《化工原理课程设计任务书》（1）

一、     设计题目：

设计一台换热器

二、     操作条件：

1. 苯：入口温度80℃，出口温度40℃。

2. 冷却介质：循环水，入口温度35℃。

3. 允许压强降：不大于50kPa。

4. 每年按300天计，每天24小时连续运行。

三、     设备型式：

管壳式换热器

四、     处理能力：

1.    99000吨/年苯

五、     设计要求：

1. 选定管壳式换热器的种类和工艺流程。

2. 管壳式换热器的工艺计算和主要工艺尺寸的设计。

3. 设计结果概要或设计结果一览表。

4. 设备简图。（要求按比例画出主要结构及尺寸）

5. 对本设计的评述及有关问题的讨论。

一、选定管壳式换热器的种类和工艺流程

   1.选定管壳式换热器的种类

管壳式换热器是目前化工生产中应用最广泛的传热设备。与其他种类的换热器相比，其主要优点是：单位体积具有的传热面积较大以及传热效果较好；此外，结构简单，制造的材料范围较广，操作弹性也较大等。因此在高压高温和大型装置上多采用管壳式换热器。

管壳式换热器中，由于两流体的温度不同，管束和壳体的温度也不相同，因此他们的热膨胀程度也有差别。若两流体的温度差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。根据热补偿方法的不同，管壳式换热器有下面几种形式。

（1）  固定管板式换热器

这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一些列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或是管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。

 为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60-70℃和壳程流体压强不高的情况下。一般壳程压强超过0.6MPa时，补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿作用，就要考虑其他结构。其结果如下图所示：

（2）  浮头式换热器

换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”,所以这种换热器称为浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不受壳体约束，因此当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点是结构复杂，造价高。其结构如下：

（3）  U型管换热器

    这类换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。其结构如下图所示：

（4）  填料函式换热器

     这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低廉。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理一易挥发、易燃易爆和有毒的介质。其结构如下：

   由设计书的要求进行分析:

       一般来说，设计时冷却水两端温度差可取为5℃~10℃。缺水地区选用较大的温度差，水资源丰富地区选用较小的温度差。青海是“中华水塔”，水资源相对丰富，故选择冷却水较小的温度差6℃，即冷却水的出口温度为31℃。T_m-t_m =℃<50℃，且允许压强降不大于50kPa，可选择固定管板式换热器。

2.工艺流程图

主要说明：由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，所以选定循环水走管程，苯走壳程。如图所示，苯经泵抽上来，经加水器加热后，再经管道从接管C进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管A进入换热器管程。两物质在换热器中进行换热，苯从80℃被冷却至40℃之后，由接管D流出；循环冷却水则从25℃变为31℃，由接管B流出。

二、管壳式换热器的工艺计算和主要工艺尺寸的设计

   1.估算传热面积，初选换热器型号

  （1）基本物理性质数据的查取

冷却介质为循环水，取入口温度为：35℃，出口温度为：40℃

苯的定性温度： ℃

水的定性温度： ℃

两流体的温差： ℃

      根据《化学工程手册》.化工基础数据.化学工业出版社 分别查得在此条件苯和水的物性为：

（2）热负荷计算

       

冷却水流量

（3）确定流体的流径

    该设计任务的热流体是苯，冷流体为水，本换热器处理的是两流体均不发生相变的传热过程，为使苯通过壳壁面向空气中散热，提高冷却效果，且水易结垢，令苯走壳程，水走管程。

（4）计算平均温差

        暂按单壳双管程考虑，先求逆流时平均温差。

         苯：      80          40

     冷却水：   40      35

      △t       40      5

    

计算R和P：

由R、P值，查教材图4-19（a），

      所以

      又因为0.85>，故可选用单壳程的列管换热器

（5）选K值，估计传热面积。

参考附录相关资料，对于黏度低于0.5x10^-3 Pa·s和水体系，可取K=480，则。

初选换热器型号

    由于两流体温差<50℃，可选固定管板式换热器。由固定管板式换热器的系列标准，初选型号为

   实际传热面积

  采用此换热器，则要求过程的总传热系数为

 

2.核算压强

（1）管程压强降

 

其中 Ft= 1.4， Ns=1，Np=1。

管程流通面积

管程流速:   

管内雷诺数

取管壁粗糙度，，查（夏清等.化工原理（上册）.天津：天津大学出版社，2005 ）^[2]图1-27,由关系图中查得：λ=0.036；所以

管程压强降：

符合工艺要求；

（2）壳程压强降

  其中，，，

管子为正三角形排列，

取折流挡板间距  

壳程流通面积：

壳程流速：  

壳内雷诺数：  ﹥（湍流）

壳程流体摩擦因数    

所以     

        

计算表明，管程和壳程的压强降都能满足设计的要求。

3.核算总传热系数

 （1） 管程对流传热系数

   

    （2）壳程对流传热系数  

    由式       计算

    取换热器列管之中心距。则流体通过管间最大截面积为

    壳程中的苯被冷却，取。所以

参考教材附录

管内、外侧污垢热阻分别取为

（3）总传热系数。

忽略管壁热阻时， 

由前面的计算可知，选用该型号换热器时要求过程的总传热系数为，在规定的流动条件下，计算出的K_e为513.5，故所选择的换热器是合适的。安全系数为: （满足要求，即在范围之内：10%～25%）

三、设计结果一览表

四、设备简图

 五、对本设计的评述及有关问题的讨论

经过连续一周的奋战，化工原理课程设计终于告一段落。

对这次化工原理课程设计，我充分认识到实践来自理论，又高于理论。

这次专业性较强的课程设计，让我认识到：课堂上理论知识掌握的再好，没有落实到实处，是远远不够的。换热器的设计，从课本上简单的理论计算，到根据需求满足一定条件的切实地进行设计，不再仅仅包括呆板单调的计算，还要根据具体要求选择、区分和确定所设计的换热器的每一个细节，我觉得这是最大的一个挑战。

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值为，计算结果为，安全系数为13.3%，满足要求。

其次，在满足工艺条件的前提下选择合适的换热器类型，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，管程约为907Pa，壳程约为77166Pa，都低于要求值（50kPa），因此，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。根据操作要求。

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。如：若设计换热器的总传热系数较大，将导致流体通过换热器的压强降（阻力）增大，相应地增加了动力费用；若增加换热器的表面积，可能使总传热系数或压强降减小，但却又受到换热器所能允许的尺寸限制，且换热器的造价也提高了。因此，只能综合考虑来选择相对合适的换热器。

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。课程设计的前、中、后，指同学们多次给我释疑答惑，感谢同学们。

      还有一点我觉得非常重要，那便是团队合作。起初，老师布置班级的同学分为若干个组，然后携手完成，我们起先不理解老师为何这样安排，于是就各自为战。但是，设计过程中，遇到的一些来不及问老师的小疑问，经同学间的相互点醒和帮助，真的是“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”。于是，我觉得，那句老生常谈还是有道理的：团结就是力量。

    ……

    这次课程设计真的收获良多。

六、参考文献

[1]  柴诚敬编著.化工原理课程设计.天津：天津科学技术出版社，2006.03.01

[2]  夏  清、陈常贵主编.化工原理（上册）.天津：天津大学出版社，2005.01

 

第二篇：化工原理课程设计-换热器

化工原理课程设计

                                                                                                                                 

学    院：     化学工程学院     

班    级：               

姓    名：                

学    号：             

指导教师：                  

20##年 06月 

化工原理课程设计

《换热器》设计任务书

班级  精化07-1                  姓名    

一、设计题目：无相变列管式换热器的设计

二、设计任务及操作条件

   某生产过程中，用循环冷却水冷却柴油。

1、柴油入口温度：  140  ℃，出口温度：  60  ℃

2、柴油流量：  6500  kg/h，压力：  0.3  MPa

3、循环冷却水压力：  0.4  MPa，入口温度：  29  ℃，出口温度：  39  ℃

已知柴油的有关物性数据：密度ρ₁=994kg/m³；定压热比容c_p，1=2.22kJ/(kg·℃)；热导率λ₁=0.14W/(m·℃)；黏度μ₁=7.15×10^-4 Pa·s

三、设计项目(说明书格式)

  1、封面、任务书、目录。

2、设计方案简介：对确定的换热器类型进行简要论述。

  3、换热器的工艺计算：

1)        确定物性数据

2)        估算传热面积

3)        工艺结构尺寸

4)        换热器核算：包括传热面积核算和换热器压降核算

4、换热器的机械设计

  5、绘制列管式换热器结构图（CAD）。

  6、对本设计进行评述。

  7、参考文献

成绩评定                              指导教师         

                                20##年 6月 8 日

目 录

1 设计方案简介..................................... 1

1.1 选择换热器类型............................... 1

1.2 冷热流体流动通道的选择....................... 1

2 换热器的设计计算................................. 1

2.1 确定物性数据................................. 1

2.2 估算传热面积................................. 2

2.2.1 热流量.................................. 2

2.2.2 平均传热温差............................ 2

2.2.3 冷却水用量.............................. 2

2.2.4 总传热系数.............................. 2

2.2.5 计算传热面积............................ 2

2.3 工艺结构尺寸................................. 2

2.4 换热器核算................................... 5

2.4.1 热量核算................................ 5

2.4.2 换热器内流体的流动阻力................... 6

3 换热器机械设计................................... 9

3.1 壳体壁厚.................................... 9

3.2 管板尺寸.................................... 9

3.3 接管尺寸................................... 11

3.4 换热器封头选择.............................. 11

3.5 膨胀节选择.................................. 12

3.6 其他部件................................... 12

4 评述............................................ 13

4.1 可靠性评价.................................. 13

4.2 个人感想................................... 13

5 参考文献........................................ 13

1 设计方案简介

1.1 选择换热器类型

两流体温度变化情况：热流体柴油入口温度140℃，出口温度60℃；冷流体入口温度29℃，出口温度39℃。，t_冷=（29+39）/2=34℃，t_热=（140+60）/2=100℃，

t_热- t_冷=100-34=66℃，温差较大，但是柴油压力为0.3Mpa，冷却水压力为0.4 Mpa，压力偏低，故可以选用固定管板式换热器，采用逆流

1.2 冷热流体流动通道的选择

从两物流的操作压力看，应使冷却水走管程，由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以冷却水走管程，柴油走壳程，以便散热。选用φ25×2.5的碳钢管，管内流速设为u_i=1.0m/s。

2 换热器的设计计算

2.1 确定物性数据

定性温度：可取流体进口温度的平均值。

壳程柴油的定性温度：

t_热=（140+60）/2=100℃

管程流体的定性温度：

 t_冷=（29+39）/2=34℃

根据定性温度，查化工原理书附录^[1]，利用内插法计算壳程和管程流体的有关物性数据。

柴油的有关物性数据如下：

密度                      ρ₁=994kg/m³

定压比热容                C_p1=2.22kJ/(kg·℃)

热导率                   λ₁=0.14W/(m·℃)

粘度                      µ₁=7.15×10^-4Pa·s

冷却水在34℃的有关物性数据如下：

密度                      ρ_i=994.3kg/m³

定压比热容                C_pi=4.174kJ/(kg·K)

热导率                   λ_i=0.6241W/(m·K)

粘度                      µ_i=0.0007428Pa·s

2.2 估算传热面积

2.2.1 热流量

Q₁=m₁C_p1t₁=6500×2.22×（140-60）=1.15×10⁶kJ/h=319.4kW

2.2.2 平均传热温差

 

Δt₁=60-29=31K，Δt₂=140-39=101K

所以，Δt_m=(101-31)/ln(101/31)=59.27K

2.2.3 冷却水用量

流量w_i=Q₁/ C_pi/Δt_i=1.15×10⁶/4.174/(39-29)=2.755×10⁴ kg/h

2.2.4 总传热系数

    利用化工原理附表，根据两种流体的性质，可查出换热器总传热系数，取其值为350。

2.2.5 计算传热面积

考虑15%的面积裕度，S=1.15×S=1.15×15.4=17.7m²

2.3 工艺结构尺寸

2.3.1 管径和管内流速

选用φ25×2.5传热管（碳钢），取管内流速

2.3.2 管程数和传热管数

依据传热管内径和流速确定单程传热管数

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，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m，则该换热器管程数为

（管程）

传热管总根数 根

2.3.3 平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数

按单壳程，四管程结构，温差校正系数为

    

 

平均传热温差

2.3.4 传热管排列和分程方法

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

横过管束中心线的管数

根

2.3.5 壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率，则参考《化工单元过程及设备课程设计》^[2],壳体内径

根据国家标准，圆整可取。

2.3.6 折流板

采用弓形折流板（水平圆缺），取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的，则切去的圆缺高度为。

取折流板间距，则

根据国家标准取板间距为200mm。

折流板数 块，折流板圆缺水平装配。

2.3.7 接管

壳程流体进出口接管：取接管内循环油品流速为，则接管内径为

取标准管径为。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为，则接管内径为

取标准管径为。

2.4 换热器核算

2.4.1 热量核算

1)壳程对流传热系数   

对圆缺形折流板，可采取克恩公式

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

粘度校正 

2)管程对流传热系数

管程流通截面积

管程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

3)传热系数

根据化工原理附录，可取

管外侧污垢热阻R_si=0.000172m²·℃/W

管内侧污垢热阻R_so=0.000344m²·℃/W

4)传热面积

该换热器的实际传热面积

 

该换热器的面积欲度H=（S_p-S）/S=(23.55-17.56)/17.56=0.34=34%

而一般换热器的面积欲度大于15%~20%，就可以满足要求。故所设计的换热器较为合适。

2.4.2 换热器内流体的流动阻力

（1）管程阻力

，，管程结垢校正系数

，

由，查《化工原理》书表1-2得传热管相对粗糙度为，再查图1-27得，流速，，所以

，

，

 

管程流动阻力在允许范围之内。

（2）壳程阻力

，

流体流经管束的阻力

 

流体流过折流板缺口的阻力

，

，

总阻力

壳程流动阻力也比较合适。

（3）换热器主要结构尺寸和计算结果见附录

3 换热器机械设计

3.1 壳体壁厚

由工艺得，壳体内径，壳体定性温度为100℃。壳体设计压力为0.3MPa。选用低合金结构钢板16MnR卷制，材料100℃时的许用应力，取焊缝系数，腐蚀欲度，则

计算厚度

设计厚度

名义厚度 ，取。

有效厚度

水压试验压力

所选材料的屈服应力

水压试验校核

100.2Mpa＜0.9，水压强度满足要求。

3.2 管板尺寸

固定管板厚度设计采用BS法^[3]。

假定管板厚度 b=40mm

总换热管数量 n=50

一根管壁金属的横截面积为

开孔强度削弱系数（双程）

两管板间换热管有效长度（除两管板厚度）L估取5910mm

计算数值K

 

按管板简支考虑，依K值查图得，G₁=1.0，G₂=0.57，G₃=1.3。

管子与筒体的刚度比

筒体内径截面积

管板上管孔所占的总截面积

系数

系数

换热管与壳体的总膨胀差

最大压差

当量压差

壳程压力  ，管程压力。

管板最大应力

管子最大应力

管板采用16Mn锻，

换热管采用10号碳素钢，

管板，管子强度校核

管板计算厚度满足强度要求。考虑管板双面腐蚀取C₂=4mm，隔板槽深取4mm，实际管板厚度为48mm。

3.3 接管尺寸

    接管选用20号热扎碳素钢管，钢管许用应力，C₂=1。

    接管计算厚度  

    接管有效厚度

    开孔直径

    接管有效补强宽度

    接管外侧有效补强高度

    需要补强面积

    可以作为补强的面积为

   

   

    因为，所以不用另需补强。

则该接管强度足够。

3.4 换热器封头选择

综合考虑，此换热器采用标准椭圆形封头。

计算厚度

设计厚度

名义厚度 ，取。

故该封头可用2mm厚的16MnR钢板制作，取直边高度为25mm。

3.5 膨胀节选择

    壳壁横截面面积

    换热管总截面面积

    管，壳壁温差所产生的轴向离F₁

 

压力作用于壳体上的轴向应力F₂

，其中

 

则

    压力作用于管子上的轴向应力

    则

   

根据GB151-1999《管壳式换热器》

   

   

故本换热器不用安装膨胀节。

3.6 其他部件

设备法兰采用甲型平焊法兰，配用压紧面为平形，则垫片采用非金属软垫片耐油橡胶石棉垫。根据工艺条件，选取垫片厚度为17.5mm的。

支座采用鞍座，选用JB/T 4712 鞍座 BI 400-F/S。

取,,其安装高度为200mm。

4 评述

4.1 可靠性评价

根据主要设备的厚度来校核，看是否符合强度要求。由3.1节的设计可以得到，换热器的壁厚经水压校核符合强度要求。故设计可行性较好。

从经济性考虑，其材料根据各个部件的功能选用如低合金钢，碳素钢，综合看来较经济，并且其制造工艺简单方便。而且，设计都满足国家标准和行业标准。因此，该设计可靠性较高。

4.2 个人感想

化工设计是一项比较繁琐的设计工作，它不仅要求我们队化工设计有基础的了解，而且还要对化工原理、化工机械等课程的知识具有一定运用能力，同时对计算机也要有一定的操作能力。我们学习的是一种设计的思维和设计的态度，反复推敲的能力。

这次设计，不仅巩固可化工原理等各课程的知识，同时磨练了意志力。相信这次课程设计会让我们更加注意理论与实践的结合，对以后的学习具有很大的帮助。

 

5 参考文献

[1]  夏清，陈常贵.化工原理上册.第一版（修订）.天津：天津大学出版社，2005

[2]      匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社，2007

[3]      刁玉玮，王立业，喻健良.化工设备机械基础.大连：大连理工大学出版社，2006

[4]  任晓光，宋永吉，李翠清.化工原理课程设计指导.北京：化学工业出版社，2009

[5]  王维周，王家荣.化学工程基础.杭州：浙江科技技术出版社，2005

 

附 录

附表 换热器主要结构尺寸和计算结果

附图 换热器结构图