换热器的设计

化工原理课程设计2-1说明书题目：芳烃冷却器设计学生姓名：学号：专业班级：指导教师：2015年7月10日中国石油大学（华东）化工原理课程设计（2-1）2化工原理课程设计（2-1）任务书题目芳烃冷却器的设计设计任务及操作条件工艺流体热流体（甲苯44%+乙苯56%）冷流体（Water）总质量流率/(kg·g-1)2427入口温度/℃9028出口温度/℃51入口压力（绝压）/kPa550450允许压力降/kPa9060污垢热阻/(m2·k·w-1)0.000150.00016选择合适的列管式换热器并进行核算1选择合适的换热器；2计算热负荷；3计算温差和估计传热系数；4估算换热面积；5计算管程压降和给热系数；6计算壳程压降和给热系数；7计算传热系数；8校核传热面积。设计要求1.手工计算完成换热器设计与校核；2.用EDR软件完成换热器的设计、校核；3.提交电子版及纸板：设计说明书、计算源程序。中国石油大学（华东）化工原理课程设计（2-1）3目录第1章前言...........................................2第2章设计计算.......................................4第3章校核计算.......................................8第4章换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表.........9第5章EDR设计与校核................................10致谢................................................16参考文献..............................................17第1章前言4第1章前言化工原理课程设计是培养我们化工设计能力的重要的环节，是化工原理课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是侦查工程实际问题复杂性的初次尝试。通过化工原理课程设计，要学会应用相关课程设计基础只是，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的换热器任务，得到化工工程设计的初步训练。在此之前，我们对化工这个专业的理解是抽象的，不具体的，局限于书本上的。通过化工原理课程设计，使我们初步掌握化工设计基础知识，设计原则及方法，学会各种标准的使用以及物质物理性质的查找方法，掌握了校核方法，包括笔算校核以及EDR校核，考虑的因素会很多，极大的调动我们的动手能力，会使我们能力得到提高。课程设计将训练分析问题和独立工作的能力，综合运用所学知识进行化工工艺设计的能力，培养实事求是的科学态度和严谨认真的工作作风，还能提高工程绘图及写作能力。换热器是石油化工中最基本的设备，它掌控着热量在化工当中的使用，在能源利用方面也起着至关重要的作用。换热设备在石油化工各个设置中的投资以及钢材消耗所占比重中不断上升，其在降低能耗与生产成本中的作用也日益显著。本次设计所用的是固定管板式换热器，它属于管壳式换热器。管壳式换热器由管束跟壳体组成，一种流体在管内流动，称为管程；另一种流体在管外壳内流动，称为壳程。两种流体通过管壁进行换热。固定管板式换热器加折流挡板进行调整结构架单，造价低廉，在工艺条件许可时应优先考虑。本课程设计要考虑到安全性以及经济型，设计的主要内容有设计计算，校核计算，EDR软件模拟以及校核。第2章设计计算5第2章设计计算2.1确定设计方案2.1.1选定换热器类型两流体温度变化情况：热流体入口温度90℃，出口温度51℃；冷流体（自来水）入口温度28℃。选水的出口温度为43℃.两流体定性温度如下：热流体的定性温度（90+51）/2=70.5℃水的定性温度（28+43）/2=35.5℃2,1.2选定流体流动空间及流速因循环冷却水较易结垢，为便于污垢清洗，故选定冷却水走管程，甲苯乙苯混合物走壳程。同时选用192mm的碳钢管，管内流速取0.6/iums,2.2确定物性数据查取冷热流体的物性数据可得：在定性温度下，存在如下数据：属性热流体水密度/（kg·m3）821995.95粘度/(mPa·s)0.36910.7124导热系数/(w·m-1·k-1)0.12060.6142比热容/(kJ·kg-1·k-1)1.824.1892.3计算总传热系数2.3.1计算热负荷（热流量）按热流体计算，即pQ=mC1.8224391703.52/TKJs（2-1）2.3.2计算逆流平均温度差,90-43--28=33.58(9043)ln(5128)mt逆（）（51）℃（2-2）第2章设计计算62.3.3总传热系数K2.3.3.1管程给热系数0.0150.6995.95Re=12582100000.0007124iiiidu（2-3）故采用下式计算0.80.40.80.420.023()()0.614241890.00071240.02312582()0.0150.6142=3375.7//piiiiiiiCdudWmc（2-4）2.3.3.2管壁的导热系数CW/m452.3.3.3假设总传热系数K=7102/WmC2.4计算传热面积'2,1703520S==67.59m71033.58mQKt逆（2-5）考虑15%的传热面积裕度'21.1577.7SSm（2-6）2.5工艺结构尺寸2.5.1管径和管内流速选用的碳钢换热管为192mm，管内流速为0.6m/s.2.5.2管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定单程传热管数227/995.98n2560.7850.0150.6s根（2-7）第2章设计计算7按单管程计算所需换热管长度77.75.092563.140.019sSLmnd（2-8）选6m的管长，单管程.传热管根数N=256（根）.2.5.3平均传热温差校正及壳程数2111122143-28P0.2490-2890-512.643-28ttTtTTRtt（2-9）按单壳程单管程结构0t33.58mC2.5.4传热管排列和分程方法采用组合排列，即每层内按正三角形排列，隔板两侧按正方形排列。取管心距t=1.25d0=1.25*19=24mm（2-10）横过管束中心线的管数1.191.1925620cnN（2-11）2.5.5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2561.051.0524481.90.7NDtmm（2-12）圆整取D=500mm第2章设计计算82.5.6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0.25500125hmm取折流板间距为B=0.3D=150mm，取为200mm，折流板取11块。2.5.7接管2.5.7.1壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为1.0m/s，则接管内径4V424/821=0.193u3.141dm（2-13）取标准管径为200mm。2.5.7.2管程流体（循环水）进出口接管，取接管内循环水的流速为1.5m/s，则接管内径4V427/995.95=0.152u3.141.5dm（2-14）取标准管径为200mm。第3章校核计算9第3章校核计算3.1热量核算3.1.1壳程对流给热系数对于圆缺形折流板，可采用克恩公式0.551/30.140.36()()()poooeooooeoowCdud（3-1）当量直径由正三角形排列得222200334(td)4(0.0240.019)2424d0.01443.140.019emd（3-2）壳程流通截面积200d0.019(1)0.20.5(1)0.0210.024SBDmt（3-3）壳程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为24/8211.392/0.021oums（3-4）0.0141.392821Re445860.0003691eoooodu（3-5）1.820.0003691Pr5.570.1206pooooC（3-6）0.551/30.140.551/320.36()()()0.360.1206/0.0144445865.5711927.26/poooeooooeoowCdudWmC（3-7）3.1.2管程对流给热系数第3章校核计算100.80.023()()piiiiiiiiiiCdud（3-8）管程流通截面积22S0.7850.015256/10.0452im（3-9）管程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为27/995.950.5998/0.0452iums（3-10）0.0150.5998995.95Re125780.000712441890.00071244.8590.6142iiiiipiiriiduCP（3-11）0.80.80.023()()0.02341.65116281.853168piiiiiiiiiiCdud（3-12）3.1.3传热系数K21=d110.0190.0190.0020.01910.000160.000153374.80.0150.015450.0171927.26771.3/ooosisoiiimoKdbdRRdddWmC计（3-13）771.3==1.091.1710KK计选（3-14）K值符合要求.3.1.4传热面积第3章校核计算112Q2331930S=98.58K769.2330.75mmt（3-15）实际传热面积2(Nn)3.140.0196(256-20)84.48mpoeSdL（3-16）面积裕度84.4865.7728.4%65.77pSSHS（3-17）换热面积裕度合适，满足设计要求.3.2换热器内流体流动阻力3.2.1管程流动阻力12p(pp)FitpsNN（3-18）（Ft结垢校正系数，Np管程数，Ns壳程数）取换热管的管壁粗糙度为0.01mm，则ε/d=0.0005，Rei=12578，查图得λi=0.036.221221126995.950.59980.036258020.0152995.950.599833537.522(pp)F(2580537.5)1.4218729Pa60KPaiiiitpsuLpPadupPapNN（3-19）压降符合标准即管程阻力在允许范围之内。3.2.2壳程流动阻力工程计算中常采用Esso法，该法的计算公式如下：12p(pp)FissN（3-20）（Fs为结垢校正系数，对液体Fs=1.15，Ns为壳程数）流体流经管束的阻力2'1p(N1)2oocBuFfn（3-21）第3章校核计算12F为管子排列方式对压强降的校正系数，正三角形排列F=0.5，正方形直列F=0.3，正方形错列时，F=0.4。fo为壳程流体的摩擦系数，当0.2280.228Re500f5.0Re5.0445860.435ooo时，（3-22）nc为横过管束中心线的管数，nc=20折流板间距B=0.2m，折流板数NB=1122'11.392821p(N1)0.50.43520(111)4152022oocBuFfnPa（3-23）流体流经折流板缺口的阻力2'22(3.5)112.7795.4236232(4152023623)1.15175KPa90KPaoBuBpNPaDp（3-24）以上管程压降和壳程压降都符合要求。第4章换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表13第4章换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表换热器型式：带热补偿非标准的管板式换热器换热面积：84.48㎡工艺参数设备名称管程壳程物料