化工原理课程设计 换热器的设计.docx

1 .概述化工生产中所用的换热器类型很多。按其用途分，有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器。按其结构分，有列管式、板式等。不同类型换热器，其性能各异。列管式换热器是目前应用最广泛的一种换热器设备，设计资料和数据比较完善，目前在很多国家已有系列化标准。列管式换热瑞在换热效率、紧凑性和金属消耗量等方面不及其它新型换热器，但由于它有结构坚固、适应性大、材料范围广等独特优点，因而在各种换热器的竞争发展中占有肯定优势。2 .设计方案的确定2.1 列管式换热湍型式的选择本次设计任务是用25"C的自来水将甲苯从105C冷却到60C,两种换热流体的温差较大，故可选用浮头式换热器。浮头式换热器管束可以拉出，便于清洗；管束的膨胀不受壳体的约束，因而当两种换热流体的温差较大时，不会因为管束与壳体的膨胀量不同而产生温差应力。2.2 流程的选择可选水走管程，甲苯走壳程。缘由：冷却水硬度较高，受热后简单结垢，在管内便于清洗，管内流体易于维持较高流速，可以避开悬浮颗粒的沉积。被冷却物料走壳程，便于散热。2.3 流速的选择表1列管式换热器内常用的流速范围流体种类流速/(ms)流体种类流速/(ms)管程壳程管程壳程一般流体0.5-30.21.5气体530375易垢流体>1>0.5表2不同黏度流体的流速（以一般钢管为例）液体豺度口（X1.O'NWn最大流速（ms）液体数度WuO'nm最大流速<11Vs>>15000.6100-351.51500-5000.7535-11.8500-1001.1<12.4由题意选管程流速为07ms.2.4 确定物性数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值壳程甲苯的定性温度竺=82.5"C管程水的定性温度t=至包=30C2依据定性温度，分别查表可得有关物性数据:物物质性甲苯(82.5,0水(30"C)比热容cJ(kgC)19104174密度P(kgm*)808995.7黏度U(as)0.00030.000801导热系数w(m-C)I0.1210.6173 .工艺计算3.1 依据传热基本方程式Q=KAIm来估算传热而积311传热量Q=MCaA1.05=4OOOO×1.1.9×(IO5-6O)1.O5=3.61×106kJh=1.0×IO6W3.12平均传热温差甲苯105'C-60C水3525温差70,C35C70-35In一35=50.53.13冷却水的用量Wf=361(M)(X)4.174×(35-25)=86488(kgh)3.14估算传热面积取K值为420w(m)KM,v42O×5O.5A=q47.M4 .换热器的工艺结构尺寸计算4.1 管程与管数选取F.25X2.5n=_=幽幽丝空2=109.8取I1.O（ft1.>-dht.0.022×0.7×-4,'44.2 管长的确定传热管长度1.=2=h-=545mnmiIIO×3.14x0.025取管长=3mN,=J=冷=2僧程）IJ传热管总根数N=I1.oX2=220（根）4.3 平均传热温差校正35-25=°,25查表nJ'得£1.=0.96n1=yon,=0.96×50.5=48.4«4.4采纳三角形排列，取管心距a=1.25d.则:a=1.25X25=31.2532mn横过管中心线管数b=1.1=1.1×TO=16.3取174.5壳体内径采纳多管程结构，壳体内径应等于或稍大于关闭的直径:D=a（b-）+2e式中D壳体内径,mm；a一一管心距，mm：b一一最外层的六角形对角线上的管数；e一一六角形最外层管中心到壳体内壁距离，一般取e=(1.1.5)d,取32mm。D=o(fr-1.)+2e=32×(17-1.)+2×32=576mm圆整可取D=600mm1=22=5(4-10)D6(X)4.6 折流板采纳方形折流板，取方形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为1)=0.25X600=150mm取折流板间距B=O.3D=O.3X600=180mm取200mm折流板数N.=传热管长/折流板间距一I=-1.=14(块)2(K)查表得拉杆直径为12mm,拉杆数为4。5 .换热器的校核计算5.1 壳程对流给热系数n当量直径，由正三角形得：4(4-二4)4(0.0322-0.0252)d，=-=4=0.02m'皿>3.14x0.025壳程流通面积：S=BD(I-%)=0.2X0.6X(1-竺至)=0.0263nf"a().032壳体流速及其雷诺数:V色嗑箜R%=詈=%微幽=28020.7普兰特准数:P1.%”-MO.*,.0.1210=0.36-Re0u55Pr×(-),444=036×1X(28010.7)ft,5(4.74)×=10I6.5h7(/h2P)5.2 管程对流给热系数,S=-J>=-×(O.O2)2x1O=0.0345h244=0.70mIs叫864X8/36«)*995.75=0.345Re=%必OgX班7=m3o().000801P1.C必OXo(XX)3=5420J2I区=0.023&Re*Prg=0.023"口I74O3.0)8(5.42)04=3444.1di0.025.3 传热系数K10.0253444.1x0.02+0.000344震+嘿潸.°。72+靛=497.5K1.=空空=.18(1.15-1.25)K4205.4 传热面积S,换热器面积：-C_3610000_:KOA1.×50.5×0.96该换热器的实际面积SI1.=叫N=3.1.40.025×3×220=51.811r*=翡=1.25(1.1-1.3)5.5 换热器压降的计算5.51 管程压降pt=(pt+p2)F,NiNi,式中WM一一分别为直管及回管中因摩擦阻力引起的压强降；E一结垢校正因数，量纲为1，对=25mm25,w”的管子，取1.4;N.管程数：M一一串联的壳程数。查表得A1=0.036%=4，应=0.036工”上幽i=小7.3','d20.022驷=3亨=3吟幽ZM=(+M1EMNp=(1317.3+731.8)X1.4×1×2=5737.48Pa<35kPa5.52壳程压降ZZ%=(M；+W1F,N,Z、流体横过管束的压强降，Pa¼流体通过折流板缺口的压强降，Pa"一一壳程压强降的结垢结垢校正因数，量纲为1,液体可取1.15。2M=FRnd吟式中F一一管子排列方法对压强降的校正因数，刻正三角形排列F=1.15fn壳程流体的摩擦系数，当Re>500时/=Re产;b一一横过管束中心线的管了数；Nt1.一一折流挡板数；一一折流挡板间距，m:W(1一一按壳程流通截面积计算的流速,ms.而Ai1.=h(D-hc1.,1.)4=MD-bdj=0.2X(0.6-I7×0.025)=0.035/7/-=0.39"JWi如OOo/808XMOT-().035M=自例此+1)譬=().5×5×(28O1O.7)228×I7×(I4+I)ק08x(0.524):2=6847.5P%=八%(3.5-当片1.r2×O.5808×(0.524)2=14×(3.5)0.62=4659.0PaZMo=("+Zh)F、N、=(6848.7+4659.0)×1.15×I=13233.8PaV35kPa壳程流淌阻力也比较相宜。6 .设计结果总汇换热器主要结构尺寸和计算结果见表3。表3换热器主要结构尺寸和计算结果换热器形式：浮头式换热面积/m?51.8工艺参数名称管程壳程物料名称循环水甲苯操作压力/MPa0.40.6操作温度/C25/35105/60流量/(kgh)8648840000流体密度/(kgm,)995.7808流速/(ns)0.700.52传热量kw1000总传热系数/(w"j)497.8传热系数/(而*)0.6170.121污垢系数/(w2Ah)0.0()03440.(X)0172阻力降Pa5737.4813233.8程数21举荐运用材料碳钢碳钢管子规格25X2.5管数220管长6000mm管间距mm32排列方式正三角形折流板形式上下间距200mm壳体内½nm600切口高度150mn7 .参考文献1任晓光.化工原理课程设计指导.北京:化学工业出版社,2(X)92受清陈常贵.化工原理.天津:天津高校出版社,20053马江泉冷一欣.化工原理课程设计指导.北京：中国石化出版社，20094刘光启马连湘刘杰.化学化工物性数据手册.北京：化学工业出版社，2002