化工原理課程設(shè)計—水冷卻煤油列管式換熱器

1、xx大學(xué)xx學(xué)院化 工 原 理課 程 設(shè) 計班 級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 _二零一x年x月x日化工原理 課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目水冷卻煤油列管式換熱器的設(shè)計指導(dǎo)教師劉東專業(yè)班級制藥工程1102班學(xué) 生金誠設(shè)計的目的和要求1、 生產(chǎn)能力：1.5*105 噸/年煤油 2、 工藝要求：列管式換熱器 3、質(zhì)量要求：(1) 煤油：入口溫度140，出口溫度40 (2) 冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度20，出口溫度40(3) 允許壓強降：不大于1.1*105 pa (4) 煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度825kg/m3， 黏度7.15*10-4 pa.s，比熱容2.22kj/(kg)，導(dǎo)熱系數(shù)0.14w/(m

2、) (5) 每年按320天計，每天24小時連續(xù)運行設(shè)計的任務(wù)1、工藝流程的設(shè)計計算和說明2、繪出帶控制點的工藝設(shè)備流程圖和主體設(shè)備圖設(shè)計工作計劃與進度安排1、收集查閱相關(guān)文獻資料2、初步確定工藝方案3、物料衡算、能量衡算主要設(shè)備選型4、最終確定工藝方案，撰寫設(shè)計說明書5、繪制相應(yīng)圖紙主要參考文獻資料參考文獻：【1】 化工原理（第四版） 王志魁、劉麗英、劉偉主編 化學(xué)工業(yè)出版社【2】 化工原理實驗 吳洪特主編 化學(xué)工業(yè)出版社【3】 化工設(shè)備 李健主編 化工工業(yè)出版社【4】 gb4557.184機械制圖圖紙幅面及格式參考網(wǎng)站：【1】 【2】 【3】 皖西學(xué)院生物與制藥工程學(xué)院課 程 設(shè) 計 說 明

3、 書題 目： 水冷卻煤油列管式換熱器的設(shè)計課 程： 化工原理系 （部）： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 課 程 設(shè) 計 說 明 書 目 錄第一章 設(shè)計資料一、設(shè)計簡介5二、設(shè)計任務(wù)、參數(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)7第二章 工藝設(shè)計與說明一、工藝流程圖8二、工藝說明8第三章 物料衡算、能量衡算與設(shè)備選型一、物料衡算9二、能量衡算11三、主要設(shè)備選型13第四章 結(jié)論與分析結(jié)論與分析15第五章 設(shè)計總結(jié)設(shè)計總結(jié)17參考文獻17第一章 設(shè)計資料一、設(shè)計簡介換熱器是許多工業(yè)生產(chǎn)部門的通用工藝設(shè)備，尤其是石油、化工生產(chǎn)應(yīng)用更為廣泛。在化工廠中換熱器可用作加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和

4、再沸器等。進行換熱器的設(shè)計，首先是根據(jù)工藝要求選用適當(dāng)?shù)念愋?，同時計算完成給定生產(chǎn)任務(wù)所需的傳熱面積，并確定換熱器的工藝尺寸。根據(jù)操作條件設(shè)計出符合條件的換熱器，設(shè)計方案的確定包括換熱器形式的選擇，加熱劑或冷卻劑的選擇，流體流入換熱器的空間以及流體速度的選擇。本課程設(shè)計是根據(jù)任務(wù)給出的操作目的及條件、任務(wù)，合理設(shè)計適當(dāng)?shù)膿Q熱器類型，以滿足生產(chǎn)要求。1、固定板式換熱器（代號g） 設(shè)備型號內(nèi)容有：殼體公稱直徑（mm），管程數(shù)，公稱壓力(9.81104 pa)，公稱換熱面積（m2），如g800i-6-100型換熱器，g表示固定板式列管換熱器，殼體公稱直徑為800mm，管程數(shù)為1，公稱壓力為69.81

5、104 pa，換熱面積為100m22、浮頭式列管換熱器（代號f）設(shè)備型號內(nèi)容有：殼體公稱直徑（mm），傳熱面積（m2），承受壓力（9.81104 pa），管程數(shù)，如fa600-13-16-2型換熱器，f代表浮頭是列管換熱器，b表示換熱器為管徑25mm2.5mm，正方排列，殼體直徑為600mm，公稱傳熱面積為130m2，公稱壓力為169.81104，管程數(shù)位2。3、u型管式列管換熱器（代號y）設(shè)備型號內(nèi)容有：公稱直徑（mm），公稱換熱面積（m2），管程壓力（9.8110pa）/殼程壓力（9.8110pa），管程數(shù)，如yb600-90-40/16-4型換熱器，y代表u型管式列管換熱器，b表示換熱器

6、為管徑25mm2.5mm，正方形排列，殼體直徑為600mm，公稱傳熱面積為90m2，殼體公稱壓力為169.8110pa，管程公稱壓力為169.8110pa，管程數(shù)位4。二、 設(shè)計任務(wù)、參數(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1、設(shè)計任務(wù)： （1）、處理能力：1.5*105 噸/年煤油 （2） 、設(shè)備形式：列管式換熱器2、參數(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：（1）、煤油：入口溫度140，出口溫度40（2）、冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度20，出口溫度40（3）、允許壓強降：不大于1.1*105 pa（4）、煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度825kg/m3，黏度7.15*10-4 pa.s，比熱容2.22kj/(kg)，導(dǎo)熱系數(shù)0.14w/(m)（

7、5）、每年按320天計，每天24小時連續(xù)運行第二章 工藝設(shè)計與說明換熱器 熱水爐溫度傳感器流量傳感器一、工藝流程簡圖 熱水泵 離心泵二、說明實驗要求，煤油的進口溫度140攝氏度，出口40攝氏度，因此要用冷水，冷卻煤油。本實驗用的是循環(huán)水冷卻法，節(jié)約用水。第三章 物料衡算、能量衡算與設(shè)備選型一、 物料衡算1、試算并選換熱器規(guī)格（1）、 定流體通入空間 兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，因水的對流傳熱系數(shù)較大，并易結(jié)垢，故選擇冷卻水走換熱器的管程，煤油走殼程。（2）、確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)，并選擇列管式換熱器的形式被冷卻物質(zhì)為煤油，入口溫度為140,出口溫度為 40冷卻介質(zhì)為自來水，入口溫度為

8、20，出口溫度為40 煤油的定性溫度：tm=（140+40）/2=90 水的定性溫度：tm=(20+40)/2=30 物性流體煤油908250.7152.220.14水30995.70.8014.1740.62 、計算熱負荷q=qm1cp1（t1t2)=(1.5105103)(320243600)2.22103(14040)1.204106w、計算平均傳熱溫差tm逆（t2t1）（lnt2/t1）49.706r(t1t2)(t2t1）5，p(t2t1）（t1t1）0.1667，查表得0.945校正后tm1tm逆 46.97、冷卻水用量qm2qcp2t51749kgh（3）、(取流速u=1.2ms

9、）管徑：25*2.5mm其中 （內(nèi)徑）di=0.02m （外徑）do=0.025m （平均直徑）dm=0.025m傳熱器壁厚=0.0025m假設(shè)k=450w/(m2）傳熱面積sqkt1.20410645046.9756.95m2管子根數(shù)n4qm1di u93根按單程管計算，所需的傳熱管長度lsdon56.953.140.025937.8m取管長為4.5m，則np7.84.52，則傳熱管總根數(shù)n932186（根）（4）、傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。 因為殼程流體壓力較大，故采用焊接法連接管子與管板。取管心距t =1.25do則：t = 1

10、.252532(mm)隔板中心到離其最近一個排管中心距離=t/2+6=32/2+6=22mm 則分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距sn = 44mm。殼體內(nèi)徑：采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率= 0.7，則殼體內(nèi)徑為：d= 1.05tn1.05321860.7=547mm 故可取d600mm（5）、折流板采用單弓形折流板，取折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為h = 0.25d = 0.25600 = 150(mm)取折流板間距b = 0.5d = 0.5600 = 300(mm)折流板數(shù)nb = 列管長度/折流板間距1 = 4500/3001 = 14(塊) 接管：殼程流體進，出口接管：

11、取煤油流速為3.0ms，則接管內(nèi)徑為d4qvd0.0146m，圓整后可取管內(nèi)徑為15mm管程流體進出口接管：取接管內(nèi)流體流速為 ，則接管內(nèi)徑為d4qvd=0.075mm=75mm，圓整后可取管內(nèi)徑75mm二、 能量衡算（1）、計算管程對流傳熱系數(shù)因為：管中水的質(zhì)量流量wc=14.37kgs水的體積流量為vc=wc=14.37995.70.014437m3sai=n di2/81863.140.022/80.0292m2ui=vcai0.4944msreidiui0.020.989995.70.80110324588 所以i0.023(di)(rei)0.8（pri）0.42128.04w（m2

12、）(2)、計算殼程對流傳熱系數(shù)換熱器中心附近管排中流體流通截面積為ao=hd(1dot）0.30.6（10.0250.032）0.0394m2煤油的質(zhì)量流量為wh=5.42kgs煤油的體積流量為vhwh5.428250.006576m3s由于換熱器為兩殼程，所以煤油的流速為uovh ao0.16ms 煤油在殼程中流動的雷諾數(shù)為reo=duo0.02020.168250.71510-3= 3729prcp（2.221030.71510-3 ）/0.1411.33 因為在范圍內(nèi)，故可采用凱恩(kern)法求算，即=0.36（0.140.0202）37290.55（11.3313）0.95490.3

13、9w/(m2） （3）、確定污垢熱阻 （4）、計算總傳熱系數(shù)koko=11orsorsi（dodi）doaidi=303 w（m2） （5）、計算壓強降 、計算管程壓強降前已算出：ui=0.382m/s rei9500取不銹鋼管壁的粗糙度0.1mm，則di0.1200.005由摩擦系數(shù)表查的0.038所以p1lui22di0.0384.5995.70.494420.041040.45pap23ui223995.70.494422365.07pa對于252.5mm的管子，有ft1.4，且np2，ns1pi（p1p2ft）ftnpns1040.45365.071.4213935pa、計算殼程壓強降

14、 fs1.15，ns1管子為正三角形排列，則取f0.5nc1.1n1.118615.00折流板間距h0.3m折流板數(shù)nb14aohdncdo0.30.6150.0250.067m2uovsao0.0065760.06750.0974msreodouo0.0250.09748250.7152.8103 fo5reo-0.22852.81030.0280.817所以 p1，ffoncnb1uo220.50.81715.001418250.0974223.59104 p2，nb3.52hduo2143.520.30.68250.097422136.96papop1，p2，fsns3.59104136

15、.961.514.144104 從上面計算可知，、1.1105，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。三、設(shè)備選型換熱器形式固定板管式換熱面積/m2554.23工藝參數(shù)名稱物料名稱操作壓力/mpa操作溫度/流量/(kg/h)管程循環(huán)水3178 20/4051749殼程煤油41440140/4019531流體密度/(kg/m3)995.7825流速/(m/s)0.4940.16傳熱量/kw334000總傳熱系數(shù)/ (w/m2)303.0傳熱系數(shù)/ (w/m2)2128.04490.39污垢系數(shù)/ (m2/w)3.341041.7179104壓力降/pa393541440程數(shù)

16、21推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格252.5管數(shù)186管間距/mm32管長/mm4500殼體內(nèi)徑/mm600排列方式正三角形折流板形式上下間距/mm300切高/mm150注： b折流板間距，m； c系數(shù)，無量綱； d管徑，m； d換熱器外殼內(nèi)徑，m； f摩擦系數(shù)； f系數(shù)； h圓缺高度，m； k總傳熱系數(shù)， w/(m2)； l管長，m； m程數(shù)； n指數(shù)、管數(shù)、程數(shù)； n管數(shù)、程數(shù)； nb折流板數(shù)； nu努塞爾特準(zhǔn)數(shù)； p壓力，pa； 因數(shù)； pr普蘭特準(zhǔn)數(shù)； q熱通量，w/m2； q傳熱速率，w； r半徑，m； 汽化潛熱，kj/kg； r熱阻，m2/w； 因數(shù)； re雷諾準(zhǔn)數(shù)； s（或a）傳熱

17、面積，m2； t冷流體溫度，； a(或t)管心距，m； t熱流體溫度，； u流速，m/s； w質(zhì)量流第四章 結(jié)論與分析本設(shè)計采用浮頭式設(shè)計，其結(jié)構(gòu)特點是兩端管板之一不與殼體固定連接,可以在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮,此種換熱器的優(yōu)點是消除熱應(yīng)力,管束可以從殼體抽出,便于清洗,缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要大量金屬材料,造價高。但因其使用于殼體與管束溫差較大或殼程流體容易結(jié)垢的場合及優(yōu)良的性能,以此在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。 浮頭換熱器的浮頭部分結(jié)構(gòu)，按不同的要求可設(shè)計成各種形式，除必須考慮管束能在設(shè)備內(nèi)自由移動外，還必須考慮到浮頭部分的檢修、安裝和清洗的方便。 在設(shè)計時必須考慮浮頭管板的外徑do。該外徑應(yīng)小于殼體內(nèi)徑

18、di，一般推薦浮頭管板與殼體內(nèi)壁的間隙b1=35mm。這樣，當(dāng)浮頭出的鉤圈拆除后，即可將管束從殼體內(nèi)抽出。以便于進行檢修、清洗。浮頭蓋在管束裝入后才能進行裝配，所以在設(shè)計中應(yīng)考慮保證浮頭蓋在裝配時的必要空間。 鉤圈對保證浮頭端的密封、防止介質(zhì)間的串漏起著重要作用。隨著幞頭式換熱器的設(shè)計、制造技術(shù)的發(fā)展，以及長期以來使用經(jīng)驗的積累，鉤圈的結(jié)構(gòu)形式也得到了不段的改進和完善。 鉤圈一般都為對開式結(jié)構(gòu)，要求密封可靠，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、便于制造和拆裝方便。 浮頭式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長期使用過程中積累了豐富的經(jīng)驗。盡管近年來受到不斷涌現(xiàn)的新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也不斷促進了自身的發(fā)展

19、。故迄今為止在各種換熱器中扔占主導(dǎo)地位。 管子構(gòu)成換熱器的傳熱面，管子尺寸和形狀對傳熱有很大影響。采用小直徑的管子時，換熱器單位體積的換熱面積大一些，設(shè)備比較緊湊，單位傳熱面積的金屬消耗量少，傳熱系數(shù)也較高。但制造麻煩，管子易結(jié)垢，不易清洗。大直徑管子用于粘性大或者污濁的流體，小直徑的管子用于較清潔的流體。 管子材料的選擇應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的壓力、溫度及腐蝕性來確定。 換熱器的管子在管板上的排列不單考慮設(shè)備的緊湊性，還要考慮到流體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及加工制造方面的情況。管子在管板上的標(biāo)準(zhǔn)排列形式有四種：正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列，適用與殼程介質(zhì)清潔，且不需要進行機械清洗的場合。正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，

20、能夠使管間的小橋形成一條直線通道，便于用機械進行清洗，一般用于管束可抽出管間清洗的場合。 另外對于多管程換熱器，常采用組合排列方法，其每一程中一般都采用三角形排列，而各程之間則常常采用正方形排列，這樣便于安排隔板位置。 當(dāng)換熱器直徑較大，管子較多時，都必須在管束周圍的弓形空間內(nèi)盡量配置換熱管。這不但可以有效地增大傳熱面積，也可以防止在殼程流體在弓形區(qū)域內(nèi)短路而給傳熱帶來不利影響。 管板上換熱管中心距的選擇既要考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性，傳熱效果，又要考慮管板的強度和清洗管子外表面所需的空間。除此之外，還要考慮管子在管板上的固定方法。若間距太小，當(dāng)采用焊接連接時，相鄰兩根管的焊縫太近，焊縫質(zhì)量受熱影響不易得到保證；若采用脹接，擠