换热器课程设计

1、成绩东南大学成贤学院化工原理课程设计说明书设计题目： 管壳式换热器的设计姓名：董佳琦专业：化学工程与工艺班级：11化工 2班学号：06111201指导教师：姚刚设计地点成贤院 315设计时间： 2013 年 09 月 02 日至 2013 年 09 月 12 日完成时间： 2013 年 09 月 12 日目录前言31. 管壳换热器的设计书62. 设计方案的确定62.1.管壳换热器的型式62.2.流程的选择63. 确定流体的定性温度、物性数据并选择列管换热器的型式63.1.定性温度73.2.物性参数74. 换热器的工艺计算74.1.估算总传热系数74.1.1.热流量74.1.2平均传热温差74.

2、1.3冷却剂水用量84.1.4.选取 K 值，估算总传热系数84.2估算传热面积85.换热器的工艺结构尺寸设计86.5.1. 管径和管内流速85.2.管程数和传热管数85.3.传热管排列和分程方法85.4.计算平均传热温差95.5.壳体内径95.6.折流板95.7.计算壳程流通面积及流速95.8.计算管程流通面积及流速106.换热器核算106.1传热系数的校核106.1.1传热面积106.1.2.核算总传热系数116.1.3.污垢热阻116.1.4对流传热系数116.1.5壳体对流传热系数116.1 6. 传热面积116.2 换热器内流体的流动阻力126.2.1.管程流动阻力126.2.2.壳

3、程流动阻力127.换热器的主要结构尺寸和计算结果138.在 ChemCAD中的结果149.附图 1510. 总结1711. 参考文献17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。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

4、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刚性结构用于管壳温差较小的情况（一般50），管间不能清洗固定管式带膨胀节有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力列浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合管U 型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难间管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填料函式内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合壳式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壁式套管式能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器沉浸式用于管内流体的冷却、冷凝或

5、管外流体的加热螺旋管式喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热板螺旋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面式伞板式结构紧凑，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蓄热式合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

6、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

7、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平盖2平盖管箱 (部件) 3接管法兰4管箱法兰5固定

8、管板6壳体法兰7防冲板8仪表接口9加强圈10壳体(部件) 11折流板12旁路挡板13拉杆14定距管15支持板16双头螺柱或螺栓17螺母18外头盖垫片19外头盖侧法兰20外头盖法兰21 吊耳22放气口23凸形封头24浮头法兰25浮头垫片26球冠形封头27浮动管板28浮头盖 (部件)29外头盖 (部件)30排液口31钩圈32接管33活动鞍座 ( 部件 ) 34换热管35挡管36管束(部件) 37固定鞍座(部件)38滑道39管箱垫片40管箱圆筒 ( 短节 )41封头管箱(部件 )42分程隔板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

9、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

10、 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。1化工原理课程设计任务书设计题目 ：水冷却氯苯换热器的设计设计任务书 ：操作条件：氯苯：入口温度120，出口温度2

11、1冷却介质：河水，入口温度20允许压强降：不大于100KPa每年按330 天计，每天24 小时连续运作处理能力 ：41 万吨 / 年设备型式 ：管壳式换热器设计要求 ：1. 选定管壳式换热器的种类和工艺流程2. 管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸设计3. 设计结果概要或设计结果一览表4. 设备简图（要求按比例画出主要结构及尺寸）5. 对本设计的评述及有关问题的讨论2设计方案的确定2.1. 管壳换热器的型式：用河水做冷却剂时， 出口温度不宜超过40 度，选定出口温度为30 度。两流体温的变化情况：热流体进口温度 120，出口温度 21；冷流体进口温度 20，出口温度为 30，该换热器用循环河

12、水冷却， 冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，两侧的温差比较大。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。故因此初步确定选用列管式换热器。2.2 流程的选择：从两物流的操作压力看，应使氯苯走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，氯苯走壳程。3. 确定流体的定性温度、物性数据并选择管壳换热器的型式3.1. 定性温度定性温度：可取流体进出口温度

13、的平均值。氯苯的定性温度为：12021T70.52水的定性温度为：2030t252管程冷却水的定性温度为t=25 ( C) 壳程氯苯的定性温度为T=70.5 ( C)3.2. 物性参数根据在定性温度，分别查询壳程和管程流体的有关物性数据。氯苯在 70.5 C 下的有关物性数据如下：密度 0=1053 / m3定压比热容Cp0=1.47 kJ/（ kg.k ）导热系数 0=0.118（ W/m.k）粘度 0=0.00045 （ Pa.s ）循环冷却水在25 C 下的有关物性数据如下密度 i=995.6 / m3定压比热容cpi=4.18kJ/（ kg.k ）导热系数 i=0.613（ W/m.k

14、）：粘度 i=0.000801 （ Pa.s ）4. 换热器的工艺计算4 1 估算总传热系数4 1.1 热流量（忽略热损失）Qm0ct0410000000330241.47(12021)7.50 106 ( KJ/ h)2.085106 ( w)4 1 2 平均传热温差（忽略热损失）t 2(120 90)(21 20)t1tmt1ln (12090)19.8lnt2(2120)4 1.3冷却水用量QT7.50 106qmt4.18 (30179426( kg / h)C p i20)4 1 4 估算总传热系数选取 K 值=489W/( . )4. 2 估算传热面积由 Q=KA tm 得SQ20

15、85000224.41m2K 估 t489195换热器的工艺结构尺寸设计5.1 管径和管内流速选用 252.5mm 的碳钢管，管内流速取1.0m / s 。5.2 管程数和传热管数依据传热管内径流速确定单程传热管数：qv179426Ns3600 999.7160根20.7850.02 21.0di u4按单程管计算，所需的传热管的管长度为：LS估224.4117.9( m)d0 N s3.14 0.025160由上面的计算结果可知，按单程管设计的话，传热管过长，应该采用多管程结构。现取传热管长 l=9m，则该换热器管程数为：L17.92N p9l传热管数量为：N1602320(根）5.3传热管

16、排列和分程方法采用组合排列方法，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t1.25d0 , 则t=1.25 25 32mm横过管束中心线的管数：nc1.1 32019.6820(根 )5.4.计算平均传热温差计算逆流平均温差t2t12020T1T2120 219.9Pt1120200.1 Rt13020T1t2由 R 和 P 查“查化工原理课程设计指导图2-6(a)”得0.95因两流体的平均温差为：t mttm0.9519.8195.5.壳体内径壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。采用多管程结构，取管的利用率=0.7 ，则壳体的内径为：D1.05

17、tN /1.050.032320 / 0.70.65m圆整可取D=700mm。5.6.折流板安装折流板的目的是为了加大壳程流体的湍流速度，使湍流速度加剧，提高壳程流体的对流传热系数。 在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以流体横向穿过管束，增加流体速度，以增强传热， 同时用以支撑管束、防止管束震动和管子弯曲的作用。弓形折流板简单，性能优良，在实际中最常用。本次设计采用弓型折流板。圆缺高度采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的35%，则圆缺高度为：h=0.35 0.7=0.25m ，折流板间距折流板间距B=0.21D，则：B=0.21 0.7=0.15mm，折流板数折流板数N B传热

18、管长9（块）折流板间距-1-1 590.155.7.计算壳程流通面积及流速壳程流通截面积：do) 0.150.7(10.0250.023m2s BD (1)ot0.032壳程流体流速极其雷诺数分别为：wuos 360051767.68/(36001053)0.6m / s0.023Reou0 de c0.0270.6 10530.0004537908c5.8. 计算管程流速管内柴油流速：uims1 /雷诺数：ui di 1 995.60.0224859Rei10 30.8016. 换热器核算6.1传热系数的校核6.11壳体对流传热系数0对圆缺形折流板，可用Kern 公式：00.36 0Re 0

19、0 .55 Pr1 / 3 (0 )0.14dew当量直径：4(t 24d02 )4(0.032 240.0252 )ded00.027(m)0.025u0 de c0.027 0.6 105337908Re 00.00045cC p31.47103 0.45103普朗特准数： Pr00.1185.6粘度校正： (0 )0.14 1，则w0 0.360 Re00.55 Pro1/3 (0 ) 0.14dew0.360.11837908 0.555.61/ 310.027921.55( w / m2）6.1 2 对流传热系数iC p4.1710 30.801 1035.45普朗特准数： Pri0

20、.613则管程对流传热系数为：i0.023Rei0.8 Pri0.3di0.0230.613(24859) 0.85.45 0.40.024561W /( m2 )6 1 3. 污垢热阻（内侧） Rsi0.000210( m2 / w)（外侧） Rs0.000176( m2 / w)06 1 4. 计算总传热系数 K 计以表面为基准计算总传热系数K 计 ，由下式可得：K计11bd0d 0d0RsodmRsii di0d i10.0250.000210 0.0250.00250.0250.000176145610.020.02500.0225921.55537.8(w / m2 ）6.15. 核

21、算总传热系数K 计537.81.10K 估4896.16. 传热面积S0Q2.08510 6204.05 m2K 计 tm537.819该换换热器的实际传热面积：SPd0 LN3.140.0259 320 226.08m 2该换热器的面积裕度为：SPS0 226.08204.05H10.8%S0204.05传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。壳程流动阻力在允许的范围内。6.2 换热器内流体的流动阻力管程流动阻力pt( pipr )N s N p FsN s 1 , Np 2 ,piilu2di2由 Re=24859，传热管对粗糙度 0.01m，查莫狄图得 i 0.041 ，流速 u=0

22、.60m/s,995.6kg / m3 , 所以 :pi0.041912995.60.0229184.41Papr3u23995.6121493Pa22p1(9184.411493)21.429896 .7Pa10887.52 Pa 小于 50K Pa所以：管程流体阻力在允许范围之内。壳程流动阻力pt(pi p r)Ns Fs（其中Fs=1.15 ， Ns=1）p0( pp)FSNS12管子按正三角形排列F0.5Ff 0 nc (N Bu02p11)2ncN BA0u0Re0f01.132019.682059h( D n c d0 )0.15(0.7 200.025) 0.03m251767.

23、680.6m / s360010530.023d eu00.0270.6 1053379080.4510 35.0 Re00.2285.037908 0.2280.45p10.50.452060 1053 0.6251175.8Pa22hu02p2NB (3.5)34347.4PaD2p0(51175.834347.4)1.1598351.6Pa98351.6Pa 小于 50KPa所以：壳程流体阻力在允许范围之内7. 换热器的主要结构尺寸和计算结果：参数管程壳程流率（ kg / h 68进（出）温度 / oc20/30120/21压力 /Mpa0.10.1定性温度 /

24、 o c2570.5密度 (kg / m3)995.61053定压比热容4.181.47物性/ kJ /( kg.oc)黏度 /pa.s0.80110 30.4510 3热导率 / w /(m.k)0.6130.118普朗特数5.455.6型式浮头式壳程数1壳体内径 /mm700台数1管径 /mm252.5管心距 /mm32设备结构参数管长 /mm9000管子排列正三角形管数目 /根320折流板数 / 个59传热面积 / m2226.08折流板间距 /mm150管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速 (m/s)10.6表面传热系数 / w /(m2.o c)456137908污垢热阻 / m

25、 2. oc / w)0.21 10 30.17610 3阻力 /kpa29.9098.35热流量 /w2085000传热温差 / oc19传热系数 / w /( m2 .o c)537.8裕度 /%10.88. 在 ChemCAD中的结果SUMMARY REPORT-General Data:Heat Transfer Data:Exch Class/TypeR/AELEffective Transfer Area 219.02Shell I.D.0.70Area Required380.44Shell in Series/Parallel1/1 COR LMTD13.57Number of

26、 Tubes320U (Calc/Service)428.70/744.66Tube Length9.00 Heat Calc4585.74Tube O.D./I.D.0.0250/0.0200Heat Spec7965.53Excess %-42.43Tube PatternTRI30Foul(S/T)1.761E-004/1.761E-004Tube Pitch0.03 Del P(S/T)13.49/50.69Number of Tube Passes2 SS Film Coeff697.13Number of Baffles57SS CS Vel0.35Baffle Spacing0.15TW Resist0