1、閩江學院課 程 設 計題 目年處理量6萬噸的乙苯冷卻器的設計學生姓名 張 攀 學 號 3131202102 系 別 化學與化學工程系 年 級 2013 級 專 業 應用化學 指導教師 張燕杰 完成日期 2016年6月15日 目 錄一 前言31.1 換熱器分類31.2 換熱器材質的選擇5二 換熱器設計任務書5三 設計過程6 3.1設計方案的確定6 3.2 確定流體的定性溫度、物性數據并選擇管殼換熱器的型式7 3.3工藝計算及主體設備設計7 3.4換熱器核算10 3.5換熱器內流體的流動阻力核算：11四 換熱器設計結果一覽表13五 對本設計的評述13六 附圖14七 參考文獻14八 主要符號說明14

2、15一 前言 換熱器是化工、煉油工業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。1.1 換熱器分類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 傳熱器的結構分類類型特點間壁式管殼式列管式固定管式剛性結構用

3、于管殼溫差較小的情況（一般50），管間不能清洗帶膨脹節有一定的溫度補償能力，殼程只能承受低壓力浮頭式管內外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合U型管式管內外均能承受高壓，管內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、易爆炸及壓力較高的介質內填料函密封性能差，只能用于壓差較小的場合釜式殼體上部有個蒸發空間用于再沸、蒸煮雙套管式結構比較復雜，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流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱噴淋式只用于管內流體的冷卻或冷凝板面式板式拆洗方便，傳熱面能調整，主要用于粘性較大的液體間換熱螺旋

4、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構緊湊，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，它具有結構簡單，堅固耐用，造價低廉，用材廣泛，清洗方便，適應性強等優點，應用最為廣泛。管殼式換熱器根據結構特點分為以下幾種：（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，這類換熱器結構簡單，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

5、體較清潔及不易結垢的物料。帶有膨脹節的固定管板式換熱器，其膨脹節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。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，但結構復雜，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，結構簡單，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

6、結構最簡單，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，其內管用U型時管順次連接，外管與外管互相連接而成，其優點是結構簡單，能耐高壓，傳熱面積可根據需要增減，適當地選擇管內、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。1.2 換熱器材質的選擇 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濟合理性。一般為了滿足

7、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構有著密切關系。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，對堿性介質的化學腐蝕比較穩定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環境中應用是合理的。（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。正三角形排列結構緊湊；正方形排列便于

8、機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結構更為緊湊。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。 正三角形排列結構緊湊；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，結構更為緊湊。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。二 換熱器設計任務書2.1設計題目： 設計一臺乙苯冷卻器2.2操作條件：2.2.1乙苯：入口溫度100 ，出口溫度70 。2.2.2冷卻介質：循環水，入口溫度20 ，出口溫度40 2.2.3允許壓強降：不大于0.1 MPa。2.2.4每

9、年按330天計，每天24小時連續運行。2.3設備型式：自選一種列管式換熱器2.4處理能力：處理能力6萬噸/年三 設計過程3.1 設計方案的確定3.1.1選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況： 熱流體進口溫度T1=100，出口溫度T2=70 冷流體進口溫度t1=20，出口溫度t2=40。考慮到冷熱流體間溫差較小T1 - t2=100-40=60 < 70。采用固定管板式換熱器。3.1.2流程安排 與乙苯相比，水易于結垢，如果其走殼程，流速太小，會加快污垢增長速度使換熱器傳熱速率下降。乙苯被冷卻，走殼程便于散熱。因此，冷卻水走管程，乙苯走殼程。3.1.3工藝流程草圖及說明循環水乙苯離心泵換熱器

10、ABCD圖1 工藝流程草圖說明：如圖，乙苯經離心泵抽入管道，并從接管A進入換熱殼程；循環冷卻水則由離心泵抽入管道，并從接管C進入換熱器管程。兩物質在換熱器中進行熱交換后，乙苯從100被冷卻到70之后，由接管B流出；循環冷卻水則從20被加熱到40，由接管D流出。3.2 確定流體的定性溫度、物性數據并選擇管殼換熱器的型式3.2.1定性溫度：可取流體進出口溫度的平均值。殼程流體的定性溫度為：T= 管程流體的定性溫度為：t= 管程冷卻水的定性溫度為t=30°C 殼程有機物的定性溫度為T=85°C 3.2.2物性參數：根據物質的定性溫度，分別查詢殼程和管程流體的有關物性數據。介質性質

11、密度Kg/m3比熱KJ/(kg.)粘度Pa·s熱導率W/(m·)乙苯熱流體813.61.9340.3541030.1167水冷流體995.74.1780.801510-30.61733.3 工藝計算及主體設備設計3.3.1估算傳熱面積熱負荷：=4.4105KJ/h=122.2KW逆流時T1=T1-t2 T2=T2-t1平均傳熱溫差： Tm=（T1-T2）/（T1/T2）= 查表預設K=346W/(m2·)則估算的傳熱面積為:S= 考慮到外界因素的影響，根據經驗取傳熱面積為估算值的1.15倍（裕度15%），則傳熱面積為：S=1.15S=7.41m2水用量

12、3.3.2工藝結構尺寸管徑和管內流速：考慮到管內流體為循環水水，易結垢，選用25×2.5的換熱管（碳 鋼），取管內流速ui=1.2m/s。 管程數和傳熱管數 依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數： 按單程管計算，所需的傳熱管長度為：按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據本設計實際情況，采用標準管設計，現取傳熱管長 L = 6 m，則該換熱器的管程數為： 傳熱管總根數：N = 4×4 = 16（根）平均傳熱溫差校正及殼程數平均溫差校正系數： 按單殼程，雙管程結構，查圖得：由于平均傳熱溫差校正系數大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。平均傳熱溫差：傳熱管排

13、列和分程方法 采用正三角形排列。取管心距t=1.25d0，則 t=1.25×25=31.2532mm隔板中心到離其最近一排管中心距離： S=t/2+6=32/2+6=22mm各程相鄰管的管心距為：S×2=44mm殼體內徑采用多管程結構，取管板利用率=0.80，則殼體內徑為可圓整到標準尺寸325 mm折流擋板采用弓形折流板,取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為：H=0.25×325=81 mm取折流板間距h=0.3D，則 h=0.3×325=97.5 mm 故可取h=100 mm 折流板數目：接管：殼程流體進出口接管：取接管內流體流速

14、為u1=2 m/s，則接管內徑為管程流體進出口接管：取接管內液體流速u2=2.4 m/s，則接管內徑為3.4 換熱器核算熱量核算3.4.1殼程對流傳熱系數：對圓缺形折流板，可采用凱恩公式（教材P194）計算：當量直徑：殼程流通截面積：殼程流體流速：雷諾數： 普朗特數：粘度校正：3.4.2管程對流傳熱系數：管程流體流通截面積：管程流體流速：雷諾數：普朗特數：3.4.3污垢熱阻管外側污垢熱阻：管內側污垢熱阻：總傳熱系數（以管外表面積為基準）3.4.4傳熱面積裕度 計算傳熱面積為：換熱器的實際傳熱面積為：傳熱面積裕度: 傳熱面積裕度合適（1030%左右），該換熱器能夠完成生產任務。3.5 換熱器內流

15、體的流動阻力核算：3.5.1管程流體阻力 由Rei=28821，傳熱管相對粗糙度為0. 1/20=0.005，查莫狄圖，得=0.03 W/(m·K)，流速ui=1.16 m/s，i=995.7 kg/m3，所以：管程流體阻力在允許范圍之內。3.5.2殼程阻力 流體流經管束的阻力 殼程流通面積：、 h=0.1m D=0.325m殼程流體阻力在允許范圍之內。 四 換熱器設計結果一覽表參數殼程管程流量kg/h7575.85256進出口溫度/100/7020/40壓力/pa0.1Mpa0.1Mpa物性定性溫度/8530密度/（kg/m3）813.6995.7比熱容/KJ/(kg.)1.934

16、4.178粘度/pa.s0.3540.8015熱導率/W/(m·)0.11670.6173普朗特數5.86665.42設備結構參數形式固定管板式殼程數1殼體內徑/mm325臺數1管徑/mm.5管心距/mm44管長/mm6000管子排列正三角管數目/根16折流板數/個59傳熱面積/m27.54折流板間距/mm100管程數4材質碳鋼主要計算結果管程殼程流速/m/s0.361.16對流傳熱系數/752.54357污垢熱阻0.0001760.00058阻力/pa熱流量/KW122.2傳熱溫差/k54.9總傳熱系數w387裕度27%五 對本設計的評述本次課程設計，在張燕杰老師的細心指導下，同時

17、也我們準備了很多相關的資料的前提下，讓我們在具體設計過程中輕松了許多，將理論知識用于具體實踐的能力也得到一定的提升，課程設計不同于平時的作業，在設計過程中需要我們自己做出決策，即自己確定方案，選擇工藝參數和條件，查閱資料，進行過程和設備計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經過反復的分析比較，擇優選擇最理想的方案和最合理的設計。所以這對培養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，選用公式和收集數據的能力。設計任務數給出后，有許多數據需要由我們自己取收集，有些物性參數要查去或估算，計算公式也要

18、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果。六 附圖（主體設備設計圖、管板布置圖）七 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.20052 上海醫藥設計院編化工工藝設計手冊(第二版).化學工業出版社.19963 江體乾等化工工藝手冊上海科學技術出版社.19924 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19