化工原理课程设计 列管式换热器

1、日期：材料工程原理B课程设计设计题目：处理量10X104吨/年煤油冷却器的设计专业：班级：学号姓名日期指导教师设计成绩：设计任务书设计题目|处理量10X104吨/年煤油冷却器的设计设计要求：1.处理能力：(10X104)吨/年煤油2设备型式：列管式换热器操作条件煤油：入口温度1409，出口温度409。冷却介质：采用循环水，入口温度309,出口温度40C。允许压降：不大于105Pa。煤油定性温度下的物性数据：pc=825kg/m3,c=7.15x10-4Pas,Cpc=2.22kj/(kgOC),Q0.14W/(mC)每年按330天计，每天24h连续生产。设计任务选择适宜的列管换热器并进行核算。

2、绘制带控制点的工艺流程图和设备结构图，并编写设计说明书。任务下达日期：2015.12.21任务完成日期：2015.12.25指导教师：学生：目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 一、概述0 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 二、设计方案说明0 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 列管式换热器设计简介0 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 列管式换热器的类型1 HYPERLINK l

3、 bookmark10 o Current Document 固定管板式1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 浮头式换热器1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document U型管式换热器2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 填料函式换热器2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 换热器类型的选择2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 流体流径流速的选择2 HYPER

4、LINK l bookmark22 o Current Document 材质的选择3 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2.6换热器其他结构的选择3 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 管程结构3 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2.7工艺流程草图4 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 三、换热器设计计算5 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 3.1

5、确定计算方案5 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 3.1.1选择换热器的类型5 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 3.1.2流体流径流速的选择5 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 确定物性参数5 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 估算传热面积6 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 热流量6 HYPERLINK l bookmark68 o Curre

6、nt Document 3.3.2平均传热温差6 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 传热面积6 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 冷却水用量7 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 工艺结构尺寸7 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 3.4.1管径和管内流速7 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 3.4.2管程数和传热管数7 HYPERLINK l boo

7、kmark84 o Current Document 平均传热温差校正及壳程数8 HYPERLINK l bookmark96 o Current Document 传热管排列和分程方法8 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 壳体内径8 HYPERLINK l bookmark112 o Current Document 折流板9 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 接管9 HYPERLINK l bookmark116 o Current Document 换热器核算9 HYPERLINK l

8、 bookmark118 o Current Document 热流量核算9壳程表面传热系数9污垢热阻和管壁热阻113.5.1.3传热系数K11换热器面积裕度11 HYPERLINK l bookmark122 o Current Document 换热器内流体阻力计算12管程流体阻力12壳程阻力12 HYPERLINK l bookmark124 o Current Document 3.6壁温核算13 HYPERLINK l bookmark126 o Current Document 水泵14 HYPERLINK l bookmark128 o Current Document 四、换热

9、器主要结构尺寸和计算结果表15 HYPERLINK l bookmark130 o Current Document 五、设计心得体会16 HYPERLINK l bookmark132 o Current Document 参考资料17 HYPERLINK l bookmark134 o Current Document 主要符号说明17一、概述课程设计是学习化工设计基础知识，培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过这一实践教学环节，使学生掌握化工单元过程及设备设计的基本程序和方法，熟悉查阅和正确使用技术资料，能够在独立分析和解决实际问题的能力方面有较大提高，增强工程观念和实践能力。为此，学

10、生应在进行本课程设计的实践过程中，以实事求是的科学态度，严谨认真的工作作风完成以下内容。（1）设计方案简介（2）主要设备的工艺设计计算（3）主要设备的结构设计与机械设计（4）典型辅助设备的选型（5）带控制点的工艺流程图（6）主要设备的工艺条件图（7）主要设备的总装配图（8）编写设计说明书二、设计方案说明列管式换热器设计简介列管式换热器的设计、制造、检验与验收必须遵循中华人民共和国国家标准“钢制管壳式（即列管式）换热器”（GB151）执行。按该标准，换热器的公称直径做如下规定：卷制圆筒，以圆筒内径作为换热器公称直径，mm；钢管制圆筒，以钢管外径作为换热器的公称直径，mm。列管式换热器的工艺设计主

11、要包括下列内容：根据生产任务和有关要求确定设计方案；初步确定换热器结构和尺寸；核算换热器的传热能力及流体阻力；确定换热器的工艺结构。列管式换热器的类型固定管板式固定管板式换热器是用焊接的方式将管束的管板固定在壳体两端。制造方便，紧凑，造价较低。适用于壳程流体清洁，不易结垢，或者管外侧污垢能用化学处理方法除掉的场合，同时要求壳体壁温与管子壁温之差不能太大，一般情况下，该温差不得大于50C。若超过此值，应加温度补偿装置。通常是在壳体上加一膨胀节。但这种装置只能用在管壁温与壳体壁温之差低于6070C及壳程压力不高的场合.当壳程流体表压超过0.7MPa时,由于膨胀节的材料较厚,难以伸缩而失去对热变形的

12、补偿作用，此时不宜采用这种结构。常法兰骨版浮头式换热器浮头式换热器是采用法兰把管束一端的管板固定到壳体上，另一端管板可以在壳体内自由伸缩，并在这端管板上加一顶盖后称为“浮头”。这类换热器的主要特点是管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内。管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生热应力。但这种换热器结构较为复杂，造价高，制造安装要求高。适用于壳体壁温与管壁温差较大或者壳程流体易结垢的场223U型管式换热器这类换热器的管束是由弯成u型的传热管组成。其特点是管束可以自由伸缩，不会产生温差应力，结构简单，造价比浮头式低，管外容易清洗。但管板上排列的管子较少。另外由于管束中心一带存在间隙，且各排管子回弯处曲

13、率不同，长度不同，故壳程流体分布不够均匀，影响传热效果。适用于壳程流体易结垢，或壳体壁温与管壁温之差较大的场合，但要求管程流体应较为清洁，不易结垢。图32.2.4填料函式换热器这类换热器具有浮头换热器的优点，克服了固定管板式换热器的缺点，结构比浮头式简单，制造方便，易于检修清洗。但这种换热器密封性能较差，故壳程中不宜处理易燃、易爆或有毒的流体。同时要求壳程流体的压力不宜过高。2.3换热器类型的选择本次设计为煤油冷却器的工艺设计，工艺要求煤油（热流体）的入口温度140C，出口温度40C。采用循环冷却水作为冷却剂降低热的没有温度，冷却水的入口温度30C，出口温度40C。根据换热器的分类与特性，结合

14、上述工艺要求，最大使用温差小于120C,选用固定管板式换热器，又因为管壳两流体温差大于60C，故因选用带膨胀节的固定管板式换热器。2.4流体流径流速的选择循环冷却水易结垢，而固定管板式换热器的壳程不易清洗，且粘度大的流体应走壳程，故选择循环冷却水为管程流体，煤油为壳程流体。根据流体在直管内常见适宜流速，管内循环冷却水的流速初选为Uj=1.0m/s。材质的选择换热器的设计时，换热器的各种零件，部件的材料应根据设备的操作压力，操作温度，流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺要求来选取。换热器的常用材料有：碳钢和不锈钢。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

15、的环境中应用是比较合理的。据生产要求，冷热流体分别为水和煤油，均无腐蚀性化学性质比较稳定，以及生产经济合理，选择碳钢作为换热器的材料。换热器其他结构的选择管程结构换热管的布置和排列间距：常用的换热管有dl9X2mm,d25X2mm,25X2.5mm。故可选择换换热管径25X2.5mm。壳程结构壳体：直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，壳体大于400mm的壳用钢板卷焊而成。折流板：常用的为圆形折流板,切缺率通常为20%至50%。垂直圆缺用于水平冷凝器,水平再沸器等,选用垂直圆缺。推荐折流板间隔最小值为内径的1/5或小于50mm，最大值取决于支持管所必要的最大间隔。此设计中使用折流板间隔为内径

16、的1/4。2.7工艺流程草图输油管储油塔工艺流程图热源蒸汽压缩机列管式换热器图42三、换热器设计计算确定计算方案选择换热器的类型本次设计为煤油冷却器的工艺设计，工艺要求煤油（热流体）的入口温度140C，出口温度40C。采用循环冷却水作为冷却剂降低热的没有温度，冷却水的入口温度30C，冷却水的出口温度40C。根据间壁式换热器的分类与特性表，结合上述工艺要求，最大使用温差小于120C，选用固定管板式换热器，又因为管壳两流体温差大于60C，故因选用带膨胀节的固定管板式换热器。流体流径流速的选择根据流体流径选择的基本原则，循环冷却水易结垢，而固定管板式换热器的壳程不易清洗，且循环冷却水的推荐流速大于煤

17、油的推荐流速，故选择循环冷却水为管程流体，煤油为壳程流体。根据流体在直管内常见适宜流速，管内循环冷却水的流速初选为Uj=1.0m/s,管子选用25X2.5mm的换热管。确定物性参数定性温度：可取流体进口温度的平均值。管程流体的定性温度T=140+40=90C2煤油90C下的物性数据T=30+40二35C根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。表1煤油在90C下的有关物性数据循环冷却水在35C下的物性数据密度P=825kg/m3o密度P=994kg/m3i定压比热容C=2.22kJ/(kgC)pc定压比热容Cp=4.08kJ/(kgC)i导热系数入c=0.14W/(mC)导热系数入=

18、0.626W/(mC)i粘度口=7.1510-4Pasc粘度口=7.2510-4Pasi估算传热面积热流量10 x107mc=330 x24=12626-26(k/h)Q=mcAt=12626.26x2.22,40-40)=2.80 x106kJ/h=778.62kWccpc平均传热温差AtmAt-At12iAtIniAt2(140-40)-(40-30)In140-4040-30=39C传热面积假设壳程传热系数a二400WC2C),管壁导热系数九=45WC2C)0则K=298.7W/Cn2C),则估算面积Q778619A=pKAtm=66.84m2298.7x39考虑15%的面积裕度，贝V：

19、A=1.15x66.84=76.86m2p冷却水用量=68627.45kg/hQ2.80 x106=ch=4.08x(40-30)pii工艺结构尺寸管径和管内流速选用25X2.5mm传热管，取管内流速u=0.5m/s。i管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数68627.45al23根P994x3600=314d2ux0.022x0.54i4按单程管计算，所需的传热管长度为A66.84L=r=nds0_3.14x0.025x123_m按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用标准设计，现取传热管长为l=4.5m，则该换热器的管程数为：N=礬2管程pl4.5

20、换热器的总传热管数为N=Nn=123x2=246根Tps平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数：r=TzT=140Z1O=iot-140-302iP=40-30=0.091T-1140-30ii按单壳程，4管程结构，温差校正系数查阅有关图表。但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R,PR代替P,查同一图线，可得e=083At平均传热温差t=8At=0.83x39=32.371mAtm由于平均传热温差校正系数大于0.8，故取单壳程合适。传热管排列和分程方法多管程换热器采用组合排列法，即每一程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方法。取管心距t二1.

21、25d，贝V0t二1.25x25二32mm隔板中心到离其最近一排管中心的距离为s二+6二22mm2各程相邻管子的管心距为2s=2x22=44mm横过管束中心线的管数n=1.19,N=1.19246=19根c壳体内径采用多管程结构，取管板利用率n=0.7，则壳体内径为D=1-05=1.05x32x严607=629.88mm按卷制壳体的晋级挡，圆整到D=650mm。折流板采用弓形折流板（水平圆缺），取弓形折流板切去的圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25x650=162.5mm允许的折流板最小间距为壳体内径的20%或50mm（取两者中的较大值）折流板间距B=Dx20%=650

22、x0.2=130mm，取150m。传热管长折流板数Nb=折流板间距-1=4500150-1=29块接管壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u=1.0m/s，则接管内径为D迄=；4x12626-26/fe600 x8H）=0.0736m=73.6mmnu3.14x11取管内径为80mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s，则接管内径为莎4x68627.45/（3600 x994）D=上=0.1563m=156.3mmnu3.14x12取管内径为160mm。3.5换热器核算热流量核算3.5.1.1壳程表面传热系数采用克恩公式00.14丿二0.36Reo.55Prdce当量直径

23、，由正三角排列得d=e/3314、x0.0322x0.025224nd0壳程流通截面积3.14x0.025=0.020mS=BD(1-学)=0.15x0.65x01-0025)=0.021m2ct0.032壳程流体流速及其雷诺数12626.%600 x825)0.021=0.20m/s=4615.38dup0.02x0.20 x825Re=-c=Pr=CZ=A=2各1031504=0.140普朗特准数(0.14粘度校正旦沁1c“0.0007151卩丿Wa=0.36x0140 x11.3413x4615.380.55x1=586.48W/(m2K)00.02033.5.1.2管内表面传热系数a=

24、0.023Re0.8Pr.4idii管程流通面积S=普d2ns=x0.022x246=0.0386m2/4/442管程流体流速及其雷诺数68627%600 x994)050/=0.50m/s3.5.1.3传热系数KU0.03860.02*0.50*994Re=13710.34i0.000725普朗特准数0.626Pr=083%7250-4=4.73a=0.023*船x113710-340-8*4川4=2734-36/(m2K)3.5.1.2污垢热阻和管壁热阻查表得管外侧污垢热阻1.72X10-4m2K/W管内侧污垢热阻3.44X10-4m2K/W管壁热阻查表得碳钢在此温度下热导率为48.85=

25、邑=0.0025二5.1x10-5C|2K/W)48.85K=K=dRdRd1o+-0+R+adddoaiiim00.0252734.36*0.020+=354.50W/(m2K)0.000344*0.025+5.1*10-1*0.025+0.000172+0.0200.02251586.483.5.1.4换热器面积裕度与K对应的计算传热面积A=KTCm778.62*103=354.50*32.37=67.85m2该换热器的实际传热面积A=ndIN-N)=3.14x0.025x4.5(246-19)=80.19m2P0C换热器的面积裕度A-A80.19-67.85H=PC=18.19%A67.

26、85C传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。换热器内流体阻力计算3.5.2.1管程流体阻力Ap=(Ao+Ap)NNFtirspsN=1，N=4，F=1.5，sptIpu2pu2Ap=九，Ap=M飞-iid2r2i由Re=27091.6，传热管相对粗糙度0%。二0.0005,查莫迪图得九二0.0275W/(m2C)i流速u.二0.988m/s,p二994kg-m-3i4.5994x0.9882Ap=0.0275xx=3001.83Pai0.02-994x0.9882Ap=3x=1455.43Par2Ap=(3001.83+1455.43)x1x4x1.5=26743.56100kpat管程

27、流体阻力在允许范围之内。3.5.2.2壳程阻力Ap=Gp+Ap)FN,s0issF=1.15sN=1s流体流过管束的阻力p=FfNN+1)学0cTCB2F=0.5u=0.20m/scf=5.0 xRe0.228=5.0 x4615.38-0.228=0.73ccN=n=1.19何=19TCcvTN=19B825x0.202p=0.5x0.73x19x(19+1)x=2288.56PaF02流体流过折流板缺口的阻力2Bpu2p=N(3.5-怜iBD2N=29BB=0.15m,D=0.65mp=29x(3.5-i2x0.15)x0.65)994x0.2022=1751.73Pa总阻力p=(2288

28、.56+1751.73)x1.15x1=34646.335Pa10kPas因此，壳程流动阻力也比较适宜。壁温核算因为管壁很薄，而且壁热阻很小。冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为10C，出口温度为30C核算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。Ta+1amcmh1a+1achT=0.4T+0.6T=0.4x140+0.6x40=80Cm12t=0.4t+0.6t=0.4x

29、40+0.6x30=34oCm21a=a=2734.36“/m2Ccia=a=568.48“/m2Ch080+34传热管平均壁温t=2734.36568.48=492C“1/+1/2734.36+/568.48壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=58.55C壳体壁温和传热管壁温之差为At=90-41.92=48oC50C与假设基本一致，不需要膨胀节。水泵水的流速q=68627.45kg/h=19.06kg/smqm=0.019m3/s，水的实际流量为q)=1.1q=0.021m3/s=69m3/hvmaxvq0.021=1.04m/su=V=A3.14x0.162厂pduRe=2.7

30、4x105U取=0.0002,d=0-001查表得人=0.042截止阀全开时阻力系数匚二6，管入口Z=0.5，取吸入管路总长l=5m，换热器高出截面高出水表面z=7m。管路压头损失工H=+=1.91mfd2g在换热器与蓄水池水表面列伯努利方程，扬程H=Az+ZHf=8.91m根据流量和扬程，可选择泵的型号为IS80-50-200。四、换热器主要结构尺寸和计算结果表表2换热器型式：带膨胀节的固定管板式换热器管口表换热面积：89.02m2符号尺寸用途连接形式工艺参数DN80冷却循环水入口平面名称管程壳程DN80冷却循环水出口平面物料循环水煤油DN170煤油入口凹凸面操作压力，MPa0.40.3DN

31、170煤油出口凹凸面操作温度，C30/40140/40DN20排气口凹凸面流量，kg/h68627.4512626.26流体密度，kg/m3994825流速，m/s0.50.2热负荷，kW1695.8总传热系数，W/(m2C)263.9对流传热系数4734350.4污垢热阻，m2C/W0.0003440.000172压降，MPa0.001150.00395程数推荐使用材料低碳钢低碳钢列管管子规格25X2.5官数243管长，mm4500管间距，mm32排列方式正三角形折流板型式弓形水平间距，mm150切口高度25%壳体内径，mm650五、设计心得体会作为高XX专业的学生，我深知化工原理是一门非常重要的专业基础课程，进行适当的设计训练对于加深我对课程的理解是非常重要和有意义的。这是第一次做化工原理课程设计，通过本次设计，我认为自己已经初步掌握化工设计的一些基本知识了。本次设计的是煤油冷却器，根据温差和物性确定本设计的换热器为带膨胀节的固定管板式换热器或浮头式换热器，而鉴于浮头式换热器的造价一般比固定管板式换热器的造价高出二十多个百分点，以降低投资成本为目的，选择带膨胀节的固定管板式换热器。通过本次设计，我学会了如何根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺