课程设计换热器.docx

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课程设计换热器

化工过程及设备课程设计（本）

题目换热器的设计——水冷却硝基苯

班级2010化工2班

学号45、46、47

组长王少平

组员何东宝、王少平、潘树灿

指导教师黄卫清

完成日期2013年12月

一、设计任务和设计条件……………………………………………………3

1.设计题目：

换热器的设计——水冷却煤油

2.设计条件；

3.设计任务；

二、设计方案简介………………………………………………………………4

1.选择换热器的类型；

2.管程安排；

3.流向的选择；

三、确定物性数据……………………………………………………………..5

四、试算和初选换热器的规格…………………………………………….….6

1.计算热负荷和冷却水流量；

2.计算两流体的平均温度差；

3.初选换热器规格；

五、核算总传热系数………………………………………………………...….7

1、管程的给热系数

2、壳程的给热系数

3、污垢热阻

4、计算总传热系数

5、估算传热面积

.

六、核算压强降…………………………………………………………………8

1、管程压强降

2、壳程压强降

七、辅助设备的计算及选型……………………………………………………9

1、壳体直径、长度、厚度

2.封头尺寸

3.法兰及各连接材料的选择结构

（1）选定法兰

（2）选定垫片结构

八、设计结果一览表……………………………………………………………12

其他工艺参数

九、对设计的评述

附录：

参考图

一、设计任务和设计条件

1.设计题目：

换热器的设计——水冷却硝基苯

2.设计条件：

（1）硝基苯

处理量：

16000/小时、进口温度：

140℃、出口温度：

60℃、压强降<40kPa

（2）冷却水

进口温度：

30℃、出口温度：

40℃、压强降<40kPa

3.设计任务：

（1）设计计算列管式换热器的热负荷、传热面积、换热管、壳体、管板、封头、隔板及接管等。

（2）绘制列管式换热器的设计条件图。

（3）编写课程设计说明书。

二．设计方案简介

换热器种类繁多，按照用途分类，可以分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。

按照传热面的形状及结构特点又可将其分为：

管式换热器、板式换热器、扩展表面式换热器。

1.选择换热器的类型

本设计任务是利用冷流体（水）给硝基苯降温。

利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。

选择时要遵循经济，传热效果好，方便清洗，符合实际需要等原则。

列管式换热器在生产中被广泛利用。

它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。

尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。

所以首选间壁式换热器中的列管式换热器作为设计基础。

2、管程安排

冷、热流体流动通道的选择的一般原则：

1.不洁净或易结垢的液体宜在管程，因为管内清洗方便。

2.腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。

3.压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。

4.饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出。

5.流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因为壳程Re>100即可达到湍流。

但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。

6.若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。

7.需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。

由于循环冷却水容易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。

3.流向的选择

当冷、热流体的进出口温度相同时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而传递同样的热流体，所需的传热面积小。

逆流操作时，冷却介质温升可选择得较大因而冷却介质用量可以较小。

显然在一般情况下，逆流操作总是优于并流。

三、确定物性数据

定性温度：

可去流体进口温度的平均值。

壳程硝基苯的定性温度为

T=

=100℃

管程冷却水的定性温度为

T=

=35℃

跟据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

硝基苯在110℃下的有关物性数据如下：

密度          ρ0=1097.59 ㎏/ m3 

定压比热容   cp0=1.72kJ/（kg•℃） 

导热系数λ0=0.140（W/m.°C）

 粘度μ0=0.00055（Pa•s）

循环冷却水在35°C下的有关物性数据如下：

密度          ρi=994.3 ㎏/ m3 

定压比热容    cpi=4.174kJ/（kg•℃）

导热系数      λi=0.6265 （W/m.°C） 

粘度          μi=0.000742（Pa•s） 

四、试算和初选换热器的规格

1.计算热负荷和冷却水流量

热负荷量

Q0=m0 c0p t0=14000×1720×（140-60）/3600=535111 （kW）

冷却水量

W=

=

=46666.7（kg/h） 

2.计算两流体的平均温度差

平均传热温差

Δt＇m=

=58.14℃

3.初选换热器规格

根据两流体的情况，设K=540W/（m2·℃），故

S=

=

=17.04（m2）

壳体内径（mm）

300

管子尺寸（mm）

Φ19×2

公称压强

0.4MPa

管长

6m

公称面积

70m2

管子总数

98

管程数

2

管子排列方法

正三角形

管心距

24mm

折流板数

19块

折流板高度h

60mm

折流板间距B

150mm

壳程流体进出口接管内径D

80mm

管程流体进出口接管内径

110mm

估计传热面积S0=nπdL=98×3.14×0.019×3=17.54m2

K0=

=

=524.7[W/（m2·℃）]

五、核算总传热系数

1、管程的给热系数αi

αi=0.36×

=0.36×

×（11674）0.55（6.67）1/3

=1174.69W/m2·℃

2、壳程的给热系数α0

假设壳程的给热系数α0=290W/（m2·℃）

3、污垢热阻

Rsi=0.000344m2·℃/W

Rs0=0.000173m2·℃/W

4、计算总传热系数K

管壁的导热系数：

λ=45W/m·℃

=

+Rsi

+

+Rs0+

=0.025/（2731×0.020）+0.000344×0.025/0.020+0.000172+1/290

=0.000457+0.00043+0.000062+0.000172+0.003448

=0.004569W/（m2·℃）

K=218.86W/（m2·℃）

5、估算传热面积

考虑15%的面积裕度

S‘=

=

=15.52（m2）

S=1.15×15.52=17.848m2

六、核算压强降

1、管程压强降

∑Δpi=（Δp1+Δp2）FtNpNs（Ft结垢校正系数，Np管程数，Ns壳程数）

取换热管的管壁粗糙度为0.01mm，ε/d=0.005，而Rei=13545，查图得λt=0.04,流速Ui=1.48m/s，ρ=994.3kg/m2

Δp1=λiLρui2/（2di）=0.039×3×994.3×1.48²/（0.015×2）=8.494KPa

Δp2=3ρui2/2=3×994.3×1.48²/2=3.267KPa

对φ19×2mm的管子有Ft=1.5，且Np=2，Ns=1

∑Δpi=（Δp1+Δp2）FtNpNs=（8.494+3.267）×1.4×2×1=35.283KPa<40KPa

管程阻力在允许的范围之内。

2、壳程压强降

∑Δp0=（Δp＇1+Δp＇2）FsNs（Fs为结垢校正系数，对液体Fs=1.15，Ns为壳程数）

流体流经管束的阻力Δp＇1=Ff0nc（NB+1）ρu0²/2

F为管子排列方式对压强降的校正系数，正三角形排列F=0.5，正方形直列F=0.3，正方形错列时，F=0.4。

f0为壳程流体的摩擦系数，当

Re0>500时，f0=5.0Re0-0.228=5.0×（11674）-0.228=0.59111

nc为横过管束中心线的管数，nc=11

折流板间距B=0.15m，折流板数=19

Δp1＇=0.5×0.59111×11×（19+1）×

=5.427KPa

流体流经折流板缺口的阻力

Δp2＇=NB（3.5-

）

B=0.15m，D=0.3m

Δp2＇=19（3.5-

）×

=5.551KPa

总压力降∑Δp0=（5.427+5.551）=10.978KPa<40KPa

该换热器的管程与壳程压降均满足要求，故所设计的换热器合适。

七、辅助设备的计算及选型

1、壳体直径、长度、厚度

由上面的计算可得壳体直径为

D=300mm

壳体长度为

l=6m

操作压力

Pc=0.4MPa

根据以上假设和查表数据可得

δ=

=

=0.429mm

按过程设备设计（化学工业出版社），腐蚀余量C2=2mm，钢板厚度负偏差C1=0.3mm

设计厚度

δd=δ+C2=0.429+2=2.429mm

因而可取名义厚度δn=3mm。

但对碳素钢，规定不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于3mm，若加上2mm的腐蚀裕量，名义厚度至少应取5mm。

按《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）表4-31取壳体厚度 δ=5mm

2.封头尺寸

考虑综合因素，使用标准椭圆封头，材料使用碳素钢Q245，焊接接头形式采用双面焊对接接头，无损检测比例100%，故φ=1。

参考过程设备设计（化工工业出版社）附录得，在150℃下，厚度假设为δ=3-16mm时，碳钢Q245的许用应力为 

[σ]t=140（MPa）

管程压力为0.4MPa，壳程压力为0.3MPa，按Pc=0.4MPa计算。

根据以上假设和查表数据可得

δ=

=

=0.429mm

按过程设备设计（化学工业出版社），腐蚀余量C2=2mm，钢板厚度负偏差C1=0.3mm

设计厚度

δd=δ+C2=0.429+2=2.429mm

因而可取名义厚度δn=3mm。

但对碳素钢，规定不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于3mm，若加上2mm的腐蚀裕量，名义厚度至少应取5mm。

有钢材标准规格，名义厚度取为5mm。

δn=5mm，[σ]t没有变化，故取名义厚度5mm合适。

因为K=

[2+（

）2]

由此可得椭圆头短半径

hi=

=

=75mm

3.法兰及各连接材料的选择

（1）选定法兰结构

工艺操作条件所给出的各参数如下：

压力Pc=0.3MPa

温度t=140℃

根据上述数据，查看《JB_4700~4707压力容器法兰》可得

法兰类型：

松式法兰 

法兰材料：

   Q235 

紧压面：

  凹凸面

（2）选定垫片结构

 根据上述数据，查看《JB_4700~4707压力容器法兰》可得 垫片形式：

  耐油垫

垫片压紧面形状：

  1a 

垫片材料：

橡胶石棉板 

按《GB150-1998钢制压力容器》可得 

垫片系数：

m=2.75

比压力：

y=25.5MPa

垫片接触宽度：

N=20mm

垫片基本密封宽度：

b0=

=

=10mm>6.4mm

垫片有效密封宽度：

b=2.53

=2.53

=8mm

垫片压紧力作用中心圆计算直径：

DG=700-2b=700-2×8=684mm

预紧时需要的压紧力：

Fa=πDGby=3.14×684×8×25.5=438143N

操作状态下，需要的最小垫片压紧力：

Fp=πDGbmPc=2×3.14×684×8×2.75×0.3=28350N

八、设计结果一览表

污垢热阻/（㎡•k/W）

0.000334

0.000176

热流量/W

535111

传热温差/K

58.14

传热系数/[W/（㎡•K）]

540

裕度/%

13.0%

其他工艺参数：

壳体长度  3000mm 

壳体厚度   5mm

封头类型   标准椭圆封头

 封头材料   碳素钢Q245

封头厚度       5mm 

封头短半径     175mm 

法兰类型       松式法兰 

法兰材料       Q235 

法兰紧压面     凹凸面 

垫片类型       耐油垫 

垫片紧压面形状       1a 

垫片材料      橡胶石棉板 

垫片系数      2.75 

比压力        25.5Mpa 

垫片接触宽度        20mm 

垫片基本密封宽度    10mm 

垫片有效密封宽度    8mm 

中心圆计算直径      684mm 

预紧时需要的压紧力  438143N

九、对设计的评述

在我们组接到任务后，我们采用小组成员每人负责一部分，最后进行汇总讨论的方式开展工作。

由于一个成品的诞生需要很多的数据作参考，我们最先进行的是对数据的计算，这让我们不得不重新翻阅了许多公式，这一过程是对所学知识的复习，也提高了我们将理论运用于实际的能力。

在查阅资料运用公式、考虑实际问题的影响、迅速准确的进行工程计算等方面的能力也得到了提高。