化工原理换热器课程设计(原创完整版)

成绩 .

华北科技学院

课 程 设 计 报 告

题 目 列管式换热器的工艺设计 课 程 名 称 化工原理课程设计 专 业 化学工程与工艺 班 级 学 生 姓 名 学 号 设 计 地 点 指 导 教 师

设计起止时间：2011 年5月2日至2011年 5月13日

1

课程设计任务书

设计题目：列管式换热器的工艺设计和选用 物料 原油 柴油 密 度 Kg/m3 815 715 粘 度 Pa.s 3×10-3 0.×10-3

设计题目

4、炼油厂用原油将柴油从175℃冷却至130℃，柴油流量为12500 kg/h；原油初温

为70℃，经换热后升温到110℃。换热器的热损失可忽略。60kPa。 管、壳程阻力压降均不大于30kPa。污垢热阻均取0.0003㎡℃/W

比热容 kJ/(kg. ℃) 2.2 2.48 λ导热系数W/(m. ℃) 0.128 0.133 .

一、确定设计方案

1、选择换热器类型 俩流体温度变化情况：

柴油进口温度175℃，出口温度110℃。原油进口温度70℃，出口温度110℃

从两流体的温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用固定管板式换热器。

2、流程安排

该任务的热流体为柴油，冷流体为原油，由于原油的黏度大，因此使原油走

壳程，柴油走管程。

二、工艺结构设计

（一）估算传热面积

1.换热器的热流量（忽略热损失）

2

Qqm1cp1(T1T2)125002.48103(17530)3875000W 36002.冷却剂原油用量（忽略热损失）

qm2Q3875004.40kg/s

cp2(t1t2)2200(11070)t1t2(175110)(13070)62.5C t1175110lnln13070t22.平均传热温差

'tm3.估K值

K估220W（m2C）4.由K值估算传热面积

A估=

Q38750028.2m2

K估tm220（二）工艺结构尺寸

1.管径、管长、管数

1管径选择 选用192mm传热管（碳钢） ○

2估算管内流速 取管内流速u估0.6m/s ○

3计算管数 n○sqv1250036007150.01520.64di2u估4 45.846（根）4计算管长 L○

A估28.2dons0.01910.2m8 465确定管程 按单管程设计，传热管稍长，宜采用多管程结构。现取传热管长○

Npl=2.5m，则该传唤器管程数为：×4=184（根）

2.管子的排列方法

L10.284(管程），则传热管总根数N=46l2.51采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧采用矩形排列，管子和○

管板采用焊接结构

2计算管心距 t1.2d5519○o1.2

23.7m5m 23

3隔板中心到离其最近一排管中心距离 ○

S=t/2+6=24/2+6=18mm 各程相邻管心距为36mm 各程各有传热管46根 3.壳体内径的计算

采用多管程结构，取管板利用率η=0.7 1计算 D1.0t○5N/2圆整 D=450m○ m4.折流板

1圆缺高度的计算 H25%○D5325i0.22折流板间距 h300mm ○

3折流板数量 Nbl1216○η

h0.35.计算壳程流通面积及流速 1计算流通面积 ○

28m1.m1.0524 408(184/0.m7m)nc1.19N1.199.5210

Aoh(Dncdo)0.3(0.325100.025)0.0225(m2)

4v2102计算壳程流体流速 uo○ 0.22m5sAo0.022536001.0937106.计算实际传热面积

A实Ndol10.05m2 7.传热温差报正系数的确定

Pt2t140200.167 T1t114020RT1T21401101.5 t2t14020查表：0.92

8.管程与壳程传热系数的确定 1壳程表面传热系数 o0.36○

ode0.553ReoPr（1o0.14） w4

当量直径，由正方形排列得：

222（4adedo）（40.031250.0252）440.0247m do0.025壳程流通截面积：

AhD(1do0.025)0.30.325(1)0.0195m2 a0.03125壳程流体流速：

uoWh200000.26ms 3A36001.097100.0195雷诺数：

Reodeuooo0.02470.261.097103123.4 45.68110普兰特准数：

ProCpooo1.770291035.6811047.46 11.3494510（粘度校正

o0.360.14）1 w10.134945123.40.557.463684.495W/(m2C)

0.02472管程表面传热系数 ○

di管程流体流速： uii0.023Rei0.8Pri

0.44vidi2ns3.50910340.705ms

0.02216雷诺数：

Reidiuiii0.020.705995.7817609.615

0.79732103普兰特准数：

PriCpiii4.17901030.797321035.41

0.615 5

i0.0230.61517609.6150.85.140.43466.6W/(m2C) 0.029.传热系数Ko的确定 1Ri、Ro、Rw的查取 ○

管外侧污垢热阻 Ro=1.7197104m2KW 管内侧污垢热阻 Ri3.4394104m2KW 管壁热阻 碳钢在该条件下的热导率为45W(mk)， 则Rw0.00250.000056m2KW 452Ko的计算 ○

Ko1dodRd1RiowoRoidididmo10.0250.0000560.02511.71971040.020.0225684.4950.0253.43941043466.60.02402.313Ko的确定 ○K估Ko402.311.183 340K估10、传热面积

A理Q295048.38.40m2

Kotm402.310.9294.912210.051.196 A理8.411、附件 1拉杆数量 ○

本换热器壳体内径为325mm，故其拉杆直径为12，拉杆数量不得少于4个。 2壳程流体接管直径：取接管内液体流速为u11.8ms， ○

6

A实

则接管内径为D14Vu1421040.06m 336001.097101.83管程流体接管直径：取接管内液体流速为u21.8ms， ○

4V则接管内径为D2u243.5091030.05m

1.812、换热器流体流动阻力 1管程流体阻力 ○

Pt(PiPr)FtNsNpNs1,Np4,Ft1.4

由Rei17609.615，传热管对粗糙度

di0.10.005，查莫狄图得 i0.031 202lui220.705995.78每程直管压降 Pii 40.031767.Pa1di20.0222ui20.705每程回弯压降 Pr3322995.78 742.Pa39总压降Pt(767.14742.39)141.48453.368Pa8.45kPa35kPa 2壳程流体阻力 ○

Ps(PoPip)Fs

Fs1.15 管速压降

uo2PoFfoNTC(NB1)2F0.3(正方形),NB6,uo0.26msReo123.4500,故fo5.0Reo0.2285123.40.2280.583 NTC1.19(ns)0.51.190.59.52100.2621.097103Po0.30.58310(61)453.62Pa2折流板缺口压降

7

2huo2PipNB(3.5)D2h0.3m,D0.325m20.30.2621.097103Pip6(3.5)367.42Pa0.3252

总压降

Ps(453.62367.42)1.15944.196Pa0.94kPa35kPa

（五）结果概要

换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：

参数 流率(kg/h) 进口温度/℃ 出口温度/℃ 压力/Mpa 物定性温度/℃ 性3密度/（kg/m） 参定压比热容/[kJ/（kg•℃）] 数

管程 12708.468 20 40 0.4 30 995.78 4.1790 0.79732 0.615 5.41 浮头式 325 壳程 20000 140 110 0.3 125 1.097×103 1.77029 5.681×10-1 1.34945×10-1 7.46 壳程数 台数 管心距mm 管子排列 折流板数/个 折流板间距mm 材质 拉杆直径及数量 粘度/（mPa•s） 热导率（W/m•℃） 普朗特数 形式 壳体内径/mm 管径/mm 管长/mm 管数/根 传热面积/m2 管程数 圆缺高度/mm 设备结构参数252.5 2000 10.05 4 81.25 1 1 31.25 正方形 6 300 碳钢 12/4 接管/mm 主要计算结果 流速/（m/s） 表面传热系数/[W/（m2•℃）] 污垢热阻/（m2•℃/W） 管壁热阻/（m2•℃/W） 阻力/ kPa 热流量/KW 温度校正系数 50 60 管程 0.705 3466.6 3.4394×10-4 0.000056 8.45 295.0483 0.92 8

壳程 0.26 684.495 1.7197×10-4 0.94

传热温差/℃ 总传热系数ko/[W/（m2•℃）]

87.32 402.31 （六）总结

1、结果

1估算管内流速 u0.75ms，在0.5~3范围内，符合要求。 ○

2由计算得管长L8m，取单程管长l2m，符合要求。 ○

3换热器的长度与壳体直径之比○求。

4壳程流体流速 uo0.225ms，在0.2~1.5范围内，符合要求。 ○

5传热温差校正系数0.920.8，符合要求。 ○6 ○

l26.1，在6~10之间，符合要D0.325Ko1.183，在1.15~1.25范围内，符合要求。 K估A实A理1.196，在1.15~1.25范围内，符合要求。

7 ○

8管程流体阻力P ○t8.45kPa35kPa，符合要求。

9壳程流体阻力Ps0.94kPa35kPa，符合要求。 ○

（七）参考文献

【1】《化工原理课程设计》 贾绍义 柴诚敬 主编 天津大学出版社 【2】《化工原理（上）》 夏青 陈常贵 主编 天津大学出版社 【3】《化工原理课程设计指导》 任晓光 主编 化学工艺出版社

9

【4】《化工设备机械基础》 董大勤 主编 化学工艺出版社

（八）附录

ChemCAD运行结果

TABULATED ANALYSIS

------------------ Overall Data:

Area Total m2 10.05 % Excess 83.74 Area Required m2 5.16 U Calc. W/m2-K 590.49 Area Effective m2 9.48 U Service W/m2-K 321.37 Area Per Shell m2 9.48 Heat Duty MJ/h 1.03E+003 Weight LMTD C 94.91 LMTD CORR Factor 0.9888 CORR LMTD C 93.85

Shellside Data:

Crossflow Vel. m/sec 9.2E-002 EndZone Vel. 8.0E-002 Window Vel. 1.6E-001

Film Coef. W/m2-K 2158.05 Reynold's No. 2669 Allow Press. Drop MPa 0.03 Calc. Press. Drop MPa -0.01 Inlet Nozzle Size m 0.15 Press. Drop/In Nozzle MPa 0.00 Outlet Nozzle Size m 0.15 Press. Drop/Out Nozzle MPa 0.00 Mean Temperature C 30.00 Rho V2 IN kg/m-sec2 35.16 Press. Drop (Dirty) MPa -0.01

Stream Analysis:

SA Factors: A 7.74 B 70.23 C 16.27 E 5.76 F 0.00 Ideal Cross Vel. m/sec 0.13 Ideal Window Vel. m/sec 0.19

Tubeside Data:

Film Coef. W/m2-K 1603.99 Reynold's No. 38686 Allow Press. Drop MPa 0.03 Calc. Press. Drop MPa 0.01 Inlet Nozzle Size m 0.15 Press. Drop/In Nozzle MPa 0.00 Outlet Nozzle Size m 0.15 Press. Drop/Out Nozzle MPa 0.00 Interm. Nozzle Size m 0.00 Mean Temperature C 125.00 Velocity m/sec 1.01 Mean Metal Temperature C 67.47

Clearance Data:

Baffle m 0.0032 Outer Tube Limit m 0.2900 Tube Hole m 0.0008 Outer Tube Clear. m 0.0350 Bundle Top Space m 0.0000 Pass Part Clear. m 0.0000 Bundle Btm Space m 0.0000

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Baffle Parameters:

Number of Baffles 5 Baffle Type Single Segmental Inlet Space m 0.342 Center Space m 0.300 Outlet Space m 0.342 Baffle Cut percent 25.000 Baffle Overlap m 0.050 Baffle Cut Direction Horizontal Baffle Cut Basis Diameter Number of Int. Baffles 0 Baffle Thickness m 0.003 Shell:

Shell O.D. m 0.35 Orientation H Shell I.D. m 0.33 Shell in Series 1 Bonnet I.D. m 0.33 Shell in Parallel 1 Type AEW Max. Heat Flux Btu/ft2-hr 0.00 Imping. Plate Impingement Plate Sealing Strip 5 Tubes:

Number Tube Type Bare Length m 2.00 Free Int. Fl Area m2 0.00 Tube O.D. m 0.025 Fin Efficiency 0.000

Tube I.D. m 0.020 Tube Pattern SQUAR Tube Wall Thk. m 0.003 Tube Pitch m 0.032 No. Tube Pass 4 Inner Roughness m 0.0000560

Resistances:

Shellside Film m2-K/W 0.00046 Shellside Fouling m2-K/W 0.00018 Tube Wall m2-K/W 0.00005 Tubeside Fouling m2-K/W 0.00018 Tubeside Film m2-K/W 0.00062

Reference Factor (Total outside area/inside area based on tube ID) 1.250

Pressure Drop Distribution:

Tube Side Shell Side

Inlet Nozzle MPa 0.0000 Inlet Nozzle MPa 0.0000 Tube Entrance MPa 0.0008 Impingement MPa 0.0000

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Tube MPa 0.0065 Bundle MPa 0.0002 Tube Exit MPa 0.0022 Outlet Nozzle MPa 0.0000 End MPa 0.0020 Total Fric. MPa 0.0003 Outlet Nozzle MPa 0.0000 Total Grav. MPa -0.0061 Total Fric. MPa 0.0115 Total Mome. MPa 0.0000 Total Grav. MPa 0.0000 Total MPa -0.0059 Total Mome. MPa -0.0000 Total MPa 0.0115

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