管壳式换热器课程设计

化工原理课程设计说明书目录前言················································2第一部分，甲苯冷凝器的设计设计任务···········································4设计要求··········································4工艺结构尺寸·······································6管径和管内流速·······························6管程数和传热管数·····························6平均传热温差校正及壳程数·····················6传热管的排列和分程数法·······················7壳体内径·····································7换热器主要传热参数核算·····························8（1）计算管程对流传热系数··························8（2）计算壳程对流传热系数··························8（3）确定污垢热阻··································9（4）总传热系数····································9第二部分，甲苯冷却器的设计试算并初选换热器规格·······························11流体流动途径的确定···························11确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管换热器的型式·····································11计算总传热系数····································11计算热负荷···································11冷却水用量···································12计算平均传热温度差···························12总传热系数K·································12估算换热面积·································12工艺结构尺寸·······································12管径和管内流速································12管程数和传热管数······························12平均传热温差校正及壳程数······················13传热管的排列和分程方法························14壳体内径······································14换热器主要传热参数核算·····························15壳程对流传热系数·····························15管程对流传热系数·····························16基于管内表面积的总传热系数···················16计算面积裕度·································17化工原理课程设计任务书设计任务题目＃＃．＃万吨/年甲苯精馏塔冷凝冷却(水冷)换热系统工艺设计。任务给定条件热流条件：流量为10500kg/h的甲苯蒸汽从120℃，0.14MPa(绝压)冷凝到120℃，0.14MPa(绝压)甲苯液，再冷却到30℃；120℃甲苯汽相热焓140Kcal/Kg，液相焓53Kcal/Kg，30℃甲苯液相焓13Kcal/Kg；定性温度80℃时甲苯密度810Kg/m3,比热0.446(Kcal/Kg.℃)绝对粘度0.32(cp)，比热0.104(Kcal/(m.h.℃))冷流条件新鲜水初始温度25℃，循环水初始温度45℃，换热后水温升15℃。水的物性数据由化原上册附录查取。管壳式换热器类型提示设计压力1.6MPa，要求管程和壳程的压降不大于30kPa，冷凝采用浮头式，冷却采用固定管板式管壳式换热器。设计要求每个设计者必须提交设计说明书和冷凝冷却系统工艺流程图(A3)。1．设计说明书必须包括下述内容：封面、目录、设计任务书、设计计算书、设计结果汇总表、设计自评和符号说明、参考文献等。2．设计计算书应包括的主要内容和设计计算的步骤:1)计算热负荷、收集物性常数。根据设计任务作冷凝冷却系统热衡算确定流体放热速率或冷流体吸热速率，和新鲜水、循环水流率。考虑了热损失后即可确定换热器应达到的传热能力Q；按定性温度确定已知条件℃甲苯的定性温度：根据定性温度查得的物性参数为：名称密度ρKg/QUOTE定压比热CpKJ/(Kg·℃)导热系λW/(m·℃)粘度μPa·s汽化热rKJ/Kg120℃甲苯液体769.412.0390.3837354.6水986.854.1820.6465219.784计算热负荷W5冷却水耗量6计算有效平均温度差120℃甲苯蒸汽T:120℃120℃循环水t:60℃45℃Δt60℃75℃7选取经验传热系数K值根据管程走水，壳程走甲苯汽，总传热系数，现暂取。8估算换热面积三、工艺结构尺寸1、管径和管内流速选用ø25×2.5mm较高级冷拔传热管(碳钢10)，取管内流速ui=12、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≈69（根）按单程管计算，所需的传热管长度为：=5.7（m）选定换热器管长l=3m，则管程数Np为：Np=，取管程Np=2，则总管数为：m=2×69=138根根据S=30.77m2,m=138根，Np=2，查表，选用固定管板式换热器(JB/T4717-92)，其实际传热面积为44.9m2,有关参数如下：公称直径DN600mm公称压力PN1.6×106Pa传热面积S44.9管程数Np2管数m198管长l3m管子规格管心距32mm管子排列方式：正三角形换热器的实际换热面积该换热器所要求的总传热系数3、平均传热温差校正及壳程数依《化工单元过程及设备课程设计》P63，公式3-13a和3-13b，平均传热温差校正系数平均传热温差校正为△tm=×△tm’=27.05×0.91=24.62(℃)由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适4、传热管的排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。其中，每程内的正三角形排列，其优点为管板强度高，流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高，相同的壳程内可排列更多的管子。查《热交换器原理与设计》P46，表2-3管间距，取管间距：t＝32mm。由《化工原理上册》P278，公式4-123，得横过管束中心线的管数为由《化工单元过程及设备课程设计》P67，公式3-16，隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+3=32/2+3=19mm取各程相邻管的管心距为38mm。5、壳体内径采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，由《流体力学与传热》P206，公式4-115，得壳体内径为Di=1.05t=1.05×32×=471.77mm,查阅《化工原理（上）》，附录二十三：热交换器，取Di=600mm。6、折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25×600=150mm，故可取h=110mm。取折流板间距B=0.6Di，则B=0.6×600=360mm。取板间距B＝350mm，则：折流板数NB=－1=－1=8块折流板圆缺面水平装配。四、核算总传热系数（1）计算管程对流传热系数（湍流）（2）计算壳程对流传热系数①壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式当量直径，由正三角形排列得AA壳程流通截面积壳程流体流速及其雷诺数分别为普兰特准数粘度校正（3）确定污垢热阻（4）总传热系数所选换热器的安全系数为表明该换热器的传热面积裕度符合要求。求换热器的台数根据总传热系数，确定传热面积：求所需换热管数：S流通=3.14×0.025×3=0.2355所需换热器台数：预留25%的预备管量以及预留多1台做备用，故选取换热器台数为2台。所以，根据题目要求所需，总共需要2台浮头式换热器并联对甲苯蒸汽进行冷凝。换热器的主要结构尺寸和计算结果见表参数管程壳程物料名称循环水甲苯流率/（kg/h）59354.3810500进/出温度/℃45/60120/120换热器结构参数换热器类型浮头式换热器壳体内径/mm600壳程数2管径/mmф25×2.5管心距/mm32管长/mm3000管子排列正三角形管数目/根198管程2传热面积/m244.9传热系数554.6污垢阻力/（w/m2·K）0.0001740.000172热流量/W1034250传热温差/℃67.5安全系数/%13.3甲苯的冷却一、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，故选择水走换热器的管程，甲苯走壳程。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新鲜水，取入口温度为：25℃，出口温度为：（25＋15）℃甲苯的定性温度：℃水的定性温度：℃两流体的温差：℃根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。甲苯在75℃下的有关物性数据冷却水在32.5℃下的物性数据密度ρo=810kg/m3密度ρi=994.9kg/m3定压比热容cpo=1.888kJ/(kg·℃)定压比热容cpi=4.127kJ/(kg·℃)导热系数λo=0.124W/(m·℃)导热系数λi=0.6218W/(m·℃)粘度μo=0.000383Pa·s粘度μi=0.000763Pa·s由于两流体温差不大于50℃，故选用固定管板式管壳式换热器。二、计算总传热系数1.计算热负荷2.冷却水用量两流体的温差，不需要热补偿。3.计算平均传热温度差℃4、总传热系数K（1）管程传热系数（湍流）（2）选取经验传热系数K值根据管程走水，壳程走甲苯，总传热系数，现暂取。5.估算换热面积三、工艺结构尺寸1、管径和管内流速选用ø25×2.5mm较高级冷拔传热管(碳钢10)，取管内流速ui=0.2、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≈52（根）按单程管计算，所需的传热管长度为：=7.5（m）选定换热器管长l=4.5m，则管程数Np为：Np=，取管程Np=2，则总管数为：m=2×52=104根根据S=30.54m2,m=104根，Np=2，查表，选用固定管板式换热器，其实际传热面积为28.8m2,有关参数如下：公称直径DN450mm公称压力PN2.5×106Pa传热面积S43.5管程数Np2管数m126管长l4.5m管子规格管心距32mm管子排列方式：正三角形换热器的实际换热面积该换热器所要求的总传热系数3、平均传热温差校正及壳程数依《化工单元过程及设备课程设计》P63，公式3-13a和3-13b，平均传热温差校正系数平均传热温差校正为△tm=×△tm’=27.05×0.91=24.62(℃)由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适4、传热管的排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。其中，每程内的正三角形排列，其优点为管板强度高，流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高，相同的壳程内可排列更多的管子。查《热交换器原理与设计》P46，表2-3管间距，取管间距：t＝32mm。由《化工原理上册》P278，公式4-123，得横过管束中心线的管数为由《化工单元过程及设备课程设计》P67，公式3-16，隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+6=32/2+6=22取各程相邻管的管心距为44mm。5、壳体内径采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，由《流体力学与传热》P206，公式4-115，得壳体内径为Di=1.05t=1.05×32×=409.6mm,查阅《化工原理（上）》，附录二十三：热交换器，取Di=450mm。6、折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25×450=112.5mm，故可取h=110mm。取折流板间距B=0.6Di，则B=0.5×450=270mm。取板间距B＝250mm，则：折流板数NB=－1=－1=17块折流板圆缺面水平装配。四、换热器主要传热参数核算1、热量核算(1)壳程对流传热系数对于圆缺形折流板，可采用克恩公式。由《流体力学与传热》，公式4-60、4-61，得αo=其中：①当水做冷却剂时，粘度校正为=1.05②当量直径，管子为正三角形排列时，依《化工单元过程及设备课程设计》，公式3-22得de＝＝＝0.0202m③壳程流通截面积，由《流体力学与传热》P164，公式4-62，得So=BD(1－)=0.25×0.45×（1－）＝0.0246m2④壳程甲苯的流速及其雷诺数分别为uo＝=＝0.146m/sReo＝＝＝6237.21⑤普朗特准数（<传热传质过程设备设计>P26，公式1-43）因此，壳程甲苯的传热膜系数αo为(2)管程对流传热系数由《流体力学与传热》，公式4-52a、4-52b，得αi=0.023Re0.8Pr0.3其中：程流通截面积Si==0.022××=0.0163m2程冷却水的流速及其雷诺数分别为Ui＝=＝0.494m/sRei＝＝＝13011.68③普兰特准数因此，管程冷却水的传热膜系数αi为αi=0.023×13011.680.8×5.060.3×=2275.41W/(m2·℃)(3)基于管内表面积的总传热系数Ki污垢热阻和管壁热阻查有关文献知可取：管外侧污垢热阻R0=0.000176m2·K/W管内侧污垢热阻Ri=0.0002