列管式换热器的工艺设计和选用.doc

化工原理课程设计 2010.12.19-2010.1.2
化工原理课程设计
说明书

题 目： 列管式换热器的工艺设计和选用
课程名称： 化工原理课程设计
设 计 人： 吴琳瑜
专 业： 化学工程与工艺
班 级： 化工B081
学 号： 200801034119
指导老师： 李辰明

日期： 2010.12.19
学校：华北科技学院
目录
设计条件················································································· ···3
设计题目·····················································································3
设计任务······························································ ······················3
设计原则·············································· ·············· ··········· ······· ····3
设计流程·····················································································3
一、确定设计方案·········································································3
1.选择换热器类型······································································3
2.确定冷、热流体流径途径··························································4
二、流体有关物性数据···································································4
三、估算传热面积·········································································4
1.计算热负荷············································································4
2.冷却水用量·············································································4
3.传热平均传温差·······································································4
四、初算传热面积·········································································4
五、工艺结构尺寸·········································································5
1.选管子规格·············································································5
2.总管数和管程数······································································5
3.初选换热器类型与型号·····························································5
4.确定管子在管板上的排列方式 ················································· ·5
5．管子与管板、管板与壳体的连接···································· ···········6
6.壳体内径的确定 ·························································· ···········6
7.确定实际管子数目······················································· ·········· ·6
8.折流挡板·································································· ··········· ·6
9.其他附件·································································· ··········· ·7
10.接管·················································································· ·7
六、换热器核算································································ ······· ··· 8
1. 总传热系数K的计算···················································· ··· · ·····8
⑴ 管内传热膜系数························································ ····· ·····8
⑵ 管外传热膜系数························································ ···· · ····8
⑶ 污垢热阻和管壁热阻················································· ···· ·······9
⑷ 总传热系数K······························································ ··· ·····9
⑸ 传热面积校核······························································· ··· ···9
2. 壁温的计算······································································· ···9
3.核算压力降······························································ ·············10
⑴ 管程压力降······························································· ·········10
⑵ 壳程压力降······························································ ··········10
七、设计计算结果汇总表······················ ······ ····· ·························· ··11
八、总结·····················································································12
参考文献·····················································································13
CAD图纸····················································································14
设计题目：列管式换热器的工艺设计和选用
设计条件
炼油厂用原油将柴油从175℃冷却到130℃。柴油流量为12500 kg/h原油初温为70℃，经换热后升温到110℃。换热器的热损失可忽。管、壳程阻力压降不大于30kpa。污垢热阻均取0.0003 m2·℃·W-1 。试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。
设计任务
（1） 根据设计条件选择合适的换热器型号，并核算换热面积，压力降是否满要求，并设计管道与壳体的连接，管板与壳体的连接，折流板数目、形式等。
（2） 绘制列管式换热器的装配图。
（3） 编写课程设计说明书。
设计原则
1.满足工艺和操作要求
设计出来的流程和设备首先要保证质量，操作稳定，这就必须配置必要的阀门和计量仪表等，并自确定方案时，考虑到各种流体的流程，温度和压强变化使采取什么措施来调节，而在设备发生故障时，加修应方便。
2.满足经济上的要求
在确定某些操作指标和治标和选定设备型式以及仪表配置时，要有经济核算的观点，既能满足工艺和操作要求，又使施工简便，材料来源容易，造价低廉。如果有废热可以利用，要尽量节省热能，充分利用，或者采取适当的措施达到降低成本的目的。
3.保证安全生产
在工艺流程和操作中若有爆炸、燃烧、中毒、烫伤等危险，就要考虑必要的安全措施。又如设备的材料强度的演算，除按规定应有一定的安全系数外，还应考虑防止由于设备中压力突然升高或者造成真空而需要装置安全阀等，以上提到的都是为了保证安全生产所需要的。设计方案也可能一次定不好，后来需要修改，但各物料流通路线和操作指标的改动都对后面的计算的影响，所以最好第一次确立就考虑周到些。
设计流程
一、确定设计方案
1.选择换热器类型
两流体的温度变化情况：
热流体进口温度为175℃，出口温度为130℃。
冷流体进口温度为70℃，出口温度为110℃
由于冷、热流体温差较大，同时为了便于拆卸清洗，选用浮头式列管换热器。
2.确定冷、热流体流径途径
由于柴油较易结垢，为便于清洗，应使柴油走管程，原油的粘度大，在装有折流挡板的壳程中流动。有利于提高湍动，增大传热系数，原油走壳程。
二、流体有关物性数据
物料
kg/m3
kJ/(kg℃)
W·m-1·℃-1
Pa·s
原油
815

0.128

柴油
715

0.133

三、估算传热面积
1. 计算热负荷（忽略热损失）
W
2. 冷却水用量(忽略热损失)
kg/s
3. 传热平均传温差
先按逆流计算
=
温度校正：
R＝＝＝0.38
P＝＝＝1.13
据R、P值，查温差校正系数图，得温度校正系数
=×=0.92×62.5=57.50℃
四、初算传热面积
参照传热系数K的大致范围，取=230 W/ (m2·℃),
则估算面积为：
＝=
取实际面积为估算面积的1.1倍，则实际估算面积为：
A=1.1=1.1×29.30=32.23 m2
五、工艺结构尺寸
1.选管子规格
选用252.5mm的无缝钢管，管长L=6m。
2.总管数和管程数
总管数 根
单程流速 =
单程流速较低，为提高传热效果考虑采用多管程。按管程流速的推荐范围，选管程流速为=1m/s，所以管程数为
= 取4管程
3. 初选换热器类型与型号
由于冷、热流体温差较大，同时为了便于拆卸清洗，选用浮头式列管换热器为宜，
且初步选定的具体型号为 BES400-1.0-31.6-6/25-4II
BES400-1.0-31.6-6/25-4II的具体参数
壳径/mm
400
管子尺寸
25mm×2.5mm
公称压力/MPa
1.00
管长/m
6
计算换热面积/m
31.6
管子总数
68
管程数
4
管子排列方式
四边形错列
壳程数
1
折流挡板形式
弓形

4. 确定管子在管板上的排列方式
管子布置应在换热器的截面上均匀而紧凑的分布，此外还有考虑流体的性质和结构设计及制造等方面的问题

管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。如图（a）、图（b）所示。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动称帝高、表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为适用。如将正方形排列的管束转45度安装如图（c）可在一定的程度上提高对流传热系数，采用正方形错列。
5．管子与管板、管板与壳体的连接
⑴ 在管壳式换热器的结构设计中，管子与管板的连接是否紧密十分中。如果连接不紧密，在操作时连接处发生泄漏，冷热流体互相混合，会造成物料和热量损失；若物料带有腐蚀性、放射性或者两种流体接触会产生易燃易爆物质，后果将更加严重。
在固定管板式换热器的连接方法处还应考虑能承受一定的轴向力，以避免温度变化较大时，产生的热应力使管子从管板脱出。
焊接法由于具有很多的优点（加工简单、对管空的加工要求不高，较强的抗脱能力使之在高温高压下仍能保持连接处的紧密性，同时在压力不太高时还可采用薄型管板），在一些要求较高的场合被广泛应用。管子与管板采用焊接结构。
⑵ 浮头式换热器通常是把管板夹在壳体法兰与管箱法兰之间便于管壳程一起清洗。
管心距取 a=1.25d0 =1.25×25=31.25≈32mm
隔板两侧相邻管心距
6. 壳体内径的确定
取管板利用率η=0.8，
则壳体内径为：
按壳体标准圆整取
7.确定实际管子数目
N=68
8.折流挡板
换热器内安装折流挡板是为了提高壳程流体的对流传热系数。为了获得良好效果，折流挡板的尺寸和间距必须适当。对于常用的圆缺形挡板，弓形切口太大或太小，都会产生流动“死区”，如图所示，不利于传热，且增加流体阻力。一般切口高度与直径之比为0.15-0.45，常见的有0.20和0.25两种。

挡板的间距对壳程的流动有重要的影响，间距太大不能保证流体垂直流过管束，使得管外给热系数降低，间距太小又不方便检修，阻力损失也很大。一般采用间距为壳体的0.2-1.0倍。取板间距B＝200mm。
而对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有中重要的影响。弓形缺口太大还是太小都有可能造成流体“死区”，既不利于传热也不利于流体的流动。一般来说，弓形口的高度可取壳程的0.1-0.4。据以上原理可以选择的缺口高度以及挡板常采用0.2和0.25采用弓形折流板。
折流板数 =－1=－1=29 (块)
9.其他附件
⑴拉杆 选拉杆直径为16mm，拉杆数量为4根。
⑵封头 封头有方形和圆形两种，方形用于小直径（<400mm）的壳体
圆形用于较大直径的壳体。
⑶缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料 口装设缓冲挡板。
⑷导流桶 壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导流桶，使流体进、 出壳程时必然经过这个空间
⑸放气孔、排液孔 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝气体和冷凝液等。
10.接管
⑴管程流体进出口接管。取管内流速
则接管内径
按管子标准圆整，取管程流体进出口接管规格为无缝钢管。
⑵壳程流体进出口接管。取管内流速
则接管内径
按管子标准圆整，取壳程流体进出口接管规格为无缝钢管。

六、换热器核算
1. 总传热系数K的计算
⑴ 管内传热膜系数
由 计算。
流体被加热，取n=0.4
管程流体流速
=

⑵ 管外传热膜系数
由 计算。
传热当量直径
=
壳程流通截面积
m
壳程流体流速

壳程中柴油被冷却，取 0.95

W/ (m2·℃ )
⑶ 污垢热阻和管壁热阻
管内、外侧的热阻均取 。已知管壁厚；取碳钢导热系数。
⑷ 总传热系数K
总传热系数K为：

⑸ 传热面积校核
所需传热面积
前已算出换热器的实际传热面积,则：

说明该换热器有17.7%的面积裕度，在10%～25%。满足此要求，能完成生产任务。
2. 壁温的计算
换热管壁温可由下式估算

已知：； ；

换热管平均壁温为

壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即，。壳体壁温与传热管壁壁温之差为

该温差小于50℃，故不需设置温差补偿装置。
3.核算压力降
⑴ 管程压力降

已知 。对于碳钢管，取管壁粗糙度

由关系图中查得

⑵ 壳程压力降
已知;,有

管子按正方形错列 ，
折流挡板间距
折流挡板数
壳程流通截面积

壳程流速

所以

计算结果表明，管程和壳程的压力降均能满足设计要求。
三、设计计算结果汇总表
换热器的工艺计算及结构设计的主要结果和主要尺寸汇总于下表：
工艺参数
管程
壳程
质量流量/(kg/h)
12500
15840
进/出口温度/℃
175/130
70/110
物性参数
定性温度/℃
152.5
90
密度/(kg/m3)
715
815
定压比热熔/[kJ/(kg·K)]
2.48
2.2
粘度/(Pa·s)
0.64×10-5
3×10-3
热导率/[W/(m·K)]
0.133
0.128
工艺主要计算结果
流速/(m/s)
0.910

污垢热阻
/[m2·K/ W]
0.0003
0.0003
阻力（压降）/kPa
19.89
2.049
对流传热系数/[W/(m2·K)]
1500
422.4
总传热系数K/[W/(m2·K)]
250
平均传热温差/℃
57.50
热流量/kW
387.5
传热面积裕度/%
17.7

设备结构设计

程数
4
1
推荐使用材料
碳钢
碳钢
换热器型式
浮头式换热器
台数
1
壳体内径/mm
400
传热面积/m2
31.6
管 径/mm
Ф25×2.5
折流板型式
上下
管 数/根
68
折流板数/个
29
管 长/m
6
折流板间距/mm
200
管子排列方式
正方形错列
切口高度/mm

管间距/mm
32
封头×2个

封头法兰

隔板

拉杆×4根
d=16mm
支座

管箱（非标准）

管箱法兰

定距管

管板

壳程接管

壳程接管法兰

管程接管

管程接管法兰

排气液管

排气液管法兰

九、总结
本次化工原理课程设计为期两周，是第一次进行工业设计。在刚拿到课程设计书的时候，我就不明白课程设计是什么。从刚刚开始做设计作业时感觉非常难，不知从何做起。于是按照给的例子一步一步的计算，很多数据都要查各种书籍才能找到，十分的复杂。经过两天以后基本熟悉了整个计算过程。计算完以后用word编辑公式也是很复杂的一个阶段，耗费了些时间。
这次化工原理课程设计使我明白了什么是设计、怎么设计、怎么用文字和图去表达出来。本次设计给我留下了很深的印象，让我从中收获很多。课程设计是指在学生的工程设计能力，对所学知识进行的一次综合性训练。这一次我们设计的是换热器。把课程设计与计算结合起来，其计算和CAD图结合，用CAD工程制图。用图纸来直观的表达，考察了我们的制图能力。
在我们查参考书的过程中，发现很多知识都是我们从未接触到的。一直以为我们学的已经很难了，原来只是最最基础的东西。本次设计我们的理解仅限于书本，对实际中的事物并不能够很好的了解。应该实践的去观察、了解到懂得。对于一些数据的选取，只是根据书上的公式或过程，并没有彻底的了解其用途或实际问题。总是觉得它在正确的范围即可，因而可能存在一定的误差，影响结果。
本次课程设计中，分为两组（单双号划分）。组里的同学相互学习，培养了我们在设计中的协作精神，也增进了我们之间的交流，沟通。通过课程设计使我们对所学知识的综合应用能力、分析和解决工程实际问题能力，计算机的应用能力等方面得到了提高，为明年的课设打了一定的基础，对我们很有帮助。

参考文献
1、 王国胜主编 化工原理课程设计 大连：大连理工大学出版社 2006.8月第2版
2、 陈敏恒、方图南编 化工原理 北极：化学工业出版社 2006.5月第3版
3、 GB4557.1-84机械制图图纸幅面及格式
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