化工原理课程设计列管式换热器设计.docx

1、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32、方案简介43、方案设计71、确定设计方案72、确定物性数据73、计算总传热系数74、计算传热面积85、工艺结构尺寸86、换热器核算104、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171. 摩擦系数与雷诺数及相对粗糙的关系图172.换热管排列方式173.折流挡板形式184.

2、 温度校正系数图191、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 甲醇：入口温度64，出口温度50，压力为常压。 冷却介质：循环水，入口温度30。出口温度40，压力为0.3MPa。 允许压降：不大于Pa。 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

3、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

4、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

5、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0.530.51.5易结垢液体10.5气体530315表2-3.不同粘度液体的流速（以普通钢壁为例）液体粘度/mPas15001500500500100100353511最大流速/（m/s）0.60.751.11.51.82.4管程壳程总传热系数/W/（m3）水（流速为0.91.5m/s）水冷水冷水冷水盐水有机溶剂轻有机物0.5mPas中有机物=0.51mPas重有机物1mPas水（流速为1m/s）水水溶液2mPas水溶液2mPas有机物

6、0.5mPas有机物=0.51mPas有机物1mPas水水水水水水水水水（流速为0.91.5m/s）水（流速较高时）轻有机物0.5mPas中有机物=0.51mPas重有机物1mPas轻有机物0.5mPas有机溶剂=0.30.55mPas轻有机物0.5mPas中有机物=0.51mPas重有机物1mPas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5826988141163467814290698

7、116467233582198233233465116349582332326465217453489116310715822908582119329158211434958211631163495817458211631743498141163698930756三、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

8、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252.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/。 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 o=791 kg/m3定压比热容 cpo=2.495kJ/(kg)导热系数 o=0.212W/(m)粘度 o=0.000597 Pas冷却水在35下的物性数据： 密度 i=994kg/m3定压比热容 cpi=4.08 kJ/(kg)导热系数 i=0.626 W/(m)粘度 i=0

9、.000725 Pas 3计算总传热系数 （1）热流量 Qo=Wocpoto=120002.495(64-50)=4.19105kJ/h=116.4 kW（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o=6000 W/(m2)； 污垢热阻Rsi=0.000344 m2/W , Rso=0.00017197 m2/W管壁的导热系数=45 W/(m)4、计算传热面积 考虑 15的面积裕度，S=1.15S=1.159.8=11.27m25、工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速及管长 选用25mm2.5mm传热管(碳钢)，取管内流速ui=0.5m

10、/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=1.25 d0，则 t=1.2525=31.2532(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D250mm （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h0.3525070mm，故可取h87.

11、5 mm。 取折流板间距B0.6D，则B0.6250150mm，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 u15m/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 u1.5 m/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 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 粘度校正管程对流传热系数 管程流通截面积管程流体流

12、速 普兰特准数传热系数K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 管程流动阻力 Pi=(P1+P2)FtNsNpNs=1, Np=2, Ft=1.4由Re135647，传热管相对粗糙度0.01/200.0005，查莫狄图得i0.0 25W/m， 流速ui0.914m/s，994 kg/m3，所以 管程压力降在允许范围之内。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

13、物料名称冷却水甲醇操作压力，Pa0.3Mpa常压操作温度，30/4064/50流量，kg/h10269.612000流体密度，kg/m3994791流速，m/s1.30.514传热量，kW116.4总传热系数，W/m2K529传热系数，W/（m2）464.61373.2污垢系数，m2K/W0.0003440.0001719阻力降，Pa24693.8216533程数11推荐使用材料碳钢碳钢管子规格mm25mm2.5mm管数20管长mm:6000管间距，mm32排列方式正三角形折流板型式上下间距，mm250切口高度25%壳体内径，mm400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

14、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，

15、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

16、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o

17、冷却水密度i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o冷却水导热系数i硝基苯粘度o冷却水粘度i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：