化工原理课程设计列管式换热器设计

1化工原理课程设计题目甲醇冷凝冷却器专业石油化工生产技术班级石化12级（2）班学号1215050203学生姓名秦霓指导教师张洪宇完成日期2013年12月20日2一、设计任务书1、设计题目甲醇冷凝冷却器的设计2、设计任务及操作条件（1）处理能力20300kg/h甲醇。（2）设备形式列管式换热器（3）操作条件①甲醇：入口温度64℃，出口温度50℃，压力为常压。②冷却介质：循环水，入口温度30℃。出口温度40℃，压力为0.3MPa。③允许压降：不大于Pa。④每年按330天计，每天24小时连续运作。3、设计要求选择适宜的列管式换热器并进行核算。二、方案设计1．确定设计方案（1）选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度64℃，出口温度50℃冷流体。冷流体进口温度30℃，出口温度40℃。从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用列管式换热器。（2）流动空间及流速的确定由于甲醇的粘度比水的大，因此冷却水走管程，甲醇走壳程。另外，这样的选择可以使甲醇通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。同时，在此选择逆流。选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=1m/ｓ。2、确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程甲醇的定性温度为：℃＝＋＝5725064T管程流体的定性温度为：℃＝＋＝3524030t5103根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。甲醇在57℃下的有关物性数据：密度ρo=755.77kg/m3定压比热容cpo=2.629kJ/(kg·℃)导热系数λo=0.1919W/(m·℃)粘度μo=0.00039Pa·s冷却水在35℃下的物性数据：密度ρi=994kg/m3定压比热容cpi=4.08kJ/(kg·℃)导热系数λi=0.626W/(m·℃)粘度μi=0.000725Pa·s3．计算总传热系数（1）热流量Qo=WocpoΔto=20300×2.629×(64-50)=207545kW=747169.2KJ/h（2）平均传热温差℃9.2130-5040-64ln)3050()4064(ln't2121ttttm（3）冷却水用量ipii747169.218313k/ct4.084030OQWgh（）（4）总传热系数K管程传热系数iiieidup0.021994274210.000725R4.0iipi8.0iiiiiiicpudd023.0）（）（30.80.40.6264.08100.0007250.023274210.020.626（）4756/mW（℃）壳程传热系数假设壳程的传热系数αo=900W/(m2·℃)；污垢热阻Rsi=0.000344m2·℃/W,Rso=0.000172m2·℃/W管壁的导热系数λ=45W/(m·℃)4osomoioiiio1dbddddd1＋＋＋＋RRK10.0250.0250.00250.02510.0003440.00017247560.0200.020450.0225900＋＋＋＋490.8/m（℃）4、计算传热面积''2m20754519.31t490.821.9QSmK考虑15％的面积裕度，S=1.15×S''=1.15×19.31=22.21m25、工艺结构尺寸（1）管径和管内流速及管长选用ф25mm×2.5mm传热管(碳钢)，取管内流速ui=1m/s（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s22i18313/(9943600)17/4dui0.7850.021VN根按单程管计算，所需的传热管长度为22.2116.64d3.140.02517osSLmn按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。取传热管长L=2m，换热管管为2，则022.211423.140.0252ssndL根，每程管数为71根管内流速22is18313/(3600994)u0.2296/dn3.140.027144iVms（3）平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数54.1101430405064R4030100.294643034P按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。可得t0.94平均传热温差'mtt0.9421.920.6mt℃（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=1.25d0，则t=1.25×25=31.25≈32(mm)横过管束中心线的管数1.1914214CN根（5）壳体内径采用双管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为1.5tn/1.0532142/0.7478.6mmsD圆整可取D＝500mm（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30％，则切去的圆缺高度为h＝0.30×500＝150mm取折流板间距B＝0.6D，则B＝0.5×500＝250mm折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=3000/250-1=11块折流板圆缺面水平装配。（7）接管壳程流体进出口接管：取接管内甲醇流速为u＝3.5m/s，则接管内径为14420300/3600755.77d0.0521mu3.143.5V（）取整为60mm。管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速u＝1.5m/s，则接管内径为2418313/3600994d0.0659m3.141.5（）取整为70mm6．换热器核算（1）热量核算①壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式614.0w3/155.0oeored36.0）（PR当量直径，由正三角形排列得m020.0025.014.3)025.04032.023(4)423(42222ooeddtd壳程流通截面积2ood0.02510.250.510.0273mt0.032SBD（）（）壳程流体流速及其雷诺数分别为oo20300/3600755.77u0.273m/0.02730.020.273755.77e10580.780.00039sR（）普兰特准数32.629100.00039r5.340.1919P粘度校正114.0w）（0.551/32o0.19190.3610580.785.341987.1/m0.02W（℃）②管程对流传热系数0.80.4iii0.023erdRP管程流通截面积222i3.1414214()0.020.02014242scinnSdm管程流体流速ii18313/3600994u0.255m/s0.02010.020.255994Re69920.000725（）30.80.42i4.08100.000725r4.730.6260.6260.02369924.731595.5/(0.02PWm℃）7③传热系数Koooisoiiimo1ddbd1ddd10.0250.0250.00250.02510.0003440.0001721595.50.0200.020450.0225987.140.5)·(/6WmKRR＋＋＋＋＋＋＋℃＋④传热面积S''2m20754524.78t406.520.6QSmK该换热器的实际传热面积Sppod3.140.0250.0614TSLN（3）（142）=29.45该换热器的面积裕度为''p29.4524.78100%19.2%24.78SSHS传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。（2）换热器内流体的压力降①管程流动阻力∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)FtNsNpNs=1,Np=2,Ft=1.42u2udl222i1PP，由Re＝6992，传热管相对粗糙度0.01/20＝0.0005，查莫狄图得λi＝0.034W/m·℃，流速ui＝0.255m/s，ρ＝994kg/m3，所以2122i39940.2550.034164.82a0.0229940.255396.95a2164.8296.951.42732.956aPPPPPP（）管程压力降在允许范围之内。②壳程压力降''o121,1PPPFtNsNsFt（）其中流体流经管束的阻力82'10.2282'1(1)20.5569920.66414,11755.770.2730.50.66414(111)1570.82oocBocBuPFfnNFfnNPPa流体流过折流板缺口的阻力2'222'22(3.5)20.25,0.5220.25755.770.255(3.5)11(3.5)675.7a20.52oBoBuBPNDBmDmuBPNPD壳程压力降也在合理压力降范围内。四、设计结果一览表换热器形式：列管式换热器换热面积（m2）:29.45工艺参数名称管程壳程物料名称冷却水甲醇操作压力，Pa0.3Mpa常压操作温度，℃30/4064/50流量，kg/h1831320300流体密度，kg/m3994755.77流速，m/s0.2730.255传热量，kW207545总传热系数，W/m2·K490.8传热系数，W/（m2·℃）406.51373.2污垢系数，m2·K/W0.0003440.000172阻力降，Pa1570.8675.7程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格mmф25mm×2.5mm管数：142管长mm:3000管间距，mm32排列方式组合排列法折流板型式上下间距，mm250切口高度30%壳体内径，mm500保温层厚度，mm未知910