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。

3 U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.流径的选择进料下一工序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T 1=140℃,出口温度为T 2=40℃ 冷却介质为自来水，入口温度为t 1=30℃，出口温度为t 2=38℃ 油的定性温度：C T o m 902/)40140(=+= 水的定性温度：C t o m 342/)3830(=+=两流体的温差：C T omm 563490t =-=- （ >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s m u i /30.1=。

1 4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 /(㎏/m 3) 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34994.30.7424.1740．624三、估算传热面积（1） 计算热负荷（热流量或传热速率）23 技术特性表接管表序号接管名称公称规格连接方式1混合气入口φ108×20凹凸法兰2混合气出口φ108×20凹凸法兰3冷却水入口φ108×20平焊法兰4冷却水出口φ108×20平焊法兰按管间煤油计算，即kW h KJ T T C m Q p 7.616/1022.2)40140(22.2100.1)(642111=⨯=-⨯⨯⨯=-=（2） 计算冷却水用量忽略热损失，则水的用量为s kg h kg t t C Q m p /47.18/99.66482)3038(174.41022.2)(61222==-⨯⨯=-=(3) 计算逆流平均温度差C t T t T t T t T t t t t t o m 6.39304038140ln )3040()38140(ln )()(ln 122112211212'=-----=-----=∆∆∆-∆=∆ (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116－337 W/(㎡·℃)，现假定K=290 W/(㎡·℃) (5)估算传热面积2,'7.536.39290616700m t K Q A m =⨯=∆=逆 考虑到15%的面积裕度，2m 76.617.5315.1`15.1＝＝＝⨯A A四、工艺结构尺寸（1） 管径和管内流速管径：φ25mm ×2.5mm ,管内流速u i =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根）(465.453.102.0785.0)3.9943600/(99.664824n 22≈=⨯⨯⨯==ii s u d Vπ按照单程计算所需换热管的长度L m n d A L s o 1.1746025.014.376.61≈⨯⨯==π 按照单程管设计，传热管过长，根据本题实际情况取m l 5.4=，则该换热器的管程数为：48.35.41.17≈===l L NP传热管总根数：根）(184446=⨯=T N（3） 平均传热温差校正及壳程数：首先计算R 和P 的参考值0727.03014030381112=--=--=t T t t P 5.123038401401221=--=--=t t T T R 由于查取ψ值比较困难，作如下变换：08.0＝1/R R`= 9.0PR P`==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t a=2×S=44㎜。

管中心距t 与分程隔板槽 两侧相邻管排中心距t a 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：mm 75.5447.0/1843205.1N/y 1.05t D =⨯⨯==圆整值 600mm D =。

（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（块）＝－＝－折流板间距传热管长24118045001=N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：mVd 0926.05.014.38253600100004πu4=⨯⨯⨯⨯==取标准管径φ108mm ×20mm② 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：mVd 0973.05.214.33.994360099.664824πu4=⨯⨯⨯⨯==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14.003/155.000)(Pr Re 36.0wed μμλα= 当量直径由正三角形排列得m d t d e 020.00.0253.14)025.04π032.023(4d π)4 π23(4220202=⨯-⨯=-⨯=壳程流通截面积20236.0)032.0025.01(6.018.0)1(m t d BD S o o =-⨯=-= 壳程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为 s m u o /1427.00236.0)8253600/(10000=⨯=32931015.78251427.0.002.0Re 4=⨯⨯⨯=-o34.1114.01015.71022.2Pr 430-⨯⨯⨯=)/(74.46295.034.11329302.014.036.023/155.0K m w o ⋅=⨯⨯⨯⨯=α ② 管程给热系数 管程流通截面积220298.0218402.0785.0m S i =⨯⨯= 管程流流速、雷诺数及普朗特数分别为s m u i /64.00289.03.994/47.18==3.17152000742.03.99464.002.0Re =⨯⨯=i 963.4624.010742.0174.4Pr 3=⨯⨯=)./(8.3323963.43.1715202.0624.0023.024.08.0k m W i ⋅=⨯⨯⨯=α ③污垢热阻与管壁热阻管外侧污垢热阻：查污垢经验数据取R so =0.000174m 2·℃/W 管内侧污垢热阻：查污垢经验数据取R si =0.000516m 2·℃/W 管壁的热导率：碳钢的热导率λ=45W/(m ·℃)④ 总传热系数0001K 1αλα++++=so m i si i i R d bd d d R d d =74.4621000174.00225.045025.00025.0020.0025.0000516.0020.08.3323025.0++⨯⨯+⨯+⨯ /W℃0.003418m =0.002160+0.000174+0.0000617+0.000645+0.0003761=2⋅)℃292.6W/(m =K 2⋅⑤传热面积 理论传热面积A=238.6067.346.292107.616t K Q m m =⨯⨯=∆该换热器的实际换热面积2T 0p 65.0m =18.44.5×0.025×3.14=N πd =A ⨯l面积裕度为H=0000009.61008.608.600.65100A =⨯-=⨯-AA p 换热面积裕度合适，在15％范围内，能够满足设计要求。