化工原理课程设计用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计.docx
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化工原理课程设计用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计
化工原理课程设计
题目：
用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计
系别：
班级：
学号：
姓名:
指导教师：
日期：
2015年6月26日
任务书
一、设计题目：
用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计
二、设计任务：
1、处理能力：
45t/年煤油
2、设备型号：
列管式换热器
3、操作条件：
煤油:
入口温度140℃，出口温度40℃
冷却介质：
循环水，入口温度20℃，出口温度30℃
允许压降：
不大于105Pa
每年按330天计
建厂地址：
新乡
三、设计要求
1、选择适宜的列管式换热器并进行核算
2、要进行工艺计算
3、要进行主体设备的设计（主要设备尺寸、横算结果等）
4、编写设计任务书
5、进行设备结构图的绘制（设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏。
）
目录
一、设计方案4
1.1换热器的选择4
1.2流动空间及流速的确定4
二、物性数据5
三、计算总传热系数：
5
3.3、估算传热面积5
3.3.1热流量5
3.3.2平均传热温差5
3.3.3传热面积5
3.3.4冷却水用量5
3.4、工艺结构尺寸6
3.4.1管径和管内流速6
3.4.2管程数和传热管数6
3.4.3平均传热温差校正及壳程数6
3.4.4传热管排列和分程方法7
3.4.5壳体内径7
3.4.6折流板7
3.4.7接管7
3.5换热器核算8
3.5.1热流量核算8
3.5.2换热器内流体的流动阻力10
四、设计结果设计一览表12
五、设计自我评价12
六、参考文献13
七、主要符号说明13
八、主体设备条件图及生产工艺流程图（附图）
13
一、设计方案
1.1换热器类型的选择
列管式换热器有以下几种：
1、固定管板式
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。
特点：
结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。
2、U形管式
U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。
特点：
结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。
管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。
3、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。
特点：
结构复杂、造价高，便于清洗和检修，消除温差应力，应用普遍。
在本次设计任务中，两流体温度变化情况：
热流体进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体（循环水）进口温度25℃，出口温度40℃。
该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，最大使用温差小于120℃，,选用固定管板式换热器，又因为管壳两流体温差大于60℃，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。
1.2流动空间及流速的确定
在固定管板式式换热器中，对于流体流径的选择一般可以考虑以下几点：
（1） 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。
（2） 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。
（3） 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。
（4） 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。
（5） 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。
（6） 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。
（7） 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re（Re>100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。
由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。
选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=1.5m/ｓ。
二、确定物性数据
两流体在定性温度下的物性数据如下表
物性
流体
定性温度
℃
密度
kg/m3
粘度
mPa·s
比热容
kJ/（kg·℃）
导热系数
W/（m·℃）
煤油
90
825
0.715
2.22
0.14
冷却水
35
994
0.728
4.174
0.626
三、换热器设计计算
（一）计算热流量
mh=
（kg/h）
Qh=mhcphΔth=27777.78×2.22×（140-40）=6.17×106kJ/h=1712.9kW
（二）平均传热温差
（℃）
（三）传热面积
假设壳程传热系数：
α0=400W（m2•℃），管壁导热系数λ=45W（m2•℃）
则K=298.7W/（m2·℃）,则估算面积为：
S’=Qh/（K×Δtm）=1.7139×106/（298.7×39）=147.04（m2）
考虑15%的面积裕度则：
S=1.15×147.04=169.1（m2）
（四）冷却水用量
（kg/h）
3.4、工艺结构尺寸
3.4.1管径和管内流速
选用ф25×2.5mm碳钢管，取管内流速ui=1.5m/s
3.4.2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
=88.07≈89（根）
按单程管计算，所需的传热管长度为：
=24（m）
按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，根据本设计实际情况，采用标准设计，现取传热管长为l=6m，则该换热器的管程数为：
NP=L/l=24/6=4
传热管总根数：
NT=89×4=356（根）
3.4.3平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数：
R=（140-40）/（30-20）=10;
P=（30-20）/（140-20）=0.083
按单壳程，4管程结构，温差校正系数应查有关图表可得φΔt=0.9
平均传热温差
Δtm=φΔtΔtm=0.9×39=35.1（℃）
由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取単壳程合适。
3.4.4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=1.25dh，则
t=1.25×25=31.25≈32（mm）
横过管束中心线的管数
3.4.5壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为
D=
=757.7（mm）
按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=800mm。
3.4.6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＝0.25×800=200（mm）
折流板间距B=0.3D,则
B=0.3×800=240mm取250mm。
折流板数NB=
-1=
-1=23（块）
3.4.7接管
壳程流体进出口接管：
取接管内煤油流速为u＝1.0m/s，则接管内径为：
D1=
（m），取管内径为110mm。
管程流体进出口接管：
取接管内循环水流速u＝1.5m/s，则接管内径为
mm
圆整可取
=200mm。
3.5换热器核算
3.5.1热流量核算
3.5.1.1壳程表面传热系数
可采用克恩公式：
当量直径，由正三角排列得：
de=
（m）
壳程流通截面积：
=0.044（m2）
壳程流体流速及其雷诺数分别为：
u0=
（m/s）
Re0=
=4905
普朗特准数
Pr=
；
粘度校正
ɑh=
=606.46W/（m2·K）
3.5.1.2管内表面传热系数
ɑc
管程流体流通截面积：
Sc=0.785×0.022×356/4=0.028（m2）
管程流体流速及其雷诺数分别为：
Uc=
=1.484（m/s）
Rec=
=36919.4
普朗特准数
Pr=
ɑc=0.023×
=6027.7W/（m2·℃）
3.5.1.3污垢热阻和管壁热阻
查有关文献知可取：
管外侧污垢热阻Rh=0.000172m2·K/W
管内侧污垢热阻Rc=0.000344m2·K/W
管壁热阻查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为λ=45W/（m·℃）。
3.5.1.4计算传热系数
K=
=396.8W/（m·℃）
计算传热面积S:
S=
=
=122.985（m2）
该换热器的实际传热面积：
Sр=
=3.14×0.025×（6-0.06）×（356-23）=155.27（m2）
3.5.1.5换热器的面积裕度
H=
×100%=
×100%=19.23%
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
3.5.2换热器内流体的流动阻力
3.5.2.1管程流体阻力
计算公式如下：
ΣPi=（△P1+△P2）NSNpFt;
NS=1,Np=4，FS=1.4;
△P1=
△P2=
由Re=41103.6，传热管相对粗糙度0.01/20=0.05，查莫狄图得
=0.034（W/（m2·℃），流速u=1.499m/s，ρ=995.7kg/m3，所以
△P1=
=9508.7（Pa）；
△P2=
=3356（Pa）
ΣPt=（11410.43+3356）×1.4×1×4=72042.3（Pa）<100KPa
管程流体阻力在允许范围之内。
3.5.2.2壳程阻力
ΣP0=（△P1+△P2）FSNS
FS=NS=1
△P1=f0Fnc（NB+1）
;
F=0.5
f0=5×4905=0.720
nC=23
NB=23,uh=0.21m/s
△P1=0.5×0.720×23×（23+1）×825×0.212/2≈17472.6（Pa）
流体流过折流板缺口的阻力
△P2=NB（3.5-2B/D）
B=0.25m;D=0.8m；
故△P2=23×（3.5-2×0.25/0.8）×825×0.22/2≈6000（Pa），
则总阻力：
△P0=3625+1202=23473（Pa）<100KPa
故壳程流体的阻力也适宜。
四、设计结果设计一览表
换热器主要结构尺寸及计算结构
换热器型式：
带膨胀节的固定管板式换热器
管口表
换热面积：
155.27m2
符号
尺寸
用途
连接形式
工艺参数
a
Φ200×6
冷却循环水入口
平面
名称
管程
壳程
b
Φ200×6
冷却循环水出口
平面
物料
循环水
煤油
c
Φ100×4
煤油入口
平面
操作压力，MPa
0.4
0.3
d
Φ100×4
煤油出口
平面
操作温度，℃
20/30
140/40
e
Φ57×3.5
排气口
平面
流量，kg/h
148701..9
6.17×106
流体密度，kg/m3
995.7
825
附图
流速，m/s
0.993
0.0784
热负荷，kW
1712.9
总传热系数，W/（m2·℃）
263.9
对流传热系数
4734
350.4
污垢热阻，m2·℃/W
0.000344
0.000172
压降，MPa
0.072
0.023
程数
4
1
推荐使用材料
低碳钢
低碳钢
五、设计的评价
化工原理课程设计已经结束，首先感谢单老师耐心细致的教导和同学们的热心帮助。
通过这次设计课程，使我对上学期的理论知识进一步加深了，并且初步认识到将理论知识运用于实际生产实际的重要性，真正做一个合格的设计并不是那么简单的，需要的是耐心和细心。
在设计过程中，总会遇到这样或是那样的问题，比如由于马虎算错了结果，那么这将会影响下一步计算过程，并且计算过程中忽略一个条件，都会造成设计不当，那么必须重新设计，不断的改进，不断的吸取教训，才能不断的进步，得到最终的设计结果。
在学习理论知识的过程中，对精馏塔只有一个模糊的认识，而通过这次实际的计算设计，使我对精馏塔有了全新的认识。
但我知道的，这次课程设计只是理论转化实践的一小步，以后会有更大的挑战在等待着我，我有信心把它做好。
六、参考文献
[1]贾绍文，柴诚敬.化工原理课程设计.天津:
天津大学出版社,2002.8.
[2]柴诚敬、张国亮主编．《化工流体流动与传热》．北京：
化学工业出版社，2008
[3]中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布，1989
[4]李国庭等编著．《化工设计概论》．北京：
化学工业出版社，2008
[5]周大军.《化工工艺制图》[M].北京：
化学工业出版社，2003.
七、主要符号说明
P——压力，Pa;Q——传热速率，W；
R——热阻，㎡·℃/W；Re——雷诺准数；
S——传热面积，㎡；t——冷流体温度，℃；
T——热流体温度，℃；u——流速，m/s;
m——质量流速，㎏/h;
——对流传热系数W/（㎡·℃）;
——导热系数，W/（m·℃）
——校正系数;
——粘度，Pa·s;
——密度，㎏/m3;
——实际传热面积，
Pr——普郎特系数
n——板数，块K——总传热系数，
V——体积流量N——管数
D——壳体内径d——管径
八、主体设备条件图及生产工艺流程图（附图）
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