列管式换热器的设计化工原理课程设计说明书.doc

1、目录一、设计任务书1二、设计方案简介21、选择换热器类型.22、流径的选择.33、流程安排.44、流速的选择.45、材质的选择.46、管程结构.47、壳程结构与相关公式.5三、工艺计算及主要设备计算61、确定物性参数.62、估算传热面积.73、工艺结构尺寸84、换热器核算.11四、设计结果汇总.16五、参考资料.17六、后记.18七、设计说明书评定.19八、答辩过程评定.19一、 设计任务书设计题目：列管式换热器的设计设计条件：某生产过程的流程如图所示，反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水将其从 进一步冷却至 之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为227301h-

2、1，压力为6.9MPa，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水的入口温度为，出口温度为 ，要求设计一台列管式换热器，完成该生产任务。已知该混和气体在80100下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）： 密度 定压比热容 =3.297 kJ/(kg) 热导率 =0.0279 W/(m)粘度 生产过程流程图二、 设计方案简介1、 选择换热器类型根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。1） 固定管板式换热器这类换热器如图1-1所示。固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧

3、凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。2）.U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管

4、板式高10%左右。3）. 浮头式换热器浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。4）.填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头

5、式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。两流体温度变化情况：热流体混合气体入口温度120，出口温度70；冷流体入口温度25，出口温度39。，t冷=（29+39）/2=32，t热=（120+70）/2=95，t热- t冷=95-32=63，温差较大，但是混合气体压力为6.9Mpa，冷却水压力为0.4 Mpa，压力偏高，浮头式换热器能在较高的压力下工作，适用于壳体壁温与管壁温差较大或壳程流体易结垢的场合。故可以选用浮头式换热器，采用逆流。2、

6、流径的选择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。参考标准：1、 不洁净和易结垢的流体宜走便于清洗管子，浮头式换热器壳程便于清洗。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，其中冷却介质循环水操作压力高，宜走管程。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、 被冷却的流体宜走壳程，便于散热

7、，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，宜走壳程，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(Re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。8、 若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。综合考虑以上标准，确定混合气体应走壳程，水走管程。3.流程安排从物流操作压力上来看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使传热器的

8、传热能力下降，从总体上来看，应使循环水走管程，混合气体走壳程。4、流速的选择 表2-2 换热器常用流速的范围 介质流速 循环水 新鲜水 一般液体 易结垢液体 低粘度油 高粘度油 气体 管程流速，m/s1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530壳程流速，m/s0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.8215由于增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。故拟取循环水流速为1.5m/s。5、材质的选择列

9、管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根据实际需要，可以选择使用碳钢材料。6、管程结构换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如下图所示。 (a) 正方形直列（b）正方形错列 (c) 三角形直列 （d）三角形错列 （e）同心圆排列 正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗。对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列，而在各

10、程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。7、壳程结构与相关计算公式介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。 壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程内对各种元件的设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类：一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板，如折流板、纵向挡板。旁路挡板等；另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及

11、缓冲板等。 壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进人和排出之用。直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，大于400mrn的可用钢板卷焊而成。壳体材料根据工作温度选择，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。 介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。用两个换热器串联也可得到同样的效果。为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。 壳体内径D取决于传热管数N、排列方式和管心距t。计算式如下： 单管程 D=t(nc-1)+(23)d0式中 t管心距，mm； d0换热管外径，mm； nc横过管束中心线的管数，该值与管子

12、排列方式有关。 正三角形排列： 正方形排列： 多管程 式中 N排列管子数目； 管板利用率。 正角形排列：2管程 =0.70.85 4管程 =0.60.8 正方形排列：2管程 =0.550.7 4管程 =0.450.65壳体内径D的计算值最终应圆整到标准值。 在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。 折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。 圆缺形折流板又称弓形折流板，是常用的折流板，有水平圆缺和垂直圆缺两种。切缺率(切掉圆弧的高度与壳内径之比)通常为2050。垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有悬

13、浮固体粒子流体用的水平热交换器等。垂直圆缺时，不凝气不能在折流板顶部积存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部积存。弓形折流板有单弓形和双弓形，双弓形折流板多用于大直径的换热器中。 折流板的间隔，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50 mm，最大值决定于支持管所必要的最大间隔。 壳程流体进出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。当加热蒸汽或高速流体流入壳程时，对换热管会造成很大的冲刷，所以常将壳程接管在入口处加以扩大，即将接管做成喇叭形，以起缓冲的作用；或者在换热器进口处设置挡板。三、 工艺计算及主要设备计算1、确定物性数据定性温度

14、：可取流体进口温度的平均值。壳程混合气体的定性温度：t热=（120+70）/2=95管程流体的定性温度： t冷=（25+39）/2=32根据定性温度，查化工原理书附录1，利用内插法计算壳程和管程流体的有关物性数据。混合气体在85的有关物性数据如下：密度 1=90kg/m3定压比热容 Cp1=3.297kJ/(kg)热导率 1=0.0297W/(m)粘度 1=1.510-5Pas冷却水在32的有关物性数据如下：密度 i=995.05kg/m3定压比热容 Cpi=4.174kJ/(kgK)热导率 i=0.6215W/(mK)粘度 i=0.775710-3Pas2、 估算传热面积2.1 热流量Q1=

15、m1Cp1t1=2273013.297（120-70）=3.747107kJ/h=10409kW2.2 平均传热【2】 t1=70-25=45，t2=120-39=81所以，tm=(81-45)/ln(81/45)=61.252.3 冷却水用量流量wi=Q1/ Cpi/ti=3.747107/4.174/(39-25)=641214 kg/h2.4 总传热系数 利用化工原理附表3，根据两种流体的性质，可查出换热器总传热系数，取其值为350。2.5 计算传热面积3 、工艺结构尺寸3.1 管径和管内流速4选用252.5传热管（碳钢），取管内流速3.2 管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传

16、热管数5按单程管计算，所需的传热管长度按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=4.5m，则该换热器管程数为（管程）传热管总根数 根3.3 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数6按单壳程，四管程结构，温差校正系数为 平均传热温差3.4 传热管排列和分程方法7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，则横过管束中心线的管数根3.5 壳体内径8采用多管程结构，取管板利用率，则参考化工单元过程及设备课程设计2,壳体内径根据国家标准，圆整可取。其他附件：拉杆数量与直径可由国标查取（见下图），本换热器传热管外径25mm，其拉杆直径为16mm，共

17、10根拉杆。壳程入口处，应设置防冲挡板。（如下图）拉杆直径/mm换热管外径1014192532384557拉杆直径1012121616161616拉杆数量公称直径DN/mm拉杆直径/mm4004007007009009001300130015001500180018002000104610121618241244810121418164466810123.6 折流板9采用弓形折流板（水平圆缺），取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的，则切去的圆缺高度为。取折流板间距，则根据国家标准取板间距为480mm。折流板数 块，折流板圆缺水平装配。3.7 接管10壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为，则接管内

18、径为取标准管径为。管程流体进出口接管：取接管内液体流速为，则接管内径为取标准管径为。4 换热器核算4.1 热量核算111)壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采取克恩公式当量直径，由正三角形排列得12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13管程流通截面积管程流体流速及其雷诺数分别为普兰特准数3)传热系数根据化工原理附录，可取管外侧污垢热阻Rsi=0.0004m2/W管内侧污垢热阻Rso=0.0006m2/W依表，碳钢在该条件下的热导率为50W/(mK),所以管壁热阻：4)传热面积S【14】该换热器的实际传热面积该换热器的面积欲度H=（Sp-S）/S

19、=(536.94-459.42)/459.42=16.87%传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。4.2、换热器内流体的流动阻力【16】（1）管程阻力，由，查化工原理书表1-2得传热管相对粗糙度为，再查图1-16得，流速，所以， 管程流动阻力在允许范围之内。（2）壳程阻力，流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力，总阻力由于该换热器壳程流体压力为6.9MPa，压力较高，壳程阻力也相对较高。4.3、壁温计算 因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按下式计算：【16】由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为10，出口温度为39计

20、算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是上式简化为：式中液体的平均温度tm和气体的平均温度按下式计算：传热管平均壁温壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=95壳体壁温和传热管壁温之差为该温度较大，故需设温度补偿装置。由于换热器壳程流体压力较高，因此，需选用浮头式换热器较为适宜。四、 设计结果汇总1.换热器主要结构尺寸和计算结果汇总表参 数管 程壳 程流量（h-1）641214227301进/出口温

21、度（）25/39120/70压力（MPa）0.46.9物性定性温度（）3295密度（kgm-3）995.0590定压比热容kJ/(kg)4.1743.297粘度（PaS）0.775710-31.510-5热导率w/(m)0.62151.0279普朗特数5.211.77设备结构参数形 式浮头式壳程数1壳体内径（mm）1600台 数1管径（mm）252.5管心距（mm）32管长（mm）4500管子排列方式管 数1520折流板数8传热面积（m2）715.9折流板间距（mm）480管程数4材 质碳钢主 要 计 算 结 果管 程壳 程流速（m/s）1.54.2表面传热系数W/(m2 K)6443.028

22、31.52污垢热阻(m2 K /W)0.00060.0004阻力（MPa）0.0790.057热流量(kW)10409传热温差(K)59.11传热系数W/(m2 K)383.3裕 度16.87%2.设备工艺条件图见附图五、 参考资料【1】林华盛主编，化工原理实验北京，化学工业出版社，2011.10，P148.【2】潘学行主编，传热、蒸发与冷冻操作实训，北京，化学工业出版社，2006.05，P35【3】马江权等主编，化工原理壳程设计，北京：中国石化出版社，2009，P64【4】潘学行主编，传热、蒸发与冷冻操作实训，北京，化学工业出版社，2006.05，P66【5】夏清等主编，化工原理（上册），天

23、津：天津大学出版社，2005，P280（表4-13至表4-15）【6】潘学行主编，传热、蒸发与冷冻操作实训，北京，化学工业出版社，2006.05，P36【7】夏清等主编，化工原理（上册），天津：天津大学出版社，2005，P281【8】夏清等主编，化工原理（上册），天津：天津大学出版社，2005，P282【9】陈敏恒等主编，化工原理，上海：华东理工大学出版社，2008.8，P95，96【10】夏清等主编，化工原理（上册），天津：天津大学出版社，2005，P282【11】夏清等主编，化工原理（上册），天津：天津大学出版社，2005，P253（4-77a）（4-78）（4-80）【12】潘学行主编，

24、传热、蒸发与冷冻操作实训，北京，化学工业出版社，2006.05，P25【13】夏清等主编，化工原理（上册），天津：天津大学出版社，2005，P248（4-70）【14】潘学行主编，传热、蒸发与冷冻操作实训，北京，化学工业出版社，2006.05，P46【15】潘学行主编，传热、蒸发与冷冻操作实训，北京，化学工业出版社，2006.05，P67【16】夏清等主编，化工原理（上册），天津：天津大学出版社，2005，P262（4-97）六、后记（包括专业知识在课程设计过程中的应用、对课程设计的体会和最终的的结论以及不足与努力方向）这次专业性较强的课程设计，让我认识到：课堂上理论知识掌握的再好，没有落实到

25、实处，是远远不够的。换热器的设计，从课本上简单的理论计算，到根据需求满足一定条件的切实地进行设计，不再仅仅包括呆板单调的计算，还要根据具体要求选择、区分和确定所设计的换热器的每一个细节，我觉得这是最大的一个挑战。本次设计中，我担任的主要任务是计算。但正因为计算参与了，所以知道我们要用到什么公式和图表，于是也担任了排版这一工作。刚开始兴致很高的用笔记本一步一步算着写着，因为过程中有几个参数是要自己根据题目要求来取的，第一次计算的时候也没有考虑到管内流速这个值有一定的取值范围。在没有经过仔细的验证就随便取了个值，导致在最后的时候发现计算出来的换热器内流体的流动阻力太大，超过了可行值。那一刻真是欲哭

26、无泪啊！中间那一堆复杂的计算要因前面取值不和导致最后不合格而重来。看着室友都在奋战且完成了全部的计算过程，我的战斗力又被激发起来，有了之前的努力，在来一次就轻车熟路了！算完之后看着眼花的公式和文字总算是松了口气！在计算一开始k值取值对后面的传热面积影响很大，直接影响最后的面积裕度，而面积裕度直接影响到生产成本，从而影响到此次设计的成败与否，一开始用两个差不多的K值参与计算，得到的结果都差不多，当面积裕度都没达到要求，于是我采用了另外一种计算面积裕度的方法。抱着忐忑的心情参加了答辩，但是老师还是很快的就发现了我这一错误。并且指出了其他小漏洞。就在不知道该怎么是好的时候程老师提醒我们设计书中的提前考虑面积裕度没有必要，让我们省略该步骤，适当改变K值以及其他参数再做计算。后来经过多次计算后，终于设计出来各项符合标准的参数值。虽然是任务分工，但组员还是要熟悉全部的设计内容，从计算，核算，说明书，画图，到最后汇总。这样才能达到每个人都得到全面系统的锻炼，对于化工原理也有有一次的深刻的认知。每个人都发挥所长，共同努力完成了本次化工原理课程设计。在这个过程中我们学会独立动手，独立思考，团结合作，互相信任。感谢老师和组员们，两个礼拜让我们得到了锻炼，也过的很充实，快乐。七、设计说明书评定指导教师签字：年 月 日七、 答辩过程评定指导教师签字：年 月 日20