化工原理设计说明书

一、中文摘要

列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。其中以热力设计最为重要。不仅在涉及一台新的换热器时需要进行热力计算，而且对于已经生产出来的，甚至已经投入使用的换热器在检验它是否满足使用要求时，均需进行这方面的工作。

在某些情况下还需兑换热气的主要零部件—特别是受压部件做应力计算，并校核其强度。这是保证安全生产的前提。在做强度计算时，应尽量采用国产的标准材料和部件，根据我国压力容器安全技术规定进行计算和校核。

列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：

（1）根据换热任务和有关要求确定设计方案

（2）初步确定换热器的规格和尺寸

（3）核算换热器的传热面积和流体阻力

（4）确定换热器的工艺结构

二、绪论

课程设计是化工原理课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过化工原理课程设计，要求学生能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。通过课程设计，要求学生了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的主要程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使学生树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的科学作风。

换热器是化学工业，石油工业及其它行业中广泛使用的热量交换设备。而运用得最为广泛的是列管式换热器。列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广。虽然在传热效率、紧凑性和金属耗量等方面不及某些新型换热设备，但其应用历史悠久，设计资料完善，并已有系列化标准，加之其独特的优点，在近代层出不穷的新型换热器设备中，仍不失其重要地位，特别是在高温、高压和大型换热设备中仍占绝对优势。

三、设计方案的选择和论证

1、设计任务

处理能力：15吨/小时

设备型式：固定管板式换热器

2、操作条件

（1）煤油：入口温度145℃出口温度42℃

（2）冷却介质：循环水入口温度32℃出口温度40℃

（3）允许压降：不大于100000Pa

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。本次设计中煤油的定性温度是93.5℃，冷却水的定性温度是36℃，两流体温差是57.5℃，因两流体温差大于50℃，

故选用带补偿圈的固定管板式换热器。此类换热器适用于两流体温差低于70℃和壳程流体压强不高于600kPa 的情况。

四、主要设备的工艺设计计算

1、试算并初选换热器的规格 （1）确定流体通入的空间

两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大，且易结垢，故选择冷却水

走换热器的管程，煤油走壳程。

（2）确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管换热器的形式

冷却介质为水，取入口温度为32℃，出口温度为40℃。

煤油的定性温度 1

(14542)93.52m T =+=℃ 水的定性温度 1

(3240)362

m T =+=℃

两流体温差 93.53657.5m m T t -=-=℃

由于两流体温差大于50℃，故选用带有补偿圈的固定管板式换热器。 两流体在定性温度下的物性数据

（3）计算热负荷Q 和冷却水流量c W

43

312151010() 2.2210(14542)1202967330243600

h ph Q W c T T W ??=-=

??-=??

若忽略换热器的热损失，水的流量可由热量衡算求得，即 3211202967

36.03/() 4.17410(4032)

c pc Q W kg s c t t =

==-??-

（4）计算平均温差，并确定壳程数。

逆流温差 '

(145

40)(4232)

40.414540ln

4232

m t ---?=

=--℃

122114542

12.94032T T R t t --=

==-- 21114032

0.07114532

t t P T t --=

==-- 由R 和P 查图得0.9t ??=，所以

'

0.940.436.36

m t m

t t ???=?=?=℃ 又因0.9＞0.8，故可选用单壳程的列管式换热器。

（5）初选换热器的规格 根据管内为水，管外为煤油，K 值范围为290～7002/(W m ?℃），初选20400/(K W m =?℃），

21202967

82.740036.36

m Q S m K t =

==?? 在决定管数和管长时，首先要选定管内流速u i ，冷却水走管程的流速为1—3.5 m/s ，取流速为u i =1.8m/s ，设所需单管程数为n ，选用￠ 25mmX2传热管（碳钢）的内径为0.021m ，从管内体积流量

V i =6.99303.368.1021.042=??πn

计算求得n=59根

按单程计算，所需传热管长度为 L=

)(9.1759

025.014.37

.820m d n A s =??=π 选用4.5m 长的管，4管程，则一台换热器的总管数为4×59=236根

初选换热器规格尺寸如下：

壳径D 600 mm 公称直径S 82.72m 管程数p N 4 管数n 236 管长L 4.5m

管子直径 252m m m m φ?

管子排列方式 正三角形 换热器的实际传热面积

200(0.1)236 3.140.025(4.50.1)81.51S n d L m π=-=???-= 该换热器要求的总传热系数为： 2001202967

406/(81.5136.36

m Q K W m S t =

==???℃） 2、核算总传热系数0K （1）计算管程对流系数i α

36.03/c W k g s = 3

36.030.0363

/

993.6

c

s W V m s ρ

=

=

= 管路流通面积 2

22236(0.021)0.02044

44

i i p n A d m N π

π=

=??= 0.0363

1.78/0.0204s i i V u m s A =

== 3

0.021 1.78993.6

Re 520250.713910

i i i d u ρ

μ

-??=

=

=?（湍流） 33

4.174100.713910Pr 4.750.627

p i c μ

λ-???===

0.80.40.80.420.627

0.023Re Pr 0.023(52025)(4.75)7593/(0.021

i i i i

W m d λ

α=?

??=?

??=?℃） （2）计算壳程对流传热系数0α

换热器中心附近管排中流体流通面积为

2

000.025(1)0.150.6(1)

0.01969

0.032

d A h D

m t =-=??-= 式中 h —折流挡板间距，取150 mm;

t —管中心距，对252mm mm φ?的管子，t=32 mm

43

001510100.3239/3302436008250.01969h V u m s A ??===????

由正三角形排列，得

222

200

3.144(

)4(0.0320.025)

242

4

0.02019

3.140.025

e d d m d ππ--?

=

==? 003

0.020190.3239825

R e 81740.6610

e d u ρ

μ

-??=

=

=? 33

0 2.22100.6610Pr 10.470.14

p c μ

λ-???=== 壳程中煤油被冷却，取0.14

(

)0.95w

μμ=。所以 110.550.140.550.14203300.14

0.36(

)()()()0.36(8174)(10.47)(0.95)769.12/(0.02019

p e e w c d u W m d μρλμαμλμ==??=?

℃）

（3）确定污垢热阻

-423.4410si R m =??℃/W

-42210so R m =??℃/W

（4）总传热系数0K 管壁热阻忽略时

20

-4-4000

1

1

490/(10.0250.0251

1.719710 3.4410769.120.02175930.021

so si

i i i

K W m d d R R d d αα=

=

=?

+?+??++++? ℃）

选用该换热器时，要求过程的总传热系数为2406/(W m ?℃），在传热任务所规定的流动条件下，计算出的20490/(K W m =?℃），所选择的换热器的安全系数为：

490406

406

-?100％=20.7％ 则该换热器传热面积的裕度符合要求。 3、计算压强降 （1）计算管程压强降

12()i t p s p p p F N N ∑?=?+???

前已算出： 1.78/i u m s = R e 52025i =（湍流） 设管壁粗糙度0.1mm ε=

0.1

0.004

821

i

d ε

=

= 由摩擦系数图查得0.034λ= 所以 2

21 4.5993.6 1.78

0.03411468.162

0.0212

i i u L p P a

d ρλ??=??

=??= 2

2

2993.6 1.7833472222

i u p Pa ρ??==?= 对于252mm mm φ?的管子 1.45t F =，且4p N =，1s N =，所以 (11468.164722) 1.4541i p P a

∑?=+???= （2）计算壳程的压强降

''

012()s s p p p F N ∑?=?+??

其中 1.15s F =，1s N = 2'

1

0(1)2

c B u p Ff n N ρ?=+?

管长为正三角形排列，取F=0.5 11

2

2

1.1()

1.1(236)

17c n n ==?=

取折流挡板间距 h=0.15m 4.511290.15

B L N h =

-=-= 壳程流通面积 300()0.15(0.6170.025)0.0263c A h D n d m =-=-?=

43

001510100.242/3302436008250.0263h V u m s A ??===????

0003

0.0250.242825

Re 75630.6610

d u ρ

μ

-??=

=

=?﹥500 0.2280.228005Re 5(7563)0.6526f --==?= 所

以

2

'1

8250.2420.50.652617

(291)4019.5

2

p P a ??=???+?=

2

2

'0

2220.15

8250.242(3.5)29(3.5)2101.7

20.6

2

B u h p N P a D ρ???=-=

?-?

=

0(4019.52101.7) 1.157039p Pa ∑?=+?=

从上面计算可知，该换热器管程与壳程的压强降均满足题设要求，故所选换热器合适。

五、典型辅助设备的选型

由于水的流量为3129.71/m h ，煤油的流量为323/m h ，所以根据泵规格,选择IS125—100—200和65Y —100的泵。

六、设计结果总汇

七、主要符号说明

八、总结

化工原理课程设计是培养个人综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，也起着培养学生独立工作能力的重要作用。

在换热器的设计过程中,我感觉我的理论运用于实际的能力得到了提升，主要有以下几点：

(1)掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能

力；

(2)树立了既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；

(3)培养了迅速准确的进行工程计算的能力；

(4)学会了用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。

在整个设计过程中，有很多人给了我很多指导和帮助。首先要感谢华平老师，她严谨细致、一丝不苟的治学态度一直是我学习中的榜样，更是我这次设计中所追求的态度。其次要感谢我身边的同学、朋友，感谢他们为我提出的宝贵的建议和意见，有了他们的支持、鼓励和帮助，我才能很好的完成此次课程设计。

九、参考文献

1、夏清，陈常贵，姚玉英等，化工原理（上册）.天津：天津大学出版社，2005

2、柴诚敬，王军，张缨，化工原理课程设计，天津：天津科学技术出版社，2009

3、任晓光，宋永吉，李翠清等，化工原理课程设计指导，北京：化学工业出版社，2009

4、陈声宗等，化工设计（第二版），北京：化学工业出版社，2008

5、熊洁羽，化工制图，北京：化学工业出版社，2007

6、厉玉鸣等，化工仪表及自动化（第四版），北京：化学工业出版社，2006

7、秦叔经、叶文邦等，《换热器》，化学工业出版社2003