標準化工原理課程設(shè)計

1、 化工原理課程設(shè)計說明書 煤油冷卻器的設(shè)計題 目： 煤油冷卻器的設(shè)計 學(xué) 院： 化工學(xué)院 專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)老師： 同組人員 完成時間： 4 目 錄1設(shè)計題目.(5)2流程示意圖.(5)3流程和方案的說明和論證3.1流程的說明.(5)3.2選擇設(shè)計方案 3.2.1選擇換熱器的類型.(6) 3.2.2流程安排.(7) 3.2.3加熱劑或冷卻劑的選擇.(8) 3.2.4選擇換熱器材質(zhì).(8) 3.2.5流速的選擇.(9) 3.2.6折流板形式的確定.(9)4.設(shè)計結(jié)果概要4.1主要設(shè)備尺寸設(shè)計 4.1.1管子的規(guī)格和排列方法.(10) 4.1.2確定流體的定性溫度、

2、物性數(shù)據(jù)，并選擇列管式換熱器的形式.(11) 4.1.3計算熱負荷Q.(12) 4.1.4計算兩流體的平均溫度差，并確定殼程數(shù).(12) 4.1.5初步選擇換熱器規(guī)格.(13) 4.1.6選取管長確定管程數(shù)和總管數(shù).(13)4.2計算壓強降 4.2.1計算管程壓強降.(15) 4.2.2計算殼程壓強降.(16)4.3核算總傳熱系數(shù)K0 4.3.1計算管程對流傳熱系數(shù).(17) 4.3.2計算殼程對流傳熱系數(shù).(18) 4.3.3確定污垢熱阻.(19) 4.3.4壁溫的檢驗.(19) 4.3.5計算總傳熱系數(shù).(19) 5. 詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度核算5.1殼體計算.(20)5.2封頭計算.(20)

3、5.3法蘭計算.(20)5.4接管 5.4.1接管的一般要求.(21) 5.4.2接管直徑的確定.(21) 5.4.3管箱接管.(23) 5.4.4接管法蘭.(23)5.5折流板計算.(24)5.6防沖板計算.(24)5.7管板計算.(24)5.8拉桿計算.(24)5.9強度核算(殼體核算.管板核算).(27)6.工藝設(shè)計計算結(jié)果.(28)參考文獻.(29)心得體會.(30) 一、 設(shè)計題目 煤油冷卻器的設(shè)計設(shè)計背景： 在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器。換熱器的作用:使熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體（或反之），使流體溫度達到工藝流程規(guī)定的指標;回收余熱、廢熱

4、，提高熱能總利用率.在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設(shè)計、制造、結(jié)構(gòu)改進及傳熱機理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。 隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點，性能各異。換熱器按用途不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器、深冷器、過熱器等。 換熱器按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣泛，按照傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)特點又可分為管殼式

5、換熱器、板面式換熱器和擴展表面式換熱器（板翅式、管翅式等）。設(shè)計任務(wù)： 試設(shè)計一煤油冷卻器，已知煤油的流量G1=15T/h，其入口溫度T1=160，出口溫度T2=60，冷卻水入口溫度t1=20，出口溫度t2=40，設(shè)煤油和冷卻水的運行表壓分別為：1bar和3bar（0.1MPa和0.3MPa）二、 流程示意圖見附錄圖2-1(CAD版)。三、流程和方案的說明和論證3.1流程的說明 圖一 管殼式換熱器示意圖管殼式換熱器屬于間壁式換熱器，其換熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通道稱為管程，換熱管外構(gòu)成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過兩個不同溫度的流體時，溫度較高的流體通過換熱管壁將熱能量傳遞給溫度較低的流體，溫

6、度較高的流體被冷卻、溫度較低的流體被加熱，進而實現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。3.2選擇設(shè)計方案 選擇設(shè)計方案的原則是要保證達到工藝要求的熱流量,操作上要安全可靠,結(jié)構(gòu)上要簡單,可維護性要好,盡可能節(jié)省操作費用和設(shè)備投資.選擇設(shè)計方案主要包括以下幾點: 3.2.1選擇換熱器的類型管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標準換熱設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，造價低廉，用材廣泛，清洗方便，適應(yīng)性強等優(yōu)點，應(yīng)用最為廣泛。管殼式換熱器根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，可以分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器、填料函式換熱器、釜式重沸器等。固定管板式換熱器兩端的管板與殼體連在一起，這類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉

7、，但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于50且殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料.當(dāng)需要的換熱面很大時，可采用多管程換熱器。對于多管程換熱器，在管箱內(nèi)應(yīng)設(shè)分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質(zhì)流速，增強傳熱。 帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，其膨脹節(jié)的彈性變形可減小溫差應(yīng)力，這種補償方法適用于兩流體溫差小于70且殼方流體壓強不高于600KPa的情況。 d9 |/ b M 圖二 固定管板式換熱器 + l2 t2 I+ u& c% 5 V- m1 組成：管箱、管板、換熱管、殼體、折流板或支撐板、拉桿、定距管等。, F( x9 + I( F結(jié)構(gòu)特點：管板與殼體之間采用焊接

8、連接。兩端管板均固定，可以是單管程或多管箱，1 ch v7 w( y6 Oc8 _& H# g$ y! i, y# K$ o: z* R1 BG管束不可拆，管板可延長兼作法。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，在相同管束情況下其殼體內(nèi)徑最小，管程分程較方便。1 d T& Q* 2 D H缺點：殼程無法進行機械清洗，殼程檢查困難，殼體與管子之間無溫差補償元件時會產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，即溫差較大時需采用膨脹節(jié)或波紋管等補償元件以減小溫差應(yīng)力。 本設(shè)計出于以上考慮，本設(shè)計的換熱器選擇列管換熱器中帶補償圈的固定管板式換熱器。93.2.2流程安排在列管換熱器設(shè)計中，冷熱流的流程安排一般采取如下原則：(1)不潔凈和易

9、結(jié)垢的流體宜走管程,因管內(nèi)清洗方便;(2)腐蝕性流體宜走管程,以免管束和殼體同時受腐蝕,且清洗,檢修 方便;(3)壓強高的流體宜走管程,以免殼體同時受壓;(4)有毒流體宜走管程,使泄漏機會減少;(5)被冷卻的流體宜走殼程,便于散熱,增強冷卻效果;(6)飽和蒸汽宜走殼程,便于排出冷凝液和不凝氣,且蒸汽潔凈不污染;(7)流量小或粘度大的流體宜走殼程,因折流檔板的作用可使在低雷諾數(shù)(Re100)下即可達到湍流,但也可在管內(nèi)采用多管程;(8)若兩流體溫差較大,宜使大的流體走殼程,使管壁和殼壁溫差減小.在具體選擇時,上述原則經(jīng)常不能同時兼顧,會互相矛盾,這時要根據(jù)實際情況,抓住主要問題,作為選擇的依據(jù)。

10、 本設(shè)計從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使煤油走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，對流傳熱系數(shù)比較大，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。3.2.3加熱劑或冷卻劑的選擇在換熱過程中，用作加熱劑或冷卻劑的流體應(yīng)根據(jù)實際情況確定。除應(yīng)滿足加熱和冷卻溫度外還應(yīng)考慮來源方便，價格低廉，使用安全。在化工生產(chǎn)中，水是常用的冷卻劑，飽和水蒸氣是常用的加熱劑。冷卻器是換熱設(shè)備的一類，用以冷卻流體。通常用水或空氣為冷卻劑以除去熱量。以水和空氣比較，水的比熱高，傳熱膜系數(shù)也很高，但空氣的取得和使用比水方便，應(yīng)因地制宜加以選用。水和空氣作為

11、冷卻劑變到當(dāng)?shù)貧鉁氐南拗?，一般冷卻溫度為1025。如果要冷卻到較低的溫度，則需應(yīng)用低溫劑，常用的低溫劑有冷凍鹽水(Cacl2,Nacl及其它溶液)。 本方案以水作為冷卻劑。3.2.4選擇換熱器材質(zhì) 在進行換熱器設(shè)計時，換熱器各種零、部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度。流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當(dāng)然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟合理性。一般為了滿足設(shè)備的操作壓力和操作溫度，即從設(shè)備的強度或剛度的角度來考慮，是比較容易達到的，但材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復(fù)雜的問題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。至于材料的制造

12、工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。 一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 （1）碳鋼 價格低，強度較高，對堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。如一般換熱器用的普通無縫鋼管，其常用的材料為10號和20號碳鋼。 （2）不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti為代表，它是標準的18-8奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。 按照常用換熱管規(guī)格，常用換熱管規(guī)格有192 mm、252 mm(1Crl8Ni9Ti)、252.5 mm(碳鋼10)。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較?。煌瑫r，對于相同的殼徑，可排

13、列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面積的金屬耗量更少。所以，在管程結(jié)垢不很嚴重以及允許壓力降較高的情況下，采用19mm2mm直徑的管子更為合理。如果管程走的是易結(jié)垢的流體，則應(yīng)常用較大直徑的管子，有時采用38mm2.5mm或更大直徑的管子。 考慮到流體的流速，本方案選用25mm2.5mm (10號碳鋼)規(guī)格的管子。3.2.5流速的選擇 表2-2 換熱器常用流速的范圍 介質(zhì)流速 循環(huán)水 新鮮水 一般液體 易結(jié)垢液體 低粘度油 高粘度油 氣體 管程流速，m/s1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530殼程流速，m/s0.51.50.51.50.21.50.

14、50.41.00.30.8215由于增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。3.2.6折流板形式的確定折流擋板的主要作用是引導(dǎo)殼程流體反復(fù)的改變方向做錯流流動，以加大殼程流體流速和湍動速度，致使殼程對流傳熱系數(shù)提高,支撐換熱管。折流板有橫向折流板和縱向折流板兩類。 橫向折流板同時兼有支撐傳熱管，防止產(chǎn)生震動的作用。常用的形式有弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板。弓形折流板結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良，在實際中最常用。 圖三 本方案選擇水平圓缺形折流板，切去的

15、弓形高度為外殼內(nèi)徑的25.0%（圓缺率的范圍一般為15%45%），即為：50025%=125mm。折流板的間距，在允許的壓力損失范圍內(nèi)希望盡可能小。一般推薦折流板間隔最小值為殼內(nèi)徑的1/5（為96mm）或者不小于50mm（取兩者中最大值）。最大間距不得大于傳熱管最大無支撐跨距。所以折流板間距取h=150mm。 折流板的最大無支撐間距如表所示：換熱管外徑（mm）141619253238最大無支撐間距(mm)110013001500185022002500 折流板的厚度可由下表得出1：公稱直徑DN（mm）換熱管無支撐跨距3003006006009009001200120015001500折流板的最

16、小厚度(mm)10000，充分湍流） 15 Ft結(jié)垢矯正系數(shù)，無量綱，對于252.5mm的管子Ft=1.4； Np管程數(shù)； NS串聯(lián)的殼程數(shù)。取不銹鋼管壁的粗糙度，則由摩擦系數(shù)圖查得5圖五 摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)及相對粗糙度的關(guān)系所以對于的管子，有Ft=1.5,且Np=4,Ns=1 4.2.2計算殼程壓強降FS殼程結(jié)垢矯正系數(shù)，對液體可取FS=1.15；F管子排列方式對壓強將的校正系數(shù)，正三角形排列F=0.5；f0殼程流體摩擦系數(shù)，當(dāng)ReO500時，f=5.0Re-0.228 ；NTC水平管束在垂直列上的管數(shù)，三角形排列時，NTC=1.1NT（NT為換熱器總管數(shù)，此處NT=144）；h折流板間距，m

17、；故此時： (取0.7正三角形排列4管程=0.60.8)折流擋板間距=0.3D （參照本設(shè)計3.2.6）折流板數(shù) 所以 從上面計算可知，0.1MPa、0.3MPa，該換熱器管程與殼程的壓強降均滿足題設(shè)要求，故所選換熱器合適。4.3核算總傳熱系數(shù)K0 4.3.1計算管程對流傳熱系數(shù)以上計算已知所以： （P設(shè)計=0.3MPa，因此殼體厚度滿足強度核算。(b)管板核算 有管板厚度計算知， 當(dāng)量壓力組合 按，查圖，得=12.5 Gwc=12.5 管子應(yīng)力，對于固定管板式 拉托力 由于t=9.92MPa107Mpa t= t 且 q=56.78MPa535Mpa=q ， 因此管板厚度滿足強度核算。 六、

18、工藝設(shè)計計算結(jié)果 工藝設(shè)計計算結(jié)果匯總表 參數(shù) 數(shù)據(jù) 煤油流量kg/h15000自來水流量/kg/h4190.4實際傳熱面積S/66.69要求過程的總傳熱系數(shù)/W/（）335.13總傳熱系數(shù)/W/（）407.68管程壓強降/Pa4.117104殼程壓強降/Pa1.345104管程對流傳熱系數(shù)i/W/（）4707.3殼程對流傳熱系數(shù)o/W/（）631.57 參數(shù) 數(shù)據(jù)殼徑D/mm500公稱壓強/Mp4.00公稱面積S/66.7管程數(shù)Np4管子尺寸/mm252.5管長L/m6管子總數(shù)NT144管子排列方法正三角形管心距l(xiāng)/mm32折流板數(shù)NB39板間距h/mm150弓高/mm125拉桿直徑/mm16拉桿數(shù)量4參考文獻1朱有庭，曲文海主編；化工設(shè)備設(shè)計手冊.2陳敏恒等編；化工原理（上冊），化學(xué)工業(yè)出版社，1985，P261附錄2.3付家新等編；化工原理課程設(shè)計，化學(xué)工業(yè)出版社，2010.4陳敏恒等編；化工原理（上冊），化學(xué)工業(yè)出版社，1985，P300附表.5陳敏恒等編；化工原理（上冊），化學(xué)工業(yè)出版社，1985，P29圖1-32.6匡國柱等編；化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計，化學(xué)工業(yè)出版社2002，P5767，P91，P131,P141.7朱貧冠編；換熱器原理及計算，清華大學(xué)出版社，1987.