化工原理课程设计说明书
课题名称：年处理7万吨乙醇的换热器设计
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目 录
摘 要 ........................................................................................................................ 1 Abstract .................................................................................................................... 2 第一章 设计内容 .................................................................................................. 3 1.1概述 ............................................................................................................... 3 1.2固定管板式换热器的优缺点 ....................................................................... 4 1.3固定管板式换热器的构成及结构特点 ....................................................... 4 1.4固定管板式换热器的结构原理 ................................................................... 4 第二章 设计计算 .................................................................................................. 5 2.1确定设计方案 ............................................................................................... 5 2.2确定物性数据 ............................................................................................... 5 2.3初选总传热系数 ........................................................................................... 7 2.4计算传热面积 ............................................................................................... 8 2.5工艺结构尺寸 ............................................................................................... 8 第三章 换热器核算 .............................................................................................. 14 3.1面积核算 ..................................................................................................... 14 3.2压降核算 ..................................................................................................... 16 附表及符号说明 .................................................................................................... 20 设计小结与致谢 .................................................................................................... 21 参考文献 ................................................................................................................ 22
摘要
换热器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。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常用作把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知。
我们这次课程设计的任务是设计一套固定管板式换热器。乙醇为热流体,水为冷流体。乙醇进口温度为70?C,出口温度为在这次设计过程包括设计方案的确定，设计计算（总传热系数选择 传热面积及其工艺尺寸的计算），然后进行面积与压降核算经过反复核算最终确定出了换热器的各个参数。面积裕度为24.7%符合面积裕度范围（15%-25%）,管程压降为2028.6pa<105pa,壳程压降为5722pa<105pa符合设计要求。紧接着我们开始编写说明书，用CAD画换热器装配图。最终完成满足要求的设计方案。
关键词：固定管板式换热器 设计
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Abstract
The heat exchanger is part of thermal fluid heat transfer to the cold fluid equipment, also called heat exchanger. Heat exchanger is the realization of chemical processes of heat exchange and transmission of essential equipment the petroleum, chemical industry, light industry, pharmaceuticals, energy and other industrial production, often used for the cryogenic fluid heating or cooling the high temperature fluid, the liquid vaporized into steam or the steam is condensed into liquid. According to statistics, heat exchanger tonnage about the entire process equipment 20%, some even as high as 30%, one can imagine the importance.
We this course design task is to design a set of fixed tube plate heat exchanger
Ethanol as the hot fluid, water as cooling fluid. Ethanol inlet temperature, outlet temperature in determining this design process including design, design calculation (calculation of heat transfer area and the process of selection of size of the total heat transfer coefficient and pressure drop), and then the area of accounting after repeated accounting Area of margin of 24.7% compliance area margin range (15%-25%), pipe pressure drop is 2028.6pa<105pa, pressure shell of 5722pa<105pa meets the design requirements. eventually determine the various parameters of the heat exchanger. Then, we heat exchanger assembly drawing with CAD. Finally completed to meet the requirements of the design scheme.
Keywords: fixed tube sheet heat exchanger design
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第一章 设计内容
1.1概述
目前固定管板式换热器产品达到了一个成熟阶段,凭借其高效、节能、环保的优势,在各行业领域中被频繁使用, 并被用以替换原有管壳式和翅片式换热器,取得了很好的效果。
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4 1
2 3
水
1-壳体 2-管束 3-折流板 4-接管 5-封头 1.2固定管板式换热器的优缺点
1.2.1优点
1、旁路渗流较小
2、锻件使用较少，造价低； 3、无内漏；
4、传热面积比浮头式换热器大20%～30%。 5、污垢系数低，检修、清洗方便，产品适用面广。 1.2.2 缺点
乙醇 1、壳体和管壁的温差较大，壳体和管子壁温差t≤50℃,当t≥50℃时必须在壳体上 设置膨胀节；
2、 易产生温差力，管板与管头之间易产生温差应力而损坏；
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3、 壳程无法机械清洗；
4、管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低； 1.3固定管板式换热器的构成及结构特点
固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧
凑，排管较多，在相同直径下面积较大，制造较简单。 固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。 1.4固定管板式换热器的结构原理
结构原理：固定管板式换热器管程和壳程中，流过不同温度的流体，通过热交换完成换热。当两流体的温度差较大时，为了避免较高的温差应力，通常在壳程的适当位置上，增加一个补偿圈（膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀
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第二章 设计计算
2.1确定设计方案 2.1.1选择换热器的类型
两流体温度变化情况：热流体进口温度70?C,出口温度30?C；冷流体(循环水)进口温度15?C，出口温度30?C。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。
2.1.2流动空间的确定
由于热流体走壳程便与散热，所以循环水走管程，乙醇走壳程。 2.1.3流速的确定
表2-1 换热器常用流速的范围
介质 管程流速
循环水 1.0～2.0
新鲜水 0.8～1.5
一般液体 0.5～3
易结垢液体 ﹥1.0
低粘度油 0.8～1.8
气体 5～30 2～15
﹥0.5 0.4～1.0
壳程流速 0.5～1.5 0.5～1.5 0.2～1.5
故选用管内流速u?0.34m/s。
表2-2 列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速 液体名称 乙醚、二硫化甲醇、乙醇、 丙酮 氢气
碳、苯 汽油 安全流速，m/s 2.2确定物性数据
定性温度：可取流体进口温度的平均值。
?1 ?2~3 ?10 ?8 5
壳程油的定性温度为:T?70?302?50(?C)
管程流体的定性温度为: t?15?302?22.5(?C) 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 乙醇. 在50?C下的有关物性数据如下: 密度 ?0?765kg/m3
定压比热容Cp0?3.23kJ/(kg??C)
导热系数 ?0?0.1774W/(m??C)
粘度
?0?7.90?10?4Pa?s
循环冷却水在22.5?C下的物性数据如下: 密度 ?i?998kg/m3
定压比热容 Cpi?4.18kJ/(kg??C)
导热系数 ?i?0.609W/(m??C)
粘度 ?i?0.000903Pa?s 2.3初选总传热系数
2.3.1热流量
Q?m?cp?t 6
2-1） （
Qi?micpiti7?104?103??3.23??70?30??1256111.1kJ/h?348.9(kW)300?24
2.3.2平均传热温差
?tm??t1??t2 ln?t 1?t2 ?t?t1??t2?(70?30)?(30?15)m??25.ln?t49(?C) 1?tln70?30230?152.3.3冷却水用量
wi?QiC po?to wQii?C?1236111.1po?to4.18??30?15??20033.6?kg/h?
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2-2） 2-3）
（ （
2.3.4总传热系数k 加热流体温度 水的温度℃ 水的速度，（m/s） 海水 自来水、井水 锅炉软水 蒸馏水 硬水 河水 表2-2流体的污垢热阻 小于115 小于25 小于1.0 污垢的热阻(m2??C/W) 0.859 ?10?4 1.7197?10?4 0.8598?10?4 0.8598?10?4 5.1590?10?4 5.1590?10?4 1.7197?10?4 3.4394?10?4 0.8598?10?4 0.8598?10?4 8.5980?10?4 3.4394?10?4 115~205 大于25 大于1.0 表2-3流体的传热系数（经验值） 流体 冷流体 传热系数K / [W/（m2?K)] 水 水 850~1700 轻油 水 340~910 重油 水 60~280 气体 水 17~280 水蒸气冷凝 水 1420~4250 水蒸气冷凝 气体 30~300 低沸点烃类蒸气冷（常压） 水 455~ 1140 低沸点烃类蒸气冷（常压） 水 60~170 水蒸气冷凝 水沸腾 2000~4250 水蒸气冷凝 轻油沸腾 455~1020 水蒸气冷凝 重油沸腾 140~425 由于污垢热阻为控制热阻 所以选取k?340w/(m2??c) 2.4计算传热面积
S?QiK??tm' （2-7）
S?QiK??tm348.9?103??40.26(m2) 340?25.49考虑1500的面积和裕度：S'?1.15S?1.15?29.13?46.3(m2)。
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2.5工艺结构尺寸
2.5.1管径结构尺寸表
表 2-4 换热器的规格 19×2 25×2.5 25×2 25×2.5
碳钢、低合金钢 14×2
19×2 不锈钢
32×3 32×2.5 38×3 38×2.5
选用?25?2.5传热管（碳钢） 2.5.2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 n??4 （2-8） d02u。v20033.6(3600?998)?53(根） ns? ??2?d0u0?0.022?0.3444按单程管计算，所需的传热管长度为
vS' （2-9） L??d0nsS'46.3L???12(m2)
?d0ns3.14?0.025?53按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程机构。现取传热管长l?6m,则
该换热器管程为
L NP? （2-10）
l NP?L12??2(管程） l6 传热管总根数 N=N?ns?2?53?2?106。 （根）2.5.3平均传热温差校正系数及壳程数 平均传热温差校正系数
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R?T1?T2 （2-11） t2?t1 R?T1?T270?30??2.67
t2?t130?15 P?t2?t1 （2-12） T1?t1P?t2?t130?15??0.27
T1?t170?15图2-1 对数平均温差校正系数??t
温度校正系数表查得
??t?0.83
平均传热温差
, ?tm???t??tm?0.83?25.49?21.16(?C)
2.5.4传热管排列和方程方法
采用组合排列法，即每程内均按正方形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t?1.25d0,则：
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t?1.25?25?31.25?32(mm) 横过管束中心线的管数
nc?1.1N （2-13） nc?1.1N?1.1106?12(根）2.5.5 壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率??0.7，则壳体内径为
D?1.05tN （2-14）
nD?1.05tNn?1.05?32106?466(mm) 0.55圆整后取D?500(mm） 2.5.6折流板
采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内的2500；
则切去的圆缺高度为h?0.25?500?125(mm),取折流板间距B?0.3D则
B?0.3?500?150(mm)
故可取 h?150(mm) 折流板数 NB?传热管长6000?1??1?39(块)
折流板间距150 折流板圆整面水平装配。 2.5.7接管
壳程流体进出口接管：乙醇流量为u?1.0m/s,则按管内径为 d?4v （2-15） ?u11
d?4v?u?4?9722(3600?765)?0.067(m) 取标准管径为80mm。 壁厚3.14?1.0为4mm。
管程流体进出口接管：水流量为u=0.34m/s,则接管内径为
d?4v ?u4?20033.6(3600?765)?0.165(m) 取标准管径为
d???u3.14?0.34190mm。 壁厚为10mm。
4v2.5.8壳体壁厚 ①．选Q?235; ②．??2?????pctPCDi （2-16）
式中 ?_____壳体的计算厚度； mm
pc____壳体的计算压力；MPa Di____壳体的内直径； mm
???t____壳体材料在设计温度下的许用应力MPa;
?_____壳体的焊接接头系数; ??0,85;
则??1Mpa; 30.4?600?1.25(mm)
2?113?0.85?0.4 考虑腐蚀及偏差向上圆整取??10mm
2.5.9壳体封头
表2-5 常用封头数据
公称直径DN
(mm) 500
曲边高度h1 （mm） 137
直边高度h2 （mm） 40
内表面积A (m2) 0.3333
容积V (m3) 0.0242
故选用公称直径DN?500mm， 直边高度40mm的封头
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第三章 换热器核算
3.1面积核算
⑴壳程对流传热系数对圆缺形折流板；采用克思公式
?0?0.36?00.551/3?00.14Re0Pr() （3-1） de?w?4当量直径，由正方形排列得
4(t2? de?d02)?d0?4 （3-2）
4(t2?de?壳程流体截面积
d02)?d04(0.0322?0.785?0.0252)??0.02(mm)
3.14?0.025S0?BD(1?d0) （3-3） tS0?BD(1?d00.025)?0.15?0.5?(1?)?0.016(m2) t0.032壳程流体流速及其雷诺数分别为
U0?qv （3-4） S097223600?765?0.221(m/s) 0.016U0
q?v?S0Re0?di?u0?e?0 （3-5）
Re0?普兰特准数 pr0?di?u0?e0.020?0.221?765??4280
?00.00079Cp0?0 （3-6） ?013
pr0Cp0?03.23?103?0.00079???14.38 ?00.1774粘度校正
(?00.14)?1 ?w10.1774?0?0.36??(4280)0.55?14.383?1?572W/(m2??C)
0.027⑵管程对流传热系数 ?i?0.023管程流通截面积
Si?0.785?0.022? 管程流体流速 ui??i Re0.8Pr0.4 （2-23）
di106?0.0166(m2) 220033.67/(3600?998)?0.336(m/s)
0.01660.02?0.336?998?7426 ?30.903?10 Rei? 普兰特准数
4.18?103?0.903?10?3?6.20 Pri?0.609?i?0.023?⑶传热系数
0.609?174260.8?6.20.4?1697.02W/(m2??C) 0.0214
K?1d0dbd01?Rsi0??Rso??ididi?dm?01?0.0250.0250.0025?0.0251?0.000344???0.000172?1697?0.0200.02045?0.0225772??412W/(m2?c)
⑷传热面积
Q339.8?10?32S???40.022(m) '412?21.16K?tm 该换热器的实际传热面积
Sp??d0L(N?nc) （2-24） Sp??d0L(N?nc)?3.14?0.025?6?106?49.93(m2) 该换热器的面积裕度为 H?Sp?SS?10000 （2-25）
Sp?S H??100S00?49.93?40.02?100440.0200?24.700
传热面积合适，该换热器能够完成生产任务。
3.2换热器内流体的流动阻力 ⑴管程流动阻力
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图3-1 管程流动阻力表
??Pi?(?P1??P2)FtNsNp （2-26）
上式中：
?P1—直管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa;
?p2—回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa;可由经验公式
?P2???u22估算；
Ft —结垢校正系数，无因次，?25?2,5mm的换热器取1.5； Ns—串联的壳程数； Np—管程数；
l?ui （2-27）?P1??id2?P2??2?ui22 （2-28）
由Re=11008，传热管相对粗糙度为
0.01?0.005，查莫狄图得20?i?0.03W/(m??C) 。流速ui?0.336m/s ，?i?998kg/m3 ，所以
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60.3362?998?P1?0.033???507.02(Pa)
0.022998?0.3362?P2?3??169(Pa)
2 ??Pi?(507.02?169)?1?1.5?2?2028.06Pa?105Pa 故管程流动阻力在允许范围之内。 ⑵壳程阻力
''??P0?(?P1??P2)FtNs （2-29）
上式中：?P1,—流体管束的阻力，Pa；
?P2,—流体流经折流板口的阻力，Pa;
Ft—结垢校正系数，无因次，对液体Ft=1.15,对气体Ft=1.0；
?P?Ff0nc(NB?1)'12?u02 （2-30）
22h?u0 ?P?NB(3.5?) （2-31）
D2'2上式中：
F—管子排列方式对压力降的校正系数；三角形排列F=0.5，正方形
直列F=0.3，正方形错列F=0.4；
?0.228 f0—壳程流体的摩擦系数，f0?5.0Re0(Re?500)；
nc—横过管束中心线的管数； B—折流板间距，m; D—壳体直径，m； NB—折流板数目；
u0—按壳程流通截面积S0?h?(D?ncd0)计算的流速，m/s;
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?P'1?Ff0nc(NB?1)2?u02765?0.1162 ?13?(39?1)?2?0.5?5?04280?3609(Pa)?0.22822h?u0?P?NB(3.5?)D22?150765?0.2212 ?39?(3.5?)?5002?2113(Pa)'2总阻力
??P0?(45.11?2113)?1.15?1?5722(Pa)?105Pa 故课程流动阻力也比较适宜。
综上所述，该换热器管程与壳程的压力降均小于允许压强0.1MPa，均符合要求，所以所设计的换热器符合条件。
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表3-1 换热器主要结构尺寸和计算结果
换热器型式：固定管板式 换热面积：34m2 工艺参数 名称 管程 壳程 物料名称 循环水 乙醇 操作压MPa 0.4 0.3 操作温度，℃ 15/30 70/30 流量kg/h 20033.67 9722 流体密度kg/m3 998 765 流速m/s 0.336 0.221 传热量kW 348.9 总传热系W/m2K 412 污垢系数W/m2K 阻力m2K/W 程数 推荐使用材料 管子φ25×2.5 规格 管间32 距:mm 折流板型式 上下 0.000344 0.00202806 2 碳钢 管数106 0.000172 0.00823975 1 碳钢 管长mm 6000 排列方式 间距 150 正方形 切口高度25％ 19
壳体内径mm 500 保温层厚度mm
6 符号说明
英文字母
B—折流板间距，m； C—系数，无量纲；
d—管径，m; D—换热器外壳内径，m； f—摩擦因数； F—系数；
h—圆缺高度，m； K—总传热系数，W/（㎡﹒℃） L—管长，m; m—程数；
n—指数；管数； 程数; N—管数； 程数;
NB—折流板数； Nu—努赛尔特准数；
P—压力，Pa;因数； Pr—普朗特准数； h—热流体； i—管内； m—平均； o—管外；
s—污垢。 q—热通量，W/㎡；
Q—传热速率，W; r—半径，m;气化潜热，kJ/kg; R—热阻，㎡﹒℃/ W； 因数； Re—雷诺准数；
S—传热面积，㎡； t—冷流体温度，℃；管心距，m; T—热流体温度，℃； u—流速，m/s; W—质量流量，kg/s;
希腊字母
?—对流传热系数，W/（㎡﹒℃）； ?—有限差值； ； ?—粘度，Pa﹒s； ?—导热系数，W/（m﹒℃）
?—密度，㎏/m； ?—校正系数；下标 c—冷流体；
附表： 操作情况 减压操作 低压操作
3表3-3 合理压力降的选取 操作压力，Pa(绝) 合理压力降，Pa 0.1P P=0~1 ?105 0.5P P=1?105~1.7?105 20
1.7?105~11?105 中压操作 较高压操作
0.35?105 0.35~1.8?105 0.7~2.5?105 P=11?105~31?105 P=3?105 ~81?105(表)
设计小结与致谢
在刚开始做设计作业时，觉得好难，没有一点头绪，不知道从哪里下手，就按照设计书上的例子一部部计算，其中比热容、粘度、热导率等等都要查表，感觉很复杂，很烦！修改重算过很多次，结果一直都不怎么让人满意。在熟悉整个计算过程后理清了思路，发现计算简单了。我想开始是由于过于盲目，没有科学地规划，以至于一直处在在盲目的计算、改数字、再次计算这个阶段。
这次化工原理课程设计给我留下了极深的印象，也让我有很大的收获。化工原理课程设计是旨在学生的工程设计能力，对所学知识进行一次综合性训练。这次我们对换热器进行了设计。课程设计与计算机使用相结合。设计中要求我们根据设计任务，用计算机进行辅助设计，独立自编程序对设计中的一些重要参数进行优化，这种用计算机对工程经济性的优化设计训练，给我们以很大的兴趣；其次设计计算与 CAD 设计相结合，应用CAD绘制符合工程设计制图的要求的图纸，在设计过程中采用 AutoCAD 辅助设计、绘图。
在这次课程设计中充分运用了个人努力与团队协作，通过分工合作，培养了我们从事设计工作的协作精神、团队精神，也增进了朋友之间的友谊。在设计完成后，通过老师的检查和指导，使我们的设计更符合各种规定、指标。通过这次设计使我们对所学知识的综合应用能力、分析和解决工程实际问题能力和计算机
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的应用能力等方面都得到了提高，为今后的工作做了必要的准备，对我们很有帮助.
本次课程设计的顺利完成少不了老师的悉心指导，也少不了团队小伙伴的刻苦努力，在这里向艾老师说一声谢谢！也感谢一路一起努力的小伙伴！ 参考文献
[1]陈敏恒．化工原理[M]．北京：化学工业出版社(第三版)，2003
[2]贾绍义，柴诚敬．化工原理课程设计[M]．天津：天津大学出版社，2002 [3]马江权，冷一欣．化工原理课程设计[M]．北京：中国石化出版社，2009 [4]谭天恩，麦本熙化工原理[M]．北京：化学工业出版社（第二版），1998 [5]王汉松．石油化工设计手册（第1卷），石油化工基础数据．北京：化学
工业出版社，2002
[6]中石化集团上海工程有限公司．化工工艺设计手册（上册）．北京：化学
工业出版社，2003
[7]李功样，陈兰英，崔英德主编．常用化工单元设备设计[M]．广州：华南
理工大学出版社，2003
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化工原理课程设计--年处理7万吨乙醇的换热器设计
