化工原理课程设计

第 1 页 化工原理课程设计 目录 一 列管式换热器 1 1 列管式换热器简介 1 2 设计任务 1 3 列管式换热器设计内容 1 4 操作条件 1 5 主要设备结构图 二 概述及设计要求 2 1 换热器概述 2 2 设计要求 三 详细计算过程及步骤 1 确定设计方案 2 计算热负荷和冷流体的流量 3 计算温差和估计传热系数 4 估算换热面积 5 计算管程压降及给热系数 6 计算壳程压降及给热系数 7 计算传热系数 8 校核传热面积 五 换热器核算 六 设计结果汇总 七 设计评述 第 2 页 八 工艺流程图 九 主要符号说明 十 参考资料 一 列管式换热器 1 1 列管式换热器简介 列管式换热器又称为管壳式换热器 是最典型的间壁式换热器 历史悠久 占据主导作用 主要有壳体 管束 管板 折流挡板和封头等组成 一种流体 在关内流动 其行程称为管程 另一种流体在管外流动 其行程称为壳程 管 束的壁面即为传热面 其主要优点是单位体积所具有的传热面积大 传热效果好 结构坚固 可选用 的结构材料范围宽广 操作弹性大 因此在高温 高压和大型装置上多采用列 管式换热器 为提高壳程流体流速 往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂 直的折流挡板 折流挡板不仅可防止流体短路 增加流体流速 还迫使流体按 规定路径多次错流通过管束 使湍流程度大为增加 列管式换热器中 由于两流体的温度不同 使管束和壳体的温度也不相同 因此它们的热膨胀程度也有差别 若两流体温差较大 50 以上 时 就可能 由于热应力而引起设备的变形 甚至弯曲或破裂 因此必须考虑这种热膨胀的 影响 1 2 设计任务 1 任务 处理能力 3 10 5 t 年 煤油 每年按 300 天计算 每天 24 小时运行 设备形式 列管式换热器 2 操作条件 1 煤油 入口温度 150 出口温度 50 2 冷却介质 循环水 入口温度 20 出口温度 30 3 允许压强降 不大于一个大气压 备注 此设计任务书 包括纸板和电子版 1 月 15 日前由学委统一收齐上交 两人一组 自由组合 延迟上交的同学将没有成绩 1 3 列管式换热器设计内容 1 3 1 确定设计方案 1 选择换热器的类型 2 流程安排 1 3 2 确定物性参数 第 3 页 1 定性温度 2 定性温度下的物性参数 1 3 3 估算传热面积 1 热负荷 2 平均传热温度差 3 传热面积 4 冷却水用量 1 3 4 工艺结构尺寸 1 管径和管内流速 2 管程数 3 平均传热温度差校正及壳程数 4 传热管排列和分程方法 5 壳体内径 6 折流板 7 其它附件 8 接管 1 3 5 换热器核算 1 传热能力核算 2 壁温核算 3 换热器内流体的流动阻力 1 4 操作条件 某厂用循环水冷却煤油 欲将 3x10 5t y 的煤油从 150 冷却到 50 循 环水进 出口温度分别为 20 和 30 若要求换热器的管程和壳程压强降均不 大于一个大气压 试选择合适型号的列管式换热器 定性温度下煤油的物性参 数列于附表中 附 表 项 目 密度 kg m3 比热 KJ kg 粘度 Pa s 热导率 kJ m 煤 油 825 2 22 7 15X 10 4 0 150 1 5 主要设备结构图 示例 根据设计结果 可选择其它形式的列管换热器 1 挡板 2 补偿圈 3 放气嘴 固定管板式换热器的示意图 二 概述及设计要求 2 1 换热器概述 换热器是化工 炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备 在化工厂 换热 第 4 页 器的费用约占总费用的 10 20 在炼油厂约占总费用 35 40 换热器在其 他部门如动力 原子能 冶金 食品 交通 环保 家电等也有着广泛的应用 因此 设计和选择得到使用 高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有 十分重要的作用 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器 即简称换热器 是 将热流体的部分热量传递给冷流体的设备 换热器的类型按传热方式的不同可分为 混合式 蓄热式和间壁式 其中 间壁式换热器应用最广泛 1 固定管板式换热器 这类换热器如图 1 1 所示 固定管办事换热器的两端和壳体连为一体 管 子则固定于管板上 它的结余构简单 在相同的壳体直径内 排管最多 比较 紧凑 由于这种结构式壳测清洗困难 所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体 当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时 用使用管子于管板的接 口脱开 从而发生介质的泄漏 2 U 型管换热器 U 型管换热器结构特点是只有一块管板 换热管为 U 型 管子的两端固定 在同一块管板上 其管程至少为两程 管束可以自由伸缩 当壳体与 U 型环热 管由温差时 不会产生温差应力 U 型管式换热器的优点是结构简单 只有一 块管板 密封面少 运行可靠 管束可以抽出 管间清洗方便 其缺点是管内 清洗困难 哟由于管子需要一定的弯曲半径 故管板的利用率较低 管束最内 程管间距大 壳程易短路 内程管子坏了不能更换 因而报废率较高 此外 其造价比管定管板式高 10 左右 3 浮头式换热器 浮头式换热器的结构如下图 1 3 所示 其结构特点是两端管板之一不与外 第 5 页 科固定连接 可在壳体内沿轴向自由伸缩 该端称为浮头 浮头式换热器的优 点是党环热管与壳体间有温差存在 壳体或环热管膨胀时 互不约束 不会产 生温差应力 管束可以从壳体内抽搐 便与管内管间的清洗 其缺点是结构较 复杂 用材量大 造价高 浮头盖与浮动管板间若密封不严 易发生泄漏 造 成两种介质的混合 4 填料函式换热器 填料函式换热器的结构如图 1 4 所示 其特点是管板只有一端与壳体固定 连接 另一端采用填料函密封 管束可以自由伸缩 不会产生因壳壁与管壁温 差而引起的温差应力 填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单 制 造方便 耗材少 造价也比浮头式的低 管束可以从壳体内抽出 管内管间均 能进行清洗 维修方便 其缺点是填料函乃严不高 壳程介质可能通过填料函 外楼 对于易燃 易爆 有度和贵重的介质不适用 2 2 设计要求 完善的换热器在设计和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 可以从 增大传热系数 提高平均 温差 妥善布置传热面等三个方面具体着手 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 应遵循我国 钢制石油化工压力容器设计规定 和 钢制管壳式换热器设计规 定 等有关规定与标准 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 与拆卸 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 第 6 页 评价换热器的最终指标是 在一定时间内 通常 1 年内的 固定费用 设备的购置费 安装费等 与操作费 动力费 清洗费 维修费 等的总和 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 标准就尤为重要了 三 设计条件及主要物理参数 3 1 初选换热器的类型 1 确定设计方案 1 为了便于散热 循环水走管程 煤油走壳程 选择逆流 管内流速取 0 5m 2 热力学数据的获取 两流体进出口温度情况 热流体 煤油 进口温度 T1 150 出口温度 T2 50 冷流体 循环水 进口温度 t1 20 出口温度 t2 30 煤油的定性温度为 T 150 50 2 100 循环水的定性温度为 t 20 30 2 25 两流体的温差 C75210 mtT 根据两流体的定性温度查得它们的热力学性质如下表 物 性 流体 定性温度 密度 kg m3 粘度 mPa s 比热容 kJ kg 导热系数 W m 煤油 100 766 0 545 2 38 0 104 冷却水 25 997 0 894 4 17 0 608 2 计算热负荷 和冷流体的流量Q2mq 由热量衡算得 热负荷 kW65 274h g91674 501 38 4167 21 KTcqpm 课本213页式6 129 循环水流量 129 课 本 23页 式 6 0 6 23 17 45 22 skgtcqpmQ 3 计算温差 和估计传热系数m 估K 选取逆流取向 先按单壳程单管程考虑 计算出逆流平均温差 第 7 页 Ct 120351 Ct 30252 132 课 本 2页 式 6 ln3l21649逆 ttm 计算参数 R 及 P 课 本 29页 1023512 tT课 本 页 8 按单壳程双管程结构 查单壳程 图 因 在图上难以RP 08 1 P 读取 由于单壳程双管程属于 1 2 折流 现用 1 2 折流的公式计算平均温度 差 查 阅 资 料 6 51018 02ln23112ln222 RPttm 其中 0 8 86 0945 则有 160 课 本 29页 式 5 逆mt 按经验数值初选总传热系数 选取 20 35W K 估 4 估算换热面积 23mm05 148 5067tQA 估 选用 的无缝钢管 管内流速为 0 5m s 219 根据 可以选择下述标准换热器 查附录得 排列方式 正三角形 估 公称直 径 DN mm 公称压 力 PN MPa 管程数 N 管子根 数 n 中心排 管数 TN 管程流 通面积 m2m19 换热管 长度 L mm 管心距 mm 换热 面积 m2 第 8 页 600 2 2 416 23 0 0368 6000 25 146 5 课本298页管壳式换热器系列标准 5 计算管程压降 及给热系数t i 根据标准换热器提供的参数管程流动面积 210368 mA 62 课 本 3页 式 1课 本 页 式 129 课 本 3页 式 6 381400894 71Re 36 7 0 6 2 45 212 iimipdusmAqskgtcQ 管程给热系数 i CmWcididipiii 2 4 0338 0 4 08 04 08 8906 19173156 Re2Pre02 41 课 本 18页 式 6 取钢的管壁粗糙度为 0 1mm 则 03 381465 0Re61 2 23 0 id 管程压降 152 课 本 27页 式 6 1 08 7495 80 19251023 2MPauNfliptt 6 计算壳程压降 及给热系数s 0 挡板间距 B 取 0 9m 第 9 页 34 课 本 18页 式 6课 本 页 式 148 课 本 27页 式 63课 本 1页 式 49 课 本 27页 式 6 472 1045 1382Pr 806 7 Re 073 19 43 752 4234 16 07 601 3 259 930 2210 202 普 朗 特 数雷 诺 数煤 油 煤 油煤 油 Cpdu ml smAquldBDm 壳程中有机物被冷却 课 本 页 95 1 W Cmde 2315014 031 0 7 3695 72 84 PrR 42 课 本 18页 式 6 取折流挡板间距 B9 管束中心线管数 3TN 壳程流动面积 27501054 639Re 3 76146 9 00210 202 udsmAqDmTC煤 油 因 5 83 Re 28 0 f 管子排列为三角形 F 0 5 f s 1 15 挡板数 67 519 6 BB NlN取 整 数 壳程压降 第 10 页 MPaufDBNFf sBTCs1 09 325 2103 765 16 0925 3638 1200 156 和 课 本 8页 式 7 计算传热系数 计K 污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻 W C1720 O mR外 管内侧污垢热阻 内 取钢管壁厚 热导率m3102 14 5 K C WO 2 30 9 405 4 5102 172 63781mRKi 外内计 8 校核传热面积 2359 1 648 094527mtKQAm 逆计计 所选换热器 2 10 59 26 计A 考虑安全系数和初估性质 因而常取实际传热面积为计算值的 1 15 1 25 倍 即取面积宽裕度范围为 15 25 所以 选择的换热器符合要求 五 换热器核算 5 1 热量核算 第 11 页 5 1 1 壳程对流传热系数 对圆缺形的折流板 可采用克恩公式 00 36edua 0 14pwc 计算壳程当量直径 由正三角形排列可得 0 020m 42ed 0 t 025 143 78 2 2 壳程流通截面积 So 0 018 032 1 402 td BD 1o 2m 壳程流体流速为 0 097m s0140 53 2360 894vmqu sA 5 雷诺准数为 Reo 78 31040742 5 oud 普兰特准数为 Pro 5 91 26 c Nu 0 36 物料被冷却 粘度校正 取 1 0 5 3RePr 0 14w 0 4w 将数值代入上式 Nu 64 013 15 07983146 0 440 39W m2 oodNu 025 5 1 2 管程对流传热系数 管道流通面积 Si 0 785 0 022 0 005966m2476 管程流体流速 第 12 页 ui sm 76 00596 3 12 雷诺准数为 Rei 8 148 7 普兰特准数为 Pri 56 041 3681 74W m2 4 08 01619423 i 5 1 3 传热系数 K 根据冷热流体的性质及温度 在 GB151 99P140 141 选取污垢热阻 污垢热阻 Rsi 0 00058m2 W Rso 0 00017 m2 W 管壁的导热系数 45 m2 W 管壁厚度 b 0 0025 内外平均厚度 dm 0 0225 在下面的公式中 代入以上数据 可得 osioisioRdbdK 11 39 4017 025 402 58 02 7436815 280 43W m2 所以 K 的裕度为 h 22 0 36 5 2 壁温核算 由于换热管内侧污垢热阻较大 会使传热管内侧污垢热阻较大 会使传热 管壁温升高 减低了传热管和壳体的壁温之差 但在操作初期 污垢热阻较小 壳体和传热管间壁温差可能较大 计算中应按最不利的操作条件考虑 因此 取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温 hc m1t Ttw 式中液体的平均温度 和 为 tmT 250321 tm 第 13 页 10251 Tm W m2 368 74ic W m2 09oh 传热管平均壁温 18 3694017 3682510 wt 壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度 即 T 100 壳体壁温和传热管壁温之差为 t 由于换热器壳程流体的温差不大 壳程压力不高 因此 选用固定管 板式换热器较为适宜 5 3 壳程和管程的压力降的计算 因为壳程和管程都有压力降的要求 所以要对壳程和管程的压力降分别进 行核算 5 3 1 管程压力降 管程压力降的计算公式为 psNpi 21 Rei 18894 68 前面已求 为湍流 取绝对粗糙度 05 21 d 0i m 查 关 联 图 可 得 摩 擦 因 数 3 0 e Ra67 82 079532up a36 019 95dl 221i PP 另外 式子中 壳程数 Ns 1 管程数 Np 4 代入公式中 有 psNpi 21 3019 36 862 67 1 4 15528 12Pa 1 013x10 5pa 5 3 2 壳程压力降 由于壳程流体的流动状况比较地复杂 所以计算壳程流体压力降的表达式 有很多 计算结果也相差很大 下面以埃索法计算壳程压力降 壳程压力降埃索法公式为 第 14 页 0sPFN 12 流体横过管束的压力降 Pa 1p 流体通过折流挡板缺口的压力降 Pa 2 Fs 壳程压力降的垢层校正系数 无因次 对于液体取 1 15 对于气体 取 1 0 Ns 壳程数 而 0 86 nc 11 NB 29 uo 0 0 2 0 2810 0 5Re3c cPFfNFfN 0Bu 其 中 97m s F 管子排列方法对压力降的校正系数 对正三角形排列 F 0 5 对正 方形斜转 45o 排列 F 0 4 正方形排列 F 0 3 fo 壳程流体的摩擦系数 当 Re 500 时 28 0 e5 of nc 横过管束中心线的管子数 对正三角形排列 NB 折流挡板数 代入数值得 0 5 0 86 11 30 950 634 19Pa 1p 2 097 而 其中 h 0 2m d 0 4m NB 29 202BuN h 3 5 D D 壳径 m h 折流挡板间距 m do 换热器外径 m uo 按壳程流通截面积 S 计算的流速 而 S h D ncdo 0 025 2m 故 smu7 0952 036 o 代入数值得 29 3 5 168 74Pa 202BupN h D 0 42 07 952 对于液体 1 15 于是我们有 sF 1 15 1 634 19 168 74 0sP 12 第 15 页 923 37Pa 1 013X10 5pa 经过以上的核算 管程压力降和壳程压力降都符合要求 六 设计结果汇总 计算数据如下表 项目 管子 壳体 操作压力 MPa 0 9 0 9 材质 20 钢 20R 线膨胀系数 1 61 80 61 80 弹性模量 MPa 22 许用应力 MPa 130 133 尺寸 mm 5 30 706 管子根数 235 管壳温差 60t 管子与管板连接 方式 开槽胀接 胀接长度 mm 43mm 许用拉脱应力 MPa 4 0 在操作压力下 管子每平方米胀接周边上所受到的力 0pfqdl 其中 22220 86 86359644fadm 0 9 pMPlm 第 16 页 0 9360 11425pqMPa 温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力 0 tipdl 其中 1tstsEA 23 47063snADm 中 22 201 5 54107tid 则 66 80 3 4713t MPa 236 1 50 894tqPa 由已知条件可知 与 的作用相同 都使管子受压 则管子的拉脱力 pqt 1 94 0tpqMaa 因此 拉脱应力在许用范围内 七 设计评述 在化工 石油 动力 制冷 食品等行业中广泛使用各种换热器 它们 也是这些行业的通用设备 并占有十分重要的地位 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 不同类型的换热器也各有优缺点 性能各异 列管式换热器是最典型的管壳式换热器 它在工业上的应用有着悠 久的历史 而且至今仍在所有换热器中占据主导地位 列管式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器 这种换热器结构较简单 操作可靠 可用各种结构材料 主要是金属材料 制 造 能在高温 高压下使用 是目前应用最广的类型 由壳体 传热管束 管板 折流板 挡板 和管箱等部件组成 壳体多为圆筒形 内部装有管束 管束两端固定在管板上 进行换热的冷热两种流体 一种在管内流动 称为管 程流体 另一种在管外流动 称为壳程流体 为提高管外流体的传热分系数 通常在壳体内安装若干挡板 挡板可提高壳程流体速度 迫使流体按规定路程 多次横向通过管束 增强流体湍流程度 换热管在管板上可按等边三角形或正 方形排列 等边三角形排列较紧凑 管外流体湍动程度高 传热分系数大 正 方形排列则管外清洗方便 适用于易结垢的流体 第 17 页 流体每通过管束一次称为一个管程 每通过壳体一次称为一个壳程 为提高 管内流体速度 可在两端管箱内设置隔板 将全部管子均分成若干组 这样流体 每次只通过部分管子 因而在管束中往返多次 这称为多管程 同样 为提高 管外流速 也可在壳体内安装纵向挡板 迫使流体多次通过壳体空间 称为多 壳程 多管程与多壳程可配合应用 由于管内外流体的温度不同 因之换热器 的壳体与管束的温度也不同 如果两温度相差很大 换热器内将产生很大热应 力 导致管子弯曲 断裂 或从管板上拉脱 因此 当管束与壳体温度差超过 50 时 需采取适当补偿措施 以消除或减少热应力 进行换热的冷热两流体 按以下原则选择流道 不洁净和易结垢流体宜走管程 因管内清洗较方便 腐蚀性流体宜走管程 以免管束与壳体同时受腐蚀 压力高的流体宜走管 程 以免壳体承受压力 饱和蒸汽宜走壳程 因蒸汽冷凝传热分系数与流速 无关 且冷凝液容易排出 若两流体温度差较大 选用固定管板式换热器时 宜使传热分系数大的流体走壳程 以减小热应力 通过此次设计 了解了很多关于换热器的知识 如换热器的选型 换 热器结构和尺寸的确定 以及计算换热器的传热面积和流体阻力等等 最最重 要的是我深刻认知做设计计算时要非常小心 因为一不留神就会出错 如果前 面错了没发现 后面就全错 这是设计中的禁忌 设计内容很多 必须要付出 努力才可以 为此 也要感谢老师及同学的互相帮助 八 工艺流程图 九 主要符号说明 第 18 页 英文字母 B 折流板间距 m C 系数 无量纲 d 管径 m D 换热器外壳内径 m f 摩擦系数 F 系数 h 圆缺高度 m K 总传热系数 W m2 L 管长 m m 程数 n 指数 管数 程数 N 管数 程数 NB 折流板数 Nu 努塞尔特准数 P 压力 Pa 因数 Pr 普兰特准数 q 热通量 W m2 Q 传热速率 W r 半径 m 气化潜热 kJ kg R 热阻 m2 W 因数 e 雷诺准数 S 传热面积 m2 t 冷流体温度 管心距 m T 热流体温度 u 流速 m s W 质量流量 kg s V 体积流量 m3 s 第 19 页 希腊字母 对流传热系数 W m2 有限差值 导热系数 W m 粘度 Pa S 密度 kg m3 校正系数 下标 c 冷流体 h 热流体 i 管内 m 平均 o 管外 s 污垢 第 20 页 十 参考文献 1 郭庆丰 潘国昌 化工设备设计手册 北京 清华大学出版社 1998 2 刘光启等 化工物性算图手册 M 化学工业出版社 2002 年 第 1 版 3 贾绍义 柴诚敬 化工原理课程设计 M 天津大学出版社 2002 年 第一版 4 韩冬冰 李叙凤 化工工程设计 北京 学苑出版社 2000 5 钱颂文 换热器手册 浙江 化工原理出版社 6 柴诚敬 张国亮主编 化工流体流动与传热 北京 化学工业出版社 2008 7 李国庭等编著 化工设计概论 北京 化学工业出版社 2008 8 杨世铭 陶文铨编著 传热学 北京 高等教育出版社 2006 9 李国庭等编著 化工设计概论 北京 化学工业出版社 2008 10 王国胜 化工原理课程设计 M 大连理工大学出版社 2006 年 第 1 版 11 柴诚敬 化工原理 上册 M 北京 高等教育出版社 2005