化工原理课程设计

1、 前言热交换器是进行热量之间传递的通用工艺设备,被广泛应用于各个工业部门,如化工、食品、电力。换热器分类方式多样,按照其工作原理可分为:直接接触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类,其中间壁式换热器用量最大,据统计,这类换热器占总用量的99 %。间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类,其中管壳式换热器使用量最大，以其在高温、高压和其他大型的换热设备中性能良好，因此被广泛操作使用。管壳式换热器类型也有多种，如，固定管板式换热器、浮头式换热器及填料函式换热器。近年来尽管管壳式换热器倍受新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具结效率高、便于清洗拆卸、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳式换

2、热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器。如何优化改造管壳式换热器，提高其换热效率，便于操作，是现在换热器优化最关注的问题。本说明书目的是对有机物进行冷却，通过对管路进行一系列设计，寻求一种较优的方法。 目录一前言2二 课题及工艺要求.52.1 课题52.2 工艺要求5三 选定设计方案53.1换热器类型选择53.2确定流动空间.53.3流速的确定.5四 确定物性数据6五 计算总传热系数65.1 热流量65.2平均传热温差65.3 冷却水的用量75.4 总传热系数7六计算传热面积8七 工艺结构尺寸87.1管径及管内流速87.2管程数和传热管数87. 3平均传热温差校正及壳程数. 9

3、7.4传热管排列和分程方法. 107.5壳体内径107.6折流板. 107.7接管. 11八 换热器核算.118.1热流量核算11 8.1.1壳程对流传热系数11 .管程对流传热系数12 8.1.3 污垢热阻13 8.1.4 传热系数13 8.1.5 传热面积13 8.1.6 换热器内流体的流动阻力14九换热器主要计算结果汇表15十主要符号说明.17十一. 参考文献.20二 课题及工艺要求2.1 课题管壳式换热器的设计选型2.2 工艺要求要求将温度为90的某液态有机物冷却到70，此有机物的流量为10.5/s。现拟用温度为t1=30的冷水进行冷却。要求管壳式换热器管壳两侧的压降皆不应超过0.1M

4、Pa。已知有机物在特征温度下的物性数据如下： =997kg/m cp=2.22kj/kg. =0.16w/m.三 选定设计方案3.1 换热器类型的选择液体有机物温度变化情况：90-70. 管壳式换热器管壳两侧的压降皆不超过0.1MPa。因此，估计冷、热两流体的温差不大、压力不高，于是初步选定固定管板式换热器。3.2 确定流动空间冷却水为防结垢走管程，液体有机物为便于散热走壳程。选用25mm×2.5mm的碳钢管。3.3 流速的确定初设管程流速ui=1m/s四 确定物性数据冷却剂：河水，从tm>10及防止水中盐类析出为原则,选择出口温度：t2=40循环水的定性温度为液体有机物的定性

5、温度为Tm=两流体的温差两流体在定性温度下的物性数据如下物性流体温度t密kg/m3粘度mPa·s比热容cpkJ/(kg·)导热系数 W/(m·)有机物699970.62.220.16冷却水359940.7254.080.626五计算总传热系数5.1 热流量Q0=m0cpto=10.5×2.22×(90-70)=466.2kw5.2平均传热温差并流时， 逆流时， 选择逆流传热。5.3 冷却水的用量5.4 总传热系数5.41总传热系数的经验值见课本附录，选择时除要考虑流体的物性和操作条件外，还应考虑换热器的类型。 总传热系数的选择高温流体低温流体总

6、传热系数/W/（m3·）水甲醇、氢 有机物0.5mPa·s有机物0.5mPa·s有机物(0.5-1) Pa·s有机物0.5mPa·s气体水水硫酸四氯化碳氯化氢气（冷却除外）氯气（冷却除外）焙烧SO2气体氮水水水水冷冻盐水水水水冷冻盐水冷冻盐水水氯化钙溶液盐水水水水水1400284014002840430850220570280710284301228057012002305808707635175351752304656641011605.42 根据管程走循环水，壳程走有机物，总传热系数K现暂取：六. 计算传热面积面积裕度=15%，A=A0&#

7、215;1.15=21根据A可以选择下述标准换热器（查附录得）：（排列方式：正三角形）公称直径DN/mm公称压力PN/MPa管程数N管子根数n中心排管数管程流通面积/m2换热管长度L/mm管心距/mm换热面积/m24004294110.014845003232.5七.工艺结构尺寸7.1管径及管内流速选取=25X2.5mm碳钢管；管内水流速u=1m/S;7.2管程数和传热管数: 根按单管程计算时，所需传热管长为因此按单程设计，传热管过长，可以采用多管程设计。若换热管长L=4.5,管程数为NP=2时，则每程管数为 60/2=30管内流速 7.3 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数R=P=

8、根据如下温差校正系数图表单壳程得：=0.98平均传热温差=7.4 传热管排列和分程方法 采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧采用矩形排列。 取管心距 t=1.25do=1.25X25 =31.2532mm 横过管束中心线的管数nc=1.19=9.22圆取整nc=107.5 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.75壳体内径D=1.05t= =300.5mm圆整可取 D=400mm7.6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28%。则切去的圆缺高度为 h=0.28X400mm=112mm 折流挡板间距 B=0.6D=0.6X0.4=0.24mm折流挡板数NB=传

9、热管长/折流板间距=4500/240-1=18块采用折流板圆缺面水平装配.相邻两折流板间距D=400mm 管心距 t=32mm查表得得折流板厚度为5mm折流板厚度与壳体内径及折流板间距有关见表所列数据。表. 折流板厚度/ mm壳体公称内径/mm相邻两折流板间距/mm30030045045060060075075020025035610104007005610101270010006810121610006101216167.7 接管管程流体出口接管：取接管内流速u=1m/s则接管内径为=0.121m 圆整取130mm壳程流体出口接管：取接管内流速u2=1.5m/s则接管内径为 圆取整100mm

10、八换热器核算8.1 热量核算壳程对流传热系数采用弓形折流板，壳程表面传热系数的计算式由三角形排列得当量直径壳程流通截面积0.021m2壳程流体流速及雷诺数：= 黏度校正.管程对流传热系数管程流通面积管程流体流速普兰特数8.1.3 污垢热阻 ； 热导率 传热系数 传热面积m2该换热器的实际传热面积为=3.14×0.025×(4.5-0.06)(60-10)=17.427 m2换热器的面积裕度所以该换热器可行。8.1.6 换热器内流体的流动阻力1）管程流体阻力计算公式 ，由本换热器设计中 取钢的管壁粗糙度为0.1mm ，传热管相对粗糙度=，查莫迪图得，ui=1.46m/s， K

11、g/所以管程流体阻力在允许范围之内。2）.壳程流体阻力 正三角形排列时，F=0.5nc=10, NB=18 ,u0=0.502m/s流体流过折流缺口的阻力B=0.24m D=0.4m总阻力 =6445+4045=10409Pa九 换热器主要计算结果汇总参数管程壳程进/出口温度/30/4090/70物性定性温度/3580密度/（Kg/m3）994997定压比热容KJ/(Kg.K)4.082.22黏度/Pa.s0.0007250.0006热导率w/(m.k)0.6260.16普朗特数4.738.325设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/mm400壳程数1管径/mm25X2.5管心距/mm32

12、管长/mm4500管子排列正三角形管数目/根60折流板数/个18传热面积/m217.427折流板间距/mm240管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s)1.460.502表面传热系数/w/(m2.k)64441177污垢热阻/(m2.k)/w0.000210.000172阻力/Pa3092510409热流量/kw466.2传热温差/k44.325传热系数/w/(m2.k)787.4裕度/%17.8八主要符号说明符号意义及单位壳程流体进口温度壳程流体出口温度管程流体进口温度管程流体出口温度壳程流体密度Kg/壳程流体定压比热容Kj/（Kg.）壳程流体热导率w/（m.k）壳程流体黏度mpa.s管程流体密度Kg/管程流体定压比热容Kj/（Kg.）管程流体热导率w/（m.k）管程流体黏度mpa.sQ0热流量Kw平均传热温差k总传热系数A0估计得出的传热面积n单管程管数Np管程数L传热管长m总管数平均传热温差校正系数t管心距mmD壳体内径mm管板利用率B折流板间距mm折流板数u管内流体流速m/s壳程表面传热系数壳程流体普朗特数壳程当量直径mm壳程流体雷诺数管程表面传热系数Re管程流体雷诺数管程流体普朗特数管