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化工原理課程設計 設計題目： 管殼式換熱器選型 班 級： 2012級一班 姓 名： 季恩卉 學 號： 2012507072 指導教師： 郭瑞麗 完成日期： 2015年 5 月 25 日 化 工 系 目錄 前言…………………………………………………………………………………………3 1.管殼換熱器的設計書……………………………………………………………………6 2.設計方案的確定…………………………………………………………………………6 2.1.管殼換熱器的型式…………………………………………………………………6 2.2.流程的選擇…………………………………………………………………………6 3.確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)并選擇列管換熱器的型式……………………………6 3.1.定性溫度……………………………………………………………………………7 3.2.物性參數(shù)……………………………………………………………………………7 4.換熱器的工藝計算…………………………………………………………………………7 4.1.估算總傳熱系數(shù)………………………………………………………………………7 4.1.1.熱流量…………………………………………………………………………7 4.1.2平均傳熱溫差…………………………………………………………………7 4.1.3．冷卻劑水用量………………………………………………………………8 4.1.4. 選取K值，估算總傳熱系數(shù)………………………………………………8 4.2估算傳熱面積…………………………………………………………………………8 5. 換熱器的工藝結(jié)構(gòu)尺寸設計………………………………………………………………8 6. 5.1.管徑和管內(nèi)流速………………………………………………………………………8 5.2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)……………………………………………………………………8 5.3.傳熱管排列和分程方法………………………………………………………………8 5.4.計算平均傳熱溫差……………………………………………………………………9 5.5.殼體內(nèi)徑………………………………………………………………………………9 5.6.折流板…………………………………………………………………………………9 5.7.計算殼程流通面積及流速……………………………………………………………9 5.8.計算管程流通面積及流速 ………………………………………………………… 10 6. 換熱器核算…………………………………………………………………………………10 6.1傳熱系數(shù)的校核………………………………………………………………………10 6.1.1．傳熱面積………………………………………………………………………10 6.1.2.核算總傳熱系數(shù)…………………………………………………………………11 6.1.3.污垢熱阻…………………………………………………………………………11 6.1.4對流傳熱系數(shù)……………………………………………………………………11 6.1.5殼體對流傳熱系數(shù)………………………………………………………………11 6.1．6.傳熱面積…………………………………………………………………………11 6.2．換熱器內(nèi)流體的流動阻力………………………………………………………………12 6.2.1.管程流動阻力……………………………………………………………………12 6.2.2.殼程流動阻力……………………………………………………………………12 7. 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果…………………………………………………………13 8.在ChemCAD中的結(jié)果……………………………………………………………………………14 9.附圖 ……………………………………………………………………………………………15 10.總結(jié)……………………………………………………………………………………………17 11.參考文獻………………………………………………………………………………………17 前 言 換熱器是化工、煉油工業(yè)中普遍應用的典型的工藝設備。在化工廠，換熱器的費用約占總費用的10%～20%，在煉油廠約占總費用35%～40%。換熱器在其他部門如動力、原子能、冶金、食品、交通、環(huán)保、家電等也有著廣泛的應用。因此，設計和選擇得到使用、高效的換熱器對降低設備的造價和操作費用具有十分重要的作用。 在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，即簡稱換熱器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備。 換熱器的類型按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中間壁式換熱器應用最廣泛，如表2-1所示。 表2-1 傳熱器的結(jié)構(gòu)分類 類型 特點 間 壁 式 管 殼 式 列 管 式 固定管式 剛性結(jié)構(gòu) 用于管殼溫差較小的情況（一般≤50℃），管間不能清洗 帶膨脹節(jié) 有一定的溫度補償能力，殼程只能承受低壓力 浮頭式 管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合 U型管式 管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難 填料函式 外填料函 管間容易泄露，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質(zhì) 內(nèi)填料函 密封性能差，只能用于壓差較小的場合 釜式 殼體上部有個蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮 雙套管式 結(jié)構(gòu)比較復雜，主要用于高溫高壓場合和固定床反應器中 套管式 能逆流操作，用于傳熱面積較小的冷卻器、冷凝器或預熱器 螺旋管式 沉浸式 用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱 噴淋式 只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱 螺旋板式 可進行嚴格的逆流操作，有自潔的作用，可用做回收低溫熱能 傘板式 結(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈 板殼式 板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高 混合式 適用于允許換熱流體之間直接接觸 蓄熱式 換熱過程分階段交替進行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場合 1.管殼式換熱器 管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標準換熱設備，它具有結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，造價低廉，用材廣泛，清洗方便，適應性強等優(yōu)點，應用最為廣泛。管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點分為以下幾種： （1） 固定管板式換熱器 固定管板式換熱器兩端的管板與殼體連在一起，這類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于50℃且殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。 帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，其膨脹節(jié)的彈性變形可減小溫差應力，這種補償方法適用于兩流體溫差小于70℃且殼方流體壓強不高于600Kpa的情況。 （2） 浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的管板有一個不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)。浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清洗和檢修，適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱，應用極為普遍，但結(jié)構(gòu)復雜，造價高。 （3） 填料涵式換熱器 填料涵式換熱器管束一端可以自由膨脹，與浮頭式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，但殼程流體有外漏的可能性，因此殼程不能處理易燃，易爆的流體。 2.蛇管式換熱器 蛇管式換熱器是管式換熱器中結(jié)構(gòu)最簡單，操作最方便的一種換熱設備，通常按照換熱方式不同，將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。 3.套管式換熱器 套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管，其內(nèi)管用U型時管順次連接，外管與外管互相連接而成，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要增減，適當?shù)剡x擇管內(nèi)、外徑，可使流體的流速增大，兩種流體呈逆流流動，有利于傳熱。此換熱器適用于高溫，高壓及小流量流體間的換熱。 1 平蓋 2 平蓋管箱(部件) 3 接管法蘭 4 管箱法蘭 5 固定管板 6 殼體法蘭 7 防沖板 8 儀表接口 9 加強圈 10 殼體(部件) 11 折流板 12 旁路擋板 13 拉桿 14 定距管 15 支持板 16 雙頭螺柱或螺栓 17 螺母 18 外頭蓋墊片 19 外頭蓋側(cè)法蘭 20 外頭蓋法蘭 21 吊耳 22 放氣口 23 凸形封頭 24 浮頭法蘭 25 浮頭墊片 26 球冠形封頭 27 浮動管板 28 浮頭蓋(部件) 29 外頭蓋(部件) 30 排液口 31 鉤圈 32 接管 33 活動鞍座(部件) 34 換熱管 35 擋管 36 管束(部件) 37 固定鞍座(部件) 38 滑道 39 管箱墊片 40 管箱圓筒(短節(jié)) 41 封頭管箱(部件) 42 分程隔板 換熱器材質(zhì)的選擇 在進行換熱器設計時，換熱器各種零、部件的材料，應根據(jù)設備的操作壓力、操作溫度。流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟合理性。一般為了滿足設備的操作壓力和操作溫度，即從設備的強度或剛度的角度來考慮，是比較容易達到的，但材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復雜的問題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。 一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 （1）碳鋼 價格低，強度較高，對堿性介質(zhì)的化學腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應用是合理的。 （2） 不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti為代表，它是標準的18-8奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。 正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。 1．化工原理課程設計任務書 設計題目：管殼式換熱器選型 設計任務書： 操作條件 ：①有機物：入口溫度78℃，出口溫度21℃ ②冷卻介質(zhì)：河水，入口溫度20℃ ③允許壓強降：不大于100KPa 管路布置如圖（參考圖），已知泵進口段官場L進=5m，泵出口段管長L出=15m（均不包括局部阻力損失）。 設備型式：管殼式換熱器 設計要求： 1. 選用一個合適的換熱器； 2. 合理安排管路； 3. 選用一臺合適的離心泵。 2．設計方案的確定 2.1.管殼換熱器的型式： 用水做冷卻劑時，出口溫度不宜超過40度，選定出口溫度為30度。兩流體溫的變化情況：熱流體進口溫度78℃，出口溫度60℃，該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，兩側(cè)的溫差比較大。而列管式換熱器在生產(chǎn)中被廣泛利用。它的結(jié)構(gòu)簡單、堅固、制造較容易、處理能力大、適應性大、操作彈性較大。尤其在高壓、高溫和大型裝置中使用更為普遍。故因此初步確定選用列管式換熱器。 2.2流程的選擇： 從兩物流的操作壓力看，應使氯苯走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，所以從總體考慮，應使循環(huán)水走管程，氯苯走殼程。 3. 確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)并選擇管殼換熱器的型式 3.1.定性溫度 定性溫度：可取流體進出口溫度的平均值。 有機物的定性溫度為： 水的定性溫度為： 管程冷卻水的定性溫度為t=25(C) 殼程有機物的定性溫度為T=69(C) 3.2.物性參數(shù) 根據(jù)在定性溫度，分別查詢殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。 有機物在69C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 ρ0=997 ㎏/ m3 定壓比熱容 Cp0=2.22 kJ/（kg.k） 導熱系數(shù) l λ0=0.16 （W/m.k） μ=0.6mPas 循環(huán)冷卻水在25C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 ρi=995.6 ㎏/ m3 定壓比熱容 cpi=4.18kJ/（kg.k） 導熱系數(shù) l λi=0.613 （W/m.k） 粘度 μi=0.000801（Pa.s） 4.換熱器的工藝計算 4．1估算總傳熱系數(shù) 4．1.1熱流量（忽略熱損失） =532.8kw 4．1．2平均傳熱溫差（忽略熱損失） 4．1. 3冷卻水用量 =9.105kg/h 4．1．4估算總傳熱系數(shù) 1　 管程傳熱系數(shù) 2　 殼程傳熱系數(shù) 先假設殼程傳熱系數(shù)α0=1500w/(m^2*℃) 污垢熱阻為 Rsi=0.00017179m^2*℃/w Rs0=0.00017179m^2*℃/w 管壁的導熱系數(shù)k=45w/(m^2*℃) 4. 2 估算傳熱面積 考慮到15%的面積裕度，S=S’*15%=24.30 5．換熱器的工藝結(jié)構(gòu)尺寸設計 5.1管徑和管內(nèi)流速 選用的碳鋼管，管內(nèi)流速取μ=0.5m/s。 5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑流速確定單程傳熱管數(shù)： 按單程管計算，所需的傳熱管的管長度為： 由上面的計算結(jié)果可知，按單程管設計的話，傳熱管過長，應該采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長l=6m，則該換熱器管程數(shù)為： 管內(nèi)流速為： 5.3傳熱管排列和分程方法 采用組合排列方法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距,則 橫過管束中心線的管數(shù)： 5.4.計算平均傳熱溫差 平均傳熱溫差校正系數(shù) 由R和P查“查化工原理課程設計指導圖2-6(a)”得 平均傳熱溫差： 5.5.殼體內(nèi)徑 殼體是一個圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進入和排出之用。 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管的利用率η=0.7，則殼體的內(nèi)徑為： 圓整可取D=450mm 5.6.折流板 安裝折流板的目的是為了加大殼程流體的湍流速度，使湍流速度加劇，提高殼程流體的對流傳熱系數(shù)。在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以流體橫向穿過管束，增加流體速度，以增強傳熱，同時用以支撐管束、防止管束震動和管子彎曲的作用。弓形折流板簡單，性能優(yōu)良，在實際中最常用。本次設計采用弓型折流板。 ①圓缺高度 采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的35%，則圓缺高度為： h=0.35*400=140mm ②折流板間距B=600mm ③折流板數(shù) 折流板數(shù) 5.7接管 殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)有機物流速u1=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為： 圓整后可取內(nèi)徑為146mm。 管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u2=2.5m/s，則接管內(nèi)徑為： 圓整后可取內(nèi)徑為102mm。 5.7.計算殼程流通面積及流速 殼程流通截面積： 殼程流體流速極其雷諾數(shù)分別為： 5.8.計算管程流速 管內(nèi)柴油流速： 雷諾數(shù)： 6.換熱器核算 6.1傳熱系數(shù)的校核 6.1．1．殼體對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板，可用Kern公式： 當量直徑： 殼程流通截面積： 殼程流體流速及雷諾數(shù)分別為： 普朗特數(shù)： 殼程對流傳熱系數(shù)： （2）管程對流傳熱系數(shù) 管程流通截面積： Si=0.785*(0.022)*(96-12)/2=0.026376m2 管程流體流速： 管程給熱系數(shù) （3） 傳熱系數(shù) （4）傳熱面積 該換熱器的面積裕度為： H=（（Sp-S）/S）*100%=16.247% 該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。 換熱器內(nèi)流體的流動阻力 （1）管程流體阻力換熱器壓降的計算 ——為直管及回管中因摩擦阻力引起的壓強降； ——結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為1，對的管子，取1.4； ——管程數(shù) 串聯(lián)的殼程數(shù) Re=11509.136 傳熱管粗糙度為：0.01/20=0.0005 查莫迪圖得 =（341.125+179.864）1.412=0.014587mPa<0.1mPa (2)殼程壓降 ——流體橫過管束的壓強降(Pa); ——流體通過折流板缺口的壓強降(Pa); ——殼程壓強降的結(jié)垢結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為1，液體可取1.15。 ——管子排列方法對壓強降的校正因數(shù)，對正三角形排列F=0.5 ——殼程流體的摩擦系數(shù)，當Re>500時,; ——橫過管束中心線的管子數(shù); ——折流擋板數(shù); ——折流擋板間距(m); ——按殼程流通截面積計算的流速(m/s); = (1108.675+1214.583) =2323.258<0.1mPa 結(jié)論：殼程流動阻力也比較適宜。 7、換熱器設計結(jié)果一覽表 換熱器型式：固定管板式 換熱器面積（㎡）：41.12 工藝參數(shù) 名稱 管程 殼程 物料名稱 循環(huán)水 某有機液體 操作壓力，MPa 0.02169 0.005447 操作溫度，℃ 15/32 78/60 流量，kg/s 9.105 15 流體密度，kg/ 995.6 997 流速，m/s 0.3468 0.2547 傳熱量，kw 573.39 總傳熱系數(shù)，w/㎡k 532.8 對流傳熱系數(shù)，w/㎡k 2457.644 1093.1134 污垢系數(shù)，㎡k/w 0.00017179 0.00017179 阻力將，Pa 2276.29 9024.38 程數(shù) 2 1 使用材料 碳鋼 碳鋼 管子規(guī)格 Φ.5 管數(shù) 126 管長，mm 6000 管間距，mm 32 排列方式 正三角形 折流板形式 上下(共9個) 間距 32mm 殼體內(nèi)徑/mm 2758 切口高度 140mm 三、安排管路和選擇合適的離心泵 1．管徑初選 初取水合適流速 u=0.6m/s 由于201.9mm不是標準管徑，因此確定d=203mm壁厚6mm的熱軋無縫鋼管： 符合經(jīng)濟流速范圍 故確定： d=191mm 壁厚6mm 2.壓頭He 在水槽液面及壓力表處列柏努利方程 取， ， 查圖得 局部阻力： 底閥一個 標準90彎頭3個 球心閥1個（全開） 另外：突然減小=0.5，突然增大=1.0 故 換熱器壓降 對泵的壓頭安全系數(shù)取1.1，=1.110.798=11.878m 對流量的安全系數(shù)取1.4，qve=1.432.92=46.088 3.泵的選擇 因為是輸送河水，并且根據(jù)和以及IS型離心泵系列特性曲線可以選用清水泵，由以上數(shù)據(jù)查表得取泵：IS100-65-200 其參數(shù)為： 離心泵的型號規(guī)格 型號 轉(zhuǎn)速 n/(r/min) 流量 揚程 /m 效率 功率 必需氣蝕量 （NPSH）r/m 質(zhì)量（泵/底座）/kg m3/h L/s 軸功率 電機功率 IS100- 65-200 1450 50 13.9 12.5 73 2.33 4 2 81/64 4、管路布置如圖所示： 7. 管路選擇203mm6mm的鋼管，至少使用下列零件：底閥1個；標準90彎頭3個；球心閥1個。 8. 由于計算所得有效壓頭為10.788m，（安全壓頭為11.878m）；有效流量為32.92m3/h（安全流量為46.088 m3/h），根據(jù)離心泵特性曲線和工作點，選取型號為IS100-65-250的離心泵。 四、主要符號說明 P——壓力，Pa ; Q——傳熱速率，W； R——熱阻，㎡K/W； Re——雷諾準數(shù)； S——傳熱面積，㎡； t——冷流體溫度，℃； T——熱流體溫度，℃； u——流速，m/s; ——質(zhì)量流速，㎏/h; ——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/(㎡K); ——有限差值； ——導熱系數(shù)，W/(mK); ——粘度，Pas; ——密度，㎏/m3; ——校正系數(shù)。 r——轉(zhuǎn)速，n/(r/min) H——揚程，m ——必須汽蝕余量，m A——實際傳熱面積， Pr——普郎特系數(shù) NB——板數(shù)，塊 K——總傳熱系數(shù)，W/(㎡K) ——體積流量 Nt——管數(shù)，根 Np——管程數(shù) l——管長，m KC——傳熱系數(shù)，W/(mK) △tm——平均傳熱溫差，℃ 8.在ChemCAD中的結(jié)果 SUMMARY REPORT -------------- General Data: Heat Transfer Data: Exch Class/Type R/AEL Effective Transfer Area 219.02 Shell I.D. 0.70 Area Required 380.44 Shell in Series/Parallel 1/1 COR LMTD 13.57 Number of Tubes 320 U (Calc/Service) 428.70/744.66 Tube Length 9.00 Heat Calc 4585.74 Tube O.D./I.D. 0.0250/0.0200 Heat Spec 7965.53 Excess % -42.43 Tube Pattern TRI30 Foul(S/T) 1.761E-004/1.761E-004 Tube Pitch 0.03 Del P(S/T) 13.49/50.69 Number of Tube Passes 2 SS Film Coeff 697.13 Number of Baffles 57 SS CS Vel 0.35 Baffle Spacing 0.15 TW Resist 0.000056 Baffle Cut % 21 TS Film Coeff 2801.03 Baffle Type SSEG TS Vel 517.89 Thermodynamics: K: UNIFAC H: Latent Heat D: Library Number of Components: 2 Calculation Mode: Rating Engineering Units: Temperature C Flow/Hour (kg/h)/h Pressure kPa Enthalpy MJ Diameter/Area m/m2 Length/Velocity m/(m/sec) Film W/m2-K Fouling m2-K/W 9.附圖 10.總 結(jié) 課程設計不同于平時的作業(yè)，在設計過程中需要我們自己做出決策，即自己確定方案，選擇工藝參數(shù)和條件，查取資料，進行過程和設備計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復的分析比較，擇優(yōu)選擇最理想的方案和最合理的設計。所以這對培養(yǎng)我們獨立工作的能力有很大幫助。在“列管換熱器的工藝設計和選用”的設計過程中，感覺到理論和實踐能力都有一定的提升。主要有以下幾點：（1）查找資料，選用公式和收集數(shù)據(jù)的能力。設計任務數(shù)給出后，有許多數(shù)據(jù)需要由我們自己取收集，有些物性參數(shù)要查去或估算，計算公式也要求我們自己選擇，這就要求我們運用各方面的知識，通過詳細全面的考慮才能選定。（2）準確、迅速地進行工程計算的能力。設計計算是一個反復試算的過程，計算工作量大，這就要求我們需要有準確迅速的能力。（3）綜合分析問題的能力。課程設計不僅要求計算正確，還要求從各方面考慮各種因素，分析設計方案的可行性、合理性、從總體上得到最佳結(jié)果。 11.參考文獻 1．陳英南，劉玉蘭．常用化工單元設備的設計.華東理工大學出版社.2005 2．上海醫(yī)藥設計院編．化工工藝設計手冊(第二版).化學工業(yè)出版社.1996 3．江體乾等．化工工藝手冊．上海科學技術(shù)出版社.1992 4．茅曉東，李建偉．典型化工設備機械設計指導．華東理工大學出版社．1995 5．化學工程手冊編委．化學工程手冊(第1篇)化工基礎數(shù)據(jù)．化學工業(yè)出版社.1980 7．陳敏恒等．化工原理(第三版)．化學工業(yè)出版社．2006