化工原理课程设计1列管式换热器[1]

化工原理课程设计任务书

材化学院 专业 班 学生姓名 学号：

设计题目： 列管式换热器设计

设计时间： 200 年 月 日—— 200 年 月 日

指导老师：吴世彪

设计任务：

某炼油厂用柴油将原油预热。柴油和原油的有关参数如下表, 两侧的污垢热阻均可取1.72-42

×10m·K/W，换热器热损失忽略不计，管程的绝对粗糙度ε=0.1mm，要求两侧的阻力损失均不

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超过0.3×10Pa。试设计一台适当的列管式换热器。(y:学号后2位数字) 物料 质量流量 比 热 密 度 导热系数 3 kg/h kJ/(kg·℃) kg/m W/(m·℃) 入口 出口 T2 34000+100*y 2.48 110 44000+150*y 2.20 715 815 0.133 0.128 温 度 ℃ 粘度 Pa·s 0.64×10 3.0×10 -3-3工作 压力 常压 常压 柴油 175 原油 70 设计内容：

(1) 设计方案的确定及流程说明 (2) 换热面积的估算 (3) 管子尺寸及数目计算 (4) 管子在管板上的排列 (5) 壳体内径的确定 (6) 附件设计(选型)

(7) 换热器校核（包括换热面积、压力降等） (8) 设计结果概要或设计一览表

(9) 对本设计的评述或有关问题的分析讨论 (10)参考文献

图纸要求：1、换热器化工设备图（1＃图纸）

安徽建筑工业学院材化学院化工系

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目录

第一章 文献综述 ···················································································································

第一节 概述 ··················································································································

一、换热器的概念 二、换热器的分类

三、列管式换热器的标准简介

四、列管式换热器选型的工艺计算步骤

第二节 换热器设备应满足的基本要求 ········································································

一、合理的实现所规定的工艺条件 二、安全可靠性

三、安装、操作及维护方便 四、经济合理

第三节 列管式换热器结构及基本参数 ········································································

一、管束及壳程分程 二、传热管

三、管的排列及管心距 四、折流板和支撑板 五、旁路挡板和防冲挡板 六、其他主要附件

七、列管式换热器结构基本参数

第四节 设计计算的参数选择 ·······················································································

一、冷却剂和加热剂的选择 二、冷热流体通道的选择 三、流速的选择 四、流向的选择

第二章 列管式换热器的设计计算 ·························································································

第一节 换热面积的估算 ································································································

一、计算热负荷 二、估算传热面积

第二节 换热器及主要附件的试选 ·················································································

一、试选管型号

二、换热器结构一些基本参数的选择 第三节 换热器校核 ········································································································

一、核算总传热系数 二、核算压强降

第四节 设计结果一览表 ································································································ 第五节 设计总结及感想 ································································································

一、设计总结 二、感想

参考文献 ···························································································································

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第一章 文献综述(略)

第二章 列管式换热器的设计计算 第一节 换热面积的估算

一、计算热负荷(不考虑热损失)

由于设计条件所给为无相变过程。由设计任务书可知热负荷为

Q = w原油Cp原油(t2-t1) = (50000/3600)×2.20×1000×(110-70)= 1222222W.

由热量守恒可计算柴油出口温度T2

Q = w柴油Cp柴油(T1-T2) = (38000/3600)×2.48×1000×(175-T2)=1222222W T2=128.31℃

二、计算平均温度差： Δt1=175-110=65℃

Δt2=128.31-70=58.31℃ 逆流温度差

?tm逆??t1??t265?58.31??61.6℃ ?t165lnln58.31?t2

三．确定流体走向

由于原油温度低于柴油，为减少热损失和充分利用柴油的热量，选择原油走壳程，柴油走管程。

四．换热面积估算

由《化工原理课程设计》的表4-6，取K估=200W/(m2·℃). 先假设换热器为单管程、单壳程的，且冷热流体逆流接触。则 A估=Q/(K估×Δtm逆)=1222222/(200×61.6)=99.2m2. 预先估算传热面积为99.2 m2。 五、选柴油的流速为u1=1m/s

取换热管的规格为Φ25×2.5mm碳素钢管(8.3kg/6m)。估算单管程的管子根数

n'?w柴油3600??柴油?A估?4d1 u12=

38000?4=47.02≈47根。 23600?715?3.14?(0.02) ?1根据传热面积A估计算管子的长度L’,有 L'??d2 n'?99.2?26.9?27m

3.14?0.025?47式中：d1----换热管的内径，为0.02m d0----换热管的外径，为0.025m 五、管程数Nt的确定

由于L’数值太大，换热器不可使用单管程的形式，必须用多管程。我们选择管程的长度为6m，则Nt=L’/6=27/6=4.5≈4.(管程数通常选择偶数)

六、校正温度差

R=(T1-T2)/(t2-t1)=(175-128.31)/(110-70)=1.167 P=(t2-t1)/(T1-t1)=(110-70)/(175-70)=0.381

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根据R，P的值，查化工原理教材中图4-25(a)，得温度校正系数 φ=0.91 > 0.9,说明换热器采用单壳程，四管程的结构是合适的。 Δtm=φ×Δtm逆=0.91*61.6=56.06℃。 七、求实际换热面积A实际

换热管数为n’ ×Nt=47×4=188根。

A实际=L×(π×d0) ×n’=6×(3.14×0.025)×188=88.55m2. 实际换热面积为88.55m2. 八、选择换热器壳体尺寸 选择换热管为三角形排列，换热管的中心距为t=32mm。横过管束中心线的管数：

nc?1.1n?1.1?188?15.1?16

最外层换热管中心线距壳体内壁距离：b'=(1——1.5)d0 ，此处b’取一倍d0，即b'=0.025m

壳体内径：D?t(nc?1)?2b'?0.032?15?2?0.025?0.53m

圆整后，换热器壳体圆筒内径为D=550mm，壳体厚度选择8mm。长度定为5996mm。 壳体的标记：筒体 DN550 δ=8 L=5910。

筒体材料选择为Q235-A，单位长度的筒体重110kg/m,壳体总重为110*(5.910-0.156)= 632.94kg。(波形膨胀节的轴向长度为0.156m，见本设计设备图)

九、确定折流挡板形状和尺寸

选择折流挡板为有弓形缺口的圆形板，直径为540mm,厚度为6mm。缺口弓形高度为圆形板直径的约1/4，本设计圆整为120mm。折流挡板上换热管孔直径为25.6mm，共有188-22-13/2=159.5个；拉杆管孔直径为16.6mm，每个折流挡板上有4个。折流挡板上的总开孔面积=159.5*514.7185+4*216.4243=82963.2972mm2。折流挡板的实际面积=191126.3264-82963.2972 = 108163.0292 mm2，重量为5.1kg。选择折流挡板间距h=400mm。折流挡板数NB =L/h-1=6000/400-1=14块.换热管排列的横截面如下图所示:

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图中圆环形的剖切面表示换热器壳体的剖面.换热管分为四个管程,每个管程47根换热管(图中各个小菱形的顶点表示换热管横截面的中心).图中8个”十”字形表示拉杆的开孔,拉杆直径为16mm.

十、波形膨胀节

冷流体原油为黏度较高的流体，其定性温度为（110*0.4+70*0.6）=86℃; 热流体柴油的定性温度为（175*0.5+128.31*0.5）=87.5+64.155=151.66℃. 冷热流体的定性温度差=151.66-86=65.66℃>50℃,所以换热器壳体上要安装波形膨胀节。波形膨胀节的壁厚与壳体相同，为8mm。根据换热器壳体的公称直径550mm，可知波形膨胀节的公称直径也是550mm，根据公称直径，查《化工设备机械基础》(化学工业出版社，2008)书中表16-9的对应条目，获得波形膨胀节的具体尺寸(见换热器设备图)。

单个波形膨胀节的质量=4579586.3154mm3×7.8×10-3×10-3kg·mm-3=35.721kg。

十一、传热系数K的计算 1．管程对流传热系数αi 换热管内柴油流速：

u1?w柴油/3600?4??d1??柴油?n’24?38000?1.00m/s

3600?3.14?0.022?715?47雷诺数Re1?d1u1?柴油?1cp1?1?0.02?1.00?715?22344，

0.64?10?3普兰德数Pr1?

?12.48?103?0.64?10?3??11.93，

0.1335

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