化工原理课程设计列管式散热器

化工原理课程设计题目：列管式换热器的设计学生姓名：刘珂段家琴学号：1311402025，1311402026系别：化学与化学工程系专业：制药工程指导教师：刘艳起止日期：2015.6—2015.7年月日设计任务书一、设计题目(作为正文2级标题，4号黑体)用水冷却混合气体的列管式换热器的设计（正文4号仿宋体，数字和字母为timesnewroman体，下同，单倍行距）二、设计参数(作为正文2级标题，4号黑体)（1）处理能力：245000kg/h混合气体（每年按300天计算，每天24小时运行）（2）操作条件①混合气体：入口温度110℃，出口温度60℃②冷却介质：循环水，入口温度29℃，出口温度39℃③压力：混合气体6.9MPa，循环冷却水0.4MPa三、设计内容及要求（1）计算热负荷（2）计算平均温差（3）核算总传热系数K（4）计算传热面积S（5）换热器规格选型（6）附属设备的选型（7）换热工艺流程图，主体设备工艺条件图测量点目录键入章标题(第1级)..................................................................................................................1键入章标题(第2级)..............................................................................................................2键入章标题(第3级)..........................................................................................................3键入章标题(第1级)..................................................................................................................4键入章标题(第2级)..............................................................................................................5键入章标题(第3级)..........................................................................................................61概述1.1换热器简介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，。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。一种流体在管内流动，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。根据热补偿方法的不同，列管式换热器可分为固定板式，u型管换热器，浮头式换热器等型式。1.2设计方案简介通过传热量、阻力损失传热系数、传热面积的计算，并结合经验值确定换热器的工艺尺寸、设备型号、规模选定，然后通过计算来确定各工艺尺寸是否符合要求，符合要求后完成工艺流程图和设备主体条件图，进而完成设计体系。1.3确定设计方案1.3.1换热器选型两流体温度变化情况：热流体进口温度110℃，出口温度60℃；冷流体人口温度29℃，出口温度39℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。1.3.2管程安排从两流体的操作压力看，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，使换热器的热流量下降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。1.3.3符号说明Pr——普兰特准数，无因次；Re——雷诺准数，无因次；a——对流给热系数，W/（m2·℃）；S——换热面积，m2；Wh——热流体的质量流量，kg·s-1；——平均传热温差；K——总传热系数，W/（m2·℃）；N——管子总数；H——传热面积裕度；——平均传热温差，℃；Q——换热器的热负荷，kw；——粘度,Pa·s；Ri——垢阻热阻，m2·℃/W；Ri——导热热阻，m2·℃/W；λw——导热系数，W/（m2·℃）；b——管壁厚度，mm;d——换热器直径，m；——密度,kg/m3Np——管程数；Tm——定性温度，℃；L——管子总长，m；De——当量直径,mm;ui——循环水的流速，m/s；Wi——冷却水用量，Kg/h；Cph——热流体的平均定压比热，kJ/(kg·℃)2换热器的工艺设计计算2.1确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程混和气体的定性温度为T=℃管程流体的定性温度为t==34℃混和气体在85℃下的有关物性数据如下：31/90mkg；1pc=3.297kj/kg℃；1=0.0279w/m•℃；Pas51105.1循环水在34℃下的物性数据：1=994.3㎏/m3；1pc=4.174kj/kg℃；1=0.624w/m；Pas3110742.02.2估算传热面积（1）热流量QT=qm.hcp,h△T=245000×3.297×(110-60)=4.04×107kj/h=11218.96kw(2)冷却水用量qm,c=QT/CP,C△t=11218960/(4.174×104)=268.78(kg/s)=967608(kg/h)(3)平均传热温差先按照纯逆流计算，得mt=()()=48.3℃(4)初算传热面积由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的k值。假设k=320W/(m2·℃)，则估算的传热面积为S估===726（m2）2.3工艺结构尺寸（1）管径和管内流速换热器中最常用的管子的规格有Φ19mm×2mm和Φ25mm×2.5mm两种，因管程走的是易结垢的流体，应选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速ui=1.3m/s。（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==662按单程管计算，所需的传热管长度为L=估=≈14(m)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=7m，则该换热器的管程数为Np=L/l=14/7=2传热管总根数n=662×2=1324（3）传热温差校平均正及壳程数平均温差校正系数：R===5==0.124按单壳程，双管程结构，查【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：图5-19得：φ△t=0.96平均传热温差△t‘m=φ△t△tm=0.96×48.3=46.4（℃）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。(4)传热管排列采用组合排列法,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pt=1.25do，则pt=1.25×25=31.25≈32㎜隔板中心到离其最.近一排管中心距离：Z=Pt/2+6=32/2+6=22㎜各程相邻管的管心距为44㎜。(5)壳体内径采用多管程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率η=0.75，则壳体内径为：D=1.05Pt√ŋ⁄=1.05×32×√⁄=1412按卷制壳体的进级档，可取D=1400mm(6)折流挡板采用弓形折流挡板，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=0.25×1400=350mm，故可取h=350mm取折流板间距B=0.3D，则B=0.3×1400=420mm，可取B为480mm。折流板数目NB==14.5≈14（7）接管壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为u1=10m/s，则接管内径为D1=√=√()=0.310(m)圆整后可取管内径为310mm管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=2.5m/s，则接管内径为D2=√()=0.371(m)整后取管内径为380mm。2.4换热器核算(1)传热面积校核①管程传热膜系数αi=0.023Re0.8Pr0.4管程流体流通截面积：Si=0.785×0.022×=0.2079(m2)管程流体流速和雷诺数分别为Ui=（）⁄=1.30(m/s)Re=0.02×1.30×994.3/(0.742×10-3)=34858普朗特数Pr==4.96αi=0.023××348580.8×4.960.4=5867[w/(m2·℃)]②壳程传热膜系数α0=0.36Re00.55Pr1/3()0.14管子按正三角形排列，传热当量直径为de’=（√）=（√）0.02(m)壳程流通截面积SO=BD(1-)=480×1400×(1-25/32)=147×103(mm2)=0.147(m2)壳程流体流速及其雷诺数分别为Uo=()=5.14(m/s)Reo=0.02×5.14×90/(1.5×10-5)=6.17×105普朗特数Pro=3.297×103×1.5×10-5/0.0279=1.773粘度校正(μ/μw)0.14≈0.95α0=0.36××6170000.55×1.7731/3×0.95=883[W/(m2·℃)]③污垢热阻和管壁热阻:管外侧污垢热阻Ro=0.0004m2·℃/W,管内侧污垢热阻Ri=0.0006m2·℃/W,已知管壁厚度b=0.0025m，查得碳钢在该条件下的热导率为50W/（m·℃）。④总传热系数K。总传热系数K为K=1/（α+Ri++Ro+）=392W/(m2·℃)⑤传热面积校核所计算得传热面积S′为S′=QT/K△tm==593(m2)换热器的实际传热面积为SS=∏doln=3.14×0.025×7×1324=728(m2)换热器的面积裕度为′==1.22传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。（2）换热器内压降的核算①管程阻力△pi=（△p1+△p2）NsNPFtNs=1，NP=2，△p1=λ×（ρui2/2）由Re=34858，传热管相对粗糙度0.01，查λ~Re双对数坐标图得λ=0.04；流速ui=1.30m/s，ρ=994.3kg/m3，所以△p1=0.4××=11762.6（pa）△P2=3=3×=2520(Pa)△pi=(11762.6+2520)×2×1.4=39991(Pa)管程流体阻力在允许范围之内②壳程阻力。按下式计算△PO=(△P1′+△P2′)FtNs其中Ns=1，Ft=1。流体流经管束的阻力△P1′=Ff0nc（NB+1)F=0.5;Fo=5×617000-0.288=0.1075;nc=1.1√n=1.1×√1324=40.03;NB=14;UO=5.14m/s;△P1′=0.5×0.1075×40.03×15×=38370(pa)流体流过折流板缺口的阻力△P2′=NB(3.5-2h/D)其中h=0.48m,D=1.4m,则△P2′=14×（3.5-）×=46842（pa）总阻力△P=38370+46842=85212(Pa)由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。3设计结果汇总参数管程壳程流率（kg/h）967608245000进/出口温度/℃29/39110/60压力/MPa0.46.9物性定性温度/℃3485密度/（kg