化工原理课程设计 非标准系列管壳式气体冷却器的设计.docx

化工原理课程设计作者：王书忍学号：201006853学院：化学与生物工程学院专业：应用化学题目，非标准系列管壳式气体冷却器的设计指导者：陶彩虹老师化工原理课程设计任务书一、设计题目：非标准系列管壳式气体冷却器的设计二、设计条件1 .生产实力：混合气体流量为6000h,混合气的相对分子质量为17.2 .混合气进口温度为I445C,出口温度为57C,冷却水入口温度30C,出口温度36c.3 .已知混合气及冷却水在定性温度下的物性数据：密度(Kg/)粘度(mPa.s)比热容(KJ/Kg.)导热系数（W（mJ）混合气0.9250.01551.90.058冷却水994.70.7574.1740.6224 .两流体均无相变.三、设计步骤及要求1 .确定设计方案< 1）选择列管式换热器的类型< 2）选择冷却剂的类型和进出口温度（3）查阅介质的物性参数< 4）选择冷热流体流淌的空间及流速2 .初步估兑换热器的传热面积3 .初选换热器规格4 .校核（D核算换热器的传热面积,要求设计裕度不小丁10%，不大于20%<2）核算管程和壳程的流体阻力损失.假如不符合上述要求重新进行以上计算5.附属结构如封头、管箱、分程隔板、缓冲板、拉杆和定距管、人孔或手孔、法兰、补强圈等的选型四、设计成果1.设计说明书（A4纸）（1）内容包括封面、任务书、书目、正文、参考文献、附录（2）格式必需严格依据及州交通高校毕业设计的格式打印。2.换热器工艺条件图（2号图纸）（手绘）五、时间支配（1）第19周第20周，于7月17号下午3点本人亲自到指定地点交设计成果.六、设计考核< 1）设计是否独立完成：< 2）设计说明书的编写是否规范（3）工艺计算与图纸正确与否以及是否符合规范< 4）答辩七、参考资料1. £化工原理课程设计贾绍义柴诚敬天津科学技术出版社2. £换热器设计手册化学工业出版社3. £化工原理及清天津科学技术出版社书目1 .摘要O2 .文献综述12.1 热量传递的概念与意义12. 1.1.热量传递的概念13. 1.2.化学工业与热传递的关系14. 1.3.传热的基本方式I2.2换热器简介22.2.1固定管板式换热器22.2.2浮头式换热器22.2.3U形管式换热器32.3 列管式换热器设计一般要求42.4 流体流径的选择52.5 5管壳式换热器51. 5.1工作原理52. 5.2主要技术特性63.工艺计算73.1 确定设计方案73. 1.1询定流体的定性温度73. 1.2选择列管式换热器的形式73. 1.3确定流体在换热器中的流淌途径73. 2设计参数73. 3计算总传热系数73. 3.1.热流量83. 3.2冷却水用量83. 3.3计算传热面积83. 3.4工艺结构尺寸83. 3.5传热计算93. 3.6换热器内流体的流淌阻力114.换热器主要结构尺寸和计算结果145,参考文献156.附录166.1英文字母166.2希腊字母166.3下标16I.摘要热量传递不仅是化工、能源、宇航、冶金、机械、石油、动力、食品、国防等各工业部门重要的单元操作之一，它还在农业、环境爱护等其他部门中广泛涉及。作为该单元操作的设备换热涔在化工、炼油装置中所占的比例，在建设费用方面达2O%-5O%之多。因此，无论从能源的利用，还是从工厂的效益来看，合理地选择和设计换热器，都具有重要的意义。随着经济的发展，对能源利用，开发和节约的要求不断提高，因而时换热器的要求也日益增加，换热器的设计、制造、结构改进及传热机理等方面的探讨也日益活跃。在诸多类型的换热器中以间壁式的应用最为普遍。此类换热器中，以管壳式应用最广。本设计的任务就是完成一个满意去产要求的管壳式换热涔的设计或选型。管壳式换热器设计或选型的核心是计算换热器的传热面积，进而确定换热器的其他尺寸或选择换热器的型号。由总传热速率方程可知，要计.算换热器的传热面枳，得确定总传热系数和平均温度差。由于总传热系数与换热耦的类型、尺寸、流体流道等诸多因素有关，而平均温度差与两潦体的流向、协助物料终温的选择等有关，因此管壳式换热器设计或选型需考虑很多问题，通过多次试算和比较才能设计出相宜的换热器，换热器的工艺设计计算有两种类型，即设计计算和校核计算，包括汁匏换热面积和造型两方面。设计i1.卯的H的是依据给定的工作条件及热负荷，选择一种适当的换热器类型，确定所需的换热面积，进而确定换热器的详细尺寸。校核计算的目的则是对己有的换热器校核它是否满意预定耍求，这是屈丁换热器性能计算问题.无论是设计计算还是校核计算，所需的数据包括结构数据、工艺数据和物性数据：大类,其中结构数据的选择在换热器设计中最为重要。对于列管式换热器的设计包括壳体形式、管程数、管了类型、管长、管子排列形式、折流板形式、冷热流体流淌通道等方面的选择。工艺数据包括冷热流体的流量、进出口温度、进口压力、允许压力降及污垢系数。物性数据包括冷热流体在进出口温度或定性温度卜.的的密度、比热容、粘度、导热系数等。本设计针对乙醇冷凝的问题选择个满意工艺要求的标准系列换热器。通过对兰州地区水资源状况、常年气温状况、水价、水质等综合考虑，最终确定冷却水的用量、进出口温差等。并依据工艺过程所规定的条件，如传热量、流体的热力学参数以及在该参数卜的物性进行热力学和流体力学计算，然后进行标准系列换热罂的选型及校核。2 .文献综述2.1 热量传递的概念与意义2.1.1 热传递的概念热时传递是指由于温度差引起的能量转移，简称传热。由热力学其次定律可知，在自然界中凡是有温差存在时，热就必定从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。2.1.2 .化学工业与热传递的关系化学工业与传热的关系亲密。这是因为化工生产中的很多过程和单元操作，多须要进行加热和冷却，例如：化学反应通常要在肯定的温度进行，为了达到并保持肯定温度，就须要向反应器辘入或输出热星：乂如在蒸发、蒸储、干燥等的元操作中，都要向这些设符输入或输出热量.此外，化工设备的保温，生产过程中热能的合理利用以及废热的回收利用等都涉及到传热的问题，由此可见；传热过程普遍的存在于化工生产中，且具有极其重要的作用。总之，无论是在能源，宇航，化工，动力，冶金，机械，建筑等工业部门，还是在农业，环境等部门中都涉及到很多有关传热的问即。应予指出，热力学和传热学既有区分又有联系。热力学不探讨引起传热的机理和传热的快慢，它仅探讨物质的平衡状态，确定系统由一个平衡状态变成另一个平衡状态所需的总能量：而传热学探讨能量的传递速率，因此可以认为传热学士热力学的扩展。2.1.3 热的基本方式依据载热介质的不同，热传递有三种基本方式：（1）热传导（乂称导热）物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原了和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热地传递称为热传导。热传导的条件是系统两部分之间存在温度差。（2）热对流（简称对流）流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。热对流仅发牛.在流体中，产生.缘由有二：一是因流体中各处温度不同而引起密度的差别,使流体质点产生相对位移的自然对流：二是因泵或搅拌等外力所致的质点强制兰州交通高校毕业设计运动的强制对流.此外，流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程,即是热由潦体传到固体表面（或反之）的过程，通常称为对潦传热。（3）热辐射因热的缘由而产生的电磁波在空间的传递称为热情射，热相射的特点是：不仅有能墩的传递，而且还有能量的转移。2.2 换热器间介换热器就是用丁存在温度差的流体间的热交换设备，换热器中至少有两种流体，温度较高则放出热量,反之则汲取热量。换热器依据传热原理和实现热交换的方法一般分为间壁式、混合式、蓄热式三类。其中间壁式换热器应用最广。它乂可分为管式换热器、板式换热器、翅片式换热罂、热管换热器等。其中以管式（包括蛇管式、套管式、管克式等）换热冷应用最普遍。列管式和板式，各有优点，列管式是种传统的换热器,广泛应用于化工、石油、能源等设备;板式则以其高效、紧凑的特点大量应用于工业当中。2.2.1 固定管板式换热器一般适用壳体与管束间的湿度差低于5（C,壳程压力小丁6kg%m2的状况.这种换热器具有结构比较简洁、造价低廉的优点：但其缺点是因管束不能抽出而使充程清洗困难，因此要求壳程的流体应是较清洁且不易结垢的物料。固定管板式换热器的两端和壳体连为体，管子则固定于管板上，它的结构简洁：在相同的壳体直彳仝内，排管较多，比较索凌：由于这种结构使壳恻清洗困难,所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和无体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，常会使管子与管板的接口脱开，从而发生介质的泄露。为此常在外壳上焊-膨胀节，但它仅能减小而不能完全消退由于温差而产生的热应力，且在多程换热器中，这种方法不能照看到管子的相对移动。由此可见，这种换热器比较适合用于温差不大或温差较大但壳程压力不i的场合。2.2.2 浮头式换热器其优点是，当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头就可在壳体内自由伸缩，而与壳体无关，从而解决热补偿问题.另外，由于固定端的管板是以法兰与壳体相连接的，因此管束可以从壳体中抽出，使清洗和检修，所以浮头式换热跣应用较为普遍，其缺点是结构比较困难，金属消耗量多，造价较高。正而形管式换热器这种型式换热罂结构较简洁，重量轻，适用于高温柔高压的状况。其主要缺点是管程清洗比较困难，I1.因管子有肯定弯曲半径，管板利用率较低，管程不易清洗,因此管程流体必需清洁。列管式换热器的设计资料较完善，已有系列化标准。目前我国列管式换热器的设计、制造、检验、验收按“钢制管壳式（即列管式）换热涔”（GBI51）标准执行。列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流淌设计、结构设计以及强度设计。其中以热力设计最为应要。不仅在设计一台新的换热器时须要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投产运用的换热器在检验它是否满意运用要求时，均需进行这方面的工作。列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：（I）依据换热任务和有关要求确定设计方案：（2）初步确定换热淞的结构和尺寸：（3）核算换热器的传热面积和流淌阻力：（4）确定换热器的工艺结构。表1换热卷结构分类类型特点固定管板式刚性结构用丁管壳温差较小的状况（一般W50C）,管间不能清洗带膨胀节有肯定的温度补偿实力，壳程只能承受低压力浮9V式管内外均能承受高压，可用丁高温高压场合列U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难管管式公随到访管间简洁泄漏，不宜处理易挥发、易期炸及压力较填料函式外填料函高的介质间壁式克式内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式结构比较困难，主要用于高温裔压场合和固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋管式沉醉式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内潦体的冷却或冷凝板面式板式拆洗便利.传热而能调整.主要用丁粘性较大的液体间换热螺旋板式可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用作回收低温热能平板式结构紧凑，拆洗便利，通道较小、易堵，要求流体干净板、式板束类似管束，可抽出洸洗检修，压力不能大一混合式适用下允许换热潦体之间干脆接触蓄热式换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合2.3 列管式换热器设计一般要求列管式换热器的设计资料较完善，已仃系列化标准。目前我国列管式换热罂的设计、制造、检验、验收按“钢制管壳式（即列管式）换热器”<GB151）标准执行。列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流淌设计、结构设计以及强度设计。其中以热力设计最为重要。不仅在设计一台新的换热器时须要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投产运用的换热器在检验它是否满意运用要求时，均需进行这方面的工作。I-折就抬板;2TF京;3-光体;4-好上S-镀管；6-，板图4-36因定管板式摸热器252主要技术特性一般管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性：1、耐高温高压，坚实牢靠耐用：2、制造应用历史悠久，制造工艺及操作维检技术成熟：3、选材广泛，适用范围大。253管板式换热器的优点(I)换热效率高,热损失小在最好的工况条件下,换热系数可以达到6000Wm2K,在一般的工况条件下，换热系数也可以在30004000Wm2K左右,是管壳式换热器的35倍。设备本身不存在旁路,全部通过设备的流体都能在板片水税的作用下形成湍流.进行充分的换热。完成同一项换热过程，板式换热湍的换热面积仅为管壳式的1/31/4.(2)占地占地小重量轻除设备本身体积外,不须要预留额外的检修和安装空间。换热所用板片的厚度仅为0.6-0.8mm,同样的换热效果,板式换热器比管壳式换热版的占地面积和重量要少五分之四.(3)污垢系数低流体在板片间猛烈翻腾形成湍流.优秀的板片设计避开了死区的存在，使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。(4)检修、清洗便利换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时,仅需松开夹紧螺柱即可卸卜板片进行冲刷清洗。(5)产品适用面广设需最而耐温可达180C耐压2.OMPa,特殊适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面，在低品位热能回收方面，具有明显的经济效益。各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求.当然板式换热器也存在肯定的缺点,比如工作压力和工作温度不是很高，限制了其在较为困难工况中的运用。同时由石板片通道较小,也不相宜用于杂质较多,颗粒较大的介质.3 .工艺计算3.1 确定设计方案3.1.1 确定流体的定性温度冷却剂为自来水，取入口温度为30C,出口温度为36C.混合气：入口温度为144.5C(g),出口温度为57C(g).水的定性温度：tm=(30+36)/2=33'C.混合气的定性温度：Tm=(144.5+57)2=10075C两流体的温度差：TmTm=100.75-33=67.75C.3.1.2 选择列管式换热舞的形式两流体的湿差较大，故选用板管式换热器.3.1.3 确定流体在换热器中的流淌途径由丁气体的压强高，则混合气走管程，冷却水走壳程.3.2 设计叁数确定物性参数混合气的定性温度：T=(57+144.5N2=100.75*C密度pi=0.925kgm'定压比热容Cpi=1.9kJkg,C热导率i=O.O58Wm,C粘度i=O.OI55mPaS水的定性温度：t=(36+30)f2=33C密度p(>=994.7kgm,定压比热容Cpo=4.174kJkg'C热导率,=0.622W/nC粘度i=0.757mPas3.3 计算总传热系数IT1.热流云一Q=WhCph(T-T2)=6000×0.925×1.9×(144.5-57)kJh=2563O2.1W平均传热温差tm1=(t1-1.2)1.n(t1.t2)=(108.5-27)/In(108.5/27)式中：t1.=T-t2=IO8.5,t:=T2-t=27,C求得Z1.m=5859C3.3.2 冷却水用量W0=QtCpo=36842.66(kgh)平均传热温差校正系数144.5-57=14.5836-30144.5-36=0.0524按单壳程，奇数管程结构，温差校正系数杳有关图表，可得“61=0.0.98平均传热温差ZStm=-tAm1.=0.98x58.59=57.42'C3.3.3 计算传热面积求传热面枳须要先知道K值，依据资料查得混合气和水之间的传热系数取K值为125W(m'.C)计算由Q=KStm得=空竺叱=35/125x58.59设实际的面积S=1.2S=42m23.3.4 工艺结构尺寸在确定管数和管长时，首先要选定管内潦速ui,按书中表6-1冷却水走管程的流速为530msr取流速为ui=27ms,设所需总管程数为n、，选用C25mmX2.5mm传热管(碳钢)的内径为0.020m,从管内体积流量V=)Q"/S-I=1.667n'-51.,3600计算求得:H1667ri,=!=-r=197根-x<×hjX0.02X2744=2.72/n管长/=-=r×n,×dt,3.1.41.97×O.O25则/取3m管程N,=芋=0.91=1所以此换热器是的总管数M=1.×197=197(根)管子采纳正：角形排列，相邻两管中心距t=1.25do=0.03125m.横过管束中心线的管数n=1.IVG=1.1XJ而15.44=16(根)b=1.2×do=0.03n壳体内径DD=(nf-1.)+2fr=0.03125×(16-1.)+2×().03=528,nw530"折流板间距B=0.5D=265mm折流板数Nb=3÷O.25-1=II(块)壳程流体进出口接管，取U=1.Om/s3.3.5传热计算(1)管程给热系数计%Re="=°°2'2689x0925=320945O.(XXX)I55普兰特准数.1nct>N1.9×O.OI55.oVV算:PC=-J1.-=().3()8,A0.058管程传热系数a=0.023*4RCPr<1.=O.O23×32O94<1*O,5O8"*=21.9.3v11Pocid0.02(2)壳程传热系数a。，潦体通过管间的最大截面枳A=BD(1-d(h)=O.265×O.53×O.2=O.O26m3流体的流速uo=VoAo=0.0103÷0.026=0.4ms水利半径4r-)=2三=0.020m宙诺准数RC=H包驾詈丝旦=9460.8n0.000757普兰特准数粘度校正（&卅%1.05<114故，a1.1.=0.36XXRtH1.1.O6*)，a=0.36XX9460.8»”×5.08三X1.05"0.020=3451.9h>m2.-C取Rsi=1.8×IO4W(m,*C);RSD=3.4x1.0V(m'.C)总传热系数K'K，=；3IOfps>5I-+1.8×IO4X+3.4×10-4+:-0.02×213.8203451.9=152W(m,.T)K,152.i=1.216K125在1.15到1.25之间，满意要求。IO传热面积SS=43"=295加KZ152.0×57.13该换热器的实际传热面积SpS,=111.(n-nc)=3.14×O.O265×(3-O.O6)×(197-16)=41.8m2裕度=Sj1.8-295S41.8=29.40'/O与换热据列出的面枳S=29.511V比较，有29.40%的裕度。3.3.6换热叁内流体的流淌阻力(1)管程潦淌阻力管程流通面积4=Ji×-=X(ME×197=O.()62m2-4iN4管程流体流速Y=搬=2689S由Rc=32094.5传热管相对粗糙度曳=0.(K)5,4"/查莫狄图得摩擦系数%=0.035W/arc结构校正因数：夕25”×2.5时取1.4¢1i)mm×2mm时取1.5管程流淌阻力M=(M+M.22上式中：M=I,Np=I,E=I.4,江，=4江(I2'2o925×2689<1755.7P,所以3AP=0.034XX/10.02=3x0,925x26.89-=1003.3PaZM=(I755.7+1OO3.3)1.4=3862.6(10即满意要求(2)壳程潦淌阻力取折流板间距B=0.265m计算截面积SO=8X(。-4)=0265X(0.53-16X0.025)=0.033立体流速“=三3=03ws00.0330雷诺准数R%=84100.02>031X994.7().757X1(尸Rco>500摩擦系数4=5.0Re28=5.0×8410但=0.64充程阻力损失；=(+);,Jft经管束的阻力(=(f+吟“，=13,NB=1.1.uo=O_32msF=().5故，9947×011-P=O.5×O.64XI6×(1.1.+)-=2937&流体流经祈流板口的阻力=NQ5-方等上式中：B=0.265m.D=0.53m故.=1.3.5-普卜些绊一8720.53总阻力损失P=(2937+I872)×I.15=5530Pf1.总的阻力损失大于5245Pa小于设计压力30KPa,压力降合适。4 .换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程光程物料名称混合气冷却水流量(kgh)555036842.66操作温度(进/出)(£)144.5/5730/36操作压力(Mpa)0.010.01物性叁数定性部度(C)I(X).7533密度<kg,'m3)0.925994.5黏度(mPas)0.01550.757比热容(UZkgC)1.94.17导狼系数(W(mC)>0.0580.622主要.-1.艺性能参数流速(m/C26.890.4对流传热系数(W(mjTC)219.33451.9污垢热阻(m2Uw>0.(XK)1.80.00034RI力损失(Mpa)3862.65530热负荷(W156502.1总传热系数(W(m-C)152传热面积<m)293设计裕度(%)29.4%换热湍型式管反式材质碳钢碳蝌程数11管子规格25×2.5mm壳体内径520mm管氏<mm)MoO折液挡板型式上下管心距(mm)30折向挡板数目(块)16管子排列方式正三角形折流挡板间距(mm)265管子数目(根)1975 .参考文献II宽绍义.柴诚敏主编,化工原理课程设计M.天津:天津高校出版社.2002:47-51.21柒诚敬主.化工原理（其次版M）.北京：高等教化出版社,2005:209271.3申迎华.郝晓刚主编.化工原理课程设计M1.北京：化学工业出版社,2009:86-89.4刘光启,马连湘,刘杰主编.化学化工物性数据手册:有机卷M.北京:化学J1.业出版社,2002:599-600.5|周涛主编.化工原理.北京：科学出版社，2010.6.6.附录6.1英文字母K.污垢热阻(nC)WM一串联的壳程数tw平均传热湿差nCNd一程数-管径InWJ贞量流量kg/sK-一体积流量Im'定压比热容(KJKg,C)U流速/sT-一热流体温度0Cf-传热系数m/st冷流体温度F-B-校正系数-挡板间距mP.R因数h-折流板圆缺而度mS一传热面积m2K-一总传热系数Q-一传热速率W(WZm2K)A一传热面积/长度mn-管数P-压强PaF1.一结构校正系数d-当量长度I1.1.D换热器内径mmF-一克程压强降的结垢校正系数Re-一雷诺准数F-管子排列方法对压强降的校正系数Pr-普朗特准数6.2希腊字母a对流传热系数(WXm2K)一一枯度PasA-导热系数(WZm2K)P-一密度依/6.3下标热流体At温度C冷流体i管内。管外S污垢t传热