化工原理课程设计题目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计系别：班级：学号：姓名:指导教师：日期：2015年6月26日任务书一、设计题目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计二、设计任务：1、处理能力：45t/年煤油2、设备型号：列管式换热器3、操作条件：煤油:入口温度140℃，出口温度40℃冷却介质：循环水，入口温度20℃，出口温度30℃允许压降：不大于105Pa每年按330天计建厂地址：新乡三、设计要求1、选择适宜的列管式换热器并进行核算2、要进行工艺计算3、要进行主体设备的设计（主要设备尺寸、横算结果等）4、编写设计任务书5、进行设备结构图的绘制（设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏。
）目录一、设计方案 (4)1.1换热器的选择 (4)1.2流动空间及流速的确定 (4)二、物性数据 (5)三、计算总传热系数： (5)3.3、估算传热面积 (5)3.3.1热流量 (5)3.3.2平均传热温差 (5)3.3.3传热面积 (5)3.3.4冷却水用量 (5)3.4、工艺结构尺寸 (6)3.4.1管径和管内流速 (6)3.4.2管程数和传热管数 (6)3.4.3平均传热温差校正及壳程数 (6)3.4.4传热管排列和分程方法 (7)3.4.5壳体内径 (7)3.4.6折流板 (7)3.4.7接管 (7)3.5换热器核算 (8)3.5.1热流量核算 (8)3.5.2换热器内流体的流动阻力 (10)四、设计结果设计一览表 (12)五、设计自我评价 (12)六、参考文献 (13)七、主要符号说明 (13)八、主体设备条件图及生产工艺流程图（附图） (13)一、设计方案1.1 换热器类型的选择列管式换热器有以下几种：1、固定管板式固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。
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。
特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。
2、U形管式U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。
特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。
管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。
3、浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。
管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。
特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，消除温差应力，应用普遍。
在本次设计任务中，两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体(循环水)进口温度25℃，出口温度40℃。
该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，最大使用温差小于120℃，,选用固定管板式换热器，又因为管壳两流体温差大于60℃，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。
1.2 流动空间及流速的确定在固定管板式式换热器中，对于流体流径的选择一般可以考虑以下几点：(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。
(2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。
(3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。
(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。
(5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。
(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。
(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。
由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。
选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取u i =1.5m/ｓ。
二、确定物性数据三、换热器设计计算 （一）计算热流量m h =78.27777243001025=⨯⨯（kg/h ） Q h =m h c p h Δt h =27777.78×2.22×(140-40)=6.17×106kJ/h=1712.9 kW （二）平均传热温差39203040140ln )2030()40140(21ln 21'=-----=∆∆∆-∆=∆t t t t mt (℃) （三）传热面积假设壳程传热系数：α0=400 W （m 2•℃），管壁导热系数λ=45 W （m 2•℃） 则K=298.7W/(m 2·℃),则估算面积为：S ’=Q h /(K ×Δt m )=1.7139×106/(298.7×39)=147.04 (m 2)考虑15%的面积裕度则：S=1.15×147.04=169.1(m 2) （四）冷却水用量9.148701)3040(147.461017.6=-⨯⨯=∆=c c h t cp Q Wc （kg/h ）3.4、工艺结构尺寸 3.4.1管径和管内流速选用ф25×2.5mm 碳钢管，取管内流速u i = 1.5m/s3.4.2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5.1202.0785.0)7.9953600/(9.14870124⨯⨯⨯==cc V ud q s n π=88.07≈89（根） 按单程管计算，所需的传热管长度为：89025.014.319.169h ⨯⨯==s n d S L π=24（m ） 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，根据本设计实际情况，采用标准设计，现取传热管长为l=6m ，则该换热器的管程数为：N P =L/l=24/6=4传热管总根数： N T =89×4=356（根）3.4.3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数： R=(140-40)/(30-20)=10; P=(30-20)/(140-20)=0.083按单壳程，4管程结构，温差校正系数应查有关图表可得φΔt=0.9 平均传热温差Δt m =φΔtΔt m =0.9×39=35.1（℃）由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取単壳程合适。
3.4.4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t=1.25d h ，则t=1.25×25=31.25≈32(mm ) 横过管束中心线的管数（根）2335619.119.1===N n c3.4.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为D=7.03563205.105.1⨯=ηN t =757.7 (mm) 按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=800mm 。
3.4.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25％，则切去的圆缺高度为h ＝0.25×800=200（mm ） 折流板间距B=0.3D,则B=0.3×800=240mm 取250mm 。
折流板数 N B =折流板间距传热管长-1=2506000-1=23 (块)3.4.7接管壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u ＝1.0m/s ，则接管内径为：D 1=11.00.114.3)8253600(8.27777441=⨯⨯⨯=u Vπ（m ），取管内径为110mm 。
管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u ＝1.5 m/s ，则接管内径为1885.114.3)7.9953600(9.14870142=⨯⨯⨯=D mm圆整可取2D =200mm 。
3.5换热器核算 3.5.1热流量核算 3.5.1.1壳程表面传热系数可采用克恩公式：14.03155.0h Pr Re 36.0⎪⎪⎭⎫⎝⎛=whh e d μμλα当量直径，由正三角排列得：de=020.0025.014.3)2025.0785.02032.0(4)24223(4=⨯⨯-⨯=-hd h d t ππ（m ）壳程流通截面积：)032.0025.01(25.08.0)1(-⨯⨯=-=t d BD S h h =0.044（m 2） 壳程流体流速及其雷诺数分别为：u 0=213.0044.0)8253600(8.27777=⨯（m/s ）Re 0=000715.0825213.002.0⨯⨯=4905普朗特准数Pr=34.11140.010*******.263=⨯⨯⨯-； 粘度校正 114.0≈⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛wηηɑh =3134.1155.0490502.0140.036.0⨯⨯⨯=606.46 W/(m 2·K)3.5.1.2管内表面传热系数ɑc 4.08.0Pr Re 023.0cd λ=管程流体流通截面积：S c =0.785×0.022×356/4=0.028（m 2） 管程流体流速及其雷诺数分别为： U c =028.0)7.9953600/(9.148701⨯=1.484（m/s ）Re c =0008007.07.995484.102.0⨯⨯=36919.4普朗特准数Pr=87.46176.010********.463=⨯⨯⨯-ɑc =0.023×4.08.087.44.6919302.06176.0⨯⨯=6027.7 W/ (m 2·℃) 3.5.1.3污垢热阻和管壁热阻查有关文献知可取：管外侧污垢热阻 R h =0.000172 m 2·K/W管内侧污垢热阻 R c =0.000344m 2·K/W管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为λ=45 W/(m ·℃)。
3.5.1.4计算传热系数K ==396.8 W/（m ·℃）hsh c h c h sc c c R d bd d d R d d αλα11h ++++46.6061000172.0450225.0025.00025.0020.0025.0000344.0020.07.6027025.01=++⨯⨯+⨯+⨯计算传热面积S:S=m t K Q ∆=1.358.396109.17123⨯⨯=122.985（m 2） 该换热器的实际传热面积：S р=)(c h n N L d -π=3.14×0.025×(6-0.06)×(356-23)=155.27（m 2）3.5.1.5换热器的面积裕度H=S SS P -×100%=217.130217.13027.155-×100%=19.23% 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。