8万吨的列管式换热器设计

1、学院:化工与药学院班级:过程装备与控制工程学生姓名：学号：设计地点（单位）教学楼设计题目:8万吨的列管式换热器设计-完成日期：2015年12月31日指导教师评语成绩（五级记分制）:教师签名:荆楚理工学院课程设计任务书设计题目：8万吨的列管式换热器课程名称地点教学楼专业班级起止时间2015.12.27-2015.12.31设沪内容及要求1.根据换热任务和有关要求确认设计万案。2.初步确认换热器的结 3.核算换热器的传热面积和管、壳程流体阻力。4、确认换热器的工艺结构。的条件工艺图。要求：熟练资料查阅、知识综合应用、理论计算、设备选型、绘制图形、编 养工程观念：理论f小试f放大。设计参数1、设计基

2、本参数处理能力：8万吨/年设备型式：列管式换热器操作条件：冷却介质：循环水入口温度：23C ，出口温度：37 C热介质：煤油入口温度：120 C，出口温度：40C2、允许压强降，不大于105Pa3、每年按330天记，每天24小时连续运行。4、厂子地址：湖北地区进 度 要 求1、设计动员，下达设计任务，讲解设计方案的确疋，设计过程的步骤及注意 集相关资料。12月27日2、确定方案并进行设计计算。12月2日-12月28日3、绘图12月29日4、 整理设计数据，编写设计说明书。12月30日-31日目录一.设计概述31.1热量传递的概念与意义 31.2换热器的概念及意义 41.3换热器设计草图 5二.

3、确定设计参数5三确定物性数据5四计算总传热系数6五计算传热面积7六工艺结构尺寸的计算 7（1）管径和管内流速7（2）管程和传热管数7（3 ）平均传热温差校正及壳程数 7传热管排列和分组方法 8管壳内径8（6）折流板8接管8七. 换热器核算 8（1 ）热量核算8换热器内流体的流动阻力 10八. 设计结果一览表11九. 课程设计总结 12一.设计概述1.1热量传递的概念与意义1.1.1热量传递的概念热量传递是指由于温度差引起的能量转移，简称传热。由热力 学第二定律可知，在自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

4、工业与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、蒸馏、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，生 产过程中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，且具 有极其重要的作用。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，环境等部门中都 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有联系。热力学不

5、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量；而 传热学研究能量的传递速率，因此可以认为传热学士热力学的 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）热传导（又称导热） 物体各部分之间不发生相对位移， 仅借分子、原子和自由电子等微观粒子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。 （ 2）热对流（简称对流） 流体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。热对流仅发生在流体中，产生原 因有二：一是因流体中各处温度不同而引起密度的差别，使流 体

6、质点产生相对位移的自然对流；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，流体流过固体表面时发生 的对流和热传导联合作用的传热过程，即是热由流体传到固体 表面（或反之）的过程，通常称为对流传热。（ 3）热辐射 因热的原因而产生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。1.2 换热器的概念及意义 在化工生产中为了实现物料之间能量传递过程需要一种传 热设备。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，以便使热量从

7、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。它是化工炼油，动力，原子能和 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 展的化工炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。换热器在化 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，它在生产中都占有主 导地位。1.3换热器设计草图二确定设计参数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120C，出口温度40C,冷流体（循环水）进口温度 23C,出口温度37C，冬季操作时 进口温度会降低，考虑这一因素，估计该换热器的管

8、壁温和壳 体壁温之差较大，因此，初步选用带膨胀节的固定管版式换热器。2.流动空间及流速的确定由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。选用的碳钢管，管内流速取=0.5m/s。三确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平局值。壳程油的定性温度管道流体的定性温度根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性参数数据。煤油在80 C时的物性数据如下：密度定压比热容 =2.32kj/ (kg -C)导热系数 =0.106w/(m C )-黏度 =0.00062pas-循环冷却水在 35C 下的物性数据如下：密度定压比热容 =4018kj/ (kg C ) 导热系数 =0.6

9、11w/ (m-C ) 黏度 =0.000854pas-四.计算总传热系数1. 热流量2. 平均传热温差3. 冷却水用量4. 总传热系数 K 管程传热系数：壳程传热系数：假设壳程的传热系数污垢热阻管壁的导热系数=223W/(m C)五.计算传热面积考虑15%的面积裕度，六工艺结构尺寸的计算(1) 管径和管内流速选用25 X 2.5m传热管(碳钢)，取管内流速(2) 管程和传热管数根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 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管结构。现取传热管长L=4m，则该传热管程数为传热管总根数N=57X 4=228 (根)(3 )平均传热温差校正及

10、壳程数平均传热温差系数：按单壳程，四管程结构，温度校正系数应查有关图表 可得到平均传热温差(4) 传热管排列和分组方法 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。取管心距则：a=1.25 X 25=31.25 32mm横过管束中心线的管束(5) 管壳内径 采用多管程结构，取管板利用率 =0.7，则管壳内径为：圆整可取 D=610mm(6) 折流板 采用弓形折刘板，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=0.25X610=152.5 ( m m )，故可取 h=150mm。取折流板间距 B=0.3D则B=0.3 X 610=183(mm可取B

11、 为200折流板数N传热管长/折流板间距-1=6000/200-1=29(块) 折流板圆缺面水平装配。(7) 接管 壳程流体进、出口接管：取管内油品流速为u=1.0m/s,则接内径为：管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s,则接管内径为：七换热器核算( 1 )热量核算1 壳程对流传热系数。对圆缺形折流板，可采用凯恩 公式：当量直径，由正三角形排列得：壳程流通截面积：壳程流体流速及其雷诺数分别为：普兰特准数：黏度校正2 管程对流传热系数管程流通截面积 管程流体流速：普兰特准数3 传热系数 K =336w/ (tf C)4 传热面积 S该换热器的实际传热面积 Sp：该换热器的面积裕

12、度为：H= (Sp-S /S X 100%=48.6-38.6) /38.6 X 100%=25.9% 传热面积裕度合适，该换热器能够完成任务。(2)换热器内流体的流动阻力1 管程流动阻力。Ns=1，Np =2，Ft =1.5由Re=11592传热管相对粗糙度 0.01/20=0.005,查 莫迪图得 =0.029流速=0.489m/s, =996m/s,所以：=4179( Pa) 10( Pa)2 壳程阻力。流体流经管束的阻力：F=0.5流体流经折流板缺口的阻力：B=0.2(m)，D=0.61(m)=1919(Pa)总阻力=7637（Pa） 10（ kPa） 壳程流动阻力也比较适宜。八. 设

13、计结果一览表项目壳程（煤油）管程（循环水）流量，kg /h1010131954温度，C（进/出）120/4023/37物性定性温度，C8030密度，kg /m3775996比热，kJ/kgC2.324.18粘度，Pa-s0.62 X10 30.854 X导热系数，w/mC0.1060.611结构参数壳体内径，mm610台数1管径，mm 25X 2.5壳程数4管长，m4管心距，mm32管数228管子排列正三角形排列传热面积，38.6折流板数29管程数4折流板间距，m0.2材质碳钢主要计算结果壳程管程流速，m/s0.2450.489污垢热阻,（川C ）/W0.0001720.000344传热系数，

14、W/3C）5502538九课程设计总结通过本次课程设计，我对换热器的结构、性能都有了 一定的了解，同时，在设计过程中，我也掌握了一定的工 艺计算方法。换热器是化工厂中重要的化工设备之一，而且种类繁 多，特点不一，因此，选择合适的换热器是相当重要的。 在本次设计中，我发现进行换热器的选择和设计是要通过 反复计算，对各项结果进行比较后，从中确定出比较合适 的或最优的设计，为此，设计时应考虑很多方面的因素。首先要满足传热的要求，本次设计时，由于初选总传 热系数不合适，使规定条件下的计算结果与初设值的比值 不在要求范围内，因此，经过多次计算，才选择到合适的 K 值.其次，在满足工艺条件的前提下选择合适的换热器类 型，通过分析操作要求及计算，本次设计选用换热器为上 述计算结果。再次，从压强降来看，可适当加大流速，从而加大对 流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降 低污垢热阻，然而，流速增加，流动阻力也会随之增大， 动力消耗就增多，因此，作出经济衡算在确定流速时是相 当重要的。此外，其他因素（如加热和冷却介质用量，换热器的 检修和操作等） ，在设计时也是不可忽略的。在检修和操作方面，固定管板式换热器由于两端管板 和壳体连接成一体，因此不便于清洗和检修。本次设计中，在满足传热要求的前提下，考虑了其他 各项问