化工原理课程设计-管壳式换热器

管壳式换热器设计说明书PAGE1-设计一台换热器目录化工原理课程设计任务书设计概述试算并初选换热器规格1.流体流动途径的确定2.物性参数及其选型3.计算热负荷及冷却水流量4.计算两流体的平均温度差5.初选换热器的规格工艺计算1.核算总传热系数2.核算压强降经验公式设备及工艺流程图设计结果一览表 设计评述参考文献化工原理课程设计任务书一、设计题目：设计一台换热器二、操作条件：1、苯：入口温度80℃，出口温度402、冷却介质：循环水，入口温度35℃3、允许压强降：不大于50kPa。4、每年按300天计，每天24小时连续运行。三、设备型式：管壳式换热器四、处理能力：99000吨/年苯五、设计要求：2对管箱隔板强度的校核3各部件吊耳安装位置的校核4浮头式和U形管束固定管板外径延伸，使管板兼作试压法兰时的强度校核5管板的刚度校核6风载荷和地震载荷的校核7进出口接管承受管线载荷的校核8叠装换热器中，底下那台换热器的校核9鞍式支座的校核10外表油漆干膜厚度的检测11封头热压成形时，终压温度的检测12壳体直线度的检测13氢工况的判别及材料要求3、管壳式换热器的简介管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热器。它包括:固定管板式换热器、U

型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。1）工作原理：管壳式换热器和螺旋板式换热器、板式换热器一样属于间壁式换热器，其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。2）主要技术特性：一般管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性：1、耐高温高压，坚固可靠耐用；2、制造应用历史悠久，制造工艺及操作维检技术成熟；3、选材广泛，适用范围大。二试算并初选换热器规格1.流体流动途径的确定本换热器处理的是两流体均不发生相变的传热过程，且均不易结垢，根据两流体的情况，故选择苯走换热器的管程，循环水走壳程。2.确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管换热器的型式冷却介质为循环水，取入口温度为：25℃，出口温度为：（25＋5～10）℃苯的定性温度：℃水的定性温度：℃两流体的温差：℃由于两流体温差不大于50℃，故选用固定管板式列管换热器.查《化学工程手册》——化工基础数据化学工业出版社P265图4－21表4－33可有：0.381=0.381mPa·s0.825=0.825mPa·sP238图4－15表4－16可有：0=1.828KJ/(㎏·oC)4.176KJ/(㎏·oC)P274图4－28(2)液体导热系数可有：0.151W/(m·oC)=0.613W/(m·oC)查《化工手册》上卷山东科学技术出版社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KJ/(㎏·oC)粘度mPa·s导热系W/(m·oC)苯836.61.8280.3810.151水996.354.1760.8520.6133．计算热负荷和冷却水流量4．计算两流体的平均温度差暂按单壳程、多管程进行计算，逆流时平均温度差为：而由《化工原理》上册页查图4－19可得:所以又因为0.96>，故可选用单壳程的列管换热器。5．试算和初选换热器的规格根据低温流体为水，高温流体为有机物（参见《化工原理》P355）有K值的范围：430～850W/(·oC）,假设又因为苯走管程且初选，L=4.5m的列管，所以设由可求得：单管程的管子根数：管程数：所以将这些管子进行排列有图如下：据此初选固定管板式换热器规格尺寸为：壳径D600㎜管子尺寸Φ19×2mm管程数4管长L4.5m管子总数n108管子排列方法正三角形实际传热面积若采用此传热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为：℃）三工艺计算1.核算总传热系数）计算管程对流传热系数（与假设相一致合适）图壳程摩擦系数f与Re的关系所以2）计算壳程对流传热系数换热器中心附近管排中流体流通截面积为：式中折流挡板间距，取300；管中心距，对，。因为所以由正三角形排列得：因为在～范围内，故可用下式计算壳程中水被加热，取，所以）确定污垢热阻管内、外侧污垢热阻分别取为：）总传热系数因为苯为有机物，管子材料选用不锈钢，取其导热系数为(m·oC)，总传热系数为：由前面计算可知，选用该型号换热器时，要求过程的总传热系数为，在传热任务所规定的流动条件下，计算出的为，其安全系数为：％％故所选择的换热器是合适的。2.核算压强降）计算管程压强降前面已算出：，（湍流）取不锈钢管壁粗糙度则，由《化工原理》上册第一章P54的关系图中查得：8所以对于的管子4，Ns=1）计算壳程压强降其中管子为正三角形排列，取F=0.4取折流挡板间距折流挡板数：壳程流通面积＞所以由上面计算可知，该换热器管程与壳程的压强均满足题目要求，故所选换热器合适。四.设计结果一览表项目壳程（循环水）管程（苯）流量，㎏/s15.49.25温度，℃（进/出）25/3080/40物性定性温度，℃27.560密度，㎏/m3996.325836.6比热，kJ/㎏℃4.1761.828粘度，Pa·s0.825×10-30.318×10-3导热系数，kJ/m℃0.6130.151普兰特数5.295.27结构参数壳体外径，600台数1管径，Ф19×2壳程数1管长，m4.5管心距，㎜32管数108管子排列正三角形排列传热面积，㎡108.4折流板数29管程数4折流板距，m0.3材质不锈钢主要计算结果壳程管程流速，m/s0.9250.22污垢热阻,(㎡·℃)/W2.0×1.7×传热系数，W/（㎡·℃）104014432五．经验公式1.管程对流传热系数，可用迪特斯和贝尔特关联式：2.壳程对流传热系数，可用关联式计算：3.管程压强降可用：4.壳程压强降可用埃索法：六．设备及工艺流程图七．设计评述通过本次课程设计，我对换热器的结构、性能都有了一定的了解，同时，在设计过程中，我也掌握了一定的工艺计算方法。换热器是化工厂中重要的化工设备之一，而且种类繁多，特点不一，因此，选择合适的换热器是相当重要的。在本次设计中，我发现进行换热器的选择和设计是要通过反复计算，对各项结果进行比较后，从中确定出比较合适的或最优的设计，为此，设计时应考虑很多方面的因素。首先要满足传热的要求，本次设计时，由于初选总传热系数不合适，使规定条件下的计算结果与初设值的比值不在要求范围内，因此，经过多次计算，才选择到合适的K值为，计算结果为，安全系数为16.8%，满足要求。其次，在满足工艺条件的前提下选择合适的换热器类型，通过分析操作要求及计算，本次设计选用换热器为上述计算结果。再次，从压强降来看，管程约为10401Pa，壳程约为4432Pa，都低于要求值（50kPa），因此，可适当加大流速，从而加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低污垢热阻，然而，流速增加，流动阻力也会随之增大，动力消耗就增多，因此，作出经济衡算在确定流速时是相当重要的。此外，其他因素（如加热和冷却介质用量，换热器的检修和操作等），在设计时也是不可忽略的。根据操作要求。在检修和操作方面，固定管板式换热器由于两端管板和壳体连接成一体，因此不便于清洗和检修。本次设计中，在满足传热要求的前提下，考虑了其他各项问题，但它们之间是相互矛盾的。如：若设计换热器的总传热系数较大，将导致流体通过换热器的压强降（阻力）增大，相应地增加了动力费用；若增加换热器的表面积，可能使总传热系数或压强降减小，但却又受到换热器所能允许的尺寸限制，且换热器的造价也提高了。因此，只能综合考虑来选择相对合适的换热器。然而在本次设计中由于经验不足，知识有限，还是存在着很多问题。比如在设计中未考虑对成本进