化工原理课程设计.

1、目录1 前言 .21.1固定管板式换热器 .21.2浮头式换热器 .21.3 U 型管式换热器 .32 列管式换热器的工艺设计 .32.1试算和初选换热器的规格 .32.1.1计算热负荷和冷却水的流量 .32.1.2计算两流体的平均温度差 .42.1.3初选换热器规格 .42.2核算压强降 .52.2.1管程压强降 .52.3核算总传热系数 .82.3.1管程对流传热系数i .82.3.2壳程对流传热系数o.82.3.3污垢热阻 .102.3.4总传热系数 K O.102.4设计结果汇总表 .113. 参考文献 .124. 设计自评 .12列管式换热器设计摘要：本次课程设计是列管式换热器的设计

2、。列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计，其中以热力设计最为重要。列管式的换热器的设计内容主要包括根据换热任务和有关要求确定设计方案，试算和初选换热器的规格 （包括计算热负荷和冷却水流量，计算两流体的平均温度差， 初选换热器规格）；核算管程、壳程压强降；核算总传热系数。本组选择的换热器为 FB 800168.5 16 2 型换热器， 计算结果为 :K 的估计值为 145，K o 的计算值是 169，K o1691.17，在 1.15-1.25范围内，所选换热器合适。K145关键词： 列管式换热器；设计；计算；结论11 前言换热设备是一种实现物料之间热量传递的节能设

3、备， 是在化工、石油、轻工、食品、动力、制药、冶金等许多工业部门中广泛应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中，换热器占设备数量的 40%左右，占总投资的 30%-45%。随着环境保护要求的提高，近年来，加氢装置的要求越来越多，如加氢裂化，煤油加氢，汽油、柴油加氢和润滑油加氢等，所需的高温、高压的换热设备的数量随之加大，在这些场合，换热设备通常占总投资的 50%以上。换热设备也是回收余热、 废热，特别是地位热能的有效装置。列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。 它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质可分别采用普通碳钢、紫铜或不锈刚制作。在进行换热时，一种流体

4、由封头的连接管处进入， 在管内流动，从封头另一端的出口管流出， 这称为管程； 另一种流体由壳体的接管进入， 从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。列管式换热器种类很多， 目前广泛使用的按其温差补偿结构来分， 主要有以下几种。1.1 固定管板式换热器这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此类换热器管束连接在管板上， 管板分别焊在外壳两边， 并在其上连接有顶盖， 顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时，管子和管板于外壳的连接都是刚性的， 而管内、管外是两种不同温度的流体。 因此，当管壁与壳壁温差较大时， 由于两者的热膨胀不同， 产生了很大的

5、温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力， 必须有温差补偿装置。 一般在管壁与壳壁温度相差 50 以上时，为了安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60-70 和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过 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。1.2 浮头式换热器2换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接， 以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗，但是结构

6、较复杂，造价比固定管板式的高20%左右。1.3 U 型管式换热器U型管式换热器，每根管子都弯成U型，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为2 程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是：管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是：结构简单、质量轻、适用于高温高压条件。2 列管式换热器的工艺设计第五小组设计任务和设计条件流量为 30kg/s 的某油品从 150降到 110，将原油从 25加热到 60，已知定性温度下两流体的物性如下表：物料RS ， ?， kg/m3Cp ，kJ/（ kg，W/（m，Pa?s/W?）?）原油0.000181

7、51.9860.1360.0029油品0.00057152.200.1190.0052试选用合适型号的换热器。2.1 试算和初选换热器的规格本题为两流体均不发生相变的传热过程，根据两流体的情况， 因原油的对流传热系数一般较大，且易结垢，故选择原油走换热器的管程，油品走壳程。计算热负荷和冷却水的流量QWh Cph (t1t 2 )302.2 103(150110)2640000 W3QW ct 1 )Cp c ( t 226400001.986103(6025)38 kg/s计算两流体的平均温度差暂按单壳程、多管程进行计算。逆流时平均温度差为t ' mt2t1lnt 2t1(15060)

8、(11025)ln 15060110 2587.5 而t 2t1Pt1T1R60 25150 250.28T1T2t1t 2150 11060 251.14由图 3-24 查得t 0.98所以tmtt ' m0.9887.585.75 初选换热器规格4根据两流体的情况，假设K145 W/( · )故QSKt m264000014585.75212.32m由于 Tm t m150110602587.5 50 ，因此需考虑热补偿。据22此，由换热器系列标准（参见附录中选定的FB 800 168.516 2型换热器）。有关参数如下：壳径 /mm900管子尺寸 /mm25×

9、2.5公称压强 /at m16管长 /m6公称面积 / 216.8管子总数472管程数2管子排列方法正方形斜转 45°实际传热面积So n do L 4723.140.025 (6 0.1) 218.6 若采用此传热面积的换热器， 则要求过程中的总传热系数为K145 W/( ·) 。2.2 核算压强降管程压强降pi( p1p2 )Ft N p式中 Ft1.4, N p2管程流通面积Aidi? n24N p0.022472420.07uiVsmsAiAi538815 0.070.67 m/sReidi ui0.020.678150.00293767 ( 湍流 )设管壁粗糙度0

10、.1 mm,0.10.005 , 由Re 关系图中查得：0.035di 20所以p1Lu 2di20.03568150.67 20.0221921 Pap23u 2238150.6722549 Pa则pi( p1p2 )Ft N p(1921549)1.426916 Pa壳程压强降po ( p '1p ' 2 )Fs N s2其中 Fs 1.15, N s1 , p '1Ff o nc (N B 1) uO2管子为正方形斜转45°排列， F0.46nc1.19 n1.1947226取折流挡板间距h0.6 mN BL1h610.69壳程流通面积Aoh(Dncdo

11、 )0.6(0.9260.025)0.15 VsmsuoAoAo30715 0.150.28 m/sRe od euo0.0270.287150.00521040 5000 ,228f O5.0 Reo5.01040 0,2281.03所以 p '1 Ff o nc (N B1)uO 220.41.0326(91)7150.282273002 Pa'N B (3.52huO2p 2)2D9(3.520.6 )715 0.2820.92547 Papo( p '1p ' 2 )Fs N s(3002547)1.154081 Pa计算表明，壳程和壳程压强降都能满足要

12、求。2.3 核算总传热系数管程对流传热系数iRei3767 ( 湍流 )CpPri1.98610 30.00290.13642.35i 0.023Re 0.8Pr 0.4d i0.0230.13637670 .8 42.350.40.02508 W/( · )壳程对流传热系数o即0.36()( d euo )0. 55 (Cp1o) 3 ()0.14d ew取换热器列管之中心距t32 mm。流体通过管间最大截面积为8AhD (1do )t0.60.9(10.025)0.0320.12 VsmsuoAA30715 0.120.35 / 4(t 2do2 )d e4d o4 ( 0.03

13、220.0252 )40.0250.027Re od euo0.0270.357150.0521299ProCp2.210 30.00520.11996.13壳程中油品被冷却，取 ( ) 0.140.95。w所以d euo1o 0.36()0. 55(Cp)0.14)() 3 (d ew10.36( 0.119)(1299)0.55 (96.13) 30.950.0279351 W/ ·污垢热阻参见表 3-16 ，管内、外测污垢热阻分别取为Rsi0.0001· /WRso0.0005· /W总传热系数 K O管壁热阻可忽略时，总传热系数Ko为K o11dod oR

14、so Rsiodii di110.00050.00010.0250.0253510.025080.02169 W/ ·K o169K1.17145由前面的计算可知，选用该型号换热器时要的总传热系数为145 W/·，在规定的流动条件下，计算出的K o为 169 W/ ·，故选择的换热器是合适的。安全系数为169145145100%17%102.4 设计结果汇总表油品的热负荷 /2640000壳程流通面积 /0.15Wm2原油流量 /38壳程流速 /0.28(kg/s)(m/s)平均温度差 /85.75壳程雷诺数1040总传热系数估计145壳程压强降 /4081值pa

15、传热面积估计值 /212.3管程传热系数 /5082 W · m传热面积实际值 /218.6壳程传热系数 /3512 W · m管程流通面积 /0.07总传热系数计算1692值m管程流速 /0.67K o1.17(m/s)K管程雷诺数3767安全系数17%管程压强降 /6916pa113. 参考文献1 陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋 化工原理上册，第二版，北京，化学工业出版社， 1999.2 杨祖荣主编化工原理，第一版，北京，高等教育出版社， 2004.4. 设计自评经过一个星期的设计，让我受益匪浅。通过一个星期的大量计算和查阅资料，大体上将换热器的设计成功完成。 虽然当中还存在少量问题， 但这次设计对我来说还是比较成功的。在这次设计过程中，我学到了很多东西，感受也很深刻。这次的设计让我明白了很多关于换热器方面的知识，同时也让我学会了怎样去克服困难，能够让我更加全面的去思考问题。在这次的设计过程中我遇到了不少困难，但通过询问老师及和同组人的共同探讨下，问题一一化解。与此同时，我学会了如何通过调节流速来改变流体湍动程度，使校正值符合要求， 也学会了如何去确定管程、壳程以及怎样核算、怎样用公式等。