专业课程设计换热器设计.doc

化工原理课程设计2-1阐明书

题 目：芳烃冷却器设计

学生姓名：***
学 号：********
专业班级：*******
指引教师：***

7月8日

化工原理课程设计（2-1）任务书
专业班级 **** 学号：******** 学生： ***
一、题目
芳烃冷却器设计
二、设计任务及操作条件
工体流体
热流体（苯45%+甲苯55%）
冷流体（Water）
总质量流率/（㎏·s）
28
30
入口温度/℃
91
28
出口温度/℃
54
--
入口压力（绝压）/kPa
550
450
容许压力降/kPa
90
60
污垢热阻/（㎡·K·W-¹）
0.00015
0.00016

三、选取适当列管式换热器并进行核算
1 选取适当换热器；
2 计算热负荷；
3 计算温差和预计传热系数；
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。
四、 设计规定
1. 手工计算完毕换热器设计与校核；
2. 用EDR软件完毕换热器设计、校核；
3. 提交电子版及纸板：设计阐明书、计算源程序。
发出日期 年7月6 日 交入日期 年7 月11 日
指引教师 ***

目录

1. 前言 ........................................................................................................................1
2. 拟定设计方案..........................................................................................................2
2.1 选定换热器类型..................................................................................................2
2.2 拟定冷热流体参数 ..........................................................................................2
2.3 拟定总传热系..................................................................................................2
2.3.1 管程传热系数........................................................................................3
2.3.2 壳程传热系数.......................................................................................3
2.3.3 总传热系数K.............................................................................................3
2.4 估算传热面积....................................................................................................3
2.4.1 计算热负荷................................................................................................3
2.4.2计 算传热面积...........................................................................................3
2.5 工艺构造及尺寸............................................................................................4
2.5.1 管径和管内流速........................................................................................4
2.5.2 管程数和传热管根数................................................................................4
2.5.3 传热管排列和分程办法............................................................................4
2.5.4 壳体内径....................................................................................................4
2.5.5 折流板........................................................................................................5
2.5.6 接管内径....................................................................................................5
2.6 换热器热量核算................................................................................................5
2.6.1 平均传热温差校正....................................................................................5
2.6.2 壳程对流传热系数....................................................................................6
2.6.3 管程对流传热系数......................................................................................6
2.6.4 总传热系数..................................................................................................7
2.6.5传热面积.......................................................................................................7
2.7 换热器压降核算..................................................................................................7
2.7.1 管程流动阻力校核......................................................................................7
2.7.2 壳程流动阻力校核......................................................................................8
2.8 计算成果.......................................................................... ...................................9
3. EDR设计与校核.....................................................................................................10
3.1 初步规定…………………………………………..…………………………..10
3.1.1 换热器构造………………………………………………………………..10
3.1.2流体空间选取……………………………………………….……………..10
3.2设计成果与分析……………………………………………………………….10
3.2.1模仿成果……………………………………………………….…………..10
3.2.2成果分析…………………………………………………….……………..13
3.3校核………………………………………………………………….…………13
3.3.1核算成果………………………………………………….………………..13
3.3.2成果分析………………………………………………………...…………15
3.4设计成果……………………………………………………………………….16
4. 结论…………………………………………………………………...………….17
5. 参照文献................................................................................................................18
6. 道谢……………………………………………………………….….…….…….19

第一章 前言

换热器是石油化工生产中重要设备之一，它可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用十分广泛。换热器种类繁多，若按其传热面积形状和机构可提成管型、板型和其她类型换热器，而管型换热器又可分为蛇管式换热器、套管式换热器、列管式换热器。板型换热器有螺旋板式换热器、板式换热器、板壳式换热器、板翅式换热器。其他类型换热器有蓄热式换热器、热管式换热器。
本次设计内容为用管壳式换热器完毕芳香烃冷却任务，与其她换热器相比，管壳式换热器重要长处是单位所具备传热面积大，传热效果好，构造比较简朴，解决能力大，适应性强，操作弹性大，特别在高温、高压大型装置中应用更为普 。

第2章 拟定设计方案

2.1选定换热器类型
两流体温度变化状况：热流体（苯45%+甲苯55%）入口温度为91℃，出口温度为54℃。冷却水入口温度28℃，出口温度选为54℃。
故热流体定性温度： ℃
故热流体定性温度： ℃
两流体温差： ℃ （2-1）
因该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时冷却水进口温度会减少，因而壳体壁温和管壁温相差较大，故选用带膨胀节列管式换热器。
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，煤油走壳程。同步选用碳钢管，管内流速取1.1m/s。
2.2拟定冷热流体物性参数
查冷、热流体物性参数：
表2-1 冷热流体物性参数
流体物性
定性温度
℃
密度
kg·m³
粘度
mPa·s
比热
KJ/(㎏·℃)
导热系数
W/(m·℃)
苯45%
甲苯55%
72.5
824.34
0.3328
1.871
0.1262
冷却水
35.72
996.03
0.7164
4.819
0.6138
2.3计算总传热系数
2.3.1管程传热系数

故采用下式计算
（2-2）
2.3.2壳程传热系数
假设壳程给热系数 =1200W/㎡·℃
2.3.3总传热系数K
=0.00016㎡·K·W-¹ =0.00015㎡·K·W-¹
（2-3）
2.4估算传热面积
2.4.1计算热负荷
由热流体计算热负荷：
（2-4）
2.4.2拟定温度
由热负荷计算水出口温度以及逆流温差：

(2-5)
2.4.3 计算传热面积

考虑20%裕度，S=1.2=79.881.2=95.86㎡
2.5工艺构造及尺寸
2.5.1管径和管内流速
选用碳钢换热管，管内流速=1.1m/s。
2.5.2管程数和传热管根数
依照传热管内径和流速拟定单程传热管数：
（根）
按单管程计算所需换热管长度：

按单管程设计，传热管过长，现取传热管长6m，则该换热器管程数为=L/62(管程)。传热管总根数N=1562=312（根）。
2.5.3传热管排列和分程办法
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。取管心距则。
横过管束中心管数。 (2-6)
2.5.4壳体内径
采用多管程构造，取管板运用率η=0.7，则壳体内径：
（2-7）
取整 D=600mm
2.5.5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25%，则切去圆缺高度为 h=0.25 600=150mm。
取折流板间距为B=0.5D=0.5600=300mm
折流板数 。折流板圆缺采用水平安装。
2.5.6接管
管程流体（循环水）进出口接管，取接管内循环水流速为1.5m/s，则接管内径
（2-8）
取原则管径为200mm
壳程流体（苯+甲苯）进出口接管，取接管内循环水流速为1m/s，则接管内径
(2-9)
取原则管径为200m
2.6换热器热量核算
2.6.1平均传热温差校正
(2-10)
按单壳程双管程构造查单壳程 图，得，则
(2-11)
2.6.2壳程对流给热系数
对于圆缺形折流板，可采用克恩公式
(2-12)
当量直径由正三角形排列得
(2-13)
壳程流通截面积
(2-14)
壳程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为

2.6.3管程对流给热系数
管程流通截面积

管程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为

2.6.4传热系数K

2.6.5传热面积

该换热器实际传热面积
(2-15)
面积裕度
(2-16)
可见换热面积裕度适当，能满足换热规定。
2.7换热器压降核算
2.7.1管程流动阻力校核
(2-17)
（Ft 结垢校正系数，Np 管程数，Ns 壳程数）
取换热管管壁粗糙度为0.1mm，则 ，而
查图得

对 管子有

管程压降符合规定。
2.7.2壳程流动阻力校核
常采用Eoss法计算壳程压降，该法计算公式如下
(2-18)
（Fs 为结垢校正系数，对液体 Fs=1.15，Ns 为壳程数）
流体流经管束阻力
（2-19）
F为管子排列方式对压强降校正系数，正三角形排列F=0.5 。
为壳程流体摩擦系数，时，
(2-20)
为横过管束中心线管数，
折流板间距B=0.3m，折流板数19块

流体流经折流板缺口阻力
(2-21)
可见管程与壳程压降均符合规定，故设计换热器符合规定。
2.8计算成果
表2-2 计算成果
换热器型式：带热补偿非原则固定管板式
管子规格
φ25×2.5
管数
312根
管长
6m
换热面积：104.3m2
管间距，mm
25
排列方式
正三角形
工艺参数
折流板形式
上下
间距
300mm
切口
25%
设备名称
管程
壳程
壳体内径
600mm
保温层厚度
无需保温
物料名称
循环水
苯45%
甲苯55%
接管表
操作压力，MPa
0.45
0.55
序号
尺寸
用途
连接形式
操作温度，℃
28/43
91/54
1
DN200
循环水入口
平口
流量，㎏·s
30
28
2
DN200
循环水入口
平口
密度，㎏/m³
996.03
824.43
3
DN200
混合料入口
凹凸面
流速，m/s
0.85
0.786
4
DN200
混合料出口
凹凸面
传热量，KW
1938.36
5
DN20
排气口
凹凸面
总传热系数，W/㎡·K
717.48
6
DN20
放净口
凹凸面
对流传热系数W/m2•K
4452.9
1414.5
--
--
--
--
污垢热阻㎡·k/W
0.00016
0.00015
--

--
--
阻力降，kPa
18.3
42.2
--
--
--
--
程数
2
1
--
--
--
--
推荐使用材料
碳钢
碳钢
--
--
--
--

第三章 EDR设计校核
3.1 初步规定
3.1.1换热器构造
壳体和封头
由冷热流体进口温差不大于110℃，且污垢热阻不大于0.00035 m2·K/W，换热器冷热流体均为较清洁流体，故选取固定管板式换热器，前封头采用B型，后封头采用M型，壳体为E型。
换热管
选用管外径为25 mm，壁厚为2.5 mm光滑管，管子排列角度选取30°，管间距为32 mm。
折流板
选用单弓形折流板。
3.1.2 流体空间选取
表3-1 流体空间选取优先顺序
管侧流体
壳侧流体
腐蚀强流体
需要冷凝蒸汽（具备腐蚀性除外）
冷却水
进出口温差较大流体（＞37.78℃
易结垢流体

低粘度流体

压力高流体

温度较高流体

依照流体空间选取优先顺序，冷却水走管程，热流体走壳程。
3.2 设计成果与分析
3.2.1模仿成果

图3-1模仿成果

图3-2 模仿成果

图3-3 模仿成果

图3-4 模仿成果

图3-5 模仿成果

3.2.2 成果分析
（1）构造参数
初步得到换热器为单管程BEM换热器，壳体内径438.15mm，换热管长6m，管径Φ25×2.5mm，总根数132根。管心距32mm，弓形板圆缺率21.025%，板间距195mm，板数28。
（2）面积余量
实际面积与设计面积比为1，面积余量为0，需要进一步进行校核。
（3）流速
壳程流速1.92m/s，流速大，管程流速0.72m/s，需要校核。
（4）压降
壳测压降64.3kPa，管侧压降4.32kPa，在容许范畴之内。
（5）传热温差
传热温差35.88℃，符合传热需要。
（6）传热系数
882.9W/(㎡·K),不不大于经验数值
3.3 校核
参照设计成果查《固定管板换热器重要工艺参数表（Φ25×2.5mm）》选取与设计规格接近原则换热器，壳体公称直径600mm，壁厚10mm，管长6m，管数232根，管径Φ25×2.5mm，折流板圆缺率30%。
3.3.1 校核成果

图3-6 校核成果

图3-8 校核成果

图3-9 校核成果

图3-10 校核成果

图3-11 校核成果
3.3.2 成果分析
（1）面积余量
校核背面积余量25%，符合实际生产需求。
（2）流速
壳侧流体流速0.88m/s，管侧流速0.84m/s，在合理范畴。
（3）压降
壳侧压降10.4kPa，管程压降7.3kPa，均不大于容许压降。
（4）传热系数
换热器总传热系数为683.6W/m2·K，在经验值范畴之内。
（5）热阻分布
换热器壳侧热阻和管侧热阻分别为总热阻43.74%和20.2%。
3.4 设计成果
依照校核成果选换热器型号：：
详细构造参数为：
公称直径600 mm；
管子为ϕ25mm×2.5 mm碳钢管，长度为6 m，管心距为32 mm，管子数为232，管程数为2，排列角度为30°；
折流板为圆缺率30%单弓形折流板，间距为500 mm，折流板数9块；
壳侧接管内径200mm，管侧接管内径200mm

第4章 结论

本次设计成果满足传热任务，同步对成果进行了一系列优化，得到成果具备一定实际参照价值。
设计符合法规并且最经济换热器，必要熟悉法规条文及公式应用和普通力学常识，理解使用者规定，同步参照别人设计方式及资料，参观换热器厂。并与制造厂技术人员探讨自己产品制造程序事宜，借以改进缺陷。通过理解设备基本构造，提高换热器设计水平，可以使设计产品向安全、经济方向发展。

第5章 参照文献
专著
[1]　李阳初，刘雪暖．石油化学工程原理．第二版． 北京：中华人民共和国石化出版社，（.8重印）：264-284．
[2] 王玉兰，郭晓艳，张颖，于英民 .化工原理课程设计 .第一版 .山东：中华人民共和国石油大学（华东）出版社，:235-246 .

第6章 道谢

历时五天时间终于完毕了课程设计作业，在此过程中从开始学习新软件到设计完毕，遇到了诸多困难和障碍，都在同窗和教师协助下度过了。在此一方面我要感谢指引教师王兰娟教师，她给我提出了许多合理建议，不厌其烦解答我问题，使我能准时完毕设计 。
还要感谢我同窗和朋友，在设计过程中给我诸多有用素材，教会我如何使用软件。谢谢你们。

化工原理课程设计2-1成绩汇总表

项 目
考查要点
占比
成 绩
平时体现
工作态度、作风，独立工作能力、考勤等
20%　

阶段考核
对基本知识掌握状况
20%　

设计
软件
文献完整性、面积余量、压降、流速、传热系数等重要指标与否在适当范畴
20%　

阐明书
工作量、阐明书规范性、设计对的性
40%　

总成绩

100%　

指引教师签字：
年 月 日