化工课程设计--用水冷却煤油产品的多程列管式换热器设计

化工课程设计--用水冷却煤油产品的多程列管式换热器设计
化工原理课程设计
设
计
书
专业年级 2011级应用化学
小组成员
指导教师
日期 2014-5-27
目录
目录…………………………………………………
第一章设计任务书 (1)
第二章概述 (2)
第三章结构设计与说明 (4)
第四章换热器的设计计算 (5)
第五章总结 (16)
第六章参考文献 (18)
第一章设计任务书
一、设计名称
用水冷却煤油产品的多程列管式换热器设计
二、设计任务
使煤油从140℃冷却到40℃,压力1bar(100kpa) ,冷却剂为水，水压力为3bar(300kpa)，处理量为10t/h。

三、设计任务
1 合理的参数选择和结构设计
2 传热计算和压降计算：设计计算和校核计算
四、设计说明书内容
1 传热面积
2 管程设计包括：总管数、程数、管程总体阻力校核
3 壳体直径
4 结构设计包括流体壁厚
5 主要进出口管径的确定包括：冷热流体的进出口管
五、设计进度
1 设计动员，下达设计任务书 0.5天
2 搜集资料，阅读教材，拟定设计进度 1.5天
3 设计计算（包括电算，编写说明书草稿） 5-6天
4 绘图 3-4天
5 整理，抄写说明书 2天
第二章概述
化工生产中,无论是化学过程还是物理过程,几乎都需要热量的引入和导出.例如在绝大多数化学反应过程和物理过程都是在一定温度下进行的,为了使物系达到并保持指定的温度,就要预先对物料进行加热或冷却,并在很多过程进行时,也要及时取走过程放出的热量或补充过程吸收的热量.
工业上用于传热过程的基本设备称为换热器.在化工生产中,最常见的是两流体间的热交换.而且多是间壁式换热,两流体不接触,不混合.冷热两流体在传热是被固体壁面(传热面)所隔开,两流体分别在壁画两侧流动.典型的换热器有套管式换热器和列管式换热器. 列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。

它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。

所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。

列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：浮头式换热器、固定式换热器、U形管换热器、填料函式换热器等
1 浮头式换热器
浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。

管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。

浮头换热器的特点：浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来。

这种换热器壳体和管束的热
膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。

其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。

浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。

2 固定管板式换热器
固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈（或膨胀节）。

当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。

固定管板式换热器的特点：旁路渗流较小、造价低、无内漏,缺点是壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合。

3 U型管式换热器
这类换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。

其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。

4 填料函式换热器
这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。

但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。

第三章 结构设计与说明
工艺流程图
1.加料方式：
反应器出来产品直接进入换热器
2.进出料热状况：
煤油进口温度140℃，出口温度40℃
3.换热方式：
循环水间接接触式换热
4.换热器的选择：
由于两流体的温差大于50℃，可选用带有温度补偿的固定管板式换热器或浮头式列管换热器。

5.流径的选择
进料
下一工序
在具体设计时考虑到尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧传热系数接近；在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失；管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。

因水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。

第四章 换热器的设计计算
一、设计方案
1选定换热器类型
被冷却物质为煤油，入口温度为T 1=140℃,出口温度为T 2=40℃ 冷却介质为自来水，入口温度为t 1=30℃，出口温度为t 2=38℃ 油的定性温度：C T o m 902/)40140(=+= 水的定性温度：C t o m 342/)3830(=+=
两流体的温差：C T o
m
m 563490t =-=- （ >50℃， <70℃） 可选用带温度补偿的固定管板式换热器。

但考虑到该换热器用循环冷却水冷却，在冬季操作时冷却水进口温度会降低，因此壳体壁温与管壁壁温相差较大，为安全起见，故选用浮头式列管换热器。

2选用流体流动空间及流速
因循环冷却水较易结垢，为便于清洗污洉，故选定冷却水走管程，煤油走壳程。

同时选用φ25mm ×2.5mm 的较高级冷拔碳钢管，管内流速取s m u i /30.1=。

1 4
浮头式列管
换热器
二、确定物性参数
查化工原理附录，两流体在定性温度下的物性数据见下表：
两流体在定性温度下的物性数据
物性
流体
温度 /℃ 密度ρ /(㎏/m 3) 粘度μ/mPa ·s 比热容Cp /[KJ/(kg ·℃)] 热导率λ/[W/(m ·℃)]
煤油 90 825 0.715 2.22 0.14 水
34
994.3
0.742
4.174
0．624
三、估算传热面积
（1） 计算热负荷（热流量或传热速率）
2
3 技术特性表
接管表
序号接管名称
公称规格
连接方式1混合气入口φ108×20凹凸法兰2混合气出口φ108×20凹凸法兰3冷却水入口φ108×20平焊法兰4
冷却水出口φ108×20
平焊法兰
按管间煤油计算，即
kW h KJ T T C m Q p 7.616/1022.2)40140(22.2100.1)(642111=⨯=-⨯⨯⨯=-=
（2） 计算冷却水用量
忽略热损失，则水的用量为
s kg h kg t t C Q m p /47.18/99.66482)
3038(174.41022.2)(6
1222==-⨯⨯=-=
(3) 计算逆流平均温度差
C t T t T t T t T t t t t t o m 6.39304038
140ln )
3040()38140(ln )()(ln 1
22
112211212'=-----=-----=∆∆∆-∆=
∆ (4)初选总传热系数K
查传热手册，煤油的总传热系数大致在116－337 W/(㎡·℃)，现假定K=290 W/(㎡·℃) (5)估算传热面积
2,'7.536
.39290616700
m t K Q A m =⨯=∆=
逆 考虑到15%的面积裕度，2
m 76.617.5315.1`15.1＝＝＝
⨯A A
四、工艺结构尺寸
（1） 管径和管内流速
管径：φ25mm ×2.5mm ,管内流速u i =1.3m/s
(2)管程数与传热管数
根据传热管内径和流速确定单程传热管数
根）
(465.453
.102.0785.0)
3.9943600/(99.664824
n 22
≈=⨯⨯⨯=
=
i
i s u d V
π
按照单程计算所需换热管的长度L m n d A L s o 1.1746
025.014.376
.61≈⨯⨯==
π 按照单程管设计，传热管过长，根据本题实际情况取m l 5.4=，则该
换热器的管程数为：
48.35
.41
.17≈===
l L N
P
传热管总根数：
根）
(184446=⨯=T N
（3） 平均传热温差校正及壳程数：首先计算R 和P 的参考值
0727.03014030
381112=--=--=
t T t t P 5.1230
38401401221=--=--=t t T T R 由于查取ψ值比较困难，作如下变换：
08
.0＝1/R R`= 9.0PR P`==
根据查温差校正系数图可知：ψ>0.8，同时壳程流体流
量亦较大，
故取单壳程合适。

（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=1.25d0，则 t=1.25×25=31.25≈32㎜隔板中心到离其最.近一排管中心距离：
S=t/2+6=32/2+6=22㎜
各程相邻管的管心距为t a=2×S=44㎜。

管中心距t 与分程隔板槽 两侧相邻管排中心距t a 的计算结果与设计要求相比较，证明可用。

（5） 壳体内径
采用四管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体内径：
mm 75.5447.0/1843205.1N/y 1.05t D =⨯⨯==
圆整值 600mm D =。

（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=0.25×600=150mm,取h=150mm.
取折流板间距为B=0.3×600=180mm, 取B=180mm,则折流板数
（块）
＝－＝－折流板间距传热管长241180
4500
1=
N
折流板圆缺水平面安装 。

（7） 其他附件
拉杆直径为φ12mm,其数量不少于10根。

壳程入口应设置防冲挡板。

（8） 接管
① 壳程流体（煤油）进出口接管，取接管内煤油流速为0.5m/s 则接管内径：
m
V
d 0926.05.014.3825360010000
4πu
4=⨯⨯⨯⨯==
取标准管径φ108mm ×20mm
② 管程流体（循环水）进出口接管，取接管内循环水流速为2.5m/s,
则接管内径：
m
V
d 0973.05
.214.33.994360099
.664824πu
4=⨯⨯⨯⨯==
取标准管径为φ108mm ×5mm ，其余接管略。

五、换热器校算
⑴传热能力核算 ① 壳程对流给热系数
对于圆缺形折流板，可采用克恩（Ken ）公式
14
.003/155
.00
0)(
Pr Re 36
.0w
e
d μμλα= 当量直径由正三角形排列得
m d t d e 020.00.025
3.14)025.04
π032.023(4d π)4 π23(4220202=⨯-⨯=-⨯=
壳程流通截面积
20236.0)032
.0025
.01(6.018.0)1(m t d BD S o o =-⨯=-
= 壳程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为 s m u o /1427.00236
.0)
8253600/(10000=⨯=
32931015.78251427.0.002.0Re 4
=⨯⨯⨯=-o
34.1114
.01015.71022.2Pr 4
30-⨯⨯⨯=
)/(74.46295.034.11329302
.014
.036.023/155.0K m w o ⋅=⨯⨯⨯⨯
=α ② 管程给热系数 管程流通截面积
220298.02
184
02.0785.0m S i =⨯
⨯= 管程流流速、雷诺数及普朗特数分别为
s m u i /64.00289
.03
.994/47.18==
3
.17152000742
.03.99464.002.0Re =⨯⨯=i 963.4624
.010742.0174.4Pr 3
=⨯⨯=
)./(8.3323963.43.1715202
.0624
.0023.024.08.0k m W i ⋅=⨯⨯⨯
=α ③污垢热阻与管壁热阻
管外侧污垢热阻：查污垢经验数据取R so =0.000174m 2·℃/W 管内侧污垢热阻：查污垢经验数据取R si =0.000516m 2·℃/W 管壁的热导率：碳钢的热导率λ=45W/(m ·℃)
④ 总传热系数
0001K 1αλα++++=so m i si i i R d bd d d R d d =
74
.4621
000174.00225.045025.00025.0020.0025.0000516.0020.08.3323025.0+
+⨯⨯+⨯+⨯ /W
℃0.003418m =0.002160
+0.000174+0.0000617+0.000645+0.0003761=2
⋅
)
℃292.6W/(m =K 2⋅
⑤传热面积 理论传热面积
A=23
8.6067
.346.292107.616t K Q m m =⨯⨯=∆
该换热器的实际换热面积
2
T 0p 65.0m =18.44.5×0.025×3.14=N πd =A ⨯l
面积裕度为
H=
0000009.61008
.608
.600.65100A =⨯-=
⨯-A
A p 换热面积裕度合适，在15％范围内，能够满足设计要求。

⑵ 核算壁温
因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁壁温按下式计算：
h
h
c c h h
m c c
m R R R t R T ++
++++=
αααα1
1
)
1
()1
(t
T m =(T 1+T 2)/2=(140+40)/2=90℃
t m =0.4t 2+0.6t 1＝0.4×38+0.6×30=33.2℃
取两侧污垢热阻为零计算壁温，得传热管平均壁温：
C 9.415
.925/16.5126/15
.925/2.336.5126/90/1/1//t ︒=++=++=
h c h m c m a a a t a T
壳体平均壁温，近似取壳层流体的平均温度，即90℃。

壳体平均壁温与传热管平均壁温之差：90-41.9=48.1℃。

⑶ 换热器内流体的流体阻力
① 管程流动阻力
s p i
N N F p p t 21)(p
∆+∆=∆∑（F t 结构校正系数，Np 管程数，Ns
壳程数）
取换热管壁粗超度为0.01mm,则ε/d=0.005，而R ei =17152.3，
查图得λi =0.0355，流速u i =0.64m/s ，密度为ρ=994.3㎏/m 3，所以：
Pa
u
p Pa
u d l p i
i i i 9.6102
64
.03.99432
35.1626264.03.99402.05.40355.022
2
22
21=⨯⨯
=⨯
=∆=⨯⨯⨯==∆ρρλ
对Φ25×2.5mm 的管子有F t =1.4，且N p =4，N s =1
s p i
N N F p p t 21)(p
∆+∆=∆∑=(1626.5+610.9)×1.4×4×
1=12529.44Pa
② 壳程流动阻力
s N F p p s 21o
)(p
、
、∆+∆=∆∑
（F s 为结构校正系数，对液体F s =1.15，N s 为壳程数）
流体流经管束的阻力
2)
1(F p 21
o
B c o u N n f ρ+=∆、
式中 F ——管子排列方式对压力降的校正系数，正
三角形排列F=0.5，正方形直列F=0.3，正方形错列F=0.4；
f o ——壳程流体的摩擦系数，当R eo ＞500时，
f o ＝7888.032930.5R 0.5228
.0--0.228eo
=⨯=）（; n c ——横过管束中心线的管数，n c =151841.1N 1.1==T ；
折流板间距B=0.18m ，折流板数N B =24，u o =0.1427m/s
Pa 3.12422
01472.0825)124(157888.05.0p 2
1
=⨯⨯
+⨯⨯⨯=∆、 流体流经折流板缺口的阻力:
2)D 2B 5.3(N p 2
B 2
o
u ρ－、
=∆ Pa 6.5842
1472.0825)0.60.1825.3(42p 22=⨯⨯⨯⨯=∆－
、
Pa 9.2100115.1)6.5843.1242(p o =⨯⨯+=∆∑
操作情况 减压操作 低压操作 中压操作 较高压操作 操作压力P/Pa(绝） 0-1×105
1×105－1.7×105
1×105-11×105
11×105-31×105 31×105-81×105(表） 合理压力P/Pa
0.1P
0.5P 0.35×105 0.35×105-1.8×10
5
0.7×105-2.5×105
参考表合理压力的选取，该换热器的压降在合理的范围之内，故所设计的换热器合适。

六、换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表
换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表
参数管程壳程流率/(kg/h) 66482.99 10000
温度(进/出)/℃30/38 140/40 压力/Mpa 0.3 0.1
物性参数
定性温度/℃34 90 密度/(kg/m3) 994.3 825 比热容/[kj/(kg×℃)] 4.173 2.22 黏度/mPa×s 0.742 0.715 热导率/[W/(m×℃)] 0.624 0.14 普朗特数 4.936 11.34
设备结构参数
型式浮头式台数 1 壳体内径/mm 600 壳程数 1
管子规格φ25mm×2.5mm 管心矩/mm 32
管长/mm 4500 管子排列正三角形管子数目/根184 折流板数/块24 传热面积/m265 折流板距/mm 180 管程数 4 材质碳钢
主要计算结果管程壳程
流速/(m/s) 0.64 0.1427
传热膜系数/[W/(m2×℃)] 3323.8 462.74 污垢热阻/[m2×℃/W] 0.000516 0.000174 阻力损失/Mpa 0.0125 0.0021
热负荷/kw 616.7
传热温差/℃ 34.67
传热系数/[W/m2×℃] 292.6
裕度/% 6.9
第五章设计总结
换热器是许多工业生产中常用的设备,尤其是石油、化工生产应用更为广泛。

在化工厂中换热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。

换热器的类型很多，性能各异，个具特点，可以适应绝大多数工艺过程对换热器的要求。

进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。

换热器类型虽然很多，但计算传热面积所依据的传热基本原理相同，不同
之处仅是在结构上需根据各自设备特点采用不同的计算方法而已。

我们组设计的是煤油冷却器，冷却器是许多工业生产中常用的设备。

列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广。

列管式换热器有固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式等类型。

列管式换热器的形式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。

我们组采用的是浮头式换热器，其优点：（1）管束可以抽出，以方便清洗管、壳程；
（2）介质间温差不受限制；
（3）可在高温、高压下工作，一般温度小于等于450度，压力小于等于6. 4兆帕；
（4）可用于结垢比较严重的场合；
（5）可用于管程易腐蚀的场合等。

因水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。

本设计由李晓东、杨杭、张标、刘姗、周小田共同设计。

我们的设计是在合
理设计条件下，严格进行计算和查阅相关文献而得出。

设计过程中我们五人分工明确、共同探讨、积极交流经验，在团体合作中不仅提高了个人的思维能力，也加强了我们的团队合作的能力。

在此，我们更加感谢杨世芳老师在设计中给予我们的帮助和指导，在设计的选题以及设计的方法上，老师给了我们莫大的帮助与关怀。

在设计期间，老师对我们严格要求，要求我们能够独立完成设计任务，培养我们独立解决问题的能力，还从自己的宝贵时间中抽时间为我们审阅图，并提出修改意见和建议。

渊博的理论知识、丰富的实践经验、严谨的治学作风、乐观的生活态度及热情待人的品格都深深地影响和教育了我们，我们从他身上学到了很多做人的道理。

同时在生活上也很关心我们，经常问我们的设计情况，鼓励我们学习。

在这里，谨向杨老师表示最衷心的感谢和最诚挚的敬意。

在此还要感谢我的其他老师。

在过去的大学二年里，老师循循善诱的教导我们，为我们的付出了无数的汗水，还要感谢化学工程系的各位领导和老师对我们的辛勤培育与教导。

时间过得很快，这一学期的生活快要结束了。

在这最后的时间里，我得到了同学的很多帮助。

我们在一起设计，互相讨论，互相请教问题，大家共享资料。

在我碰到困难的时候，他们帮我渡过了难关。

这般友谊，弥足珍贵，我不会忘记。

谢谢你们！
第六章参考文献
1、贾绍义，化工传递与单元操作课程设计，天津大学出版社，2002,8.
2、传热设备及工业炉，化学工程手册第8篇，1987.
3、化工设备设计手册编写组，金属设备，1975.
4、尾范英郎（日）等，徐忠权译，热交换设计物册，1981.
5、谭天恩等，化工原理（上、下册）化学工业出版社。