化工原理换热器课程设计

目录

1.1概述………………………………………………………………3 1.2.换热器设计任务书………………………………………………3错误！未定义书签。

1.3换热器的结构类型………………………………………………4 1.4换热器材质的选择………………………………………………6 1.5设计方案简介……………………………………………………7 2.1设计参数…………………………………………………………10 2.2计算总传热系数…………………………………………………10 2.3工艺结构尺寸……………………………………………………11 2.4换热器核算………………………………………………………13 2.4.1.热流量核算………………………………………………13 2.4.2．换热器内流体的流动阻力……………………………15 3.1设计结果一览表…………………………………………………17 3.2主要符号说明……………………………………………………18 4.1设计心得…………………………………………………………18 5.1参考文献…………………………………………………………19

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1.1概述

列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。

其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。

列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。

1.2设计任务及操作条件

1.2.1处理能力：356000kg/h的混合气体 1.2.2.设备形式：列管式换热器 1.2.3.操作条件

1.2.4混合气体：入口温度103°C出口温度42°C

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1.2.5冷却介质：自来水 入口温度21°C出口温度32°C 1.2.6允许压降:不大于100Kpa

1.2.7混合气体定性温度下的物性数据： 密度90kg/m3 粘度1.5*10-5pa.s

比热容3.297kj/(kg.°C)导热系数0.0279W/m.°C 1.2.7选择适宜的列管换热器并核算 1.2.7.1传热计算

1.2.7.2管，壳程流体阻力的计算 1.2.7.3计算结果表 1.2.7.4总结

1.3换热器的结构类型

换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。

按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。

1）间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。将在后面做重点介绍。

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直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。

2）蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。 工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。

3）紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。 4）管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。

使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头

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式和U形管式等几种类型。

1.4换热器制材的选择

在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。 一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。 1.4.1.1碳钢

价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。 1.4.1.2不锈钢

奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。

正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。

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（A） （B）（C）

（D） （E）

换热管在管板上的排列方式

(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 1.3.2管板

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。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa，设计温度不超过350℃的场合。

1.5设计方案简介

1.5.1 换热器类型的选择

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。

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1.5.1.1固定管板式换热器

这类换热器如图1-1所示。固定管办事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。

1.5.1.2U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，其造价比管定管板式高10%左右。

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1.5.1.3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。

1.5.1.4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、

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有度和贵重的介质不适用。

2.1设计参数

混合气体的定性温度：

T110342272.5C

水的定性温度：

T22132226.5C

定性温度下流体的物性

ρ (kg /m3 ) C [kJ/(kg··℃)] μ (Pa·s) λ (W/m·℃) 3.297 4.178 0.015 0.9027 0.0279 0.608 混合气体 90 水 996.9

2.2计算总传热系数

2.2.1热流量的计算

Qo=m0cp0Δt0=

tmt1t2lnt1t235600036003.297101034219888.2kw3

(10332)(4221)ln10332422141.0456℃

2.2.2冷却水的用量

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miQ0cpit19888.24.178(3221)528.91kg

2.2.3计算传热面积

求传热面积需要先知道K值，根据资料查得煤油和水之间的传热系数在350 W/(㎡·℃)左右，先取K值为300W/(㎡·℃)计算

由Q=KA△tm得 A0Q0Ktm

1614.9619890.7530041.05㎡

2.3工艺结构尺寸

2.3.1．管径和管内流速选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u=0.5m/s。 2.3.2管程数和传热管数

可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 Ns=

V42528.91/996.950.7850.020.523379

diu按单程管计算，所需的传热管长度为 L=

Apdons1614.963.140.02533796.1m

按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=4.5m，则该换热器的管程数为 Np=

Ll6.14.52

传热管总根数 Nt=3379×2=6758

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2.3.3平均传热温差校正及壳程数

R=

P=

1034232213221103215.5450.136

按单壳程，双管程结构得： t0.97

℃

平均传热温差 tmttm塑0.9741.0539.8142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，故取单壳程合适。

2.3.4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。 取管心距a=1.25d0

a=1.25×25=31.25≈32mm

横过管中心线管数 b=1.1

N=1.1×

6758=90.1 取91壳体

内径 采用多管程结构，壳体内径应等于或稍大于关闭的直径：

Da(b1)2e

式中 D——壳体内径,mm； a ——管心距，mm；

b——最外层的六角形对角线上的管数； e——六角形最外层管中心到壳体内壁距离，一般取e=(1~1.5)d，取29mm。

Da(b1)2e0.032(911)20.0292.758m

2.3.5折流板

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采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：

h=0.25×2.758=00.6895m，故可取h=0.690m

取折流板间距B=0.4D，则 B=0.4×2.758=1.1032m

折流板数目NB=

传热管长折流板间距14.51.103213.0793

2.4换热器核核算

2.4.1热流量核算

2.4.1.1壳程表面传热系数： 0当量直径：

4[32t20.361deRe0.550Pr13(w)0.14

4 de=壳程流通截面积：

do]2do0.02m

soBD(1dot)1.10322.738(12532)0.6375㎡

壳程流体流速及其雷诺数分别为： u Re普朗特数：

Pr3.297101.5100.027935o356000/(360090)0.63750.021.72901.51051.72m/s 206400o

1.773

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粘度校正：

(.14)01

w0.55o0.360.02790.022064001.773135049.04w/m2K

2.3.1.2管内表面传热系数： i0.023idRe0.8Pr0.4

i管程流体流通截面积： Si0.7850.022675821.0610㎡

管程流体流速：

u.75/996.95i4321.0610.409m/s

Re0.020.409996.9/(0.9027103)9033.61

普朗特数：

33Pr4.178100.9027100.6086.2031

608.4i0.0230.0.029033.610.86.203102119.99w/m2.k

2.4.1.3污垢热阻和管壁热阻： 管外侧污垢热阻 R2o0.00021mk/w 管内侧污垢热阻 Ri0.00053m2k/w

管壁热阻按碳钢在该条件下的热导率为45w/(m·K)

R0.0025w450.00005556m2k/w

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2.4.1.4传热系数Ke：

Ke1289.02w/mk2

(doRidodoidRwidRo1)idmo

2.4.1.5传热面积裕度 传热面积Ac为： AQ1cK1988800etm289.0239.811728.52m2

换热器的实际传热面积为Ap ApdolNT3.140.0254.567582387.26m2

该换热器的面积裕度为： HApAc52A2387.261728.c2387.2627.59%

结论：传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

2.4.2换热器内流体的流动阻力

2.4.2.1管程流体阻力换热器压降的计算

pi(p1p2)FtNsNp

p1,p2——为直管及回管中因摩擦阻力引起的压强降；

Ft——结垢校正因数，量纲为

1，对25mm2.5mm的管子，取Np——管程数 Ns串联的壳程数

查表得

i0.030

1.4；14

p1iluid2220.0304.5996.9(0.409)0.02222562.82Pa

p23ui23996.9(0.409)2p250.14Pa

pi(p1p2)FtNsN=（562.82+250.14）×1.4×1×

2=2276.29Pa﹤100kPa

2.4.2.2壳程压降

p0(p1p2)FsNs'''

p1——流体横过管束的压强降(Pa); p2——流体通过折流板缺口的压强降(Pa);

'Fs ——壳程压强降的结垢结垢校正因数，量纲为1，液体可取1.15。

pFf0nc(NB1)'1u022

F——管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=0.5

Re>500时,f05Re00.228f0——壳程流体的摩擦系数，当;

b——横过管束中心线的管子数; NB——折流挡板数;

h——折流挡板间距(m);

u0——按壳程流通截面积计算的流速(m/s);

A0h(Dbd0)而

2

A0h(Dbd0)1.06(2.758910.025)0.5328m

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u0whA0356000(903600)0.53282.062m/s

pFf0b(NB1)'1u022

0.55(206400)7698.05Pa0.22891(31)90(2.062)22

2hu0pNB(3.5)D2'22

3(3.5149.24Pa21.10322.758)90(2.062)22

p0(p1p2)FsNs

''= (7698.05+149.24)1.1519024.38Pa结论：壳程流动阻力也比较适宜。

100kPa

3.1设计结果一览表

换热器型式：固定管板式 换热器面积（㎡）：2387.26 工艺参数 名称 物料名称 操作压力，MPa 操作温度，℃ 流量，kg/h 流体密度，kg/m3 流速，m/s 传热量，kw 管程 循环水 100 21/32 528.91 996.9 0.409 19888.2 壳程 混合气体 100 103/42 98.89 90 1.72 16

总传热系数，w/㎡·k 289.02 509.04 0.00021 9024.38 1 碳钢 管长，mm 正三角形 1103mm 690mm 对流传热系数，w/㎡·k 2120 污垢系数，㎡·k/w 0.00053 阻力将，Pa 2276.29 程数 2 使用材料 碳钢 管子规格 Φ252 管数 7758 管间距，mm 32 排列方式 折流板形式 上下 间距 壳体内径/mm 2758 切口高度

4500 3.2主要符号说明

P——压力，Pa ; Q——传热速率，W； R——热阻，㎡·K/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;

qm——质量流速，㎏/h; h——表面传热系数W/(㎡·K);

——有限差值； ——导热系数，W/(m·K); ——粘度，Pa·s;  ——密度，㎏/m3; ——校正系数。 r——转速，n/(r/min)

)rH——扬程，m (NPSH2——必须汽蚀余量，m

A——实际传热面积，m Pr——普郎特系数

NB——板数，块 K——总传热系数，W/(㎡·K)

qv——体积流量 Nt——管数，根

Np——管程数 l——管长，m

KC——传热系数，W/(m·K) △tm——平均传热温差，℃

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4.1设计小结

本次化工原理课程设计是对列管式换热器的设计，通过查阅有关文献资料、上网搜索资料以及反复计算核实，本列管式换热器的设计可以说基本完成了。

本设计所需要的换热器用循环冷却水冷却，通过本次设计，我学会了如何根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。了解到了工艺设计计算过程中要进行工艺参数的计算。通过设计不但巩固了对主体设备图的了解，还学习到了工艺流程图的制法。通过本次设计不但熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及网上资源，对前面所学课程有了更深的了解。但由于本课程设计属我第一次设计，而且时间比较短，查阅的文献有限，本课程设计还有较多地方不够完善，希望老师批评指正。

5.1参考文献

1.王志魁，刘丽英，化工原理（第四版）[M].北京：化学工业出版社，2010 1.夏清,陈常贵.化工原理(上册)[M].天津:天津大学出版社,2005

2.中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺35774 .计手册(上册) [M].北京:化学工业出版社,2003

3.《常用化学手册》编写组.常用化学手册[M].北京:地质出出版社,1997 4. 陈敏恒,从德滋等.化工原理(上册) [M].北京:化学工业出出版社,2006

5.《化工原理（第三版）上、下册》谭天恩、窦梅、周明华等，化学工业出版社2006

6.《化工原理课程设计指导》.马江泉 冷一欣.北京：中国石化出版社，2009

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