列管换热器的设计说明书

东华大学化工原理课程设计说明书(列管式换热器设计)学院环境科学与工程专业环境科学说明书页图纸1张指导教师冀秀玲学生姓名王苑2010年1月15日2目录设计任务书…………………………………………………………….1一、概述………………….............................................5二、确定设计方案……………………………………………………….62.1选择换热器的类型…………………………………………………62.2流动空间及流速的确定……………………………………………………………6三、确定物性数据……………………………………………………….6四、计算总传热系数……………………………………………………….74.1计算热负荷和冷却水流量………………………………………………………………74.2计算平均传热温差………………………………………………………74.3确定总传热系数K并计算传热面积……………………………………………………………7五、换热器结构尺寸设计……………………………………………………….75.1管径和管内流速……………………………………………………75.2管程数和传热管数…………………………………………………75.3传热管排列和分程方法……………………………………………85.4壳体内径……………………………………………………………85.4折流板………………………………………………………………85.6接管六、换热器核算………………………………………………………….95.1热量核算…………………………………………………………95.1.1壳程对流传热系数……………………………………………95.1.2管程对流传热系数……………………………………………95.1.3对流传热系数K…………………………………………95.1.4传热面积………………………………………………….105.2核算压强降………………………………………..115.2.1管程压强降………………………………………………..115.2.2壳程压强降……………………………………………………..11七、换热器主要结构尺寸和计算结果……………………………………………………...13八、设计评述…………………………………………………………...153九、附图………………………………………………………………...16十、主要符号说明…………………………………………………………...17十一、参考资料……………………………………………………...18列管式换热器设计任务书一、设计任务和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110℃进一步冷却至60℃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227301kg/h，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29℃，出口温度为39℃，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。物性特征：混和气体在85℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度ρ1=90kg/m3定压比热容cp1=3.297kJ/(kg•℃)热导率λ1=0.0279W/(m•℃)粘度μ1=1.5×10-5Pa•s循环冷却水在34℃下的物性数据：密度ρ2=994.3kg/m3定压比热容cp2=4.174kJ/(kg•℃)4热导率λ2=0.624W/(m•℃)粘度μ2=0.742×10-3Pa•s二、设计内容说明书要求1、概述2、设计方案的选择3、确定物理性质数据4、设计计算（1）计算总传热系数（2）计算传热面积5、换热器结构尺寸设计（1）管子的直径、长度、根数等管子尺寸（2）壳体直径、折流板长度和数目（3）隔板和接管尺寸6、设计结果汇总7、列管式换热器装配图8、设计评述9、符号说明10、参考文献图纸要求列管式换热器装配图三、参考资料[1]上海医药设计院.化工工艺设计手册(上、下).北京：化学工业出版社，1986[2]尾范英郎（日）等，徐忠权译.热交换设计手册，1981[3]时钧，汪家鼎等.化学工程手册，北京：化学工业出版社，1996[4]卢焕章等.石油化工基础数据手册，北京：化学工业出版社，1982[5]陈敏恒，丛德兹等.化工原理(上、下册)(第二版).北京：化学工业出版社，20005[6]大连理工大学化工原理教研室.化工原理课程设计.大连：大连理工大学出版社，1994[7]柴诚敬，刘国维，李阿娜.化工原理课程设计.天津：天津科学技术出版社，1995一、概述在不同温度的流体间传递热能的装置成为热交换器，简称为换热器。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不用类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。（1）合理地实现所规定的工艺条件传热量、流体的热力学参数与物理化学性质是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，再单位时间内传递尽可能多的热量。（2）安全可靠换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要作用。（3）有利于安装、操作与维修直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。（4）经济合理评价换热器的最终指标是：在一定的时间内，固定费用与操作费的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。二、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110℃，出口温度60℃。冷流体（循环水）进口温6度29℃，出口温度39℃。该换热器冷却热的混合气体，传热量较大，可预计排管较多，因此初步确定选用固定管板式换热器。因气体操作压力为6.9MPa，属于较高压操作，因此不选用膨胀节。2、流动空间及流速的确定单从两物流的操作压力看，混合气体操作压力高达6.9MPa，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；且两流体温度相差较大，应使α较大的循环水（一般气体α液体）走管内。所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。选用Φ25mm×2.5mm的碳钢管，管内循环水流速取1.3m/s。三、确定物性数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值。壳程混合气体的定性温度为T=（110+60）/2=85（℃）管程循环冷却水的定性温度为t=（29+39）/2=34（℃）根据定性温度，分别确定壳程和管程流体的有关物性数据。混和气体在85℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度ρo=90kg/m3定压比热容cpo=3.297kJ/(kg•℃)热导率λo=0.0279W/(m•℃)粘度μo=1.5×10-5Pa•s循环冷却水在34℃下的物性数据：密度ρi=994.3kg/m3定压比热容cpi=4.174kJ/(kg•℃)热导率λi=0.624W/(m•℃)粘度μi=0.742×10-3Pa•s四、计算总传热系数1、计算热负荷和冷却水流量Q=WhcphΔT=227301×3.297×(110-60)=3.747×107kJ/h=10408.5(kW)7Wc=QcpcΔt=3.747×1074.174×(39−29)=897713.7kg/h2、计算平均传热温差(采用逆流)热流体110℃→60℃冷流体39℃←29℃Δt71℃31℃Δtm’=71−31ln7131=48.27℃暂按单壳程、多管程进行计算，则平均传热温差校正系数：R=110−6039−29=5P=39−29110−29=0.123查图得ψΔt=0.95所以Δtm=ψΔtΔtm’=0.96×48.3=45.86℃3、确定总传热系数K并计算传热面积根据两流体的情况，假设K=450W/(m2•℃)故传热面积S’=QK∆tm=10408.5×1000450×45.86=504.4m2考虑15%的面积裕度，S=1.15S’=1.15×504.4=580(m2)五、换热器结构尺寸设计1、管径和管内流速选用Φ25mm×2.5mm传热管（碳钢），取管内流速ui=1.3m/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。ns=Vπ4di2ui=897713.7(994.3×3600)0.785×0.022×1.3≈615(根)按单程管计算，所需的传热管长度为L=Sπdons=5803.14×0.025×615=12.0(m)按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6.0(m)，则该换热器管程数为NP=L/l=12.0/6.0=2(管程)8传热管总根数N=615×2=1230(根)3、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。因为壳程流体压力较大，故采用焊接法连接管子与管板。取管心距a=1.25do，则a=1.25×25≈32(mm)隔板中心到离其最近一排管中心距离=a/2+6=32/2+6=22mm则分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn=44mm。横过管束中心线的管数nc=1.19√N=1.19√1230=42(根)4、壳体内径采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体内径为：D=1.05a√Nη=1.05×32√12300.7=1408.5(mm)圆整可取D=1400mm5、折流板采用单弓形折流板，取折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25D=0.25×1400=350(mm)取折流板间距B=0.3D=0.3×1400=420(mm)折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=6000/420-1=14(块)9折流板圆缺面水平装配。6、接管管程流体进、出口接管：取接管内循环水流速为3.0m/s，则接管内径为：d=√4Vπu=√4×897713.7(3600×994.3)3.14×3.0=0.326(m)圆整取350mm。壳程流体进、出口接管：取接管内混合气体流速为10.0m/s，则接管内径为：d=√4Vπu=√4×227301(3600×90)3.14×10.0=0.299(m)圆整取300mm。六、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：αo=0.36dReo0.55Pr1/3()0.14当量直径，由正三角形排列得：de=4(√32a2−π4do2)πdo=4(√32×0.0322−π4×0.0252)π×0.025=0.020(m)流体通过管间最大截面积为：S=BD(1－doa)=0.42×1.4×(1－0.0250.032)=0.1286(m2)壳程流体流速及其雷诺数分别为：uo=227301(3600×90)0.1286=5.5(m/s)10Reo=deu0ρ0μ0=0.02×5.5×900.000015=660000普兰特准数：Pr=cpλ=3.297×103×0.0000150.0279=1.773黏度校正()0.141αo=0.36×0.02790.02×6600000.551.7731/3=965W/(m2•℃)2)管程对流传热系数αi=0.023idiRei0.8Pr0.3管程流通截面积：Si=π4di2NNp=π4×0.022×615=0.1932(m2)管程流体流速及其雷诺数分别为：ui=897713.7(3600×994.3)0.19