化工原理课程设计--列管式换热器设计汇总.docx

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1、好好学院课程设计化工原理课程设计列管式换热器设计10级食品科学与工程（1）ff77777赵大庆二年十二月二十八日书目1化工原理课程设计任务书(I)2概述与设计方案简3确定设计方(6)1.1 选择换热器的类1.2 管程支4 确定物性数据5 估算传热面积(7)5.1 热流5.2 平均传热温5.3 传热面积(7)5.4 冷却水用6 工艺结构尺(8)6.1 管程数和传热管数6.2 传热温差校平均正及壳程6.3 传热管排列和分程方a*(10)6.5壳体内(10)6.6折流挡6.7其他附6.8接7换热器核7.1 热流量核7.2 壁温计(13)7.3 换热冷内流体的流淌阻力(13)计(15)9参考文10主要

2、符号说设计任务与条件某生产过程中，反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水招其从I1.(TC进步冷却至60C之后，进入汲取塔汲取其中的可溶组分。已知混合气体的流盘为6.3X10kgh,压力为6.9MPa。循环冷却水的压力为04Mpa,循环水的入口温度为29*C,出口温度为39C,试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。经查得混合气体在85C下有关物性数据：密度P1=90kgms,定压比热容C,1=3.297k,J(kg*?)：热导率人尸0.0279W(m*);粘度Ih=1.5X10pa*s.循环水在34C下的物性数据：密度p1.=994.3kgm,定乐比热容cp1.=i.174kJkg

3、*K粘度热导率y=0.624wn*KPa*s设计说明书述与设计方案简介换焦的类型列管式换热器乂称为管亮式换热罂，是最典型的间壁式换热落历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束,管板、折潦挡板和封头等组成。一种潦体在关内流淌，其行程称为管程：另一种流体在管外流淌，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。其主要优点是单位体枳所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚实，可选用的结构材料范围宽广，操作弗性大，因此在高温、高压和大型装置上多采纳列管式换热器。为提高壳程潦体流速，往往在壳体内安奘肯定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、熠加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使

4、湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50C以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或裂开，因此必需考虑这种热膨胀的影响。2.1 换熄换热罂是化工、石油、食品及其他很多工业部门的通用设备.在生产中占有丞要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。依据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、箫热式、间壁式。间壁式换热器乂称表面式换热器或间接式换热罂。在这类换热器中，冷、热潦体被固体壁面

5、隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热蹲适用于冷、热流体不允许干脆接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。将在后面做重点介绍。干脆接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热屋。该类换热沿结构简洁，传热效率高，适用于冷、热流体允许干脆接触和混合的场合.常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。蓄热式换热器乂称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度上升后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，荒热体温度下降，从而达到换热的目的。

6、此类换热器结构简洁，可耐高温,常用丁高温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体枳浩大，且不能完全避开两种流体的混合工业上最常见的换热器是间壁式换热器。依据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紫漆式换热落。紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热罂、板式换热冷等。管壳式换热器包括了广泛运用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热涔。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在很多工业部门被大量采纳.列管式换热器的特点是结构坚固，能承受高温高压，换热表面清洗便利，制造工艺成熟，选材位图广泛，适应性强及处理实力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以接着存在下来。运用最为广泛的

7、列管式换热器把管子按肯定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热港也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。2.2 设计方案简介依据列管式换热器的结构特点，主要分为以卜四种。以卜依据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。1 .固定管板式换热器这类换热潺如图IT所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定r管板上，它的结余构简洁：在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑:由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用运用管子于管板的接口脱开

8、，从而发生介质的泄漏.图1-1闺定付板式帙热H1Hrrtc2-*3充体4H51t6一情极2 .U型管换效器U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两湍固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热罂的优点是结构简洁，只有块管板,密封面少，运行牢靠：管束可以抽出，管间清洗便利。其缺点是管内清洗困难；噬由于管子须要肯定的弯曲半径，故管板的利用率较低：管束最内程管间距大，光程易短路：内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外,其造价比管定管板式高10%左右。3.浮头式换热卷浮头式换热器的结构如下图厂3所示,其结构特点

9、是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热溶的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时,互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗.其缺点是结构较困难，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。W1-3，头式换热普I*2m1*fti3一隔板一犷义住小丝5ffWW。入Oi4.馍料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另端果纳填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管嬖温差而引起的温差应力.填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简洁

10、,制造便利,耗材少，造价也比浮头式的低：管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗,修理便利。其缺点是填料函乃严不高，亮程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和珍贵的介质不适用。1I4填料嫉式铁鸡部I一州W）慵板2MXfK/J-4W45M11jMVi1.3设计方案的选定1.3.1设计任务期目反应器的混合气体列管式换热器设计反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水将其从II(TC进一步冷却至60C之后，进入汲取塔汲取其中的可溶组分。已知混合气体的流量为39000kg/h,压力为6.9MPa.循环冷却水的压力为0.4MPa,循环冷却水的入口温度为29-C.出口温度为39C,试设计一

11、台列管式换热器，完成该生产任务,列管式换热工艺设计确定设计方案1 .选择换热器的类型两流体温的改变状况：热流体进口温度I1.OC出口温度60C：冷流体进口温度29C,出口温度为39C,该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。2 .管程支配从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走光程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低,将会加快污垢增长速度,使换热器的热流量下降，应使循环水走管程，混和气体走壳程。二、计埠定定性湿度：时下一般气体和水等低黏度潦体，其定性温度可取流体进出口湿度的平均值。故壳程混

12、和气体的定性温度为TJQ+60=85C2管程流体的定性温度为39+。9T=-=34C2依据定性湿度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。混和气体在85C下的有关物性数据如下：密度e=90奴，J定压比热容CM=3.297kJkg*热导率=0.0279wm*C粘度p1.=1.510Ta*s循环水在34CF的物性数据：密度p1.-994.3kgm定压比热容CM=4.174kJkg*K热导率4-0.624wm*K粘度M0.74210-i,a*s三、计尊编负荷和藏焦体用量1 .热负荷：Q=叫CmA乙=23OOOX3.297X(11(60)379100OkJZhIO53OOkw2 .冷却水用量Wr=Qc

13、t2-t)=3.791X1064.174(39-29)=91000kg四、按逆流初算传候平均温度差5I1.1.O希穿In60-29五、初选传编系敷和计算传玳面积I.由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=320W(mk)2.22222估算的传热面枳为：A1.=QKt11,)1.=68.1nr考虑IO%2O%的平安系数A=AIX1.1.=74.8m2六、工艺结构尺寸取管心距a=1.25d0,Ma=1.25X25=31.253211ra管束最外房管子的中心与壳体内表面的距离：S=a2+6=322+6=22三各程相邻管的管心距为44皿，见【化学工业出版社传热应用技术储：PS表1-21管程

14、数的确定，每程各有传热管114根，其前后管程中隔板设置和介质的流通依次按【化学工业出版社传热应用技术储：P87图181选取。横过管中心线的管数：NC=1.1.9/324=21根5 .壳体内径采纳多管程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率n=0.75,则壳体内径为：D=1.05aJM/=1.05323240.75=704而按卷制壳体的进级档，可取D=800mm筒体直径校核计算：壳体的内径D,应等于或大T(在浮头式换热淞中)管板的直径，所以管板直径的计算可以确定壳体的内径，其表达式为：D1=t(nt-1.)+2b,HZb,=1.2do=1.225=30mmD=32X(21-1)+232=704mm

15、按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：D1=800mm6 .折流挡板采纳圆缺形折流挡板，去折流板恻缺而度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为h=0.25800=200m,故可取h=200nm取折潦板间距B=0.3D,则B=03800=240mm,可取B为240mm,折流板数目【化学工业出版社传热应用技术Q：P88七.换熟器核第1热流员核算（1）壳程表面传热系数用克恩法计算,见式【国防工业出版社化工原理（其次版）】：式（4-41b）:4=0.364Re。WPr2严d,儿当量直径，依【国防工业出版社化工原理（其次版）】：式（4-43）得=0.02m光程流通被面积:A=hD(-=0.251.0(-)=0

16、.0547壳程流体流速及其雷诺数分别为Vs39000(360090)Cr,Uu=2.2m:sA0.0547=W=蟠H=264000M1.5IOs普朗特数Pr一型一3.2971.()1.51.O-s773T0.0279粘度校正(W)OZH14a.=0.36X-02792640003,x1.773=582.7m112K0.02(2)管内表面传热系数：at=0.023-RewPrMc1.管程流体流通截面积:70S1.=0.7850.022x=0.0358管程流体流速:“，=15404W600x993)s1.2zmz.O.O35X宙送数:Re=0.021.2X994.3/(0.742103)*3216

17、1普朗特数:nCy4.17410,x0.74210,“Pr=4.960.624a1.=0.023XX321610*X4.9604=5502m11K0.02（3）污垢热阻取：管外IW污垢热阻R.=0.0004”/kiw管内储污垢热阻凡=000（）6/Zm【化学工业出版社传热应用技术Q：P56表1-6管壁热阻按【国防工业出版社化工原理】：附录11查得碳钢在该条件下的热导率为50w（mK）。所以凡=0.00005/kw（4）传热系数K,有：(250.0006250.0000525人115502X202022.5625330h,m-K【化学工业出版社传热应用技术储：P55（5）传热面积裕度:计算传热面

18、积Ac：fg643010j.,oo.2At=!=419.93，KAIm330x46.4该换热器的实际传热面积为&:.，1,=KdJNT=3.140.0259.94(570-28)=422.92n1该换热器的面枳裕度为：传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。3.壁温计算a1.T+aut%十%式中液体的平均温度T和气体的平均温度分别计算为T=（3升29）/2=34CI=（IIO+60*2=85Ca,=55O2wm,Kao=583wm,K传热管平均壁温=39*C壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=85C壳体壁温柔传热管壁温之差为A/=85-39=460该温差较大，故须耍设温度补偿装置

19、.由丁换热器壳程压力较大，因此，需选用浮头式换热器较为相宜。1.换热器内压力降的计算（1）管程流体阻力p,=（Ap+ApJN,N/I1.由Rc=32161.,传热管对粗糙度0.01,查莫狄图：【化学工业出版社流体输送与非均相分别技术】：P78图1-82得4=0.04,流速u=I.3ms,P=994.3gIm,所以：481.3j994.3p.=0.04XX=13442.93?10,022.rnz1994.3x1.3:_.d2、=C=3=2520.55Po*22对于25X2.5传热管，Ft=1.4ZT=(13442.93+252O.55)1.21.4=44697.7/%管程流体阻力在允许范用之内。

20、500时,工二5.0CNc=1.1.Vr05=1.19255=34Nir=I9u0=2.5mIsp1.=0.50,241936(19+1)9-j6-=724.82Pa流体流过折流板缺口的阻力Spi=%(35-芳)，,B=0.267m,D=0.89m,2*0.267、90x1.36?4rozonp,=19(3.5)=4586.08Pa,0.892总阻力p1.=724.82+4586.08=5311.62PaIOkpa由于该换热器光程流体的操作压力较高，所以无程流体的阻力也比较相宜。换热.主要结构尺寸和计算结果换热心型式浮头式换热器参数管程克程工作介质循环冷却水混合气体潦量，(kg,h)89767

21、1227301温度(进/出)/r29/39110/60压力/MPa0.46.9物性冬数定性温度/C3485密度/(kgm)994.390比热容/kJ(kgC)4.1743.297黏度mPas0.7420.015热导率/W(mC)0.6240.0279普朗特数4.9631.773设备结构参型式浮头式台数1壳体内径mm100O壳程数1管子规格25mm2.5mm管心距mm32管长mm8000管子排列正三角形管子数目/根570折流板数/块26数传热面积m457.62折流板距mm300管程数5材质碳钢主要计算结果管程克程流速/(ms)1.22.5传热膜系数W.(11TC)5502625污垢热阻/(m*T

22、7W)0.00060.0004阻力损失压力降，MPa0.044690.03998热负荷乐W10408平均传热温差/C46传热系数(W/(11VC)J330面枳裕度/%0.71匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计M.北京：化学工业出版社，2010.2郑津洋、董其伍,桑芝富.过程设备设计M.北京：化学工业出版,2010.3付家新，王为国，肖桎发.化工原理课程设计M.北京：化学工业出版社,20O1.4朱有庭.曲文海，于浦义.化工设备设计手册M北京：化学工业出版社,2005.15王松汉.石油化工设计手册M.北京：化学工业出版社,2002.6黄品琥.压力容潺材料好用手册M北京：化学工业出版社,19

23、9Z7黄秋生.化工机械力学基础M.北京：化学工业出版社990.8李世玉,桑如苞.压力容器工程师设计指南M.北京:化学工业出版社,1995.91贺匡国.压力容黯分析设计基础M.北京：机械工业出版社.1995.10JamesR.Farr.MaanI!.Jawad-GuidebookfortheDesignofASMESectionVIPressureVcssdsM.NcwYorIcASMEPrcss.2001.11MaanHJawad.Designofp1.ateandshe1.1.structuresM.NewYorkASMEPrcss.2001.12RameshK.SIah.DusanP.Se

24、ku1.ic.Fundamenta1.sofheatexchangerdesignM.JohnWi1.cy&SOnSjnC,2003.11.主要符号说明英文字母B一一折流板间距，m：C一一系数，无量纲；d管径，m；D-换热器外壳内径，m；F一摩擦系数：P系数：圆缺i度，in；K-一一总传热系数，U7(m2-C)：1.管长.m：m一一程数：n指数：管数：程数：N-一管数：程数：AB一折流板数：NU一一努塞尔特准数：P一一压力，Pa；因数：Pi一一普兰特准数：q热通量，W/m2：Q一一传热速率，W：r半径，m：气化潜热，kj/kg；R热阻，m2C/W：因数：e-雷诺准数：S传热面积，m2：t冷流体温度，C：管心距，m：r-热潦体温度，-C；U流速，m/s；护质量流量，kgs.H一体积流S1.m3s.希腾字母a对流传热系数.W(m2C):八有限差值：4导热系数，(mC)；U粘度，PaS；P密度，kgm3;/管内:却一一平均:。管外;S污垢。校正系数。下标C冷流体：热流体：