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1、化工原理课程设计 题 目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计系 别： 班 级：学 号：姓 名: 指导教师：日 期：2015年6月26日任务书一、 设计题目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计二、设计任务 ：1、处理能力 ：45 t/年煤油2、设备型号 ：列管式换热器3、操作条件 ：煤油:入口温度140 ，出口温度40冷却介质 ：循环水，入口温度20，出口温度30允许压降 ：不大于105Pa每年按330天计建厂地址 ：新乡三、设计要求1、选择适宜的列管式换热器并进行核算2、要进行工艺计算3、要进行主体设备的设计（主要设备尺寸、横算结果等）4、编写设计任务书5、进行设备结构图的绘制（设
2、备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏。）目 录一、设计方案41.1换热器的选择41.2流动空间及流速的确定4二、物性数据5三、计算总传热系数：53.3、估算传热面积53.3.1热流量53.3.2平均传热温差53.3.3传热面积53.3.4冷却水用量53.4、工艺结构尺寸63.4.1管径和管内流速63.4.2管程数和传热管数63.4.3平均传热温差校正及壳程数63.4.4传热管排列和分程方法73.4.5壳体内径73.4.6折流板73.4.7接管73.5换热器核算83.5.1热流量核算83.5.2换热器内流体的流动阻力10四、设计结果设计一览表12五、设计自我评价12六、参考文献13七
3、、主要符号说明13八、主体设备条件图及生产工艺流程图（附图）13一、设计方案 1.1 换热器类型的选择列管式换热器有以下几种： 1、固定管板式 固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。 特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。2、U形管式 U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。 特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高
4、压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。3、浮头式 换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。 特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，消除温差应力，应用普遍。在本次设计任务中，两流体温度变化情况：热流体进口温度140，出口温度40；冷流体(循环水)进口温度25，出口温度40。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，最大使用温差小于120，,选用固定管板式换热器，又因为管壳两流体温差大于60，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。 1.2 流动空间及流速的确定 在固定管板式式换热器中，
5、对于流体流径的选择一般可以考虑以下几点： (1)不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。(2)腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。 (3)压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。 (4)饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。(5)被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。(6)需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。(7)粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(R
6、e100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。选用252.5的碳钢管，管内流速取ui=1.5m/。 二、确定物性数据两流体在定性温度下的物性数据如下表 物性流体定性温度密度kg/m3粘度mPas比热容kJ/(kg)导热系数W/(m)煤油908250.7152.220.14冷却水359940.7284.1740.626三、换热器设计计算（一）计算热流量mh=（kg/h）Qh=mhcphth=27777.782.22(140-40)=6.17106kJ/h=1712.9 kW（二）平均传热温差()（三）传热面积假设壳程传热系数：
7、0=400 W（m2），管壁导热系数=45 W（m2）则K=298.7W/(m2),则估算面积为：S=Qh/(Ktm)=1.7139106/(298.739)=147.04 (m2) 考虑15%的面积裕度则：S=1.15147.04=169.1(m2)（四）冷却水用量（kg/h）3.4、工艺结构尺寸3.4.1管径和管内流速选用252.5mm碳钢管，取管内流速ui= 1.5m/s3.4.2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=88.0789（根）按单程管计算，所需的传热管长度为：=24（m）按单管程设计，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
8、为l=6m，则该换热器的管程数为：NP=L/l=24/6=4传热管总根数： NT=894=356（根）3.4.3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数：R=(140-40)/(30-20)=10;P=(30-20)/(140-20)=0.083按单壳程，4管程结构，温差校正系数应查有关图表可得t=0.9平均传热温差tm=ttm =0.939=35.1（）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，故取単壳程合适。3.4.4传热管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。取管心距t=1.25dh，则t=1.2525=31.2532(mm)
9、 横过管束中心线的管数 3.4.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径为D=757.7 (mm)按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=800mm。3.4.6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h0.25800=200（mm）折流板间距B=0.3D,则B=0.3800=240mm取250mm。折流板数 NB= -1=-1=23 (块) 3.4.7接管壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u1.0m/s，则接管内径为：D1=（m），取管内径为110mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u1.5 m/s，则接管内径为mm圆整可取 =200
10、mm 。3.5换热器核算3.5.1热流量核算3.5.1.1壳程表面传热系数可采用克恩公式：当量直径，由正三角排列得：de=（m）壳程流通截面积：=0.044（m2）壳程流体流速及其雷诺数分别为：u0=（m/s）Re0=4905普朗特准数 Pr=；粘度校正 h=606.46 W/(m2K) 3.5.1.2管内表面传热系数c管程流体流通截面积：Sc=0.7850.022356/4=0.028（m2）管程流体流速及其雷诺数分别为：Uc=1.484（m/s）Rec=36919.4普朗特准数Pr=c=0.023=6027.7 W/ (m2)3.5.1.3污垢热阻和管壁热阻查有关文献知可取：管外侧污垢热阻
11、 Rh=0.000172 m2K/W管内侧污垢热阻 Rc=0.000344m2K/W管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为=45 W/(m)。3.5.1.4计算传热系数K =396.8 W/（m）计算传热面积S:S=122.985（m2）该换热器的实际传热面积：S=3.140.025(6-0.06)(356-23)=155.27（m2）3.5.1.5换热器的面积裕度H=100%=100%=19.23%传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。3.5.2换热器内流体的流动阻力3.5.2.1管程流体阻力 计算公式如下：Pi=（P1+P2）NSNpFt; NS=1, Np=4，FS=1.4
12、; P1=,P2=由Re=41103.6，传热管相对粗糙度0.01/20=0.05，查莫狄图得=0.034(W/ (m2)，流速u=1.499m/s，=995.7kg/m3，所以P1=9508.7（Pa）；P2=3356（Pa） Pt=（11410.43+3356）1.414=72042.3（Pa）100 KPa管程流体阻力在允许范围之内。3.5.2.2壳程阻力 P0=（P1+P2）FSNS FS=NS=1 P1= f0Fnc(NB+1) ; F=0.5f0=54905=0.720 nC=23 NB=23,uh=0.21m/s P1=0.50.72023（23+1）8250.212/21747
13、2.6（Pa）流体流过折流板缺口的阻力P2 =NB（3.5-2B/D）, B=0.25m; D=0.8m；故P2=23（3.5-20.25/0.8）8250.22/26000（Pa），则总阻力：P0=3625+1202=23473（Pa）100 KPa故壳程流体的阻力也适宜。四、设计结果设计一览表换热器主要结构尺寸及计算结构换热器型式：带膨胀节的固定管板式换热器管口表换热面积：155.27m2符号尺寸用途连接形式工艺参数a2006冷却循环水入口平面名称管程壳程b2006冷却循环水出口平面物料循环水煤油c1004煤油入口平面操作压力，MPa0.40.3d1004煤油出口平面操作温度，20/30140/40e573.5排气口平面流量，kg/h148701.96.17106流体密度，kg/m3995.7825附图流速，m/s0.9930.0784热负荷，kW1712.9总传热系数，W/(m2)263.9对流传热系数4734350.4污垢热阻，m2/W0.0003
