列管式换热器的工艺设计和选用

1、无化工原理课程设计化工原理课程设计说明书说明书题题目：目：列管式换热器的工艺设计和选用列管式换热器的工艺设计和选用课程名称：课程名称：化工原理课程设计化工原理课程设计设设 计计 人：人：吴琳瑜吴琳瑜专专业：业：化学工程与工艺化学工程与工艺班班级：级：化工化工 B081B081学学号：号：200801034119200801034119指导老师：指导老师：李辰明李辰明日期：2010.12.19学校：华北科技学院无目录目录设计条件 3设计题目3设计任务 3设计原则 3设计流程3一、确定设计方案31.选择换热器类型32.确定冷、热流体流径途径4二、流体有关物性数据4三、估算传热面积41.计算热负荷4

2、2.冷却水用量43.传热平均传温差4四、初算传热面积4五、工艺结构尺寸51.选管子规格52.总管数和管程数53.初选换热器类型与型号54.确定管子在管板上的排列方式 55管子与管板、管板与壳体的连接 66.壳体内径的确定 67.确定实际管子数目 68.折流挡板 69.其他附件 710.接管 7六、换热器核算 81. 总传热系数 K 的计算 8 管内传热膜系数 8 管外传热膜系数 8 污垢热阻和管壁热阻 9 总传热系数 K 9 传热面积校核 92. 壁温的计算 93.核算压力降 10 管程压力降 10 壳程压力降 10七、设计计算结果汇总表 11八、总结12参考文献13CAD 图纸14无设计题目

3、：列管式换热器的工艺设计和选用设计题目：列管式换热器的工艺设计和选用设计条件设计条件炼油厂用原油将柴油从 175冷却到 130。柴油流量为 12500 kg/h 原油初温为70，经换热后升温到 110。换热器的热损失可忽。管、壳程阻力压降不大于30kpa。污垢热阻均取 0.0003 m2W-1。试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。设计任务设计任务（1） 根据设计条件选择合适的换热器型号，并核算换热面积，压力降是否满要求， 并设计管道与壳体的连接， 管板与壳体的连接， 折流板数目、 形式等。（2） 绘制列管式换热器的装配图。（3） 编写课程设计说明书。设计原则设计原则1.1.满足工艺和操作要

4、求满足工艺和操作要求设计出来的流程和设备首先要保证质量，操作稳定，这就必须配置必要的阀门和计量仪表等，并自确定方案时，考虑到各种流体的流程，温度和压强变化使采取什么措施来调节，而在设备发生故障时，加修应方便。2.2.满足经济上的要求满足经济上的要求在确定某些操作指标和治标和选定设备型式以及仪表配置时， 要有经济核算的观点，既能满足工艺和操作要求，又使施工简便，材料来源容易，造价低廉。如果有废热可以利用，要尽量节省热能，充分利用，或者采取适当的措施达到降低成本的目的。3.3.保证安全生产保证安全生产在工艺流程和操作中若有爆炸、燃烧、中毒、烫伤等危险，就要考虑必要的安全措施。又如设备的材料强度的演

5、算，除按规定应有一定的安全系数外，还应考虑防止由于设备中压力突然升高或者造成真空而需要装置安全阀等， 以上提到的都是为了保证安全生产所需要的。 设计方案也可能一次定不好， 后来需要修改，但各物料流通路线和操作指标的改动都对后面的计算的影响， 所以最好第一次确立就考虑周到些。设计流程设计流程一、确定设计方案一、确定设计方案1.1.选择换热器类型选择换热器类型两流体的温度变化情况：热流体进口温度为 175，出口温度为 130。冷流体进口温度为 70，出口温度为 110由于冷、热流体温差较大，同时为了便于拆卸清洗，选用浮头式列管换热无器。2.2.确定冷、热流体流径途径确定冷、热流体流径途径由于柴油较

6、易结垢，为便于清洗，应使柴油走管程，原油的粘度大，在装有折流挡板的壳程中流动。有利于提高湍动，增大传热系数，原油走壳程。二、流体有关物性数据二、流体有关物性数据物料，kg/m3,pckJ/(kg)Wm-1-1，Pas原油815310.220.1283103柴油715310.4820.1333104.60三、估算传热面积三、估算传热面积1.1. 计算热负荷（忽略热损失）计算热负荷（忽略热损失）531 ,1 ,1075.831301751048. 2360012500TQCqpmW2. 冷却水用量冷却水用量(忽略热损失忽略热损失)40. 4)70110(102 . 210875. 3352,2,T

7、cQqpmkg/s3. 传热平均传温差传热平均传温差先按逆流计算mt=12211221()()656062.565lnln60TtTtCTtTt温度校正：R1221ttTT70175701100.38P1112tTtt701101301751.13据 R、P 值，查温差校正系数图，得温度校正系数92. 0tmt=tmt=0.9262.5=57.50四、初算传热面积四、初算传热面积参照传热系数 K 的大致范围，取K=230 W/ (m2),则估算面积为：0AmtKQ=25m30. 9257.50230103.875无取实际面积为估算面积的 1.1 倍，则实际估算面积为：A=1.10A=1.129

8、.30=32.23 m2五、工艺结构尺寸五、工艺结构尺寸1.选管子规格选管子规格选用252.5mm的无缝钢管，管长 L=6m。2.2.总管数和管程数总管数和管程数总管数686025. 014. 323.32n0LdA根单程流速iu=smndiv/227. 06802. 0785. 07153600125004q221 ,单程流速较低，为提高传热效果考虑采用多管程。按管程流速的推荐范围，选管程流速为u=1m/s，所以管程数为pN=4227. 01iuu取 4 管程3.3. 初选换热器类型与型号初选换热器类型与型号由于冷、热流体温差较大，同时为了便于拆卸清洗，选用浮头式列管换热器为宜，且初步选定的

9、具体型号为BES400-1.0-31.6-6/25-4IIBES400-1.0-31.6-6/25-4BES400-1.0-31.6-6/25-4IIII 的具体参数的具体参数壳径/mm400管子尺寸25mm2.5mm公称压力/MPa1.00管长/m6计算换热面积/m231.6管子总数68管程数4管子排列方式四边形错列壳程数1折流挡板形式弓形4.4. 确定管子在管板上的排列方式确定管子在管板上的排列方式管子布置应在换热器的截面上均匀而紧凑的分布，此外还有考虑流体的性质和结构设计及制造等方面的问题无管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。如图（a） 、图（b）所示。与正方形相比，等边三角形排列比

10、较紧凑，管外流体湍动称帝高、表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便， 对易结垢流体更为适用。 如将正方形排列的管束转 45 度安装如图 （c）可在一定的程度上提高对流传热系数，采用正方形错列。5 5管子与管板、管板与壳体的连接管子与管板、管板与壳体的连接 在管壳式换热器的结构设计中，管子与管板的连接是否紧密十分中。如果连接不紧密，在操作时连接处发生泄漏，冷热流体互相混合，会造成物料和热量损失；若物料带有腐蚀性、放射性或者两种流体接触会产生易燃易爆物质，后果将更加严重。在固定管板式换热器的连接方法处还应考虑能承受一定的轴向力， 以避免温度变化较大时，产生的热应力使管

11、子从管板脱出。焊接法由于具有很多的优点（加工简单、对管空的加工要求不高，较强的抗脱能力使之在高温高压下仍能保持连接处的紧密性，同时在压力不太高时还可采用薄型管板） ，在一些要求较高的场合被广泛应用。管子与管板采用焊接结构。 浮头式换热器通常是把管板夹在壳体法兰与管箱法兰之间便于管壳程一起清洗。管心距取 a=1.25d0=1.2525=31.2532mm隔板两侧相邻管心距mmac4 . 46. 壳体内径的确定壳体内径的确定取管板利用率=0.8，则壳体内径为：mmnaD3108 . 0683205. 105. 1按壳体标准圆整取D=400mm7.7.确定实际管子数目确定实际管子数目N=688.8.

12、折流挡板折流挡板换热器内安装折流挡板是为了提高壳程流体的对流传热系数。 为了获得良好效果，折流挡板的尺寸和间距必须适当。对于常用的圆缺形挡板，弓形切口太大或太小，都会产生流动“死区” ，如图所示，不利于传热，且增加流体阻力。 一般切口高度与直径之比为0.15-0.45， 常见的有0.20和0.25两种。无挡板的间距对壳程的流动有重要的影响， 间距太大不能保证流体垂直流过管束，使得管外给热系数降低，间距太小又不方便检修，阻力损失也很大。一般采用间距为壳体的 0.2-1.0 倍。取板间距 B200mm。而对圆缺形挡板而言， 弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有中重要的影响。弓形缺口太大还是太小都有

13、可能造成流体“死区” ，既不利于传热也不利于流体的流动。一般来说，弓形口的高度可取壳程的 0.1-0.4。据以上原理可以选择的缺口高度以及挡板常采用 0.2 和 0.25 采用弓形折流板。折流板数BN=折流板间距传热管长1=60002001=29 (块)9.9.其他附件其他附件拉杆选拉杆直径为 16mm，拉杆数量为 4 根。封头封头有方形和圆形两种，方形用于小直径（400mm）的壳体圆形用于较大直径的壳体。缓冲挡板为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料口装设缓冲挡板。导流桶壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间 （死角） ， 为了提高传热效果， 常在管束外增设导流桶

14、， 使流体进、出壳程时必然经过这个空间放气孔、排液孔换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝气体和冷凝液等。10.10.接管接管管程流体进出口接管。取管内流速smu/8 . 1则接管内径muqdV0586. 08 . 114. 3715360012500441按管子标准圆整，取管程流体进出口接管规格为mmmm5 . 35 .63无缝钢管。壳程流体进出口接管。取管内流速smu/8 . 1则接管内径m0618. 08 . 114. 381540. 4442uqdV按管子标准圆整， 取壳程流体进出口接管规格为mmmm5 . 368无缝无钢管。六、换热器核算六、换热器核算1.1. 总传热系数总传

15、热系数 K K 的计算的计算 管内传热膜系数管内传热膜系数由4 . 08 . 0PrRe023. 0iiid计算。流体被加热，取 n=0.4管程流体流速iu=smNNdiv/910. 046802. 0785. 07153600125004q221 ,93.11133. 01064. 01048. 2Pr331 ,iipicC)(mW/ 150093.112826702. 0133. 0023. 0PrRe023. 024 . 08 . 04 . 08 . 0 iiid 管外传热膜系数管外传热膜系数由14. 03/1055. 0000)(PrRe36. 0wed计算。传热当量直径ed=2222

16、440.0320.785 0.02540.0273.14 0.025ootdmd壳程流通截面积0175. 0)32251 (4 . 02 . 0)1 (00tdBDSm2壳程流体流速smSqum/309. 00175. 081540. 402,02263103815027. 0309. 0Re30000du无56.51128. 0103102 . 2Pr53002,pc壳程中柴油被冷却，取14. 0)(w0.9514. 03/1055. 0000)(PrRe36. 0wed4 .42295. 056.512263027. 0128. 036. 03/155. 0W/ (m2 ) 污垢热阻和管壁

17、热阻污垢热阻和管壁热阻管内、外侧的热阻均取WCmRRi/0003. 020 。 已 知 管 壁 厚m0025. 0；取碳钢导热系数)/(4 .452CmW 。 总传热系数总传热系数 K K总传热系数 K 为：)/(2504 .42210003. 00225. 04 .45025. 00025. 002. 0025. 00003. 002. 01500025. 0111200000CmWRddddRddKmiiii 传热面积校核传热面积校核所需传热面积2597.2650.5725010875. 3mtKQAm前已算出换热器的实际传热面积223.32mA ,则：%7 .17%10097.2697.

18、266 .31AAA说明该换热器有 17.7%的面积裕度，在 10%25%。满足此要求，能完成生产任务。2.2. 壁温的计算壁温的计算换热管壁温可由下式估算2121mmwtTt已知：)/(4 .422201CmW ；)/(150022CmWi ；无CTTTm1481306 . 01754 . 06 . 04 . 021Ctttm86706 . 01104 . 06 . 04 . 012换热管平均壁温为Ctw6 .9915004 .4228615001484 .422壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即CTw 90， 。壳体壁温与传热管壁壁温之差为Ct6 . 9906 .99该温差小于 50

19、，故不需设置温差补偿装置。3.3.核算压力降核算压力降 管程压力降管程压力降pstiNNFPPP)(21已知湍流），(28267Re/910. 0414 . 1iipstsmuNNF。对于碳钢管，取管壁粗糙度mm1 . 00.10.00520id由Re关系图中查得0.03iPaudLPiiii4 .26642715910. 002. 0603. 02221PauPi1 .888)2910. 0715(3)2(3222PaPaPi3089.19414 . 1) 1 .8884 .2664( 壳程压力降壳程压力降已知15. 1SF;1SN,有ssNFppp)(2102) 1(2001uNbFfpS

20、管子按正方形错列4 . 0F，1 . 9681 . 11 . 1nb折流挡板间距mB2 . 0折流挡板数29BN无壳程流通截面积200035. 0)025. 01 . 94 . 0 (2 . 0)(mbdDBS壳程流速smSquv/154. 0035. 081540. 4005001005. 1103815154. 0025. 0Re3300000ud024. 1)1005. 1 (0 . 5Re0 . 5228. 03228. 000f所以Pap10812154. 0815) 129(1 . 9024. 14 . 0212)25 . 3 (202uDBNpBPa7 .7002154. 081

21、5)4 . 02 . 025 . 3 (292KPaKPaPap30049. 22049115. 1) 7 .7001081(0计算结果表明，管程和壳程的压力降均能满足设计要求。三、设计计算结果汇总表三、设计计算结果汇总表换热器的工艺计算及结构设计的主要结果和主要尺寸汇总于下表：工艺参数工艺参数管程管程壳程壳程质量流量/(kg/h)125001584015840进/出口温度/175/13070/11070/110物性参数定性温度/152.59090密度/(kg/m3)715815815定压比热熔/kJ/(kgK)2.482.22.2粘度/(Pas)0.6410-53 31010-3-3热导率/

22、W/(mK)0.1330.1280.128工艺主要计算流速/(m/s)0.910污垢热阻/m2K/ W0.00030.00030.0003阻力（压降）/kPa19.892.0492.049对流传热系数/W/(m2K)1500422.4422.4无结果总传热系数K/W/(m2K)250250平均传热温差/57.5057.50热流量/kW387.5387.5传热面积裕度/%17.717.7设备结构设计程数41 1推荐使用材料碳钢碳钢碳钢换热器型式浮头式换热器台数1 1壳体内径/mm400传热面积/m231.631.6管径/mm252.5折流板型式上下上下管数/根68折流板数/个2929管长/m6折流板间距/mm200200管子排列方式正方形错列切口高度/mm管间距/mm32封头2 个封头法兰隔板拉杆4 根d=16mm支座管箱（非标准）管箱法兰定距管管板壳程接管壳程接管法兰管程接管管程接管法兰排气液管排气液管排气液管法兰排气液管法兰九、总结九、总结本次化工原