化工设计-换热器设计方案书

1、闽江学院课 程 设 计题 目年处理量6万吨的乙苯冷却器的设计学生姓名 张 攀 学 号 3131202102 系 别 化学与化学工程系 年 级 2013 级 专 业 应用化学 指导教师 张燕杰 完成日期 2016年6月15日 目 录一 前言31.1 换热器分类31.2 换热器材质的选择5二 换热器设计任务书5三 设计过程6 3.1设计方案的确定6 3.2 确定流体的定性温度、物性数据并选择管壳换热器的型式7 3.3工艺计算及主体设备设计7 3.4换热器核算10 3.5换热器内流体的流动阻力核算：11四 换热器设计结果一览表13五 对本设计的评述13六 附图14七 参考文献14八 主要符号说明14

2、15一 前言 换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%20%，在炼油厂约占总费用35%40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。1.1 换热器分类换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，如表2-1所示。表2-1 传热器的结构分类类型特点间壁式管壳式列管式固定管式刚性结构用

3、于管壳温差较小的情况（一般50），管间不能清洗带膨胀节有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋管式沉浸式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板面式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋

4、板式可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收低温热能伞板式结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式适用于允许换热流体之间直接接触蓄热式换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合1.管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳式换热器根据结构特点分为以下几种：（1） 固定管板式换热器固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50且壳方流

5、体较清洁及不易结垢的物料。带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。（2） 浮头式换热器浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。（3） 填料涵式换热器填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。2.蛇管式换热器蛇管式换热器是管式换热器中

6、结构最简单，操作最方便的一种换热设备，通常按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。3.套管式换热器 套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管，其内管用U型时管顺次连接，外管与外管互相连接而成，其优点是结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当地选择管内、外径，可使流体的流速增大，两种流体呈逆流流动，有利于传热。此换热器适用于高温，高压及小流量流体间的换热。1.2 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

7、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。（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

8、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。 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。二 换热器设计任务书2.1设计题目： 设计一台乙苯冷却器2.2操作条件：2.2.1乙苯：入口温度100 ，出口温度70 。2.2.2冷却介质：循环水，入口温度20 ，出口温度40 2.2.3允许压强降：不大于0.1 MPa。2.2.4每

9、年按330天计，每天24小时连续运行。2.3设备型式：自选一种列管式换热器2.4处理能力：处理能力6万吨/年三 设计过程3.1 设计方案的确定3.1.1选择换热器的类型两流体温度变化情况： 热流体进口温度T1=100，出口温度T2=70 冷流体进口温度t1=20，出口温度t2=40。考虑到冷热流体间温差较小T1 - t2=100-40=60 < 70。采用固定管板式换热器。3.1.2流程安排 与乙苯相比，水易于结垢，如果其走壳程，流速太小，会加快污垢增长速度使换热器传热速率下降。乙苯被冷却，走壳程便于散热。因此，冷却水走管程，乙苯走壳程。3.1.3工艺流程草图及说明循环水乙苯离心泵换热器

10、ABCD图1 工艺流程草图说明：如图，乙苯经离心泵抽入管道，并从接管A进入换热壳程；循环冷却水则由离心泵抽入管道，并从接管C进入换热器管程。两物质在换热器中进行热交换后，乙苯从100被冷却到70之后，由接管B流出；循环冷却水则从20被加热到40，由接管D流出。3.2 确定流体的定性温度、物性数据并选择管壳换热器的型式3.2.1定性温度：可取流体进出口温度的平均值。壳程流体的定性温度为：T= 管程流体的定性温度为：t= 管程冷却水的定性温度为t=30°C 壳程有机物的定性温度为T=85°C 3.2.2物性参数：根据物质的定性温度，分别查询壳程和管程流体的有关物性数据。介质性质

11、密度Kg/m3比热KJ/(kg.)粘度Pa·s热导率W/(m·)乙苯热流体813.61.9340.3541030.1167水冷流体995.74.1780.801510-30.61733.3 工艺计算及主体设备设计3.3.1估算传热面积热负荷：=4.4105KJ/h=122.2KW逆流时T1=T1-t2 T2=T2-t1平均传热温差： Tm=（T1-T2）/（T1/T2）= 查表预设K=346W/(m2·)则估算的传热面积为:S= 考虑到外界因素的影响，根据经验取传热面积为估算值的1.15倍（裕度15%），则传热面积为：S=1.15S=7.41m2水用量

12、3.3.2工艺结构尺寸管径和管内流速：考虑到管内流体为循环水水，易结垢，选用25×2.5的换热管（碳 钢），取管内流速ui=1.2m/s。 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： 按单程管计算，所需的传热管长度为：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，采用标准管设计，现取传热管长 L = 6 m，则该换热器的管程数为： 传热管总根数：N = 4×4 = 16（根）平均传热温差校正及壳程数平均温差校正系数： 按单壳程，双管程结构，查图得：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。平均传热温差：传热管排

13、列和分程方法 采用正三角形排列。取管心距t=1.25d0，则 t=1.25×25=31.2532mm隔板中心到离其最近一排管中心距离： S=t/2+6=32/2+6=22mm各程相邻管的管心距为：S×2=44mm壳体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.80，则壳体内径为可圆整到标准尺寸325 mm折流挡板采用弓形折流板,取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=0.25×325=81 mm取折流板间距h=0.3D，则 h=0.3×325=97.5 mm 故可取h=100 mm 折流板数目：接管：壳程流体进出口接管：取接管内流体流速

14、为u1=2 m/s，则接管内径为管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=2.4 m/s，则接管内径为3.4 换热器核算热量核算3.4.1壳程对流传热系数：对圆缺形折流板，可采用凯恩公式（教材P194）计算：当量直径：壳程流通截面积：壳程流体流速：雷诺数： 普朗特数：粘度校正：3.4.2管程对流传热系数：管程流体流通截面积：管程流体流速：雷诺数：普朗特数：3.4.3污垢热阻管外侧污垢热阻：管内侧污垢热阻：总传热系数（以管外表面积为基准）3.4.4传热面积裕度 计算传热面积为：换热器的实际传热面积为：传热面积裕度: 传热面积裕度合适（1030%左右），该换热器能够完成生产任务。3.5 换热器内流

15、体的流动阻力核算：3.5.1管程流体阻力 由Rei=28821，传热管相对粗糙度为0. 1/20=0.005，查莫狄图，得=0.03 W/(m·K)，流速ui=1.16 m/s，i=995.7 kg/m3，所以：管程流体阻力在允许范围之内。3.5.2壳程阻力 流体流经管束的阻力 壳程流通面积：、 h=0.1m D=0.325m壳程流体阻力在允许范围之内。 四 换热器设计结果一览表参数壳程管程流量kg/h7575.85256进出口温度/100/7020/40压力/pa0.1Mpa0.1Mpa物性定性温度/8530密度/（kg/m3）813.6995.7比热容/KJ/(kg.)1.934

16、4.178粘度/pa.s0.3540.8015热导率/W/(m·)0.11670.6173普朗特数5.86665.42设备结构参数形式固定管板式壳程数1壳体内径/mm325台数1管径/mm.5管心距/mm44管长/mm6000管子排列正三角管数目/根16折流板数/个59传热面积/m27.54折流板间距/mm100管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/m/s0.361.16对流传热系数/752.54357污垢热阻0.0001760.00058阻力/pa热流量/KW122.2传热温差/k54.9总传热系数w387裕度27%五 对本设计的评述本次课程设计，在张燕杰老师的细心指导下，同时

17、也我们准备了很多相关的资料的前提下，让我们在具体设计过程中轻松了许多，将理论知识用于具体实践的能力也得到一定的提升，课程设计不同于平时的作业，在设计过程中需要我们自己做出决策，即自己确定方案，选择工艺参数和条件，查阅资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选择最理想的方案和最合理的设计。所以这对培养我们独立工作的能力有很大帮助。在“列管换热器的工艺设计和选用”的设计过程中，感觉到理论和实践能力都有一定的提升。主要有以下几点：（1）查找资料，选用公式和收集数据的能力。设计任务数给出后，有许多数据需要由我们自己取收集，有些物性参数要查去或估算，计算公式也要

18、求我们自己选择，这就要求我们运用各方面的知识，通过详细全面的考虑才能选定。（2）准确、迅速地进行工程计算的能力。设计计算是一个反复试算的过程，计算工作量大，这就要求我们需要有准确迅速的能力。（3）综合分析问题的能力。课程设计不仅要求计算正确，还要求从各方面考虑各种因素，分析设计方案的可行性、合理性、从总体上得到最佳结果。六 附图（主体设备设计图、管板布置图）七 参考文献1 陈英南，刘玉兰常用化工单元设备的设计.华东理工大学出版社.20052 上海医药设计院编化工工艺设计手册(第二版).化学工业出版社.19963 江体乾等化工工艺手册上海科学技术出版社.19924 茅晓东，李建伟典型化工设备机械设计指导华东理工大学出版社19