化工原理课程设计换热器设计

1、化工原理计设计任务：换热器班级：13级化学工程与工艺(3)班姓名：魏苗苗学号：1320103090q i ng fl al university目录化工原理课程设计任务书2设计概述3试算并初选换热器规格-6流体流动途径的确定6物性参数及其选型6计算热负荷及冷却水流量7计算两流体的平均温度差7初选换热器的规格7工艺计算101. 核算总传热系数102. 核算压强降13设计结果一览表16经验公式16设备及工艺流程图17设计评述17参考文献18q i ngh al university化工原理课程设计任务书设计题目:设计一台换热器三、四、五、操作条件:设备型式:处理能力:设计要求:1、1、2、3、4、

2、苯：入口温度80°c,出口温度40°c。冷却介质：循环水，入口温度32.5°co允许压强降：不人于50kpao每年按300天计，每天24小时连续运行。管壳式换热器109000吨/年苯选定管壳式换热器的种类和工艺流程。2、管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸的设计。3、设计结果概要或设计结果一览表。4、设备简图。(要求按比例画出主要结构及尺寸)5、对本设计的评述及有关问题的讨论。六、附表:出口温度40.5 °c壳体内部空间利用率70%选定管程流速u (m/s)1壳程流体进出口接管流体流速ul (m/s)1管程流体进出口接管流体流速u2 (m/s)1.5q

3、 i ng fl al university1.设计概述1.1热量传递的概念与意义1.1.1热虽传递的概念热量传递是指由于温度差引起的能暈转移，简称传热。由热力学第二定 律可知，在口然界中凡是有温差存在时，热就必然从高温处传递到低温处， 因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。1.1.2化学工业少热传递的关系化学工业与传热的关系密切。这是因为化工生产中的很多过程和单元操 作，多需要进行加热和冷却，例如：化学反应通常要在一定的温度进行，为 了达到并保持一定温度，就需要向反应器输入或输出热量；又如在蒸发、蒸 憎、干燥等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热量。此外，化工设备 的保温，

4、生产过程屮热能的合理利用以及废热的回收利用等都涉及到传热的 问题，由此可见；传热过程普遍的存在于化工生产中，仇具冇极其璽要的作 用。总之，无论是在能源，宇航，化工，动力，冶金，机械，建筑等工业部 门，还是在农业，环境等部门屮都涉及到许多有关传热的问题。应予指出，热力学和传热学既有区别又冇联系。热力学不研究引起传热 的机理和传热的快慢，它仅研究物质的平衡状态，确定系统由一个平衡状态 变成另一个平衡状态所需的总能虽；而传热学研究能量的传递速率，因此可 以认为传热学是热力学的扩展。1.1.3传热的基本方式根据载热介质的不同，热传递有三种基本方式：1. 1. 3. 1热传导（又称导热） 物体各部分之间

5、不发生相对位移，仅借分 子、原了和自由电了等微观粒了的热运动而引起的热量传递称为热传导。热 传导的条件是系统两部分之间存在温度差。1. 1. 3. 2热对流（简称对流） 流休各部分之间发生相对位移所引起的热 传递过程称为热对流。热対流仅发牛在流体中，产牛原因有二：一是因流体 屮各处温度不同而引起密度的差别，使流体质点产生相对位移的白然对流； 二是因泵或搅拌等外力所致的质点强制运动的强制对流。此外，流体流过i古i体表而时发生的对流和热传导联合作用的传热过程，q i ng fl al university即是热由流体传到固体表血（或反之）的过程，通常称为对流传热。1. 1. 3. 3热辐射 因热的

6、原因而产牛的电磁波在空间的传递称为热辐射。热辐射的特点是:不仅有能量的传递,而且还有能量的转移。12换热器的概念、意义及基本设计要求1.2.1换热器的概念及意义：在化工牛产11 为了实现物料之间能量传递过程需耍一种传热设备o这种设备 统称为换热器。在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同 的换热过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝。换热器就是用来进行这些热传递 过程的设备，通过这种设备，以便使热虽从温度较高的流体传递到温度较低 的流体，以满足工艺上的需要。它是化工炼汕，动力，原了能和其他许多工 业部门广泛应用的一种通用工艺设备，对于迅速发展的化工炼汕等工业牛产 來说，换热器尤为重要。换热

7、器在化工生产中，有时作为一个单独的化工设 备，有时作为某一工艺设备的组成部分，因此换热器在化工生产中应用是十 分广泛的。任何化工生产中，无论是国内还是国外，它在生产中都占冇主导 地位。1.2.2换热器设计要求:序号特别要求1对事故工况的校核2对管箱隔板强度的校核3各部件吊耳安装位置的校核4浮头式和u形管束固定管板外径延伸，使管板兼作试压法兰时的强度校核5管板的刚度校核6风载荷和地震载荷的校核7进出口接管承受管线载荷的校核8叠装换热器中，底下那台换热器的校核9鞍式支座的校核10外表油漆干膜厚度的检测11封头热压成形吋，终压温度的检测q i ngf1 al university1213壳体肓线度的

8、检测氢工况的判别及材料要求1. 3管壳式换热器的简介1.3.1概述：管壳式换热器是目前应用最为广泛的-种换热器。它包括:固定管 板式换热器、u型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、 分段式换热器、套管式换热器等。管売式换热器由管箱、壳体、管束 等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其屮换热管作为导热 元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较人影响 的基本元件是折流板（或折流杆）。管箱和壳体主要决定管壳式换热 器的承压能力及操作运行的安全可靠性。1.3.2t作原理：管売式换热器和螺旋板式换热器、板式换热器一样属于间壁式 换热器，其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管

9、外构成的流体 通道称为壳程。管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温度较高 的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体 被冷却，温度佼低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺冃的。卜折沆拾板；2你3咗体:4也;卜梓歆6芒版1.3.3主要技术特性：1、耐高温高压，坚固可靠耐用；2、制造应用历史悠久， 制造工艺及操作维检技术成熟；3、选材广泛，适用范围人。2.试算并初选换热器规格2.1流体流动途径的确定本换热器处理的是两流体均不发生相变的传热过程，水易结垢，根据两流体的情况，故选择循环水走换热器的管程，苯走壳程。q i ng fl al university22确定流体的定性温度、

10、物性数据，并选择列管换热器的型式2. 2. 1定性温度冷却介质为循环水，入口温度为：25 °c,出口温度为：33 °c；苯的定性温度：错误！嵌入对象无效°c；水的定性温度:tm= (25+33) /2=29°c；两流体的温差：错误！嵌入对象无效。°c两流体温并不人于50°c, 不考虑热补偿；故选用固定管板式列管换热器。2. 2. 2物性数据错误！嵌入对象无效。0. 381错误!嵌入对象无效。二0. 381mpas 错误！嵌入对象无效。0. 807错误！嵌入对象无效。=0. 807mpa -s 错误！嵌入对象无效。0=1.828kj/(

11、kg - °c)错误！嵌入对象无效。4. 176kj/(kg °c)错误！嵌入对象无效。0. 151w/ (m °c)错误！嵌入对象无效。=0. 613w/ (m °c)两流体在定性温度下的物性数据如下：物性流体密度kg/m3比热 kj/ (kg °c)粘度mpa s导热系w/ (m °c)苯836. 61.8280. 3810. 151水995. 74. 1760. 8070.6132. 3计算热负荷和冷却水流量2. 3. 1 热流体流量：wh二 134000000/(300*24)二 18611. lllllkg/h2.3.2 热

12、负荷：q二 wh *c 苯*1000* (80-40) /3600= 378012. 3457w2. 3. 3 冷流体的质量流量:w<=q*3600/1000/c 水/(32-25)二 40753. 60699 kg/h2. 4计算两流体的平均温度差按单壳程、多管程进行计算，逆流时平均温度差为：2. 4. 1平均温度差atz m二(at2一atl) /in(at2/atl)=(80-33)-(40-25) /ln(80-33)/(40-25) = 28. 02°cq i ng fl al university2. 4. 2温度矫正系数p= (t2-tl)/(t2-t1) = (

13、33-25)/ (80-40)=0. 145r=(t1-t2)/(t2-tl)=(80-40)/(33-25)=5由化工原理上册p238页查图4 19町得：4)at=0. 92所以 tm=d> at *zt m二0. 92*28. 02二 25. 77713598°c 不需要热补偿 又因为0. 92>0. &故可选用单壳程的列管换热器。2. 5试算和初选换热器的规格2.5. 1初定k值：根据低温流体为水，高温流体为有机物(参见化工原理p355)有k值的范围: 430850w/(错误！嵌入对象无效。°c),错误！嵌入对象无效。假设 k0=300w/(m2

14、°c)2. 5. 2单管程的管子根数：因为水走管程且初选©25*2.5, l= 6m的列管,所以设ui=lm/s由错误！嵌入对象无效。可求得：v=40753. 60699 kg/h /(995. 7*3600)二0. 01137nt3口二4v/ (3. 14*0. 02*0. 02)=36. 2 取 37 根2. 5. 3传热面积：so=q/(atm*ko)=48. 88m22. 5. 4单管程管长：li=so/(3. 14*do*ni)=16. 83m2.5.5管程数：np=li/l=16. 83/6=2. 84初选管程为 np二32.5.6总管数：n二 np*m 二 3

15、*37二111 根2.5.7管心距：t=l. 25*do=l. 25*25二32inm nc=l. 19*n* 1/2=13 根q i ng fl al university2. 5. 9计算壳径:d二l05*t* (111/0. 7) 1/2二423mm 取整：450mm2. 5. 10折流板：采用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二0.25*450二112. 5mm,取 h=l10mm；折流板间距取150mm折流板数：nb二传热管长/折流板间距-1二6000/150-1=39块折流板圆缺血水平装配2.5. 11 接管：壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为ul二lm

16、/s,则接管内径为 dl=4v/(3.14*u)1/2=4*134000000/300/24/3600/836. 6/3.14厂 1/2二0. 0887m取整dl=90mm管程流体进出口接管：収接管内循环水流速u2=1.5m/s,则接管内径为 d2=4v/(3. 14*u)1/2二4*0.01137/3. 14/1.511/2=0. 098m取整 d2=100mm2. 5. 12将这些管子进行排列有图如f：/0©i)o02. 5. 13初选同定管板式换热器规格尺寸为:売径d450 mm管子尺寸 25x2. 5nim管程数np3管长l6. 0 m管子总数n111管子排列方法正二角形n上

17、孝qi ngb-fl al universitysl=3 14ndl=3 14*111*0. 025* (6.0-0. 1) =51. 40965m2若采用此传热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为:kl=q/(sl*atm)= 285. 2506706 w/(m2 °c)3工艺核算3.1核算总传热系数3.1.1计算管程対流传热系数错误！嵌入对象无效。ui=vi/ai=4*0. 01137/(ni*3 14*di"2)与假设相一致湍流二4*0. 01137/(37*3. 14/4*0. 02'2)二0 979m/s介适re：二di*ui*995. 7/(0. 80

18、7*10=3)二 24359. 7142pr二c 水*(0. 852*10=3)/0. 613=5. 406735751象对嵌 入错 误图 壳程摩擦系数f错误！嵌入对象无效。与re错 误！嵌入对象无效。的关系所以a i =0. 023*(错误！嵌入对象无效。/di)* (re) 0-8*pri03=0. 023*0. 613/0. 02*(24359. 7142厂0. 8*(5. 8厂0. 4=4507. 304891 (w/(m2 °c)3. 1. 2计算壳程对流传热系数错误！嵌入对象无效。换热器中心附近管排中流体流通截面积为：ao=hd(l-d0/t)=0. 15*0. 45*(

19、1-0. 025/0. 032)= 0. 014765625m2ioq i ng fl al university式中错误！嵌入对象无效。折流挡板间距，取150mm；错误！嵌入对象无效。管屮心距，对错误！嵌入对象无效。，错误！嵌入对 象无效。因为wh= 18611. 11111 (kg/h) =18611. 11111/(3600*836. 6)=所以uo=vs/ao=18611. 11111/(3600*836. 6)/0. 014765625=0.418504475 m/s由正三角形排列得：de=4 (v3 /2 *t23. 14/4 *d02)/(3. 14 d0)二4*( v3 /2*

20、0.032' 3. 14/4*0. 025，)/(3. 14*0. 025)二0. 027151936m错误！不能通过编辑域代码创建对象。=0. 027151e 6*0. 418504475*836. 6/(0. 381*0. 001) =25016. 99652错误！不能通过编辑域代码创建对象。因为re。在错误！不能通过编辑域代码创建对象。范围内口壳程中苯被冷 却，取(u / u w)二 0. 915；错误！不能通过编辑域代码创建对象。所以a。= 799. 570385 w/(m2 °c)3.1.3确定污垢热阻管内、外侧污垢热阻分别取为：rsi= 0. 0002 w/(m2

21、 °c)rso= 0.00017 w/(m2 °c)忽略管壁热阻、总传热系数k2为:q i ng fl al university如”、：！不能通过编辑域代码创建对象。kz=513. 3472272w/(m2 °c)由前面计算可知，选用该型号换热器时，要求过程的总传热系数为285.2506706 w/(m2c),在传热任务所规定的流动条件下，计算出的为513. 3472272w/(m2 c),其安全系数为：n=(513. 3472272285. 2506706)/285. 2506706*100%二79. 96354787%故所选择的换热器是合适的。3.1.5回溯

22、试算：安全系数过高，说明设计过程屮材料浪费，管数是主要影响因素之一，可控制英它条件不变，适当降低管程数，减少总管数。3.1.5. 1回溯管程计算：np=2：kl=427. 876006(w/(m2 °c)k2=513. 3472272 (w/(m2 °c)ri =(513. 3472272-427. 876006)/ 427.876006*100%= 19.97569858% 符合条件np=l：ki二855. 7520119(w/(m2 °c)k2=513. 3472272 (w/(m2 °c)ri” =(513. 3472272-855. 752011

23、9)/ 855.7520119*100%=-40.01215071% 不符合条件3. 1.5. 1总管数：n二np*ni二2*37二74 根3. 1.5.2管心距：t=l. 25*d°二 1. 25*25二32mm3. 1. 5. 3横过管束屮心线的管数：nc=l. 19*rtl/2 二 11 根3.1.5.4计算壳径:d二 1. 05*t* (74/0. 7) "1/2二345mni取整：450mmq i ng fl al university采用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二0.25*450二 112. 5伽，取 h二 110mm；折流板

24、间距取b= 15omni折流板数：n尸传热管长/折流板间距-1=6000/150-1=39块折流板圆缺面水平装配3. 1.5.6 接管：売程流体进出口接管：取接管内汕品流速为ul=lni/s，则接管内径 为 dl二4v/(3 14*u)厂 1/2=4*134000000/300/24/3600/836. 6/3. 14厂1/2二0.0887m 取整 dl=90mm管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u2=l. 5m/s,则接管内径为 d2=4v/(3. 14*u)厂 1/2二4*0.01137/3. 14/1.511/2=0. 098m 収整 d2= 100mm3. 1. 5. 7将这些管子

25、进行排列有图如2. 5. 123. 1. 5. 8初选固定管板式换热器规格尺寸为:山 f r i)450 mm管子尺寸 25x2. 5mm管程数np2管长l6. 0 m管子总数n74管子排列方法正二角形3. 1. 5. 9实际传热面积及总传热系数s1 二3. 14ndl二3. 14*74*0. 025* (6. 0-0. 1) =34. 273112若采用此传热而积的换热器，则要求过程的总传热系数为：kl=q/(sl*atm)= 427. 876006(w/(m2 °c)3. 2计算管程压强降错误！不能通过编辑域代码创建对象。前面己算出：ui= 0. 978596533rci=243

26、59. 7142 (湍流)取不锈钢管壁粗糙度错误！不能通过编辑域代码创建对象。则相对粗糙度£ / di二0. 005摩擦系数x =0. 034q i ng fl al university所以：错误！不能通过编辑域代码创建对象。错误！不能通过编辑域代码创建对象。计算得:ap1=4863. 019702 pap2二 1430. 299912 pa对于625x2. 5mm的管子ft= 1.4, ns=l, np二2e api= 17621.29492 pa<50000pa满足要求3. 3计算壳程压强降管数由111根变为74根，所以：流通面积：ao =0.029112123x2壳体流

27、体流速：uo =0.212264837m/s雷诺准数:re。=11682. 9449>500lapo =(ap1z +zp2)*fs*ns取 fs= 1. 15ns= 1其中：错误！不能通过编辑域代码创建对象。管子为正三和形排列，取：f二0. 5nc=10. 23676707 根取 11 根nb=39错误！不能通过编辑域代码创建对象。=0.59097359所以p1'二2280.367627p2，=2082. 601873e apo =5017.414926 pa<50000pa由上面计算可知，该换热器管程与壳程的压强均满足题目要求，故所选q i ngb-1 al unive

28、rsity换热器合适。4设计结果一览表项目管程（循环水）壳程（苯）流量，kg/s9.214.21温度,°c （进/出）32. 5/40. 580/40物性定性温度，°c36.560密度,kg/m3994.0836.6比热，kj/kg°c4. 1741.828粘度，pa-s0. 720x10 30.318x10 3导热系数,kj/ntc0. 6280. 151普兰特数5. 295. 27结构参数壳体外径，错误！不 能通过编辑域代码创 建对象。500台数1管径,错误!不能通过编辑域代码创建对象。 25*2. 5壳程数1管长，m6管心距，mm32管数150管子排列正方形斜转45°传热面积,m269. 47折流板数39管程数5折流板距，m0. 15材质不锈钢主要计算结果壳程管程流速，m/s0. 30640. 983污垢热阻，(m2r)/w1. 7*10"-42.0x10=4传热系数，w/ (nf°c )799.5703854507.3048915经验公式5.1管程对流传热系数错误！不能通过编辑域代码创建对象。迪特斯和 贝尔特关联式：错误！不能通过编辑域代码创建对象。