化工原理课程设计——管壳式换热器课程设计(安全系数为1625%)

1、精品 料推荐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- 0 -精品 料推荐化工原理课程设计任务书化工原理课程设计任务书一设计任务用初温为20的冷却水，将流量为（4000+200 学号） kg/h 的 95%（体积分率）的乙醇水溶液从 70冷却到 35；设计压力为 1.6MPa，要求管程和壳程的压降不大于 30kPa，试选用适当的管壳式换热器。二 设计要求每个设计

2、者必须提交设计说明书和装配图(A2 或 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、符号说明、 参考文献以及设计自评等。2设计计算书的主要内容应包括的步骤:1)计算热负荷、收集物性常数。根据设计任务求出热流体放热速率或冷流体吸热速率，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中未给出的物性常数。2)根据换热流体的特性和操作参数决定流体走向（哪个走管程、哪个走壳程）；计算平均温差。3)初步估计一个总传热速率常数K 估 ，计算传热面积 A 估。4) 根据 A 估初选标准换热器；5) 换热面积的核算。分别按关联式求出管

3、内、外传热膜系数，估计污垢热阻，求出总传热速率常数 K 核 ，得出所需传热面积 A 需 ，将 A 需 与 A 实际 进行比较， 若 A 实际 比 A 需大 15%-25% ，则设计成功；否则重新计算。6) 管程和壳程压力降的核算。7) 接管尺寸的计算。3符号说明的格式：分为英文字母、希腊字母，要按字母排序，要写出中文名称和单位；4参考文献的格式：按 GB7714-87 的要求。一、设计题目：设计一台换热器二、操作条件：1、乙醇水溶液：入口温度70，出口温度 35。- 1 -精品 料推荐2、冷却介质：循环水，入口温度20。3、允许压强降：不大于30kPa。三、设备型式：管壳式换热器四、处理能力：

4、8000Kg/h五、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的设计。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。1. 设计概述1.1 热量传递的概念与意义1. 热量传递的概念热量传递是指由于温度差引起的能量转移，简称传热。由热力学第二定律可知，在自然界中凡是有温差存在时，热就必然从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。2. 化学工业与热传递的关系- 2 -精品 料推荐化学工业与传热的关系密切。这是因为化工生产中的很多过程和单元操作，多需要

5、进行加热和冷却，例如：化学反应通常要在一定的温度进行，为了达到并保持一定温度，就需要向反应器输入或输出热量；又如在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热量。此外，化工设备的保温， 生产过程中热能的合理利用以及废热的回收利用等都涉及到传热的问题，由此可见；传热过程普遍的存在于化工生产中，且具有极其重要的作用。总之，无论是在能源，宇航，化工，动力，冶金，机械，建筑等工业部门，还是在农业，环境等部门中都涉及到许多有关传热的问题。应予指出，热力学和传热学既有区别又有联系。热力学不研究引起传热的机理和传热的快慢，它仅研究物质的平衡状态，确定系统由一个平衡状态变成另一个平衡状态所需的总能

6、量；而传热学研究能量的传递速率，因此可以认为传热学士热力学的扩展。3. 传热的基本方式根据载热介质的不同，热传递有三种基本方式：（ 1）热传导（又称导热） 物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。热传导的条件是系统两部分之间存在温度差。（ 2）热对流（简称对流） 流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。热对流仅发生在流体中，产生原因有二：一是因流体中各处温度不同而引起密度的差别，使流体质点产生相对位移的自然对流；二是因泵或搅拌等外力所致的质点强制运动的强制对流。此外，流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过

7、程，即是热由流体传到固体表面（或反之）的过程，通常称为对流传热。（ 3）热辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。热辐射的特点是：不仅有能量的传递，而且还有能量的转移。1.2 换热器的概念及意义在化工生产中为了实现物料之间能量传递过程需要一种传热设备。这种设备统称为换热器。在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高的流体传递到温度较低的流体，以满足工艺上的需要。它是化工炼油，动力，原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备，对于迅速发展的化工炼油等工业生

8、产来说，换热器尤为重要。- 3 -精品 料推荐换热器在化工生产中，有时作为一个单独的化工设备，有时作为某一工艺设备的组成部分，因此换热器在化工生产中应用是十分广泛的。任何化工生产中，无论是国内还是国外，它在生产中都占有主导地位。【表】换热器设计要求序特别要求号1 对事故工况的校核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

9、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

10、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。- 4 -精品 料推荐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， 因水的对流传热系数一般较大，且易结垢， 故选择冷却水走换热器的管程， 乙醇

11、水走换热器的壳程， 可利用外壳向外的散热作用，增强冷却效果。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Tm7035乙醇水的定性温度：252.5 水的定性温度：t m352027.52两流体的温差：Tmt m52.527.5 25 两流体在定性温度下的物性数据如下:物性密度 /m3比热 KJ/( oC)粘度 mPas导热系 W/( m oC)流体95%乙醇8043.280.740.175水9964.1760.8520.613- 5 -精品 料推荐3计算热负荷和冷却水流量Q WhC ph T1 T2 8000 3.28 103(70 35) / 3600 2.551 105 WWc

12、Q2.5510536001.466 104 kg / hCp(t2 t1 )4.176103 (35 20)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：，t2t170353520tmt2ln 703523.60 Clnt1(3520)而t2t135200.3Pt17020T2T1T270352.3Rt13520t 2由化工原理上册P232 页查图4 19 可得 :t 0.83所以tmtt m，0.8323.60 19.59C又因为 0.83 0.8，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m2 o根据低温流体为水，高温流体为有机物 （参见化工原理 P35

13、5）有 K 值的范围： 280 710W/(C）,假设 K=300W/m2 S Q 2.551 105 43.4m2 K tm 300 19.59由于t70353520 ，因此无需考虑热补偿。Tmm222550据此初选固定管板式换热器规格尺寸为：- 6 -精品 料推荐壳径 D400 管 子 尺 寸 252.5mm管 程 数 N p1管 长 L6 m管子总数 n98管子排列方法正三角形换热器面积 m245.4公称压强 /MPa1.6实际传热面积 S n d L 98 3.14 0.025(6 0.1) 45.4m2 若采用此传热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为：Q2.551105287W

14、/( m2）S tm45.419.59三、工艺计算1、核算压强降1）计算管程压强降PiP1P2 Ft N p其中，对于252.5 的管子 Ft=1.4又 Np=1管程流通面积 Aidi2n0.02 2980.031m24N p41Vs146600.133m / sui36009960.031Aidi ui0.020.133 996Rei0.85210 33106取不锈钢管壁粗糙度0.1mm则0.10.005 ，由化工原理上册第一章P54d i20的Re关系图中查得：0.034P1Lui26996 0.1332所以di20.0340.0290Pa2- 7 -精品 料推荐P2ui2996 0.27

15、7233226 Pa2则Pi90261.41162Pa2 ）计算壳程压强降P0，P2，Fs NsP1，u2其中 Fs1.15，Ns1，Ff 0 ncN B10P12管子为正三角形排列，取F=0.5nc1.19 n1.199812设折流挡板间距h0.15m折流挡板数： N BL161 39h0.15壳程流通面积Ah D nd00.150.4120.0250.0158m 20cu0Vs80000.175m / sA03600804 0.0158Re0d0 u00.0250.1758044745 5000.7410 3f 05.0Re00. 2285.04745 0. 2280.73，0.50.73

16、12398040.17522097 Pa所以 P112，N B3.52hu023.520.15804 0.1752P2D2290.421315PaP0209713151.15 13925Pa计算表明，该换热器管程与壳程的压强均满足题设要求2、核算总传热系数1）计算管程对流传热系数iRei162- 8 -精品 料推荐C p4.176 103 0.852 103Pri0.6135.8图壳程摩擦系数 f0 与 Re0 的关系所以i0.023Rei0 .8 Pri0.4 (水被加热）di0.0230.613(162)0 .85.8 0.40.02886W / m 2C2）计算壳程对流传热系数00 .5

17、513d eu0c p0.1400.36 ()()d ew流体流过管间最大截面积为AhD 1d 00.150.410.0250.013m2t0.032t管中心距，对252.5mm ， t 32mm。- 9 -精品 料推荐Vs8000u0.21m / sA3600 804 0.013由管子正三角形排列得：4(3t 2d02 )4(30.03223.140.0252 )24240.020mded03.140.025deu0.020.21 8044619Re0.7410 3C p3.2810 30.7410 3Pr00.17513.87壳程中乙醇水被冷却，取() 0. 140.95w，因为Re0 在

18、 210 3 1106范围内，故可用下式计算00.551)0 .140 0.36Re 0Pr03 (d ew0.36 0.1751所以0(4619) 0.55 (13.87) 30.95 738 W / m2C0.023 ）确定污垢热阻管内、外侧污垢热阻分别取为：Rs00.0002m 2CW 有机液体）， R0.00017m2CW（井水）4 ）/(si/总传热系数K 0管壁热阻可忽略时，总传热系数K 0 为：K 011d0d 00RsoRsi dii d i11210 41.710425252073820886334W / m 2C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W

19、/m2C，在传热299- 10 -精品 料推荐任务所规定的流动条件下，计算出的K 0 为 287W / m 2C ，其安全系数为：实际所需换热面积Q2.551 10539.04m2S334 19.59K t mApA0100%45.4 39.04 100% 16.25%裕度 HA039.04四.设计结果一览表项目管程（循环水）壳程（ 95%乙醇）流量， /s4.022.22温度，（进 / 出）20/3570/35定性温度，27.552.5物密度， /m3996804比热， kJ/ 4.1763.28性粘度， Pas0.852 10-30.74 10-3导热系数， kJ/m0.6130.175普

20、兰特数5.813.87结壳体外径， mm400台数1构管径， mm252.5壳程数1管长， m6管心距，32参管数98管子排列正三角形排列传热面积，35.2折流板数39数1折流板距， m0.15管程数材质不锈钢主要计算结果管程壳程流速， m/s0.1330.175污垢热阻 ,( )/W1.7 10 42.0 10 4传热系数， W/（）886738五经验公式1. 管程对流传热系数i ，可用迪特斯和贝尔特关联式：- 11 -精品 料推荐i0.023 Re0.8 Pri0.3di2. 壳程对流传热系数0 ，可用关联式计算：0.551() 0.1400.36Re 0Pr0 3dew3. 管程压强降可

21、用：PiP1P2 Ft N p Ns4. 壳程压强降可用埃索法：， ，P0P1P2 Fs N s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Wm 2C，计算结果为 287W / m2C ，安全系数为 16.8%，满足要求。334 /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 1