1、8万吨的列管式换热器设计课程设计成果学院:_ 化工与药学院_ 班 级: 过程装备与控制工程 学生姓名: 学 号: 设计地点（单位）_教学楼 _ _ 设计题目: 8万吨的列管式换热器设计 完成日期：2015 年 12 月 31 日 指导教师评语_ _ _成绩(五级记分制): _ _教师签名: _荆楚理工学院课程设计任务书设计题目：8万吨的列管式换热器学生姓名课程名称专业班级地 点教学楼起止时间2015.12.27-2015.12.31设计内容及要求1. 1.根据换热任务和有关要求确认设计方案。2.初步确认换热器的结构和尺寸。 3.核算换热器的传热面积和管、壳程流体阻力。4、确认换热器的工艺结构。
2、5.绘制换热器的条件工艺图。要求：熟练资料查阅、知识综合应用、理论计算、设备选型、绘制图形、编写说明书。培养工程观念：理论小试放大。设计参数1、设计基本参数 处理能力：8万吨/年 设备型式：列管式换热器 操作条件：冷却介质：循环水 入口温度：23 ，出口温度：37 热介质：煤油 入口温度: 120 ，出口温度：402、允许压强降，不大于105Pa3、每年按330天记，每天24小时连续运行。4、厂子地址：湖北地区 进度要求1、 设计动员，下达设计任务，讲解设计方案的确定，设计过程的步骤及注意事项，查阅收集相关资料。12月27日2、 确定方案并进行设计计算。12月2日-12月28日3、 绘图 12
3、月29日4、整理设计数据，编写设计说明书。12月30日-31日一.设计概述 1.1热量传递的概念与意义1.1.1热量传递的概念热量传递是指由于温度差引起的能量转移，简称传热。由热力学第二定律可知，在自然界中凡是有温差存在时，热就必然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。1.1.2 化学工业与热传递的关系化学工业与传热的关系密切。这是因为化工生产中的很多过程和单元操作，多需要进行加热和冷却，例如：化学反应通常要在一定的温度进行，为了达到并保持一定温度，就需要向反应器输入或输出热量；又如在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热量。此外，化工设
4、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许多有关传热的问题。应予指出，热力学和传热学既有区别又有联系。热力学不研究引起传热的机理和传热的快慢，它仅研究物质的平衡状态，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；而传热学研究能量的传递速率，因此可以认为传热学士热力学的扩展。1.1.3.传热的基本方式根据载热介质的不同，热传递有三种基本方式：（1）热传导（又称导热） 物体各部分之间不发生相对位移
5、，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。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。热对流仅发生在流体中，产生原因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，即是热由流体传到固体表面（或反之）的过程，通常称为对流传热。（3）热辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。热辐射的特点是：不仅有能量的传递，而且还有能量的转移。1.2
6、换热器的概念及意义在化工生产中为了实现物料之间能量传递过程需要一种传热设备。这种设备统称为换热器。在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高的流体传递到温度较低的流体，以满足工艺上的需要。它是化工炼油，动力，原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备，对于迅速发展的化工炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。换热器在化工生产中，有时作为一个单独的化工设备，有时作为某一工艺设备的组成部分，因此换热器在化工生产中应用是十分广泛的。任何化工生产中，无论是国内还是国外，它在生产
7、中都占有主导地位。1.3换热器设计草图二确定设计参数选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度120，出口温度40，冷流体（循环水）进口温度23，出口温度37，冬季操作时进口温度会降低，考虑这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此，初步选用带膨胀节的固定管版式换热器。2.流动空间及流速的确定 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。选用的碳钢管，管内流速取=0.5m/s。三.确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平局值。壳程油的定性温度管道流体的定性温度根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性参数数据。煤油在80时的物性数据如下：密度
8、 定压比热容 =2.32kj/（kg）导热系数 =0.106w/(m)黏度 =0.00062pas循环冷却水在35下的物性数据如下：密度 定压比热容 =4018kj/（kg）导热系数 =0.611w/（m）黏度 =0.000854pas四.计算总传热系数1.热流量 2.平均传热温差3.冷却水用量 4.总传热系数K 管程传热系数： =壳程传热系数：假设壳程的传热系数 污垢热阻 管壁的导热系数 =223W/(m)五.计算传热面积 考虑15%的面积裕度，六.工艺结构尺寸的计算（1）管径和管内流速 选用252.5mm传热管（碳钢），取管内流速（2） 管程和传热管数 根据传热管内径和流速确定单程传热管数
9、。 按单程管计算，所需的传热管长度按单程管设计，传热管过长，宜采用多管结构。现取传热管长L=4m ，则该传热管程数为传热管总根数N=574=228（根）（3 ）平均传热温差校正及壳程数平均传热温差系数： 按单壳程，四管程结构，温度校正系数应查有关图表。可得到平均传热温差(4)传热管排列和分组方法 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距 ，则：a=1.2525=31.2532mm 横过管束中心线的管束 (5)管壳内径采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则管壳内径为： 圆整可取D=610mm(6)折流板采用弓形折刘板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则
10、切去的圆缺高度为h=0.25610=152.5（mm），故可取h=150mm。取折流板间距B=0.3D,则B=0.3610=183(mm)可取B为200.折流板数 Nb=传热管长/折流板间距-1=6000/200-1=29（块）折流板圆缺面水平装配。(7)接管壳程流体进、出口接管：取管内油品流速为u=1.0m/s，则接内径为： 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s，则接管内径为：七换热器核算（1）热量核算壳程对流传热系数。对圆缺形折流板，可采用凯恩公式：当量直径，由正三角形排列得：壳程流通截面积：壳程流体流速及其雷诺数分别为： 普兰特准数：黏度校正管程对流传热系数管程流通截面
11、积管程流体流速： 普兰特准数 传热系数K=336w/（）传热面积S该换热器的实际传热面积Sp：该换热器的面积裕度为：H=（Sp-S）/S100%=（48.6-38.6）/38.6100%=25.9%传热面积裕度合适，该换热器能够完成任务。(2)换热器内流体的流动阻力管程流动阻力。Ns=1，Np =2，Ft =1.5由Re=11592，传热管相对粗糙度0.01/20=0.005，查莫迪图得=0.029流速=0.489m/s，=996m/s，所以：=4179（Pa）10（Pa）壳程阻力。流体流经管束的阻力：F=0.5流体流经折流板缺口的阻力：B=0.2(m)，D=0.61(m) =1919(Pa)
12、总阻力 =7637（Pa）10（kPa）壳程流动阻力也比较适宜。八. 设计结果一览表项 目壳程（煤油）管程（循环水）流量，/h1010131954温度，（进/出）120/4023/37物性定性温度，8030密度，/m3775996比热，kJ/2.324.18粘度，Pas0.62100.854导热系数，w/m0.1060.611结构参数壳体内径，610台数1管径，252.5壳程数4管长，m4管心距，32管数228管子排列正三角形排列传热面积，38.6折流板数29管程数4折流板间距，m0.2材质碳钢主要计算结果壳程管程流速，m/s0.2450.489污垢热阻,()/W0.0001720.00034
13、4传热系数，W/（）5502538九课程设计总结通过本次课程设计，我对换热器的结构、性能都有了一定的了解，同时，在设计过程中，我也掌握了一定的工艺计算方法。换热器是化工厂中重要的化工设备之一，而且种类繁多，特点不一，因此，选择合适的换热器是相当重要的。在本次设计中，我发现进行换热器的选择和设计是要通过反复计算，对各项结果进行比较后，从中确定出比较合适的或最优的设计，为此，设计时应考虑很多方面的因素。首先要满足传热的要求，本次设计时，由于初选总传热系数不合适，使规定条件下的计算结果与初设值的比值不在要求范围内，因此，经过多次计算，才选择到合适的K值.其次，在满足工艺条件的前提下选择合适的换热器类
14、型，通过分析操作要求及计算，本次设计选用换热器为上述计算结果。再次，从压强降来看，可适当加大流速，从而加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低污垢热阻，然而，流速增加，流动阻力也会随之增大，动力消耗就增多，因此，作出经济衡算在确定流速时是相当重要的。此外，其他因素（如加热和冷却介质用量，换热器的检修和操作等），在设计时也是不可忽略的。在检修和操作方面，固定管板式换热器由于两端管板和壳体连接成一体，因此不便于清洗和检修。本次设计中，在满足传热要求的前提下，考虑了其他各项问题，但它们之间是相互矛盾的。然而在本次设计中由于经验不足，知识有限，还是存在着很多问题。比如在设计中未考虑对成本进行核算，仅在满足操作要求下进行设计，在经济上是否合理还有待分析。在设计的过程中我发现板式换热器采用同一板片组成不同几何尺寸和形状的流道（非对称流道）解决了两侧水流量不等的问题，同时与对称结构相比具有相同的耐压性和使用寿命。总之，通过本次设计，我发现自己需要继学习的知识还很多，我将会认真请教老师，不断提高自己的知识水平，扩展自己的知识面。
