化工原理课程设计正文

1、 目录概述1、设计任务书 . .4 1.1 设计题目. . .4 1.2 设计任务及操作件. .4 1.3 设备类型. .4 1.4 厂址. . 4 1.5 设计内容.42换热器的设计和选型.52.1换热器的结构型式. 52.1.1固定管板式换热器 . 5 2.1.2换热管布置和排列间距. 52.2换热器设计的基本原则.62.3流体流速的选择. 63、确定方案选择. .63.1选择换热器的类型. 63.2基本物性数据. 63.3热负荷计算.73.4对数平均温度差. .73.5选K值，估计传热面积.84、概算换热器尺寸. 84.1外壳直径的确定.94.2折流板. . 94.3折流板数. .95、

2、换热器校核. . 95.1传热系数K. . 105.1.1壳程表面传热系数 .105.1.2管内表面传热系数：.105.1.3污垢热阻. .115.1.4传热系数.115.2换热器内流体的流动阻力. 125.2.1管程流体阻力. .125.2.2壳程阻力校核.126、换热器主要结构尺寸和计算结果.137、总结. . .148、Aspen Plus 模拟结果. 249、参考文献. .15概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器,简称换热器。在换热器中至少要有两种不同温度的流体，一种流体温度较高，放出热量，另一种温度较低，吸收热量；在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算

3、换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。 换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。 换热器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，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等），如表1所示。 表1类 型 特 点 间 壁 式管 壳 式 列管式 固定管板式 刚性结构 用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

4、式 外填料函 管间容易泄漏，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 螺旋板式 可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用作回收低温热能 平板式 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

5、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、换热器设计任务书 1.1 设计题目 苯冷却器的设计1.2设计任务及操作条件1) 苯入口温度70，出口温度382)冷却介质循环水，入口温度15，出口温度自定； 3)允许压降不大于50KPa； 4) 每年实际生产时间：7000小时/年，处理量：100000吨/年；1.3 设备类型管壳式换热器1.4厂址临沂地区1.5设计内容1）设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器的型式进行简单论述。2）换热器的工艺计算和主要结构尺寸设计。3）管程和壳程压力降的核算。4）设计结果概要或设

6、计结果一览表。 5）对本设计的评述及有关问题讨论。2、换热器的设计和选型2.1换热器的结构型式2.1.1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50且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。图1固定管板式换热器结构图2.1.2换热管布置和排列间距常用的换热管规格有19×2 mm、25×2 mm(1Crl8Ni9Ti)、25×2.5 mm(碳钢10)。小

7、直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。  （A） （B）（C） (D) (E) 图 2 换热管在管板上的排列方式(A) 正方形直列     （B）正方形错列    (C) 三角形直列    （D）三角形错列  （E）同心圆排列2.2换热器设计的基本原则不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗

8、比较方便。腐蚀性的流体宜走管程，以免管子和壳体同时被腐蚀，且管程便于检修与更换。压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果。饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，一般不需清洗。有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏量流量小或粘度大的流体宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改变，在低Re（Re>100）下即可达到湍流，以提高传热系数。若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流体走壳程，因壁面温度与大的流体接近，以减小管壁与壳壁的温差，减小温差应力。2.3流体流速的选择 表2 管

9、壳式换热器中最常用的流速范围流体种类一般液体易结垢液体气体流速m/s管程0.53.01.05.030.03、 确定方案选择3.1选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体苯进口温度70 出口温度38；冷流体进口温度15，出口温度定25，该换热器用循环冷却水冷却，选择带膨胀节的固定管板式换热器,循环水走管程,苯走壳程.3.2基本物性数据苯的定性温度 水的定性温度 根据定性温度，在相关物性数据表或图中可查得相关的物性数据苯在54C物性数据 密度 823.57kg/m3 定压比热容    1.84kJ/kg 热导率    

10、; 0.33W/m 粘度     0.41mPas 水在20C的物性数据密度         998.2kg/m3  定压比热容    4.183kJ/kg 热导率      0.59W/ m 粘度       1.005 m Pas表3 两流体在定性温度下的物性数据如下: 物性流体密度 /m3比热

11、KJ/(·o C)粘度 m Pa·s导热系W/(m·o C)苯823.51.8420.410.33水998.24.1831.0050.593.3热负荷计算传热量 KJ/h冷却水用量 3.4对数平均温度差按逆流计算苯 7038水 2515t 45 23图3 单壳程对数平均温度差校正系数值由RP值查图得 ，因为0.8，选用单壳程可行,3.5选K值，估计传热面积查表初估计K值为470W/ 由Q=KAtm 得 考虑15%的面积裕度，A=1.15×17.05=19.614、概算换热器尺寸由于两流体的温差大于50，所以选择带膨胀节的固定管板式换热器选择25×

12、;2.5的传热管，管长3m管内流速取0.5m/s 管子根数 管子的排列方式：正三角形排列由化工原理课本查表得do=25mm时，换热管中心距为32mm4.1外壳直径的确定 管外径的确定 D 外壳直径，mt 管中心距 位于管束中心线上的管束b 管束中心线上最外层的中心至壳体内壁的距离，一般取b=(11.5)do,m。有下面公式估算；管子按正三角形排列 nc=1.1 圆整到标准值400mm4.2折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%折流板间距:1/5D<d<D,根据固定板间距系列标准选择板间距为300mm.4.3折流板数折流板圆缺面水平装配.5换热器校核5.1传热系

13、数K5.1.1壳程表面传热系数 用克恩法计算得： 当量直径： =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：5.1.2管内表面传热系数： 普朗特数： 5.1.3污垢热阻管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 忽略管壁污垢热阻5.1.4传热系数： 所以所选的换热器是合适的。安全系数为 该换热器能够完成生产任务5.2换热器内流体的流动阻力5.2.1管程流体阻力 , , Re=9982>4000 流动类型为湍流取管壁绝对粗糙度为0.1m 管程流体阻力在允许范围之内。5.2.2壳程阻力校核取折流板间距z=0.3m壳程流通面积 壳程流速6换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：表3

14、换热器型式：固定管板式换热器面积（）：19.61工艺参数名称管程壳程物料名称循环水苯操作压力，MPa0.10.03操作温度，15/2570/38流量，kg/h20130.4414285.7流体密度，kg/998.2823.57流速，m/s0.50.18传热量，kw233904总传热系数，w/·k450换热面积19.61对流传热系数，w/·k2376.21004.23污垢系数，·k/w0.00020.000172使用材料碳钢碳钢管子规格mm管数 84管长，mm3000管间距，mm32排列方式正三角形折流挡板型式水平间距mm300切口高度25%管程数Np（N）1中心排

15、管数nc107 、 总结 在换热器的设计过程中,我感觉我的理论运用于实际的能力得到了提升，主要有以下几点： (1)掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力； (2)树立了既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力； (3)培养了迅速准确的进行工程计算的能力； (4)学会了用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。从设计结果可看出，若要保持总传热系数，温度越大、换热管数越多，折流板数越多、壳径越大，这主要是因为煤油的出口温度增高，总的传热温差下降，所以换热面积要增大，才能保证Q和K.因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应增大.通过这个设计