化工原理課程設(shè)計(jì)

1、 課程設(shè)計(jì)說明書 化工原理課程設(shè)計(jì) 課程名稱： 化工原理課程設(shè)計(jì) 課 題： 列管式換熱器設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 化學(xué)與生物工程學(xué)院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 班 級(jí)： 2013級(jí) 1班 姓 名： 劉威 學(xué) 號(hào)： 201307719 指導(dǎo)老師： 雷 洋 目 錄摘 要2概 述3化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書5一、 設(shè)計(jì)題目5二、設(shè)計(jì)條件5三、設(shè)計(jì)步驟6四、設(shè)計(jì)要求6五、設(shè)計(jì)成果6六、設(shè)計(jì)考核71.1變換器水冷器設(shè)計(jì)81.1.1確定設(shè)計(jì)方案81.1.2確定物性數(shù)據(jù)81.1.3估算傳熱面積81.1.4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸91.1.5 換熱器核算112.1換熱器主要尺寸和計(jì)算結(jié)果153.1流程圖18參考文獻(xiàn)19附 錄20

2、附 圖21第 20 頁 共 22 頁摘 要 換熱器是進(jìn)行熱量傳遞的通用工藝設(shè)備，它在煉油、化工及其他工業(yè)中廣泛應(yīng)用。按用途可分為加熱器、冷卻器、冷凝器和蒸發(fā)器等。由于生產(chǎn)的規(guī)模，傳熱的要求各不相同，換熱器的類型也是多種多樣的。換熱器按照其傳熱特征可分為直接接觸式，蓄熱式和間壁式三大類。在換熱器中至少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。傳熱過程是化工、石油、動(dòng)力、食品、國(guó)防等各工業(yè)部門重要的單元操作之一。在建設(shè)費(fèi)方面，換熱設(shè)備在化工煉油裝置中所占的比例，一般可達(dá)20%50%。因此，無論從能源的利用，還是從工廠的投資來看，合理的選擇和設(shè)計(jì)換熱器，都具有

3、重要的意義?！娟P(guān)鍵詞】 換熱器；固定板式換熱器；傳熱面積；核算；校正；概 述 傳熱設(shè)備也簡(jiǎn)稱換熱器，是化工、石油、動(dòng)力、輕工等許多工業(yè)部門中應(yīng)用最為廣泛的設(shè)備之一。按用途可分為加熱器、冷卻器、冷凝器和蒸發(fā)器等。由于生產(chǎn)的規(guī)模，傳熱的要求各不相同，換熱器的類型也是多種多樣的。換熱器按照其傳熱特征可分為直接接觸式，蓄熱式和間壁式三大類。（1） 直接接觸式 直接接觸式換熱器中，冷、熱兩流體通過直接混合而實(shí)現(xiàn)熱量交換，在工藝上允許兩種流體相互混合的情況下，這是比較方便和有效的，其結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單。這類換熱器常用于氣體的冷卻和水蒸氣的冷凝。（2） 蓄熱式 蓄熱式換熱器簡(jiǎn)稱蓄熱器，它主要由熱容量大的蓄熱室構(gòu)

4、成，室中可充填耐火磚或金屬帶等作為填料，如圖所示。當(dāng)冷，熱兩種流體交替的通過同一蓄熱室時(shí)，即可通過填料將得自熱流體的熱量，傳遞給冷流體達(dá)到，換熱的目的。為適應(yīng)連續(xù)操作，至少需要兩個(gè)蓄熱器交替使用。這類換熱器的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，且可耐高溫，常用于氣體的余熱或冷量的利用。給缺點(diǎn)是設(shè)備體積較大，而且兩種流體交換時(shí)難免有一定程度的混合。(3) 間壁式 間壁式換熱器特點(diǎn)是在冷熱兩種流體之間用一金屬壁(或石墨等耐腐蝕且導(dǎo)熱性較好的非金屬壁)隔開，以便兩種流體在互不接觸情況下進(jìn)行熱量傳遞。下面簡(jiǎn)單介紹一下固定管板式換熱器。 如圖所示的管板式換熱器是列管式換熱器中結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、使用較廣泛的一種。該類型換熱器是通過脹

5、接、焊接法等將管束的兩端固定在殼體兩端的固定板上構(gòu)成的，由于管板與外殼固定在一起，所以稱為固定管板式列管換熱器。這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、質(zhì)地較輕，造價(jià)便宜，在相同的殼程情況下，可較其他類型的列管式換熱器多一些換熱管，但管外不能機(jī)械清洗。 當(dāng)殼體和管束之間的溫差較大（大于50）而殼體承受壓力不太高時(shí)，仍可采用固定管板式，但需在殼體上加上熱補(bǔ)償結(jié)構(gòu)以消除過大的熱應(yīng)力?？梢圆捎镁哂袦夭钛a(bǔ)償圈的固定管板式換熱器，它依靠膨脹節(jié)的彈性變形減少溫差應(yīng)力，但這種裝置只能用在殼壁與管壁溫差低及管程和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。一般殼程壓強(qiáng)超過0.6MPa時(shí)，由于補(bǔ)償圈過厚難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔茫蛻?yīng)考慮其他

6、結(jié)構(gòu)。列管式換熱器的標(biāo)準(zhǔn)介紹 列管式換熱器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)預(yù)驗(yàn)收必須遵循中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鋼制管殼式（即列管式）換熱器(GB1511999)執(zhí)行。按照此標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)換熱器的參數(shù)作如下規(guī)定。 公稱直徑（mm）：卷制圓筒，一圓筒內(nèi)徑作為換熱器的公稱直徑，mm；鋼管制圓筒，以鋼管外徑作為換熱器的公稱直徑。 換熱器的傳熱面積（m2）;計(jì)算傳熱面積是以換熱管外徑為基準(zhǔn)，扣除深入管板內(nèi)的換熱管長(zhǎng)度后，計(jì)算所得到的管束外表面積的總和；公稱傳熱面積指經(jīng)過圓整后的計(jì)算傳熱面積。 換熱器的公稱長(zhǎng)度（m）：以換熱管長(zhǎng)度作為換熱器的公稱長(zhǎng)度。換熱管為直管時(shí)取直管長(zhǎng)度；換熱管為U型管時(shí)，取U型管得直管段長(zhǎng)度。 該標(biāo)準(zhǔn)

7、還將列管式換熱器的主要組合部件分為前端管箱、殼體和后端結(jié)構(gòu)（包括管束）三部分。該標(biāo)準(zhǔn)將換熱器分為、兩級(jí)，級(jí)采用較高級(jí)冷拔換熱管，適用于無相變和易產(chǎn)生震動(dòng)的場(chǎng)合。級(jí)采用普通冷拔換熱管，適用于再沸、冷凝和無震動(dòng)的一般場(chǎng)合。 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1、 設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)中型氮肥廠用變換氣水冷立式列管換熱器二、設(shè)計(jì)條件1.熱流體：變換氣，工作壓力為1.4MPa，進(jìn)口溫度為65，要求降到38，變換氣流量為95780 kg/h。2.冷流體：水，進(jìn)口溫度為32，出口溫度為42，操作壓力為0.3MPa。3.已知變換氣及冷卻水在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度（kg/m3）黏度(mPas)比熱容(kJ/kg)導(dǎo)熱系數(shù)（

8、W/(m)）變換氣12.830.01582.4950.0806冷卻水9930.7184.1780.6224.兩流體均無相變。5.建廠地址：蘭州地區(qū)6.要求管程和殼程的阻力都不大于50kPa三、設(shè)計(jì)步驟1.掌握換熱器設(shè)計(jì)概況、設(shè)計(jì)原則（以概論綜述形式體現(xiàn)在說明書中）2.確定設(shè)計(jì)方案 （1）選擇列管換熱器的類型 （2）確定冷熱流體流動(dòng)空間及流速 （3）確定冷熱流體的定性溫度及相關(guān)物性數(shù)據(jù)3.初步估算換熱器的傳熱面積。4.初選換熱器的規(guī)格5.校核 （1）核算換熱器的傳熱能力及傳熱面積，要求設(shè)計(jì)裕度不小于10%，不大于20%。 （2）核算管程和殼程的流體阻力損失。如果不符合上述要求重新進(jìn)行以上計(jì)算。5

9、.將換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果列表。6.總結(jié)設(shè)計(jì)過程，繪制列管式換熱器設(shè)計(jì)流程圖。四、設(shè)計(jì)要求1.說明書采用統(tǒng)一封面和紙張；2.方案和流程的選擇要闡明理由；3設(shè)計(jì)過程思路清晰，內(nèi)容完全；五、設(shè)計(jì)成果1.設(shè)計(jì)說明書（A4紙，不少于20頁） （1）內(nèi)容包括封面、摘要、目錄及頁碼、任務(wù)書、正文、小結(jié)、參考文獻(xiàn)、附錄或符號(hào)說明。 （2）格式必須嚴(yán)格按照蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)要求打印。2. 變換氣水冷立式列管換熱器裝配圖（A1圖紙手繪）六、設(shè)計(jì)考核1.設(shè)計(jì)是否獨(dú)立完成，是否存在抄襲行為；2.設(shè)計(jì)說明書的編寫是否規(guī)范；3.結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算與圖紙是否規(guī)范和正確；4.答辯七、參考資料1.化工原理及設(shè)備課程設(shè)計(jì)李芳

10、 化學(xué)工業(yè)出版社2.化工原理譚天恩（第四版） 化學(xué)工業(yè)出版社3. 化工原理課程設(shè)計(jì)賈紹義 天津大學(xué)出版社1.1變換器水冷器設(shè)計(jì)1.1.1確定設(shè)計(jì)方案（1） 選擇換熱器的類型 由設(shè)計(jì)任務(wù)確定選擇固定管板式換熱器。（2）流程安排 壓力高的流體流經(jīng)管內(nèi)，因?yàn)楣苤睆叫?，承受高壓能力好，同時(shí)避免了采用高壓外殼和高壓密封。選擇熱流體走管程。1.1.2確定物性數(shù)據(jù) 冷流體定性溫度37，熱流體定性溫度51.5，定性溫度下的冷、熱流體的物性數(shù)據(jù)見下表：密度（kg/m3）黏度(mPas)比熱容(kJ/kg)導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m)）變換氣12.830.01582.4950.0806冷卻水9930.7184.1780.

11、6221.1.3估算傳熱面積（1） 熱流量 (2)平均傳熱溫差（3） 計(jì)算傳熱面積。假設(shè)則，則 （4） 冷卻水用量 1.1.4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸（1） 換熱管管徑和管內(nèi)流速選用25mm2.5mm較高級(jí)冷拔傳熱管（不銹鋼），取管內(nèi)流速ui=5m/s。（2） 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 長(zhǎng)度合適可以按照單管城計(jì)算。（3） 換熱管排列采用正三角形排列法，根據(jù)換熱管直徑查表可知管中心距為32mm。（4） 殼體內(nèi)徑 按單管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑按如下圖確定。參考卷制殼體的公稱直徑，可取D=1300mm。(5) 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)經(jīng)的22%，則切去的圓缺高度為

12、260mm；取折流板間距B=350mm。（6） 接管直徑計(jì)算 取殼程流體進(jìn)出口接管按圓整后取接管公稱直徑為250mm。取u2=13m/s,則按圓整后接管公稱直徑為450mm。1.1.5 換熱器核算 （1）熱流量核算管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變換氣被冷卻，n取0.3，管程流通面積故殼程表面換熱系數(shù)殼程當(dāng)量直徑de和流速u0為 注：粘度校正系數(shù)為1。污垢熱阻和管壁熱阻 查表選取污垢熱阻 Rd0=0.0008598。式中 Tm熱流體的平均溫度； tm冷流體的平均溫度管材料選用不銹鋼304，然后查表，利用內(nèi)插法得到。傳熱系數(shù)K計(jì)算 得傳熱面積裕度實(shí)際傳熱面積10%14.5%20% ，所以在合理范圍內(nèi)（2） 換熱

13、器內(nèi)流體阻力核算管程流體阻力 Ns=1, Np=1, Ft= 1.4,由Re=85774.2查得絕對(duì)粗糙度為0.1，傳熱管相對(duì)粗糙度，查莫迪圖i=0.03。則則， 管程流動(dòng)阻力在允許范圍內(nèi)。殼程阻力Ns =1 Ft =1.15，流體流經(jīng)管束的阻力其中，F(xiàn)= 0.5，則流體通過折流板缺口的阻力總阻力，殼程阻力也較適宜。2.1換熱器主要尺寸和計(jì)算結(jié)果。換熱器主要尺寸和計(jì)算結(jié)果參數(shù)管程（熱流體）殼程（冷流體） 流量95780154433 平均相對(duì)分子質(zhì)量18 溫度（進(jìn)口/出口）/65/3832/42 壓力/MPa1.40.3物性定性溫度/密度/12.83993定壓比熱容/2.4954.178粘度/1

14、.5810-57.1810-5熱導(dǎo)率/0.08060.622普朗特?cái)?shù)設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定管板式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm1300殼程數(shù)1管長(zhǎng)/mm4550管心距/mm32管徑/mm252.5管子排列三角形管數(shù)目/根1321折流板數(shù)/個(gè)12傳熱面積/m2471.8折流板間距/m0.35管程數(shù)1材質(zhì) 流速/5.050.434 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/639.43300 污垢熱阻/0.00017190.0008598 阻力236417968 熱流量1792.28 傳熱溫差/12.65 傳熱系數(shù)/351.1 裕度/%14.5%3.1流程圖確定設(shè)計(jì)方案根據(jù)物性數(shù)據(jù)，估算傳熱面積 確定結(jié)構(gòu)尺寸10%裕度20%pi50kP

15、ap050kPa 換熱器核算 換熱器符合要求結(jié)束 參考文獻(xiàn)1 王元文.管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)J.廣東化工,2005,3:43-44.2 董寶春. 管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)J.甘肅石油和化工,2009,9(3):34-38.3 解小鑾.管殼式換熱器設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題J.石油和化工設(shè)備,2011,11:22-24.4 中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司 化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版)上冊(cè) M 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003,264-331.5 劉巍 等 冷換設(shè)備工藝計(jì)算手冊(cè)(第二版)M 北京:中國(guó)石化出版社,2008.6 陸恩錫,張慧娟.化工過程模擬原理與應(yīng)用 M 北京:化學(xué)工業(yè)出版設(shè),2011.37 JB/T4

16、715-92,固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)S.8 JB/T4714-92,浮頭式換熱器型式與基本參數(shù)S.9 JB/T4717-92,U 型管式換熱器型式與基本參數(shù)S.10 王新,張湘鳳.管殼式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算J.小氮肥設(shè)計(jì)技術(shù),2006,27(2):6-8.11 夏清,陳常貴等.化工原理上冊(cè) M 天津:天津大學(xué)出版社,2005.12 錢頌文,廖景娛等譯 換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè) M 北京:中國(guó)石化出版社,2004.13 祁玉紅.三種換熱器的比較 J.青海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,24(6).14 董其伍,劉敏珊,蘇立建.管殼式換熱器的研究進(jìn)展 J.化工設(shè)備與管道,2006,43(6).15 秦叔經(jīng),葉文邦等.換熱器M. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.附 錄熱流體質(zhì)量流量，； 冷流體質(zhì)量流量，；體積流量，； 熱流體定壓比熱容，；冷流體定壓比熱容，；熱流體進(jìn)出口溫差，；熱負(fù)荷，； 熱損失；對(duì)數(shù)平均傳熱溫差，； 平均傳熱溫差，；P、R因數(shù)； 溫度校正系數(shù)；K總傳熱系數(shù)，； 估算傳熱面積，；傳熱面積，； 管徑，mm；管內(nèi)徑，mm 管外徑，mm；管內(nèi)流