化工原理课程设计
Ko?Q213930??438So?tm14.81?31.98 W/(m2·℃)
3 换热器核算
3.1压力降的核算
3.1.1管程压力降
∑Δpi=(Δp1 +Δp2)FtNp 其中，Ft=1.4，Np=2。 管程流通面积Ai??4di?2n?n?33??0.022???0.022??0.005181m2 Np4Np42
ui?Vs9226??0.51m/sAi3600?992.2?0.005181diui??0.02?0.51?992.2?15430?4000(湍流) ?30.656?10Rei??设管壁粗糙度ε=0.1mm，ε/di=0.1/20=0.005，查《化工原理》[1]P-54图1-27第一章中λ-Re关系图中查得：λ=0.036，所以
l?u26992.2?0.512?0.036???1393Pa ?p1??d20.022
992.2?0.512?p2?3?3??387Pa
22?u2则∑Δpi=（1393+387）×1.4×2=4984Pa
3.1.2壳程压力降
∑Δpo=(Δp1’ +Δp2’)FsNs 其中，Fs=1.15，Ns=1，?p1'?Ffonc(NB?1)查《化工原理》[1]P-284：管子为正三角形排列，F=0.5。 nc=1.1√n=1.1√37≈7
查《换热器设计手册》[2]P-14表1-2-3，取折流挡板间距h=0.2m， L6NB??1??1?29
h0.2壳程流通面积Ao=h(D-ncdo)=0.2×（0. 3-7×0.025）=0.025m2
13750uo??0.19m/s
3600?812.6?0.025?uo22
Reo?douo???0.025?0.19?812.6?9082?500 ?30.425?106
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fo=5.0Reo-0.228=5.0×9082-0.228=0.63 所以
?p1'?Ffonc(NB?1)?uo222812.6?0.192?0.5?0.63?7?(29?1)??970Pa
22h?uo2?0.2812.6?0.192?p2'?NB(3.5?)?29?(3.5?)??922Pa
D20.32∑Δpo=（970+922）×1.15=1088Pa
计算表明，管程和壳程压强都能满足题设（不大于0.1 MPa）的要求。
3.2总传热系数的核算
⑴管程对流传热系数αi Rei=15430（湍流）
4.174?103?0.656?10?3Pri???4.32
?0.6338cp??i?0.023?diRei0.8Pri0.4?0.023?0.6338(15430)0.8(4.32)0.4?2935W/(m2·℃) 0.02⑵壳程对流传热系数αo
由《化工原理》[1]P-253式4-77a计算，即
?deuo?0.55cp?1/3?0.14?o?0.36()()()
de???w查《化工设备机械基础》[3]p-208表7-5，取换热器列管之中心距t=32mm，则流体通过管间最大截面积为 do0.025)?0.013m2 A。=hD(1-)=0.2×0. 3×(1-t0.032uo?Vs13750??0.36m/s A3600?812.6?0.0134(t2?de??4?dodo)24(0.0322??3.14?0.0252)4?0.027m 3.14?0.025Reo?deuo??cp??0.027?0.36?812.6?22567 ?30.35?101.867?103?0.35?10?3Pro???4.51
?0.1457
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壳程中甲苯被冷却，取(?0.14)?0.95，所以 ?w?o?0.36?0.145(22567)0.55(4.51)1/3?0.95?752 W/(m2·℃) 0.027⑶污垢热阻
参考《化工原理》[1]附录p-355表22，污垢系数取为0.52m2·K/kW，则 管、内外侧污垢热阻分别为Rsi= 0.000066m2·℃/W，Rso= 0.000112m2·℃/W ⑷总传热系数Ko
管壁热阻可忽略时，总传热系数Ko为
Ko'?1dd?Rso?Rsio?o?odi?idi1?112525?0.000112?0.000066??752202935?20
=513W/(m2·℃)
由上面计算可知，选用该型号的换热器时要求过程的总传热系数为438W/(m2·℃），在规定的流动条件下，计算出的Ko’为513W/(m2·℃），有
KO'513??1.17?(1.15~1.25) KO438故所选的换热器是合适的，其安全系数为
513?438?100%=17.1%。 4384 固定管板式换热器的主要结构尺寸设计
固定管板式换热器的主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板（或支撑板）、接管、支座等。
4.1壳体壁厚的确定
选取设计压力pc=1.6Mpa，壳体材料为Q-235B，查《化工设备机械基础》[3][3]p-311附录9得，其相应的许用应力[ζ]t=113 Mpa；查《化工设备机械基础》p-96表4-8，焊缝系数?取为0.85，Di=300mm，故
计算厚度： ??2?????pctpcDi?1.6?300?2.5mm
2?113?0.85?1.6根据《化工设备机械基础》p-97，取C2=1.0mm，负偏差C2取0.25 mm。 圆整后，δn=4mm，即壳体壁厚为4mm。
4.2管子拉脱力计算
根据《化工设备机械基础》p-205，取胀接长度l=50mm；
根据《化工设备机械基础》p-295附表1-1，查地碳钢线膨胀系数
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αl=11.2×10-6mm/(mm·℃)，弹性模量E取为200×103 Mpa；
根据《化工设备机械基础》p-218,表7-11，许用拉脱力取为4 Mpa。 ① 在操作压力下，管子每平方米胀接周边上所受到的力
qp?其中，f?0.866t2?
pf ?dol2?4do?0.866?322??4?252?396mm2
0.6?396?0.06MPa
3.14?25?50② 温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力
P=0.6Mpa，l=50mm，qp?qt??t(do2?di2)4dol
其中，?t??E(tt?ts)1?AtAs，As=πD中δn=π×308×4=3868mm2
At??4(do2?di2)n??4?(252?202)?37?6535mm2
11.2?10?6?0.2?106?35?29.15MPa 则?t?65351?386829.15?(252?202)qt??1.31Mpa
4?25?50
又因qp与qt作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力：
Q=qp+qt=0.06+1.31=1.37Mpa＜[q]=4.0 Mpa
因此，拉脱力在许用范围内。
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4.3换热器的主要结构尺寸设计参数
表2主要结构尺寸设计参数 换热器型式：固定管板式 换热器面积/m2：15.27 工艺参数 名称 物料名称 操作压力/MPa 操作温度/℃ 流量/kg/h 流体密度/kg/m 流速/m/s 传热量/W 总传热系数W/(m2·℃） 3壳程 甲苯 0.4~0.6 90（进口）/60（出口） 13750 812.6 0.26 213930 513 管程 水 0.4~0.6 30（进口）/50（出口） 9226 992.2 0.51 对流传热系数W/(m2·℃） 752 污垢系数/W/(m2·℃） 0.000112 压力降/Pa 1088 推荐使用材料 碳钢 壳径D(DN) 300mm 管尺寸 管程数Np 2 管长L 管子总根数 37（拉杆4） 管排列方式 中心排管数nc 7 管心距
2935 0.000066 4984 碳钢 Φ25×2.5mm 6m 正三角形排列 32mm 10
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5 换热器装配简图
详见附图。
6 设计评述
本次化工原理课程设计是对列管式换热器的设计，经过查阅有关文献资料，对换热器参数进行了设计及反复核算，以确保设计的准确性。以下是对本设计的一些评述。
从工艺要求和经济性出发，选用了固定管板式换热器作为设计对象。根据已知条件选定换热器规格后，经过很多次核算，K’/K值始终达不到要求的1.15~1.25范围。然后，通过查阅更多资料、反复再次核算，加上和同学的激烈讨论，终于取得了阶段性的胜利，基本上完成了换热器设计这块。
绘制换热器的装配图，需要对换热器有全面的认识，许多细节问题必须注意到，主视图、剖视图、局部放大图等才能较好的完成。整个流程下来，对固定管板式换热器结构及其内部结构的选型有了更理性的认知。
通过本次设计，真的学到了很多。首先，熟悉了化工原理课程设计的流程，学会了如何根据工艺要求查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，继而对换热器进行准确设计；其次，巩固了以前学习的化工知识，理解得相对更深入、透彻了些；此外，学习时要跟同学探讨，一个思想加一个思想，或许会碰撞出更多思维的火花。
第一次做本次课程设计，我们大都是在摸索中前进，走了不少曲折的路。加上可利用文献资源有限、时间有限，这次设计仍存在许多地方需要去改进与完善。
7 参考文献
[1] 夏清，陈长贵．化工原理[M]．天津：天津大学出版社，2010． [2] 钱颂文．二换热器设计手册[M]．化学工业出版社，2002．
[3] 刁玉玮，王立业，喻键良．化工设备机械基础[M]．大连：大连理工大学出版社，2010．
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