化工原理课程设计——换热器.docx

化化工原理课程设计 化工原理课程设计 化工原理课程设计 工原理课程设计 管壳式换热器选型 管壳式换热器选型 管壳式换热器选型 管壳式换热器选型 姓名： 李鹏程 学号： 10091693 班级： 工092 指导老师： 袁萍 华东理工大学 化工学院 前言 前言 前言 前言 1.换热器的设备简介 传热是热能从热流体间接或直接传向冷流体的过程。其性质复杂，不但要考虑经过 间壁的热传导，而且要考虑到间壁两边流体的对流传热，有时还须考虑到辐射传热。在 化学工业中常遇到的热交换问题，根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三 大类即：间壁式、混合式和蓄热式。其中间壁式换热器詹用量最大，据统计，这类换热 器占总用量的 99%。间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类，其中管壳式换 热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期的操作过程中积累了丰富的经验，其设 计资料基本齐全，在许多国家都有了系列化的标准。因此，作为广泛应用于各个领域的 工业设备，它在国民经济中具有非常重要的作用。 换热器（英语翻译：heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备， 又称热交换器。管壳式换热器按结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U 型 管式换热器、双重管式换热器、填料函式换热器和双管板换热器等。前3 种应用比较普 遍。 固定管板式换热器的结构：主要有外壳、管板、管束、顶盖（又称封头）等部件构 成。它的特点是结构简单，没有壳 侧密封连接，相同的壳体内径排管 最多，在有折流板的流动中旁路最 小，管程可以分成任何管程数，因 两个管板由管子互相支撑， 故在各 种管壳式换热器中它的管板最薄， 造价最低，因而得到广泛应用。这 种换热器的缺点是：壳程清洗困难， 有温差应力存在。这种换热器适用 于两种介质温差不大， 或温差较大但壳程压力不高及壳程介质清洁，不易结垢的场合。 在满足工艺过程要求的前提下， 换热器应达到安全与经济的目标。换热器设计的 主要任务是参数选择和结构设计、传热计算及压降计算等。设计主要包括壳体形式、管 程数、换热管类型、管长、管子排列、管子支承结构、冷热流体的流动通道等工艺设计 和封头、壳体、管板等零部件的结构、强度设计计算。 换热器的工艺设计计算，依据设计任务的不同可分为设计计算和校核计算两种，包 括计算换热面积和选型两个方面。一般已知冷、热流体的处理量和它们的物性。进出口 温度、压力由工艺要求确定。设计中需选择或确定的数据有三大类，即物性数据、结构 数据和工艺数据。具体来说，可以通过一下步骤来进行：初选换热器的尺寸规格，计算 管程的压降和给热系数，计算壳程压降和给热系数，计算传热系数、校核传热面积。考 虑到所用传热计算是的准确程度及其他未可预料因素，保持传热面积上的裕度，应使最 后A/A计=1.151.25，否则就要重新估计、选择，重复计算。 2.泵的选用与评价 泵指改变容积内流体的压力或输送流体的机器，主要用来输送液体包括水、油、酸 碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的 液体。化工生产设计的流体可能是强腐蚀性、有毒、易燃易爆、高温或低温以及含有固 体悬浮物等，其性质千差万别。为适应各种不同的需要，研制了多种形式的输送机械， 依作用原理不同，可将其分为：动力式（叶轮式）：包括离心式、轴流式等；容积式（正 1 华东理工大学 化工学院 正位移式）：包括往复式、旋转式等；其他类型：如喷射式等。其中离心泵由于其效率 高，性能范围和适用领域广，因此是现代应用最广、产量最大的泵。 离心泵的性能, 是指离心泵在标准工 况下的流量、扬程、效率、功率、转度、 必需汽蚀余量等性能参数。流量是指单位 时间内通过泵出口输出的液体量，一般采 用体积流量；扬程是单位重量输送液体从 泵入口至出口的能量增量 ，对于容积式 泵，能量增量主要体现在压力能增加上， 所以通常以压力增量代替扬程来表示。泵 的效率不是一个独立性能参数，它可以由 别 的 性 能 参 数 通 过 公 式 H Z Pulle u + = + + gg dg 22 () 计算求得。在实际选泵的过程中，还要合理配置，安 全运行，这样才能做到优质输送。 泵选型的原则是：使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀 流量、吸程等工艺参数的要求；机械方面可靠性高、噪声低、振动小；经济上要综合考 虑到设备费、运转费、维修费和管理费的总成本最低。根据工艺流程,、专业要求,，应 将下面五个方面加以考虑, 既液体输送量、装置扬程、液体性质、管路布置以及操作运 转条件等。水泵的选取并不难，只要做到经验与理论计算相结合，充分利用各台水泵的 特性，就能做到使用最少的功率达到水泵的最大出水量，做到安全、优质、低耗输送。 22 计算求得。在实际选泵的过程中，还要合理配置，安 全运行，这样才能做到优质输送。 泵选型的原则是：使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀 流量、吸程等工艺参数的要求；机械方面可靠性高、噪声低、振动小；经济上要综合考 虑到设备费、运转费、维修费和管理费的总成本最低。根据工艺流程,、专业要求,，应 将下面五个方面加以考虑, 既液体输送量、装置扬程、液体性质、管路布置以及操作运 转条件等。水泵的选取并不难，只要做到经验与理论计算相结合，充分利用各台水泵的 特性，就能做到使用最少的功率达到水泵的最大出水量，做到安全、优质、低耗输送。 目录 目录 目录 目录 1.设计任务 3 1.1 工艺与要求 3 1.2 流程与管路图 3 2.计算结果明细表 3 3.计算过程 4 3.1 换热器的选型 4 3.1.1 换热器的选择4 3.1.2 换热器管程的计算 5 3.1.3 换热器壳程的计算 6 3.1.4 换热器的验证与说明 6 2 华东理工大学 化工学院 3.2 管路的铺设与泵的选型7 3.2.1 管道的选用 7 3.2.2 泵的选型与计算说明 7 4.附录 8 4.1 物性明细表 8 4.2 符号说明 8 5.参考文献 9 1.设计任务 1.1工艺要求 要将温度为 78°C 的某液态有机物冷却至 60°C，此有机物的流量为 6.55kg/s。先拟用温度为t1= °C的冷水进行冷却。要求换热器管壳两侧的 压降皆不应超过0.1MPa。一直有机物在69°C时的物性数据如下： =997kg/m3=0.6mPa·s Cp=2.22kJ/kg·°C =0.16W/m·°C 要求：1.选用合适的换热器；2.合理安排管路；3.选用一台合适的离心泵。 1.2 流程与管路图 管路布置如右图，已知泵进口段管 长L进=5米，泵出口段管长 L出=15米 （均不包括局部阻力损失）。 2.计算结果明细表 物理量 数值 换热器选型 BES273-1.6-11.1-4.5/25-2换热器 热流量 Q（kW） 261.74 3 华东理工大学 化工学院 纯逆流平均推动力tm逆（°C） 39.0 实际平均推动力tm（°C） 37.8 初步计算的 A估（m2） 11.54 冷却水质量流速qm2/(kg/s) 3.14 管内流速 ui/(m/s) 0.628 管内流动雷诺系数Re 15609.1 管程给热系数i/(W·m-2·K-1) 3157.4 管程阻力损失Pt/(Pa) 5855 横过管束中心线的管数NTC 6.73 壳程流动面积 A0/m2 0.0157 壳程流速 u0/m·s-1 0.418 壳程流动雷诺数Re0 17364.4 壳程流体摩擦系数f0 0.540 壳程压降PS/Pa 8209.8 当量直径 de/mm 20.19 最大流动截面 A'/m2 0.00896 壳程实际流速 u0/m·s-1 0.733 壳程实际雷诺数Re0 15609.1 壳程给热系数0/(W·m-2·K-1) 1428.3 计算传热系数 K计/(W·m-2·K-1) 712.8 计算传热面积 A计/m2 9.71 实际传热面积 A实/m2 11.3 A 实/A计 1.164 泵的选型 IS50-32-125型单级单吸离心泵 管路内流速 u/m·s-1 2.51 泵的扬程 He/m 19.3 泵的体积流量 qv/m3·h-1 11.34 最大允许安装高度Hg/m 4.44 3.计算过程 3.1 换热器的选型 综合考虑夏冬两季水温，将初温定为 20°C；考虑到化工生产中的实 t = + = +°C = °C tt 12 20 40 30 际，将冷却水出口温度定为 40°C。此时 22 查的此时的物性参数如下： 22 =995.7kg/m3 =801.2Pa·s Cp=4.174kJ/kg·°C =0.6171W/m·°C 3.1.1 换热器的选择 22 4 华东理工大学 化工学院 选择流动方式为逆流，初估K为600.选用单壳程双管程固定管板式换热器. Q =qm1cp1(T1T2) =6.55×2.22×(7860)kW =261.74kW 1221 （T -t） =° =° (t )(78 40) (60 20) 39.0 T 逆 m 78 40 ln()ln() 60 20 12 tCC Tt 21 Tt T T 78 60 tt 40 20 12 21 tt 40 20 Tt 78 20 R = 21 11 0.9 P = 0.34 由R、P的值从表上读出 =0.97>0.8，故流动方式选择有效。 3 261.74 102 11.54 2 m 600 37.8 × = 估 × Q tm = tm逆=0.97×39.0°C=37.8°C Amm K t 根据以上计算值，选取换热器型号及其基本参数如下： BBES273-1.6-11.1-4.5/25-2 根据以上计算值，选取换热器型号及其基本参数如下： BBES273-1.6-11.1-4.5/25-2 BES273-1.6-11.1-4.5/25-2 BES273-1.6-11.1-4.5/25-2 ES273-1.6-11.1-4.5/25-2换热器 公称直径 DN/mm 273 管子尺寸 mm 25×2.5 工程压强 PN/MPa 1.6 管长 L/m 4.5 工程面积 m2 11.1 管数 NT 32 管程数 Np 2 中心管距 l/mm 32 管子排列方式 正三角形 中心排管数 7 3 × = × × Q kg skg s 23 2 21 ctt p 261.74 10 qm() 4.174 10(40 20)/ 3.14/ 综合冷、热流体流动通道的注意事项，最终选择冷却水走管程通道，有 机液体走壳程通道的方式。选用 25%圆缺挡板，挡板间距 150mm。 3.1.2 换热器管程的计算 q N × mP 2 = 3.14 2 i 2 × ×× u 2 Ti 2 4 N d 0.785 32 0.02 995.7 m/s=0.628m/s 4 0.15 = 0.0075 di20 值取 0.15mm，则进而求出值为 0.034. 对于正三角形排列，管程结垢校正系数 ft取 1.4，则压降为： 22 P = +f N =×+ × × ××Pa=Pa MPa Lu i t t p 4.5995.7 0.628 (3)(0.0343) 1.4 25855 0.1 t t p i d20.022 符合题目要求。 ×× = × u d µ 2 2 i i 6 995.7 0.628 0.02 Re15609.110000 2 801.2 10 所以管程给热系数可用下式计 µ d uc 22 0.82 2 0.4 iip i d µ 算： µ = 0.023() () i 22 36 0.80.42 ××× ×× =××× × = W m K 6 0.6171 0.02 0.628 995.74.174 10 801.2 10 0.023()()/2 W 0.02801.2 100.6171 3157.4/m5 华东理工大学 化工学院 3.1.3 换热器壳程的计算 压降计算中的各项参数： 1.19()0.5 1.19 (32)0.5 6.73 NTC =NT =×= 22 A0 = B(DNTCd0) =0.15×(0.2736.73×0.025)m =0.0157m qm um sm s 6.55 = A =×= 0 0 1 03 1 / 0.418/ 1 997 0.0157 0 1 0 0.025 0.418 997 Re17364.4 500 0.6 10 d u µ 由于所以 ×× = × = = × = 0.2280.228 f0 5.0Re5 17364.40.540 已知换热器内折流板数目为 19，正三角形排列 F=0.5，可得壳程压降： 2 1 0 Bu P Ff N NNf D 2 (1)(3.5) =+ + sTCBBs 0 2 2 ×× = ××× + + × ×× = 2 150997 0.418 0.5 0.54 6.73 (19 1) 19 (3.5) 1.15 2732 Pa MPa 8209.8 0.1 所以符合题目要求。 列管为正三角形排列，所以： 33 4() 4 (32 0.785 25 ) 24220.19 e3.14 25 2222 0 ld dmmmm d ×× × = 0 × d A BDmm = l =×× = 1 0 1 '(10) 0.15 0.273 (1 25) 2 0.00896 2 32 qm um sm s 6.55 = A =×= / 0.733 / ' 997 0.00896 997 0.733 0.02019 Re2.46 10 2000 0.6 10 ×× =× × u de µ 1 04 03 1 由于 故壳程给热系数可按下式计算： µµ c 1 Pa p 0.36 Re() () d µ 0 = 10.551 1 30.14 1 ew 33 1 4 0.5532 × × × =××××× W m K 0.162.22 10 0.6 10 0.36(2.46 10 )() 0.95/2 W m K 0.020190.16 =1428.3/3.1.4 换热器的验证与说明 6 华东理工大学 化工学院 污垢热阻：R水=0.00021m2·K/kW R有机物=0.000176m2·K/kW K 1 计 = R R 水 有机物 11 + + 0i 2 W m K 1 =/11 +0.00021+0.000176+ 1428.33157.4 2 W m K =712.8/Q Am K × 3 = 计 计 逆×× 261.74 1022 =m 9.71 tm 712.8 0.97 39 22 A实=NT d0L =32×3.14×0.0025×4.5m =11.3m A A 11.3 =1.164 9.71 实 计 由于因此所选的换热器符合要求。 设计说明：本次换热器选用的固定管板式换热器，其结构简单，制造 成本低，管程清洗方便，在工程上广泛应用。如果实际操作中发现其膨胀 之差较大，还可以在壳体上设置膨胀节，减少管、壳程温差而产生的热应 力。但是由于其壳程无法机械清洗，如果有机物较脏或有腐蚀性时，应使 其走管程或换用其他类型换热器。因为管子腐蚀后连同壳体一同报废，设 备寿命较低，因此实际应用时应注意防腐蚀。 3.2 管路的铺设与泵的选型 3.2.1 管道的选用 本次管道铺设，所有直管均选用45mm×2.5mm 的无缝钢管，在拐角 处选用两个90°方形弯头，一个球心阀，并在水泵进口处不设置底阀。无 缝钢管的绝对粗糙度为=0.15mm,其他局部阻力系数明细表如下： 管件（阀件）名称 球心阀 90°方形弯头×3 水泵进口 值 6.4 1.3 2.5 3.2.2 泵的选型与计算说明 3.14 2 = ×× / 2.51 / 2 0.785 0.04 995.7 qm um sm s 2 2 4 d 4 7 华东理工大学 化工学院 0.15 3.75 10 3 d 40 =× 由可算得=0.028 进而求出 2 2 P PL L Hz gg + =+ + u 出 进 t e 2 (+) d2 2 2 + =+ +×+ + + × × ×× = m mm 5855 200005 152.51 8(0.0286.4 2.5 1.3 3) m 995.7 9.810.042 9.81 19.3 q qkg hkg h 2 3.14 m = =×= 3600/ 11.34/ v 997 已知 997 故最终选用IS50-32-125 型单级单吸离心泵，其性能参数如下： IIS50-32-125 IS50-32-125 IS50-32-125 S50-32-125型单级单吸离心泵 转速 n/r·min-1 2900 轴功率/kW 1.13 流量 qv/m3·h 12.5 电机功率/kW 2.2 扬程 H/m 20 必需汽蚀余量（NPSH）r/m 2.0 效率/% 60 质量(泵/底座)/kg 32/46 假设泵的管路损失为hf3m=水柱，所处环境为30°C（Pv=4.2455kPa） 时泵的最大允许安装高度为： P P HHNPSH g =+ V gfr 0 (0 1) () 0.5 = + × = m mm 101325 4245.5 3(2.0 0.5) 995.7 9.81 m 4.44 即泵的安装高度距离水面最大 4.44m，否则容易出现汽蚀现象。 设计说明：以上选择仅仅基于流量和扬程两方面计算，没有考虑到实际操 作过程中的安装高度、阀门调节等问题，因此具体在选泵的时候还要再做 更详细的考虑。 4.附录 4.1 物性明细表 物理量 数值 有机物 69°C 时的密度1/kg·m-3 997 有机物 69°C 时的动力粘度1/mPa·s 0.6 有机物 69°C 时的比热容 Cp1/kJ·kg·K 2.22 有机物 69°C 时的热导率1/W·m-1·K-1 0.16 8 华东理工大学 化工学院 冷却水 30°C 时的密度1/kg·m-3 995.7 冷却水 30°C 时的动力粘度1/mPa·s 0.8012 冷却水 30°C 时的比热容 Cp1/kJ·kg·K 4.174 冷却水 30°C 时的热导率1/W·m-1·K-1 0.6171 无缝钢管绝对粗糙度/mm 0.15 河水的污垢热阻R 水/m2·K·kW-1 0.00021 有机物的污垢热阻R 有机物/m2·K·kW-1 0.000176 30下水的饱和蒸汽压 Pv/kPa 4.2455 4.2 符号说明 符号说明 符号单位 流体的密度i kg/m3 流体的动力粘度i Pa·s 流体的比热容 Cpi J/kg·K 流体的热导率i W/m·K 流体的流速 ui m/s 流体的质量流率 qmi kg/s 流体的体积流率 qvi m3/s 流体经过的截面积 Ai m2 流体流动的雷诺系数 Re 无 流体温度 t °C 给热系数i W/(m2·°C) 传热系数 Ki W/(m2·°C) 污垢热阻 Ri (m2·°C)/W 阻力系数及校正系数 fi 无 直径与当量直径 di m 部件数目 Ni 个 压降Pi Pa 扬程 He m 参数 R 无 参数 P 无 最大允许安装高度Hg m 5.参考文献 1王元文.管壳式换热器的优化设计J.广东化工，2005(3)，43-44. 2董溢.浅谈管壳式换热器J.科技信息，2010(5)，755-756. 3 陈敏恒，从德滋，方图南，等.化工原理上册.第三版M.北京：化学工业出版社， 2006. 4徐海燕.浅谈实际设计工作中离心泵的合理选型J.甘肃科技，2008,3(5)，55-56. 9