华东理工化工原理课程设计

华东理工大学2010级化工原理课程设计
一．前言
1.换热器的相关说明
换热器（heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。

是进行热交换操作的通用工艺设备。

被广泛应用于化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。

在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。

换热器种类很多，根据使用目的可分为冷却器、加热器、冷凝器和汽化器；根据结构材料可分为金属材料换热器和非金属材料换热器；尤其是根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。

在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。

据统计,这类换热器占总用量的99 %。

间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类,其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验,其设计资料比较齐全,在许多国家都有了系列化标准。

近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。

如何确定最佳的换热器,是换热器优化的问题。

2．泵的评价与选用
泵的性能参数主要有流量和扬程，此外还有轴功率、转速和必需汽蚀余量。

流量是指单位时间内通过泵出口输出的液体量，一般采用体积流量；扬程是单位重量输送液体从泵入口至出口的能量增量，对于容积式泵，能量增量主要体现在压力能增加上，所以通常以压力增量代替扬程来表示。

3.设计任务书的作用
本设计书对指定有机物进行冷却，如何选择合适的换热器，如何合理安排操作管路以及如何选择合适的离心泵作出详细的计算说明。

二．设计任务
一．工艺要求
要求将温度为78℃的某液态有机物冷却至60℃，此有机物的流量为9.85kg/s。

现拟用温度为t1=20℃的冷水进行冷却。

要求换热器管壳两侧的压降皆不应超过0.1Mpa。

已知有机物在69℃时的物性数据如下：
二．流程：
管路布置如图（右方参考图），
已知泵进口段管长L进=5米，泵出
口段管长L出=15米，（均不考虑局
部阻力损失）
三．要求
1.选用一个合适的换热器
2.合理安排管路
3.选用一台合适的离心泵
三．计算结果明细表（1）管壳式换热器的规格
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
管程流通
面积/m2
换热管
长度
L/mm
管心距
/mm
换热面
积/m2
325 —— 2 88 10 0.0078 3000 25 15.2 （2）离心泵的型号规格
型号转速
n/(r/mi
n)
流量扬程
/m
效率功率必需气蚀量
（NPSH）r/m
质量（泵/
底座）/kg m3/h L/s 轴功
率
电机
功率
IS65- 50-125 2900 15 4.17 21.8 58 1.54 3 2.0 50/41
25 6.94 20 69 1.97 2.5
30 8.33 18.5 68 2.22 3.0
（3）计算数据结果记录
项目结果单位冷却剂出口温度36
循环水定性温度28
热负荷393.606 kW 冷却水质量流量 5.894
并流对数平均温差38.53
逆流对数平均温差40.99
估算换热面积14.77
管程流动面积0.0078
管内冷却水流速0.759
管程给热系数3891.74
摩擦系数0.0358
管程压降8741.72 Pa
壳程流动面积0.0264
壳程有机物流速0.659
当量直径0.0144 m
壳程给热系数1568.06
壳程压降4903.46 Pa
核算传热系数757.18
校核传热面积12.68
冷却水流量29.736
总局部阻力系数18.65
阻力损失 4.57 m
压头（扬程）16.236 m
四．计算过程
一．选择合适的换热器
1.确定物性数据
设计方案：冷却水：用温度t1=20℃的河水进行冷却，从Δtm>10℃及防止水中盐类析出为原则，选择出口温度为36℃。

考虑到冬季使用时，其进口温度较低，换热器管壁温与壳体壁温之差较大；夏季时河水的温度变化也不是很大，因此选用管壳式换热器。

从二种流
体的物性来看，由于冷却水较易结垢，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，所以从综合考虑，应使冷却水走管程，有机液态化合物走壳程，并且保证冷却水的流速不宜过慢。

入口温度为t 1=20℃，出口温度为t 2=36℃ 冷却水的定性温度为t m =（20+36）/2=28℃ 两流体的温差T m -t m =69-28=41℃ 两流体在定性温度下的物性数据如下 物性 流体 温度 ℃ 密度 kg/m3 粘度
mPa ·s 比热容
kJ/(kg ·℃) 导热系数
W/(m ·℃) 有机物 69 997 0.6 2.22 0.16 循环水
28
995.7
0.8012
4.174
0.6171
2.计算热负荷Q 和2m q 由热量衡算
换热器的总的换热量:W T T c q p m k 606.393)6078(22.285.9)(Q 2111=-⨯⨯=-= 冷却水所需的流量：
s
kg t t c q p m /894.5)
2036(174.4606
.393)(Q 1222=-⨯=-=
3.计算温差m t ∆和估计传热系数估K
并流时，Δt 1=T 1-t 1=78-20=58℃，Δt 2=T 2-t 2=60-36=24℃ 逆流时，Δt 1=T 1-t 2=78-36=42℃，Δt 2=T 2-t 1=60-20=40℃
由于在相同的流体进出口温度下，逆流流型具有较大的传热温差，所以选择逆流。

由于水与中有机物的传热系数K 在290～698 之间, 故取总传热系
数K 现暂取：C W/m 6502
︒⋅=K
4.估算换热面积
5.根据条件选取合适的换热器
根据估A 可以选择下述标准换热器（查附录得）：
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
管程流通面积/m2
换热管长度L/mm
管心距/mm
换热面积
/m2
325 —— 2 88 10 0.0078 3000 25 15.2
Ⅰ.传热管排列与分程方法：
采用组合排列法，即每程内均按照正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。

取管心距l=1.25d 0则l=1.25*19=23.75mm 取l=24mm 隔板中心到离其最近一排管中心距离为：
S=l /2+6=24/2+6=18mm 则各程相邻管的管心距为36mm 管束的分程方法，每程各有传热管44根，其前后管箱中隔板设置和介质的流通顺序按书上图所示 Ⅱ. 壳体内径：
采用多壳程结构，其壳程内径：
取管板利用率η =0.7 则D=282.55mm 按卷制壳体的进级挡可取D=300mm Ⅲ. 折流板间距：
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，使管外给热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。

一般取挡板间距为壳体内径的0.2～1.0 倍。

故取B=240mm
6.计算管程压降Δрt 及给热系数i α
根据标准换热器提供的参数管程流动面积: 210078.0m A = 管内冷却水流速: 管程给热系数i α：
取钢的管壁粗糙度ε为0.1mm ，则 管程压降：
7. 计算壳程压降Δрs 及给热系数
0α
壳程中有机物被冷却，
95
.014
.0=⎪
⎪⎭⎫ ⎝⎛W μμ
其大于估算的K 值,故可行。

管束中心线管数10=TC N 壳程流动面积：
因,500Re >()
590.080.118075Re 5228
.0228.00=⨯==--f 管子排列为三角形，F=0.5，fs=1.15 壳程压降：
()()MPa
Pa u f D B N N N Ff ps s
B B T
C 1.046.49032374.099715.13.024.025.31211210590.05.0225.3122
00<=⨯
⨯⨯⎥⎦⎤⎢⎣
⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛
⨯-⨯++⨯⨯⨯=⎥⎦⎤⎢⎣
⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛
-++=∆ρ8.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
/C 176000.0O 2⋅=m R 外
管内侧污垢热阻W
/C 21000.0O 2⋅=m R 内
取钢管壁厚m 3
102-⨯=δ，热导率1150--⋅⋅=K m W λ
9.校核传热面积
所选换热器：2
2.15m A =
所以选择的换热器符合要求。

二．安排管路和选择合适的离心泵 1．管径初选
初取水合适流速 s m u 5.1=
由于71.36mm 不是标准管径，因此确定d=73mm 壁厚3mm 的热轧无缝钢管
符合经济流速范围
故确定：s m u /68.1= d=73mm 壁厚3mm 2.压头He
在水槽液面及压力表处列柏努利方程 取mm 15.0=ε，
00224.0/=d ε，
查图得 局部阻力： 底阀一个
标准90°弯头3个 球心阀1个（全开）
另外：突然减小ξ=0.5，突然增大ξ=1.0 故 65.180.15.85.04.6375.0=++++⨯=∆ξ 换热器压降
对泵的压头安全系数取1.1，
=1.1⨯14.76=16.236m
对流量的安全系数取1.4，q ve =1.4⨯21.24=29.736h m /3 3.泵的选择
因为是输送河水，并且根据v q 和He 以及IS 型离心泵系列特性曲线可以选用清水泵，由以上数据查表得取泵：IS65-50-125 其参数为：转速：2900 r / min 流量30 m3 / h 扬程：H=18.5m 效率：68% 轴功率：2.22kW 必需汽蚀余量:3m
五．附录
（1）相关流体的物理性质
物性
流体
温度 ℃ 密度 kg/m 3 粘度 mPa ·s 比热容 kJ/(kg ·℃)
导热系数 W/(m ·℃) 有机物 69 997 0.6 2.22 0.16 循环水
28
995.7
0.8012
4.174
0.6171
（2）计算使用的物理数据 管外侧污垢热阻 ：
W
/C 176000.0O 2⋅=m R 外
管内侧污垢热阻 ：
W
/C 21000.0O 2⋅=m R 内
钢管热导率 ：1
150--⋅⋅=K m W λ
六．符号说明
主要符号说明
符号 意义 计量单位
A
面积 m 2
定压比热容
d 管径 m g
重力加速度 m/s 2
单位重量流体的机械能
损失
m
l 管路长度 m m
质量 kg
虚拟压强
Pa p 流体压强 Pa p a 大气压 Pa B 挡板间距 m T 周期时间 s t 时间 s t 温度 ℃ u 流速 m/s q v 体积流量 m 3/s q m
质量流量 Kg/s 绝对粗糙度 mm 局部阻力系数 摩擦系数 动力黏度
密度
Kg/m 3
He 有效压头 m D 换热器壳径 m
f 校正系数 f 0 壳程流体摩擦系数
K 传热系数 N T 管子总数
Q
热流量 W 或J/S
给热系数
热导率
数群
Gr
格拉私霍夫数2
2
3μ
ρβtl g ∆ Nu
努塞尔数
λ
αl Pr
普朗特数
λμ
p c
Re
雷诺数
μ
ρ
du
下标
g 气体的 m 平均 w 壁面的 s 壳程的 t 管程的 有
有机物的
七．设计说明
需要冷却的有机物走壳程，冷却剂走管程；
有机物可以采取逆流的方式；
换热器说明：
1.采用光滑管
光滑管结构简单，制造容易。

缺点是它强化传热的性能不足。

为了提高换热器的传热系数，可采用结构形式多样化的管子，如异性管，翅片管，螺纹管等。

2.选用mm
Φ的换热管。

19⨯
2
3.本设计中采用3米长的换热管。

4.管子的排列形式：本设计中采用正三角形错列的排列方式，而在隔板两侧采用正方形直列。

5.采用多管程，故管板中间要留有隔板的位置。

6.允许折流板的间距与管径有关，取折流板间距B=0.15m
管路布置如图所示：
（1）管路选择73mm×3mm的钢管，至
少使用下列零件：底阀1个；标准90°
弯头3个；球心阀1个。

（2）由于计算所得有效压头为14.76m，
（安全压头为16.236m）；有效流量为
21.24m3/h（安全流量为29.736 m3/h），根据离心泵特性曲线和工作点，选取型号为IS65-50-125的离心泵。

八．参考文献
[1] 陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋化工原理第三版（上册）化
学工业出版社
[2] 王元文，陈连.管壳式换热器的优化设计[J].贵州化工，2005，30（1）：27-31.
[3]匡国柱，史启才。

化工单元过程及设备课程设计2002 版。