化工原理换热器课程设计

1、 目录1 化工原理课程设计任务书.（1）2 概述与设计方案简介.（2）3 确定设计方案.（6）3.1 选择换热器的类型.（6） 3.2 管程安排. （10） 4 确定物性数据. （10）5 估算传热面积.（13）5.1 热流量.（13） 5.2 平均传热温差.（13） 5.3 传热面积. （13）5.4 冷却水用量.（13）6 工艺结构尺寸.（14） 6.2 管程数和传热管数.（14） 6.3 传热温差校平均正及壳程数.（14) 6.4 传热管排列和分程方法.（15） 6.5 壳体内径.（15） 6.6 折流挡板.（16） 6.7 其他附件.（16 7 换热器核算.（17） 7.1 热流量核算

2、. （17） 7.2 面积计算. （18） 7.3 换热器内流体的流动阻力. （19） 8 结构设计.（20）9 参考文献 .（21） 10 主要符号说明.（22）1设计任务 某生产过程中，反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水将其从110进一步冷却至60之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混合气体的流量为2.8×104kg/h，压力为6.9Mpa。循环冷却水的压力为0.4Mpa，循环水的入口温度为29，出口温度为39，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。： 2.设计说明书.概述与设计方案简介换热器的类型 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史

3、悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50

4、以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。换热器 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。3540。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。 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

5、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

6、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

7、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、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。设计方案简介 换热器类型的选择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。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

8、，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。2.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

9、，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。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。1.完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。 （1）合理地实现所规定的工艺条件 传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相

10、态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。其具体做法如下。 增大传热系数? 在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。 提高平均温差? 对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。 妥善布置传热面? 例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善

11、流体的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。 （2）安全可靠 换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国钢制石油化工压力容器设计规定与钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。 （3）有利于安装、操作与维修 直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。 （4）经济合理 评价换热器的最终指标是：在一定的

12、时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。 动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高又有利于传热，因此存在一最适宜的流速。 传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而减少，故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一最适宜的运行周期。 严格地讲，如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核

13、算或设备的优化。但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。2.设计项目 设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。 换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。 换热器的主要结构尺寸设计。 主要辅助设备选型。 绘制换热器总装配图设计说明书的内容 （1）目录； （2）设计题目及原始数据(任务书)； （3）论述换热器总体结构(换热器型式、主要结构)的选择； （4）换热器加热过程有关计算(物料衡算、热量衡算、传热面积、换热管型号、壳体直径等)； （5）设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等)；

14、 （6）主体设备设计计算及说明； 3 设计思考题 （1）设计列管式换热器时，通常都应选用标准型号的换热器，为什么？ （2）为什么在化工厂使用列管式换热最广泛？ （3）在列管式换热器中，壳程有挡板和没有挡板时，其对流传热系数的计算方法有何不同？ （4）说明列管式换热器的选型计算步骤？ （5）在换热过程中，冷却剂的进出口温度是按什么原则确定的？ （6）说明常用换热管的标准规格（批管径和管长）。 （7）列管式换热器中，两流体的流动方向是如何确定的？比较其优缺点？ 4. 部分设计问题指导 （1）列管式换热器基本型式的选择 （2）冷却剂的进出口温度的确定原则 （3）流体流向的选择 （4）流体流速的选择

15、（5）管子的规格及排列方法 （6）管程数和壳程数的确定 （7）挡板的型式 换热器材质的选择在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。 一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。 （1）碳钢 价格低，强

16、度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。 （2）不锈钢 奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。 （2）管板 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。 管板与管子的连接可胀

17、接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过 350的场合。（3）封头和管箱 封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。封头 当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。 管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热

18、器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。 列管式换热器工艺设计一 确定设计方案1.选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度110 出口温度60；冷流体进口温度29，出口温度为39，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。2. 管程安排 从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳

19、程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，应使循环水走管程，混和气体走壳程。二、计算定性温度，确定流体特性定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程混和气体的定性温度为 T= =85 管程流体的定性温度为t=根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 混和气体在85下的有关物性数据如下： 密度 定压比热容 =3.297kJ/kg* 热导率 =0.0279w/m* 粘度 =Pa*s循环水在34 下的物性数据： 密度 =994.3/m3 定压比热容 =4.174kJ/kg*K 热导率 =0.624w/

20、m*K 粘度 三、计算热负荷和载热体用量1.热负荷： Q=28000×3.297×(110-60)=4.61×106kJ/h =1280.5kw2.热量在传递过程中有损失。取损失为4%。Q=Q×(1-4%)=4.43×106kJ/h3.冷却水用量Wc=Q/cpc(t2-t1)= 4.43×106÷4.174×(39-29)=106133kg/h四、按逆流初算传热平均温度差 1=5、 初选传热系数和计算传热面积1. 由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=300W/(k)2. 估算的传热面积为： A1=Q

21、÷（Ktm1）=84.9m 考虑 15%20%的安全系数A=A1×1.15=97.6m2六、工艺结构尺寸1管径和管内流速 选用25×2.5传热管（碳钢），取管内流速u=1.4m/s。2管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 Ns= 根按单程管计算，所需的传热管长度为 L= 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=4.5m，则该换热器的管程数为 Np=传热管总根数 NT=68×4=272 根 3. 传热温差校平均正及壳程数 平均温差校正系数： R= P=按单壳程，双管程结构，查【国防工

22、业出版社化工原理（第二版）】：图4-25（a）得： 平均传热温差 K 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。4.传热管排列和分程方法 采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。见【化学工业出版社传热应用技术】：P86图1-80。 取管心距a=1.25d0，则 a=1.25×25=31.2532管束最外层管子的中心与壳体内表面的距离： S=a/2+6=32/2+6=22各程相邻管的管心距为44。管程数的确定，每程各有传热管68根.横过管中心线的管数：根.5壳体内径 采用多管程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率=0.75 ，

23、则壳体内径为： D=a(b-1)+2e=32×19+2×32=672mm.按卷制壳体的进级档，可取D=800mm 筒体直径校核计算：壳体的内径应等于或大于（在浮头式换热器中）管板的直径，所以管板直径的计算可以决定壳体的内径，其表达式为： 管子按正三角形排列： 根。取b'=1.2=1.225=30mm。=32 （19-1）+2 30 =636mm 按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：取。6 折流挡板 采用圆缺形折流挡板，去折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 h=0.25×800=200m，故可取h=200mm取折流板间距B=0.3D，则 B=0

24、.3×800=240mm，可取B为250mm。折流板数目=根 七 换热器核算验算单程管流速每程管数：管程实际流速：1热流量核算（1） 壳程表面传热系数 用克恩法计算，见式【国防工业出版社化工原理（第二版）】：式（4-41b） 当量直径，依【国防工业出版社化工原理（第二版）】：式（4-43）得 = 壳程流通截面积： 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数 粘度校正 （2）管内表面传热系数： 管程流体流通截面积： 管程流体流速： 雷诺数： 普朗特数： （3） 污垢热阻取： 管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 【化学工业出版社传热应用技术】：P56表1-6 管壁热阻按【国防工业出版社化工原理】

25、：附录11查得碳钢在该条件下的热导率为50w/(m·K)。所以（4） 传热系数有： 【化学工业出版社传热应用技术】：P55换热器的面积校核计算 计算传热面积A：该换热器的实际传热面积为：传热面积合适，该换热器能够完成生产任务。1换热器内压力降的计算（1）管程流体阻力 , , 由Re=37487，传热管对粗糙度0.01，查莫狄图:【化学工业出版社流体输送与非均相分离技术】：P78图1-82得，流速 u=1.4m/s, 所以： 对于25×2.5传热管，Ft=1.4 64084.72pa<0.4MPa。管程流体阻力在允许范围之内。（2） 壳程阻力： , , 流体流经管束的阻

26、力 F=0.5 (fo-壳程流体的摩擦系数，当Re500时，) =0.5×0.28×19×18×=3811.27Pa 流体流过折流板缺口的阻力 , B=0.2m , D=0.8mPa 总阻力 (+) =(3811.2.09+3711.2)×1.15×1=8650.76Pa8650.76Pa<6.9MPa 由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器型式浮头式换热器参数管程壳程工作介质循环冷却水混合气体流量/(kg/h)10613328000温度（进/出）/29/39110

27、/60压力/MPa0.46.9 物性参数定性温度/3485密度/(/m)994.390比热容/kJ/(kg·)4.1743.297黏度/mPa·s0.7420.015热导率/W/(m·)0.6240.0279普朗特数4.9631.773设备结构参数型式浮头式台数1壳体内径/mm800壳程数1管子规格25mm×2.5mm管心距/mm32管长/mm4500管子排列正三角形管子数目/根272折流板数/块17传热面积/96.08折流板距/mm250管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s)1.42.46传热膜系数W/(·)6162621污垢热阻/(·/W)0.00060.0004阻力损失压力降/MPa0.0640840.008650热负荷/kW10408传热系数/W/(·)332 主要参考文献1 化工原理天津大学化工原理教研室编 天津：天津大学出版社. （1999）2 换热器秦叔经、叶文邦等