化工原理课程设计列管式换热器.doc

课 程 设 计

课程名称
化工原理课程设计
题目名称
列管式换热器设计
专业班级

学生姓名

学号

指导教师

目录
1．课程设计任务书 …………………………………………………………………………1
2．概述 ………………………………………………………………………………………3
3. 课程设计说明书 …………………………………………………………………………4
3.1拟定设计方案………………………………………………………………………4 3.1.1选择换热器的类型………………………………………………………………4
3.1.2流动空间及流速的确……………………………………………………………4
3.2拟定物性数据………………………………………………………………………4
3.3计算传热系数…………………………………………………………………………5
3.3.1热流量……………………………………………………………………………5
3.3.2平均传热温度差…………………………………………………………………5
3.3.3循环冷却水用量…………………………………………………………………5
3.3.4总传热系数K ……………………………………………………………………5
3.4计算传热面积…………………………………………………………………………6
3.5工艺结构尺寸…………………………………………………………………………6
3.5.1管径和管内流速…………………………………………………………………6
3.5.2管程数和传热管数………………………………………………………………6
3.5.3平均传热温差校正及壳程数……………………………………………………7
3.5.4传热管排列和分程方法…………………………………………………………7
3.5.5壳体内径…………………………………………………………………………7
3.5.6折流板……………………………………………………………………………7
3.5.7接管………………………………………………………………………………7
3.6换热器核算……………………………………………………………………………8
3.6.1热量核算…………………………………………………………………………8
3.6.2换热器内流体的流动阻力 ……………………………………………………10
3.7换热器重要结构参数及附图 ………………………………………………………12
4.设计论述 …………………………………………………………………………………13
5．参考文献…………………………………………………………………………………13

1.《化工原理课程设计》任务书

一、设计题目
列管式换热器设计
二、设计任务
某生产过程的流程如图所示，反映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℃，之后进入吸取塔吸取其中的可溶组分。已知混和气体的流量为M×104㎏/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，完毕该生产任务。

三、设计原始资料（技术参数）
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
恒压比热容 =3.297kJ/(kg.℃)
导热系数 =0.0279w/(m.℃)
粘度
循环水在34℃下的物性数据：
密度 =994.3㎏/m3
恒压比热容 =4.174kJ/(kg℃)
导热系数 =0.624w/(m℃)
粘度

四、工作计划
1、领取设计任务书，查阅相关资料（1天）；
2、拟定设计方案，进行相关的设计计算（2天）；
3、校核验算，获取最终的设计结果（1天）；
4、编写课程设计说明书（论文），绘制草图等（1天）。
五、设计成果规定
1、通过查阅资料、设计计算等最终提供课程设计说明书（论文）电子稿及打印稿1份，并附简朴的设备草图。
2、课程设计结束时，将按以下顺序装订的设计成果材料装订后交给指导教师：
（1）封面（具体格式见附件1）
（2）目录
（3）课程设计任务书
（4）课程设计说明书（论文）（具体格式见附件2）
（5）参考文献
（6）课程设计图纸（程序）
六、几点说明
1、本设计任务合用班级：2023生物工程（本）1班
其中：学号1-11号，M=1.2；学号12-22 号，M=3.0；学号23-33号，M=5.0。
2、课程设计说明书（论文）格式也可参阅《蚌埠学院本科生毕业设计（论文）成果撰写规范》中的相关内容。

2.概述
在不同温度的流体间传递热能的装置成为热互换器，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，对能源运用、开发和节约的规定不断提高，因而对换热器的规定也日益加强。
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陷，性能各异。在换热器设计中，一方面应根据工艺规定选择合用的类型，然后计算换热所需传热面积，并拟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规定。
（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，通过反复比较，使所设计的换热器具有尽也许小的传热面积，再单位时间内传递尽也许多的热量。
（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）有助于安装、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送与装拆，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，假如有几种换热器都能完毕生产任务的需要，这一指标尤为重要。

3.课程设计说明书
（一）拟定设计方案
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，因此初步拟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.流动空间及流速的拟定
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1m/s。
（二）拟定物性数据
定性温度：可取流体进出口温度的平均值。
壳程热空气的定性温度为

管程流体的定性温度为

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

热空气在6.9MPa，85℃下的有关物性数据如下：
密度 ρi=90 kg/m³
定压比热容 cpi =3.297 kJ/(kg·℃)
导热系数 λi=2.79×10-2 W/(m·℃）
黏度 μi=1.5×10-5 Pa·s
循环水在0.4MPa，34℃下的有关物性数据如下：
密度 ρo=994.3 kg/m³
定压比热容 cpo=4.174 kJ/(kg·℃)
导热系数 λo=0.624 W/(m·℃）
黏度 μ0=74.2×10-5 Pa·s

（三）计算传热系数
1. 热流量
Qi = mi Cpi (T1－T2) =50000/3600×3.297×10 3 ×（110-60）=2289.58×( w)

2．平均传热温度差

3．循环冷却水用量
mo ==2289.58×10 3/[4.174×10 3×(39-29)]=54.85(kg/s)

4. 总传热系数K
管程传热系数

壳程传热系数
假设壳程的传热系数λ0=390W/(m2·℃)
污垢热阻
热空气侧的热阻Rsi＝0.000344m2·℃/W
冷却水侧的热阻Rso＝0.000172m2·℃/W
钢的导热系数λ＝45W/(m·℃ )

=281.1W/(m·℃ )
(四) 计算传热面积

考虑15％的面积裕度， S=×1.15=195.2（）

(五) 工艺结构尺寸
1. 管径和管内流速
选用φ25×2.5mm的传热管(碳钢管)，可设管内冷却水流速ui＝1m/s 。

2. 管程数和传热管数
依据传热管内径和流速拟定单程传热管数

按单程管计算，所需的传热管长度为

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 m ，则该换热器管程数为

Np=L/l =17.7/6≈4(管程）

传热管总根数 N = 176×4= 704（根）

3.平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
R==
P==
按单壳程、四管程结构，温差校正系数查教材图可得=0.95
平均传热温差= (℃)

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=1.25，则：
t=1.25×25≈31.25＝32（mm）
横过管束中心线的管数：

5. 壳体内径
采用单管程结构，取管板运用率η=0.7，则壳体内径为：

圆整可取D=1100mm

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25%，则切去的圆缺高度为h=0.25×1100=275mm ，故可取h=2750mm.
取折流板间距B=0.3D，则：
B=0.3×1100=330（mm）
为了便于制造和维修，减小阻力，取B为300mm。
折流板数

折流板圆缺面水平装配。
7. 接管
壳程流体进出口接管：取接管内热空气流速为u=20m/s，则接管内径为

取标准管径为89mm。
管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s，则接管内径为

取标准管径为219mm。

(六）换热器核算
1.热量核算
⑴壳程对流传热系数 对于圆缺形折流板，可采用Kern公式：

①水做冷却剂时，粘度校正为
②当量直径，管子为正三角形排列时
de＝
＝
＝0.020（m）

③壳程流通截面积

So = BD(1－)
=0.3×1.1×（1－0.025/0.032）＝0.0722（）
④壳程热空气的流速及其雷诺数分别为

⑤普朗特准数

因此，壳程热空气的传热膜系数为

(2)管程对流传热系数

①管程流通截面积

②管程循环水的流速及其雷诺数分别为

③普朗特准数

因此，管程循环水的传热膜系数

(3)总传热系数Ki
冷却水侧的热阻Rso＝0.000172m2·℃/W
热空气侧的热阻Rsi＝0.000344m2·℃/W
钢的导热系数λ＝45W/(m2·℃)
根据

=350.7 W/ (m2·℃)
此计算值与前面的初设值Ki‘=156.3 W/ (m2·℃)的关系：

满足换热器设计所规定的Ko/Ki‘=1.248(1.15,1.25)，初选的换热器合适。
(4) 传热面积
Si＝Qi/(△tm)＝2289.58×103/（350.7×48）＝136.0 (m2)
该换热器的实际传热面积Sp
Sp==3.14×0.02×(6-0.06)×（704-32）
=250.7(m2)
面积裕度为
=（250.7-136.0）/136.0=84.3％
由于所用管程数取值与所求相差大，故换热器裕度较大。

2. 换热器内流体的流动阻力
（1）管程流动阻力
总压降：∑△pi＝（△p1+△p2）Ft Ns Np
Ns=1 Np=4 Ft=1.4
①直管部分的压降
△p1=
由管内流体： Re=13373 ,传热管相对粗糙度e/d=0.1/20=0.005
查莫狄摩擦系数图，得：λi=0.028

②弯管回路中的压降

因此总压降为
∑△pi＝（△p1+△p2）Ft Ns Np=（1039.8+371.4）×1.4×4×1
=7902.7Pa<100kPa
管程流动阻力在允许范围之类。
（2） 壳程阻力
总压降：∑△po＝（△，p1＋△’p2）Fs Ns
Ns=1 Fs=1.0
①流体横过管束的压降
△’p1=Ffonc(NB+1)
其中： F=0.5
fo=5.0×(256560）-0.228=0.292
nc=32
NB=19
uo=2.138m/s
△’p1=0.5×0.292×9×(19+1)×(90×2.1382)/2 ＝600.6（Pa）
②流体流过折流板缺口的阻力
△’p2＝NB（3.5－）
B=0.30m D=1.10m

因此总阻力
∑△po=(100.6+9415.3）×1×1=10015.9Pa<100kPa
壳程流动阻力也比较适宜。
（七）换热器重要结构尺寸、计算结果及附图如下表所示
表 换热器重要结构参数、计算结果及附图

换热器型式：固定管板式
管口表参数
换热面积/m2 :250.7
管号
尺寸
用途
连接型式
工艺参数
a
DN219
循环水入口
平面
名称
管程
壳程
b
DN219
循环水出口
平面
物料名称
循环水
混合空气
c
DN89
热气体入口
凹凸面
操作压力/MPa
0.4
6.9
d
DN89
热气体出口
凹凸面
操作温度（进/出）/℃
29/39
110/60
附图
流量/(kg/s)
54.85
13.89
流体密度/(kg/m3)

994.3
90
流速/(m/s)
0.499
2．138
传热量/kW
2289.58
总传热系数/[W/(m2·K)]
350.7
对流传热系数/[W/(m2·K)]
2723
578
污垢热阻/[m2·K/ W]
0.000344
0.000172
阻力降/KPa
7.903
10.016
程数
4
1
推荐使用材料
碳钢
碳钢
管子规格
管数 704
管长/mm 6000
Ф25×2.5
管间距/mm
排列方式
正三角形
32
折流板型式
间距/mm
300
切口高度 25％
上下
壳体内径/mm
1100
传热面积裕度/%
84.3

4． 设计评述
固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，结构简朴；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑，本设计由于换热任务较大，故管数较多。由于这种结构使壳侧清洗困难，所以壳程走不易结垢的混合气体。
在设计过程中应尽量做到：
1、增大传热系数。在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的情况下，尽量选择较高的流速。
2、提高平均温差。对于无相变的流体，采用逆流的传热方式，不仅可提高平均温差，尚有助于减少结构中的温差应力。
3、妥善布置传热面。本设计采用合适的管间距和排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。并且错列管束的传热方式比并列的好。

5.参考文献
[1] 蔡诚敬，等. 化工原理：上册.2版 北京：高等教育出版社，2023
[2] 夏清，等. 化工原理：上册.2版 天津：天津大学出版社，2023
[3] 吴俊，宋孝勇，等. 化工原理课程设计 上海：华东理工大学出版社，2023
[4] 时钧，汪家鼎等.化学工程手册，北京：化学工业出版社，1996
[5] 大连理工大学化工原理教研室.化工原理课程设计.大连理工大学出版社，1994
[6] 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
[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