体积流量为 vc=wc/ : =83.94/994 =

19、0.08444m /sn 冗 2 710 3 1422a =di2 = 0.0202 =0.05574m20np 444pui =vc/a = 0.08444/0.05574 = 1.52m/srei= 4.137 父104(湍流)diui ：0.02 1.52 9940.728 104d cppri 二4.174 103 7.28 100.626= 4.8541所以:a i = 0.023 re0.8 pr0.4 (液体被加热 n=0.4 )di= 0.023 竺26 (4.137 104严 4.85410.4 =6684w/(m2 c)0.02（2）、计算壳程对流传热系数 网换热器中心附近

20、管排中流体流通截面积为ao = h d1 do ） = 0. 1 5 1.0 0（卑 5 =） 0.12032 8 1t0. 03 2式中h折流挡板间距，取150mmt 管中心距，对于 425x2.5mm的管中心距为32mm。煤油的质量流量为 wh=15.7828kg/s,则3煤油的体积流量为 vh =a / ： =15.7828/825 = 0.01913m3/s由于换热器为单壳程，所以煤油的流速为：uo =vs/ao =0.01913/0.03281m/s = 0.5830m/s由于管为三角形排列，则有：,3 2 13 2:j32 1只24( t d o)4 (- 0.032 - 0.02

21、5 )deo = -24 =24 = 0.0202m二 do3.14 0.025煤油在壳程中流动的雷诺数为reo =deuo ：0.0202 0.5830 8250.715 10，= 13.588 103因为reo在2 m103 1父106范围内，故可采用凯恩（kern）法求算口。，即0.551/3 .：。=0.36re pr ded cppro =2.22 103 0715 10“0.14= 11.34由于液体被冷却取中口= 0.95,所以% =0.36re0.55pr1/3 5口 = 0.36父 0.14 x(13.588 父1 03)0.55 m11.341/3x0.95=990.98w

22、/(m2，七) de0.0202(3)、确定污垢热阻rs =3.44 10 m2 c/w(自来水)rs. =1.7179 10m2 c/w(煤油)（4）、计算总传热系数 k0 （管壁热阻可忽略时，总传热系数k0为：）ko1rso - r do -do- 二。di ： idi1990.98 一/ _ _41.7179 103.44 100.0250.025+0.026684 0.02_2_二550w/(m c)选用该换热器时，要求过程的总传热系数为430,在传热任务所规定的流动条件下，计算出的k0 =550 w/(m23c),所选择的换热器的安全系数为：550 -430430100% =29.3

23、%则该换热器传热面积的裕度符合要求。4.3计算压强降(1)、计算管程压强降x pi = ( rp2)ftnpns前已算出：ui =1.51m/s rei =4.137 104(湍流)取不锈钢管壁的粗糙度 名=0.1mm,则0 = 0.1 =0 005 di20由摩擦系数图查得 =0.034所以l pu245 994 1 52r = -ui -0.034 245=8554.6pa1 di 20.0222= 3399.6pa3 994 1.5122对于425 m 2.5mm 的管子，有 ft =1.4，且np =4,ns = 1 pi =( p1：p2)ftnpns = (8554.6 3399.

24、6) 1.4 4 1 =66.94 103pa(2)、计算壳程压强降%:po = ( p1p2)fsns由于 fs =1.15, ns =1所以:n-ff0nc(nb 1)管子为正三角形排列，则取 f=0.5 nc=1.1,n=1.1 .710=29.31 折流挡板间距h = 0.15ml 4 5折流板数 nb =l-1 = 45-1 =29 h 0.15_、2一一ao =h( d-ncd0)= 0. 1 5 (1. 0 2 9. 31 =0. 02 5)m0. 04 0093uo-0.5830m/svs 0.01913m sao - 0.03281m2reodouo：0.025 0.5830

25、 8250.715 103= 13.588 103fo =5reo.228 =5x( 13.58803) 4228 =0.5710所以:u2825 0.583023.rff0nc(nb 1)o =0.5 0.5710 29.31 (29 1) =35.197 103pa22p2 =nb(3.522h)-uo =29 (3.5d 22 0.15)1.02825 0.58302= 13.011 103pa p =（：p1p2）fsns = （35197 13011） 1.15 1 = 55.439 103pa从上面计算可知，zapo，api 105,该换热器管程与壳程的压强降均满足题设要求，故所选

26、换热器合适。第五部分零件计算5.1 管子的规格和排列方法考虑到流体的流速，选用425m2.5mm规格的管子。我国换热器系列中，固 定管板式多采用正三角形排列，它的优点有：管板的强度高；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；相同壳程内可排列更多 的管 子。所以选择正三角形排列。5.2 管程和壳程数的确定管程数m可按下式计算，即um = 一u式中 u 管程内流体白适宜速度，m/s;u 单管程时管内流体的实际速度， m/s。取 u=1.5m/s（参考化工原理上册）水的流量为 wc =83.94kg/s ,对于。25x 2.5mm的管子，,wc83.94，u = =0 . =

27、 0.3788m/ s一二 23.142：d2 n 994 0.022 71044“口 u 1.51m s求得m3.986u 0.3788m s所以选用4管程。在单壳程中，由 r和p查得温度校正系数为 中占=0.85大于 0.8,所以采用单壳程。5.3 外壳直径的确定初步设计中可用下式计算壳体的内径，即d -1. 0 5,飞/式中d -壳体内径，m;t 一管中心距，m;其中，nt -换热管数；t = 0 . 0 3m2 n= 7 1=0 ,则 d =1.05 0.032710, 0.85 = 0.971m = 971mm按照此方法计算得到的壳内径应圆整，标准尺寸如下表：壳体外径/mm325400,500, 600, 700800,900,10001100, 1200最小壁厚/mm8101214所以取 d=1000mm, d=12mm5.4 折流板形式的确定折流挡板的主要作用是引导壳程流体反复的改变方向做错流流动，以加大壳程流体流 速和湍动速度，致使壳程对流传热系数提高。选择水平圆缺形折流板，切去的弓形高度为外壳内径的25.0% （圆缺率的范围一般为15%45%）,即为：1000 m 15.0% = 150mm。