化工原理课程设计 (1)

1、 化工原理课程设计 列 管 式 换 热 器 院系：生化工程系 专业：环境监测与治理 姓名：陈洛阳 学号：100501201 班级：环监（2）课程设计任务书设计题目：列管式换热器的设计设计条件： 气体处理量：10000 kg/h气体进口温度：110；气体出口温度：60循环水进口温度：25 ；出口温度：48 压力：气体压力3MPa；循环水压力0.4 MPa混合气体85下物性参数：密度9kg/m3；定压比热容3.297kJ/(kg)；导热系数0.0279W/ MPa)；粘度1.510-5Pas设计任务：1. 接受设计任务，熟悉与设计任务有关的图书、资料、手册。2. 工艺设计 (1)选择工艺流程 包括确定换热器类型；换热器流体流动空间的安排等。 (2)传热过程工艺计算 包括物料衡算确定各物料流率；热量衡算，确定换热器热负荷以及冷却水消耗量。 3. 换热器结构设计 包括换热器壳体直径、长度、厚度；管板尺寸、厚度和结构；封头尺寸和法兰以及它们之间的连接和材料的选用等。 4. 选定主要附属件5. 绘制列管式换热器设备总装配图 参考设计指导书的设备装配参考图，根据具体设计完成的换热器，在3#纸上绘制换

2、热器总装配图。 6. 编写设计说明书设计说明书应根据设计指导思想阐明设计观点和特点；列出本设计主要技术数据。应按设计过程列出计算公式和计算结果，对所选用的物性数据和使用的经验公式、图表应注明来历，有条件的还应注明其误差范围。 设计时间2012年 6 月10 日 至2012年 6月 15 日指导老师：周世美 目录1. 前言（概述） 1.1 设计依据 1.2设计任务及要求（简述） 1.3工艺流程简图及方案论证2. 换热器的工艺设计计算 2.1 传热面积的初定 2.2 主要工艺尺寸的确定 2.3 确定准确的管子数2.4 流体流动阻力的计算 2.5 总传热系数的校核 2.6 传热面积的校核3. 换热器结构设计3.1 壳体壁厚的计算3.2 管板结构和尺寸的确定3.3 管板与壳体、封头的连接 3.4 温差应力补偿4. 设计结果汇总（列表）5. 设计评述（结束语）6. 参考资料1前言1.1设计依据选用固定管板式换热器，水走管程，空气走壳程，管内流速为0.5m/s,空气是加热剂，水是冷却剂，循环水的进口温度为25；出口温度为45，材质选择的为碳钢。换热器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋

3、式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器等。不同的换热器适用于不同的场合。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选列管式换热器作为设计基础。1.2设计任务及要求设计任务： 换热器的工艺设计 换热器的结构设计 设计结果汇总 设计评述（结束语） 参考资料设计参数：气体处理量：15000 kg/h ；气体进口温度：110气体出口温度：60 循环水进口温度：28 ；出口温度：45 压力：气体压力3MPa；循环水压力0.4 MPa要求： 设计说明书体现设计思路和具体的设计方法 换热器装配图（3#）一份2.换热器的工艺计算物性参数:壳体混合气体的定性温度：T = (110+60)/2 = 85管程水的定性温度：t = (45+28)/2 = 36.5根据定性温度查取管程流体的物性参数，并结合已知壳程流体的物性参数如下：混合气体85下的物性参数： 密度9 kg/m3 ；定压比热容3.297 kJ/(kg)；导热系数0.0279 W/(m)； 粘度1.

4、5 10-5 Pas水35下的物性参数： 密度994kg/m3 ；定压比热容4.08 kJ/(kg)；导热系数0.626W/(m)； 粘度7.25 10-4 Pas2.1传热面积的初定（1） 计算热负荷 无相变 Q放 =m1 Cp1 (T1-T2 )=(100003600)3.297103 （110-60）=411250W又因为Q=(1.051.10)Q放 取Q=1.05Q放 所以Q=1.05411250W=431812.5 W（2） 冷却水的用量qm2 =QCP2 (t1-t2 )=431812.5 4.08 (40-25)=6.09kgs（3） 计算两流体的平均温度t逆 =（t1-t2 ）In(t1 t2 )(110-40)-(60-25)In(110-40)(60-25)47.8而P=(t2-t1) (T1-t1 )=(40-25) (110-25)=0.21 R=(T1 T2 ) (t2-t1)=2.9查表得0.84 所以tm =t t逆 =0.8447.8=40.2根据两流体的情况 假设K估 =200（m2 k） 故 A0 =Q(K估tm )= 411250(20040.2)

5、=51.4 m2 2.2主要工艺尺寸的确定 由于Tm-tw =8536.5=48.555所以以选用固定管板式列管换热器由换热器系列标准中选定固定式换热器有关参数如下壳径mm500管子尺寸mm252.5公称压力MPa25管长m6公称面积m270管子总数152管程数4管子排列方法正三角形实际传热面积A=ndo L=2423.140.025(3-0.1)=70.4m2 2.4流体流动阻力的计算 管程压强降 pi=（p1+p2 ）FtNpSt 管程流通面积Ai =24240.7850.022 =0.011932m2 管内水的流速ui = qm2（3600Ai ）=6.09（9947.22510-4）=0.85ms Rei=diui=0.020.4994(7.2510-4 )=15959 设管壁粗糙度为0.1 则d=0.120=0.05 查表得摩擦系数=0.028 所以p1 =(Ldi )( ui2)=0.028(60.02) (9940.852 2)=1404.4Pa p2 =3ui 2 2=39940.852 2=501.6Pa而Ft=1.4 Np=4 Ns=1所以pi =(1404.4+5

6、01.6) 1.44=10673.6pa0.4Mpa管程流动阻力在允许范围之内。壳程压强降 po =(p1 +p2 )FSNS 其中FS =1 NS =1 p1 =Ffonc(NB+1) u2 2 因为管子为正三角形排列 F=0.5 取折流板间距h=0.3m 挡板数NB =Lh -1=30.3-1=19 nc=1.1nT 12 =1.1915212 =14.67 壳程流通面积 AO =h(D- ncdO)=0.3(0.5-14.670.025)=0.04m2 uO=10000 (360090.04)=9.12ms ReO= dOuO=0.0259.259(1.510-5)=138750 fo =5.0Re-0.228 =5.0138750-0.228 =0.338 p1 =0.50.33614.67(19+1)(99.25 /2)=18978 Pa p2 = NB(3.5-2BD)=19(3.5-20.150.5) 99.252 2=21215Pa 总阻力po =（21215+18978）11=40193pa3Mpa 所以壳程流动阻力也比较合适。2.5总传热系数的校核 .管程对流传热系

7、数2u=0.85ms Re=15959 Pr=CP=4.1741037.22510-40.626=4.812 =0.023 (d2 ) Re0.8Pr0.4 =0.0230.6260.02159590.84.810.4=3108.4W(m2k) .壳程对流传热系数1 1=0.36（de）(deu)0.55(CP）13(W )0.14 Smax=hD(1-d1t)=0.0328m2 u=qv1Smax =10000(360090.0328)=11.28 ms de=4(t2-4d12 ) (d1)=4(0.00322-40.02520.025=0.027m Re=deu=0.02018.829(1.510-5)=182736 Pr=CP=3.2971031.510-50.0279=1.77 黏度校正(W )0.14=0.951 所以1 =0.360.02790.0201827360.551.77131=334.9W(m2k) .污垢热阻 参考表3-6，管内、外侧污垢热阻分别取 RS2=0.00058m2kw RS1=0.00053 m2kw .总传热系数 管壁热阻可忽略时，该换热器的总传热系数K计为 K计=111 + RS1+ RS2 d1d2+d1(2d2)=11334.9+0.000532+0.00062520+25(2200 20)=220 W(m2k) K计K估=220200=1.1 所以说明K估 的设定值合适。2.6传热面积的校核A计=Q(K计tm )=576975 （22045.5）=59.5 m2 AA计=70.459.5=1.18 所选换热器的传热面积具有足够的裕量，故该换热器合适。 3.换热器结构设计3.1壳体壁厚的计算 S=pD(2-p)+C=1040.5(2104 0.85-104)+0.2=0.91cm 所以壳体壁厚取1cm。

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