化工原理课程设计列管式换热器设计.docx
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化工原理课程设计列管式换热器设计
生命科学学院
化工原理课程设计
（2010级）
题目甲醇冷凝冷却器的设计
专业生物工程
班级2010级生物工程（3）班
学号1031250086
学生姓名洪定超
指导教师胡华南
完成日期2012年5月20日
目录
一、设计任务书······························································3
2、方案简介································································4
3、方案设计································································7
1、确定设计方案·····························································7
2、确定物性数据·····························································7
3、计算总传热系数···························································7
4、计算传热面积·····························································8
5、工艺结构尺寸·····························································8
6、换热器核算·······························································10
4、设计结果一览表··························································13
五、对设计的评述····························································14
六、参考文献································································15
七、主要符号说明····························································16
八、附图····································································17
1.摩擦系数与雷诺数及相对粗糙的关系图·····································17
2.换热管排列方式··························································17
3.折流挡板形式····························································18
4.温度校正系数图·························································19
1、设计任务书
1、设计题目
甲醇冷凝冷却器的设计
2、设计任务及操作条件
（1）处理能力12000kg/h甲醇。
（2）设备形式列管式换热器
（3）操作条件
①甲醇：
入口温度64℃，出口温度50℃，压力为常压。
②冷却介质：
循环水，入口温度30℃。
出口温度40℃，压力为0.3MPa。
③允许压降：
不大于
Pa。
④每年按330天计，每天24小时连续运作。
3、设计要求
选择适宜的列管式换热器并进行核算。
二、方案简介
本设计任务是利用冷流体（水）给甲醇降温。
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。
下图（图1）是工业生产中用到的列管式换热器.
选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,复合实际需要等原则。
换热器分为几大类：
夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器等。
不同的换热器适用于不同的场合。
而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。
所以首选列管式换热器作为设计基础。
类型
特点
间
壁
式
管
壳
式
列
管
式
固定管式
刚性结构
用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管间不能清洗
带膨胀节
有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力
浮头式
管内外均能承受高压，可用于高温高压场合
U型管式
管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难
填料函式
外填料函
管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质
内填料函
密封性能差，只能用于压差较小的场合
釜式
壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮
双套管式
结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中
套管式
能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器
螺旋管式
沉浸式
用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热
喷淋式
只用于管内流体的冷却或冷凝
板面式
板式
拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热
螺旋板式
可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收低温热能
伞板式
结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净
板壳式
板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高
混合式
适用于允许换热流体之间直接接触
蓄热式
换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合
表2-1.
表2-2.列管式换热器内的适宜流速范围
流体种类
流速/（m/s）
管程
壳程
一般液体
0.5~3
0.5~1.5
易结垢液体
>1
>0.5
气体
5~30
3~15
表2-3.不同粘度液体的流速（以普通钢壁为例）
液体粘度/mPa．s
＞1500
1500～500
500～100
100～35
35～1
＜1
最大流速/（m/s）
0.6
0.75
1.1
1.5
1.8
2.4
管程
壳程
总传热系数/[W/（m3·℃）
水（流速为0.9～1.5m/s）
水
冷水
冷水
冷水
盐水
有机溶剂
轻有机物μ＜0.5mPa·s
中有机物μ=0.5～1mPa·s
重有机物μ＞1mPa·s
水（流速为1m/s）
水
水溶液μ＜2mPa·s
水溶液μ＞2mPa·s
有机物μ＜0.5mPa·s
有机物μ=0.5～1mPa·s
有机物μ＞1mPa·s
水
水
水
水
水
水
水
水
水（流速为0.9～1.5m/s）
水（流速较高时）
轻有机物μ＜0.5mPa·s
中有机物μ=0.5～1mPa·s
重有机物μ＞1mPa·s
轻有机物μ＜0.5mPa·s
有机溶剂μ=0.3～0.55mPa·s
轻有机物μ＜0.5mPa·s
中有机物μ=0.5～1mPa·s
重有机物μ＞1mPa·s
水蒸气（有压力）冷凝
水蒸气（常压或负压）冷凝
水蒸气冷凝
水蒸气冷凝
水蒸气冷凝
水蒸气冷凝
水蒸气冷凝
有机物蒸气及水蒸气冷凝
重有机物蒸气（常压）冷凝
重有机物蒸气（负压）冷凝
饱和有机溶剂蒸气（常压）冷凝
含饱和水蒸气的氯气（＜50℃）
SO2冷凝
NH3冷凝
氟里昂冷凝
582～698
814～1163
467～814
290～698
116～467
233～582
198～233
233～465
116～349
58～233
2326～4652
1745～3489
1163～1071
582～2908
582～1193
291～582
114～349
582～1163
116～349
58～174
582～1163
174～349
814～1163
698～930
756
三、方案设计
1．确定设计方案
（1）选择换热器的类型
两流体温度变化情况：
热流体进口温度64℃，出口温度50℃冷流体。
冷流体进口温度30℃，出口温度40℃。
从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用列管式换热器。
（2）流动空间及流速的确定
由于甲醇的粘度比水的大，因此冷却水走管程，甲醇走壳程。
另外，这样的选择可以使甲醇通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。
同时，在此选择逆流。
选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/ｓ。
2、确定物性数据
定性温度：
可取流体进口温度的平均值。
壳程硝基苯的定性温度为：
管程流体的定性温度为：
根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
甲醇在57℃下的有关物性数据如下：
密度 ρo=791kg/m3
定压比热容 cpo=2.495kJ/（kg·℃）
导热系数 λo=0.212W/（m·℃）
粘度 μo=0.000597Pa·s
冷却水在35℃下的物性数据：
密度 ρi=994kg/m3
定压比热容 cpi=4.08kJ/（kg·℃）
导热系数 λi=0.626W/（m·℃）
粘度 μi=0.000725Pa·s
3．计算总传热系数
（1）热流量
Qo=WocpoΔto=12000×2.495×（64-50）=4.19×10^5kJ/h=116.4kW
（2）平均传热温差
（3）冷却水用量
（4）总传热系数K
管程传热系数
壳程传热系数
假设壳程的传热系数αo=6000W/（m2·℃）；
污垢热阻Rsi=0.000344m2·℃/W,Rso=0.00017197m2·℃/W
管壁的导热系数λ=45W/（m·℃）
4、计算传热面积
考虑15％的面积裕度，S=1.15×S''=1.15×9.8=11.27m2
5、工艺结构尺寸
（1）管径和管内流速及管长
选用ф25mm×2.5mm传热管（碳钢），取管内流速ui=0.5m/s，选用管长为6m
（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
按单程管计算其流速为
（3）平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
按单壳程，单管程结构，温差校正系数应查有关图表。
可得
平均传热温差
（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（mm）
横过管束中心线的管数
（5）壳体内径
采用单管程结构，则壳体内径为
圆整可取D＝250mm
（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35％，则切去的圆缺高度为h＝0.35×250＝70mm，故可取h＝87.5mm。
取折流板间距B＝0.6D，则B＝0.6×250＝150mm，可取B为150。
折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=6000/150-1=39（块）
折流板圆缺面水平装配。
（7）接管
壳程流体进出口接管：
取接管内硝基苯流速为u＝15m/s，则接管内径为
取标准管径为19mm。
管程流体进出口接管：
取接管内冷却水流速u＝1.5m/s，则接管内径为
取内径为49mm无缝钢管。
6．换热器核算
（1）热量核算
①壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式
当量直径，由正三角形排列得
壳程流通截面积
壳程流体流速及其雷诺数分别为
普兰特准数
粘度校正
②管程对流传热系数
管程流通截面积
管程流体流速
普兰特准数
③传热系数K
④传热面积S
该换热器的实际传热面积Sp
该换热器的面积裕度为
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
（2）换热器内流体的压力降
①管程流动阻力
∑ΔPi=（ΔP1+ΔP2）FtNsNp
Ns=1,Np=2,Ft=1.4
由Re＝135647，传热管相对粗糙度0.01/20＝0.0005，查莫狄图得λi＝0.025W/m·℃，
流速ui＝0.914m/s，ρ＝994kg/m3，所以
管程压力降在允许范围之内。
②壳程压力降
流体流经管束的阻力
流体流过折流板缺口的阻力
壳程压力降也在合理压力降范围内。
四、设计结果一览表
表格1
换热器形式：
列管式换热器
换热面积（m2）:
10.0
工艺参数
名称
管程
壳程
物料名称
冷却水
甲醇
操作压力，Pa
0.3Mpa
常压
操作温度，℃
30/40
64/50
流量，kg/h
10269.6
12000
流体密度，kg/m3
994
791
流速，m/s
1.3
0.514
传热量，kW
116.4
总传热系数，W/m2·K
529
传热系数，W/（m2·℃）
464.6
1373.2
污垢系数，m2·K/W
0.000344
0.0001719
阻力降，Pa
24693.8
216533
程数
1
1
推荐使用材料
碳钢
碳钢
管子规格mm
ф25mm×2.5mm
管数20
管长mm:
6000
管间距，mm
32
排列方式
正三角形
折流板型式
上下
间距，mm
250
切口高度25%
壳体内径，mm
400
保温层厚度，mm
未知
五、对设计的评述
初次接触化工原理课程设计，还荒谬地以为是像其他课程一样是实验类的，听课的时候也一头雾水，根本不知道该做什么，该怎么做，无从下手，只是觉得好难。
有一段时间都在观望。
所以自己设计的时候只能是根据老师提供的模板，用新的数据代替旧的数据，其他的公式完全照抄，花了一天时间，终于把计算部分完成了。
裕度15％，在合理范围内，但是，一看压力降，彻底崩溃了，12多千帕，天啊，完全不合理。
再细看模板和自己的设计的时候，发现了很多问题，我的设计根本是行不同，果真用这设计的话，也是谋财害命。
所以我决定重新来过。
这时离交作业还有三天，做出来的裕度居然一直都在50％以上，重新分析计算的过程中也出现了几次错误，由于急于求成，算出来后的结果偏离太多，检查才发现部分数据出现了错误，而且老师给的模板里面也有一些错误，这样照搬下去的一些公式就除了问题了，只好静下来认真地理解和消化原有的一些公式，这样又一次重新算过。
因此，有花了一天的时间在计算上。
那么接下来就是画图了，由于学过机械制图，以为画图比较简单，5个小时左右可以完成，谁知道，画图更难，这主要是因为在设计的时候，没有兼顾考虑到画图，因此设计出来的管数很难安排，冥思苦想了好久，换了好多方案，查了好多资料，换了多种排列方法，还是行不通。
最终，只好把管数安排成易于排列的数目，才解决了这个问题。
其实，在整个过程中，虽然遇到了很多问题，也犯了不少错误，但是自己真的学到了很多东西，比如word文档公式的运用，比如如何使自己的设计更加合理，这就要求自己在设计前要详细的考虑各种可能出现的问题和解决办法，才能达到事半功倍的效果。
我觉得，如何查找数据也很重要，假如自己查不到数据，接下来的工作完全没办法做，假如查的数据是错误的，那设计出来的东西也是错误的，而且很可能导致严重的后果。
六、参考文献
《化工原理》，王志魁编，化学工业出版社，2006.
《化工设备设计》，潘国吕，郭庆丰编著，清华大学出版社，1996.
《化工物性算图手册》，刘光启等编著，化学工业出版社，2002.
《生物工程专业课程设计》，尹亮，黄儒强编.
《石油化工基础数据手册》《化学化工工具书》等.
七、主要符号说明
硝基苯的定性温度
T
冷却水定性温度
t
硝基苯密度
ρo
冷却水密度
ρi
硝基苯定压比热容
cpo
冷却水定压比热容
cpi
硝基苯导热系数
λo
冷却水导热系数
λi
硝基苯粘度
μo
冷却水粘度
μi
热流量
Wo
冷却水流量
热负荷
Qo
平均传热温差
总传热系数
K
管程雷诺数
温差校正系数
管程、壳程传热系数
初算初始传热面积
传热管数
初算实际传热面积
S
管程数
壳体内径
D
横过中心线管数
折流板间距
B
管心距
t
折流板数
NB
接管内径
管程压力降
当量直径
壳程压力降
面积裕度
H
换热器壁面内、外侧的污垢热阻
Rsi、
Rso
管板利用率
η
切去的圆缺高度
h
壳程流通截面积
So
普兰特准数
Pr
换热器实际传热面积
Sp
表格2
八、附图
1、摩擦系数与雷诺数及相对粗糙的关系图：
2.换热管排列方式：
3.折流挡板形式：
4.温度校正系数图：
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