化工课程设计用水冷却煤油产品的多程列管式换热器设计.docx
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化工课程设计用水冷却煤油产品的多程列管式换热器设计
化工原理课程设计
设
计
书
专业年级2011级应用化学
小组成员
指导教师
日期2014-5-27
目录…………………………………………………
第一章设计任务书…………………………………1
第二章概述…………………………………………2
第三章结构设计与说明………………………………4
第四章换热器的设计计算…………………………5
第五章总结………………………………………16
第六章参考文献……………………………………18
第一章设计任务书
一、设计名称
用水冷却煤油产品的多程列管式换热器设计
二、设计任务
使煤油从140℃冷却到40℃,压力1bar（100kpa）,冷却剂为水，水压力为3bar（300kpa），处理量为10t/h。
三、设计任务
1合理的参数选择和结构设计
2传热计算和压降计算：
设计计算和校核计算
四、设计说明书内容
1传热面积
2管程设计包括：
总管数、程数、管程总体阻力校核
3壳体直径
4结构设计包括流体壁厚
5主要进出口管径的确定包括：
冷热流体的进出口管
五、设计进度
1设计动员，下达设计任务书0.5天
2搜集资料，阅读教材，拟定设计进度1.5天
3设计计算（包括电算，编写说明书草稿）5-6天
4绘图3-4天
5整理，抄写说明书2天
第二章概述
化工生产中,无论是化学过程还是物理过程,几乎都需要热量的引入和导出.例如在绝大多数化学反应过程和物理过程都是在一定温度下进行的,为了使物系达到并保持指定的温度,就要预先对物料进行加热或冷却,并在很多过程进行时,也要及时取走过程放出的热量或补充过程吸收的热量.
工业上用于传热过程的基本设备称为换热器.在化工生产中,最常见的是两流体间的热交换.而且多是间壁式换热,两流体不接触,不混合.冷热两流体在传热是被固体壁面（传热面）所隔开,两流体分别在壁画两侧流动.典型的换热器有套管式换热器和列管式换热器.列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。
它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。
所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。
列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：
浮头式换热器、固定式换热器、U形管换热器、填料函式换热器等
1浮头式换热器
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。
浮头换热器的特点：
浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来。
这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。
其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。
浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。
2固定管板式换热器
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。
固定管板式换热器的特点：
旁路渗流较小、造价低、无内漏,缺点是壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合。
3U型管式换热器
这类换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。
其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。
4填料函式换热器
这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。
但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。
第三章结构设计与说明
进料
下一工序
工艺流程图
1.加料方式：
反应器出来产品直接进入换热器
2.进出料热状况：
煤油进口温度140℃，出口温度40℃
3.换热方式：
循环水间接接触式换热
4.换热器的选择：
由于两流体的温差大于50℃，可选用带有温度补偿的固定管板式换热器或浮头式列管换热器。
5.流径的选择
在具体设计时考虑到尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧传热系数接近；在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失；管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。
因水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。
第四章换热器的设计计算
一、设计方案
1选定换热器类型
被冷却物质为煤油，入口温度为T1=140℃,出口温度为T2=40℃
冷却介质为自来水，入口温度为t1=30℃，出口温度为t2=38℃
油的定性温度：
水的定性温度：
两流体的温差：
（>50℃，<70℃）
可选用带温度补偿的固定管板式换热器。
但考虑到该换热器用循环冷却水冷却，在冬季操作时冷却水进口温度会降低，因此壳体壁温与管壁壁温相差较大，为安全起见，故选用浮头式列管换热器。
2选用流体流动空间及流速
因循环冷却水较易结垢，为便于清洗污洉，故选定冷却水走管程，煤油走壳程。
同时选用φ25mm×2.5mm的较高级冷拔碳钢管，管内流速取。
浮头式列管换热器
二、确定物性参数
查化工原理附录，两流体在定性温度下的物性数据见下表：
两流体在定性温度下的物性数据
物性
流体
温度
/℃
密度ρ
/（㎏/m3）
粘度μ/mPa·s
比热容Cp
/[KJ/（kg·℃）]
热导率λ/[W/（m·℃）]
煤油
90
825
0.715
2.22
0.14
水
34
994.3
0.742
4.174
0．624
三、估算传热面积
（1）计算热负荷（热流量或传热速率）
按管间煤油计算，即
（2）计算冷却水用量
忽略热损失，则水的用量为
（3）计算逆流平均温度差
（4）初选总传热系数K
查传热手册，煤油的总传热系数大致在116－337W/（㎡·℃），现假定K=290W/（㎡·℃）
（5）估算传热面积
考虑到15%的面积裕度，
四、工艺结构尺寸
（1）管径和管内流速
管径：
φ25mm×2.5mm,管内流速ui=1.3m/s
（2）管程数与传热管数
根据传热管内径和流速确定单程传热管数
按照单程计算所需换热管的长度L
按照单程管设计，传热管过长，根据本题实际情况取，则该换热器的管程数为：
传热管总根数：
（3）平均传热温差校正及壳程数：
首先计算R和P的参考值
由于查取ψ值比较困难，作如下变换：
根据查温差校正系数图可知：
ψ>0.8，同时壳程流体流量亦较大，
故取单壳程合适。
（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=1.25d0，则t=1.25×25=31.25≈32㎜
隔板中心到离其最.近一排管中心距离：
S=t/2+6=32/2+6=22㎜
各程相邻管的管心距为ta=2×S=44㎜。
管中心距t与分程隔板槽两侧相邻管排中心距ta的计算结果与设计要求相比较，证明可用。
（5）壳体内径
采用四管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体内径：
圆整值。
（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,取h=150mm.
取折流板间距为B=0.3×600=180mm,取B=180mm,则折流板数
折流板圆缺水平面安装。
（7）其他附件
拉杆直径为φ12mm,其数量不少于10根。
壳程入口应设置防冲挡板。
（8）接管
1壳程流体（煤油）进出口接管，取接管内煤油流速为0.5m/s则接管内径：
取标准管径φ108mm×20mm
2管程流体（循环水）进出口接管，取接管内循环水流速为2.5m/s,则接管内径：
取标准管径为φ108mm×5mm，其余接管略。
五、换热器校算
⑴传热能力核算
1壳程对流给热系数
对于圆缺形折流板，可采用克恩（Ken）公式
当量直径由正三角形排列得
壳程流通截面积
壳程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为
2管程给热系数管程流通截面积
管程流流速、雷诺数及普朗特数分别为
污垢热阻与管壁热阻
管外侧污垢热阻：
查污垢经验数据取Rso=0.000174m2·℃/W
管内侧污垢热阻：
查污垢经验数据取Rsi=0.000516m2·℃/W
管壁的热导率：
碳钢的热导率λ=45W/（m·℃）
总传热系数
=
传热面积
理论传热面积
A=
该换热器的实际换热面积
面积裕度为
H=
换热面积裕度合适，在15％范围内，能够满足设计要求。
核算壁温
因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁壁温按下式计算：
Tm=（T1+T2）/2=（140+40）/2=90℃
tm=0.4t2+0.6t1＝0.4×38+0.6×30=33.2℃
取两侧污垢热阻为零计算壁温，得传热管平均壁温：
壳体平均壁温，近似取壳层流体的平均温度，即90℃。
壳体平均壁温与传热管平均壁温之差：
90-41.9=48.1℃。
换热器内流体的流体阻力
管程流动阻力
（Ft结构校正系数，Np管程数，Ns壳程数）
取换热管壁粗超度为0.01mm,则ε/d=0.005，而Rei=17152.3，
查图得λi=0.0355，流速ui=0.64m/s，密度为ρ=994.3㎏/m3，所以：
对Φ25×2.5mm的管子有Ft=1.4，且Np=4，Ns=1
=（1626.5+610.9）×1.4×4×1=12529.44Pa
壳程流动阻力
（Fs为结构校正系数，对液体Fs=1.15，Ns为壳程数）
流体流经管束的阻力
式中F——管子排列方式对压力降的校正系数，正三角形排列F=0.5，正方形直列F=0.3，正方形错列F=0.4；
fo——壳程流体的摩擦系数，当Reo＞500时，
fo＝;
nc——横过管束中心线的管数，nc=；
折流板间距B=0.18m，折流板数NB=24，uo=0.1427m/s
流体流经折流板缺口的阻力:
合理压力降的选取
操作情况
减压操作
低压操作
中压操作
较高压操作
操作压力P/Pa（绝）
0-1×105
1×105－1.7×1051×105-11×105
11×105-31×105
31×105-81×105（表）
合理压力P/Pa
0.1P
0.5P0.35×105
0.35×105-1.8×105
0.7×105-2.5×105
参考表合理压力的选取，该换热器的压降在合理的范围之内，故所设计的换热器合适。
六、换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表
换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表
参数
管程
壳程
流率/（kg/h）
66482.99
10000
温度（进/出）/℃
30/38
140/40
压力/Mpa
0.3
0.1
物性参数
定性温度/℃
34
90
密度/（kg/m3）
994.3
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