課程設(shè)計(jì)換熱器-煤油

1、 化工原理課程設(shè)計(jì)化工過程設(shè)備設(shè)計(jì)（一）說明書設(shè)計(jì)題目：換 熱 器 的 設(shè) 計(jì)專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)日期： 設(shè)計(jì)單位：青海大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程系目 錄前言.4任務(wù)書.5目的與要求.61、 工藝設(shè)計(jì)方案.82、 確定物性數(shù)據(jù).93、 估算傳熱面積.94、 工藝結(jié)構(gòu)尺寸.105、 換熱器核算.12六、設(shè)計(jì)結(jié)果概要一覽表.17七、參考文獻(xiàn).19前 言化工原理課程設(shè)計(jì)是化工原理教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是綜合應(yīng)用本門課程和有關(guān)先修課程所學(xué)知識(shí)，完成以單元操作為主的一次設(shè)計(jì)實(shí)踐。通過課程設(shè)計(jì)使學(xué)生掌握化工設(shè)計(jì)的基本程序和方法，并在查閱技術(shù)資料、選用公式和數(shù)據(jù)、用簡(jiǎn)潔文字和圖表

2、表達(dá)設(shè)計(jì)結(jié)果、制圖以及計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算等能力方面得到一次基本訓(xùn)練，在設(shè)計(jì)過程中能夠培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想和實(shí)事求是、嚴(yán)肅負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)。化工原理課程設(shè)計(jì)是化工原理課程教學(xué)的一個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，是使學(xué)生得到化工設(shè)計(jì)的初步訓(xùn)練，為畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。圍繞以某一典型單元設(shè)備(如板式塔、填料塔、干燥器、蒸發(fā)器、冷卻器等)的設(shè)計(jì)為中心，訓(xùn)練學(xué)生非定型設(shè)備的設(shè)計(jì)和定型設(shè)備的選型能力。設(shè)計(jì)時(shí)數(shù)為3周，其基本內(nèi)容為：(1)設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介：對(duì)給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的型式進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述。(2)主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算(含計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算)：物料衡算，能量衡量，工藝參數(shù)的選定，設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算。(3)

3、輔助設(shè)備的選型：典型輔助設(shè)備主要工藝尺寸的計(jì)算，設(shè)備的規(guī)格、型號(hào)的選定。(4)工藝流程圖：以單線圖的形式繪制，標(biāo)出主體設(shè)備與輔助設(shè)備的物料方向，物流量、能流量，主要測(cè)量點(diǎn)。(5)主要設(shè)備的工藝條件圖：圖面應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表。(6)設(shè)計(jì)說明書的編寫。設(shè)計(jì)說明書的內(nèi)容應(yīng)包括：設(shè)計(jì)任務(wù)書，目錄，設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介，工藝計(jì)算及主要設(shè)備設(shè)計(jì)，輔助設(shè)備的計(jì)算和選型，設(shè)計(jì)結(jié)果匯總，設(shè)計(jì)評(píng)述，參考文獻(xiàn)。整個(gè)設(shè)計(jì)由論述，計(jì)算和圖表三個(gè)部分組成，論述應(yīng)該條理清晰，觀點(diǎn)明確；計(jì)算要求方法正確，誤差小于設(shè)計(jì)要求，計(jì)算公式和所有數(shù)據(jù)必需注明出處；圖表應(yīng)能簡(jiǎn)要表達(dá)計(jì)算的結(jié)果。設(shè)計(jì)者： 2015年 月

4、日化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)一臺(tái)換熱器二、操作條件： 1. 煤油：入口溫度140，出口溫度 38 ；2.冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度 28 ，出口溫度 34 ；3.允許壓強(qiáng)降：不大于1×105Pa；4.每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。三、設(shè)備形式： 管殼式換熱器四、處理能力： 22.6萬噸/年煤油五、設(shè)計(jì)要求：1.選定管殼式換熱器的種類和工藝流程；2. 管殼式換熱器的工藝計(jì)算和主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)；3.設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表；4.設(shè)備簡(jiǎn)圖（要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）；5.對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述及有關(guān)問題的討論。目的與要求一、 課程的目的與任務(wù)化工原理課程設(shè)計(jì)以“化

5、工原理課程教學(xué)基本要求”為依據(jù)，通過課程設(shè)計(jì)達(dá)到以下目的：1、使學(xué)生掌握化工設(shè)計(jì)的基本程序與方法；2、結(jié)合設(shè)計(jì)課題培養(yǎng)學(xué)生查閱有關(guān)技術(shù)資料及物性參數(shù)的能力；3、通過查閱技術(shù)資料，選用設(shè)計(jì)計(jì)算公式，搜集數(shù)據(jù)，分析工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸間的相互影響，增強(qiáng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力；4、對(duì)學(xué)生進(jìn)行化工工程設(shè)計(jì)的基本訓(xùn)練，使學(xué)生了解一般化工工程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容與要求；5、通過設(shè)計(jì)說明書，提高學(xué)生文字表達(dá)能力，掌握撰寫技術(shù)文件的有關(guān)要求；二、課程的基本要求1、 設(shè)計(jì)題目必須是以某一單元操作為主，完成一個(gè)完整的化工過程設(shè)計(jì)，能按化工原理課程基本要求中有關(guān)課程設(shè)計(jì)的基本要求規(guī)定，對(duì)學(xué)生進(jìn)行一次較為完整的化工設(shè)計(jì)

6、基本訓(xùn)練。2、 生產(chǎn)規(guī)模，工藝操作條件、設(shè)備、物性等都要以實(shí)際生產(chǎn)條件為背景，使學(xué)生在兼顧技術(shù)上先進(jìn)性、可行性，經(jīng)濟(jì)上合理性的前提下，綜合分析設(shè)計(jì)任務(wù)要求，確定化工工藝流程，進(jìn)行設(shè)備選型，并提出保證過程正常、安全運(yùn)行所需要的檢測(cè)和計(jì)量參數(shù)，同時(shí)還要考慮改善勞動(dòng)條件和環(huán)境保護(hù)的有效措施設(shè)計(jì)時(shí)間符合課程設(shè)計(jì)教學(xué)大綱之規(guī)定。3、 化工原理課程設(shè)計(jì)考核要求：（1）設(shè)計(jì)說明書完成的情況：按照課程設(shè)計(jì)教學(xué)大綱規(guī)定及設(shè)計(jì)任務(wù)要求，做到設(shè)計(jì)內(nèi)容完整，設(shè)計(jì)合理，計(jì)算正確，敘述層次分明，條理清楚。（2）圖面質(zhì)量：工藝流程圖正確，主要設(shè)備總裝圖結(jié)構(gòu)基本合理，圖面清晰，基本符合規(guī)范化要求。( 3 )在工藝計(jì)算中要考慮

7、到各個(gè)方面的問題，比如熱阻，管壁的阻力以及長(zhǎng)期下來可能遇到遇到的問題，管壁所能承受最大壓力，流體的物性和化學(xué)性質(zhì)。 一、工藝設(shè)計(jì)一、 設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是化工原理課程教學(xué)中綜合性和實(shí)際性較強(qiáng)的教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，是使學(xué)生體察工程實(shí)際問題復(fù)雜性的初次嘗試。通過化工原理課程設(shè)計(jì)，要求學(xué)生能綜合運(yùn)用本課程和前修課程的基本知識(shí)，進(jìn)行融會(huì)貫通的獨(dú)立思考，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成指定的化工設(shè)計(jì)任務(wù)，從而得到化工設(shè)計(jì)的主要程序和方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力。同時(shí)，通過課程設(shè)計(jì)，還可以培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)實(shí)事求是，嚴(yán)肅認(rèn)真，高度負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)。二、 該設(shè)備的作用及在生產(chǎn)中的應(yīng)用換

8、熱器是實(shí)現(xiàn)傳熱過程的基本設(shè)備。而此設(shè)備是比較典型的傳熱設(shè)備，它在工業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛。例如：在煉油廠中作為加熱或冷卻用的換熱器、蒸餾操作中蒸餾釜和冷凝器、化工廠蒸發(fā)設(shè)備的加熱室等。三、工藝流程示意圖飽和水蒸氣應(yīng)從換熱器殼程上方進(jìn)入，冷凝水由殼程下方排出，冷卻水從換熱器下方的入口進(jìn)入，上方的出口排除。四、說明運(yùn)用該設(shè)備的理由這種換熱器的特點(diǎn)是殼體和管板直接焊接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。在同樣的殼體直徑內(nèi)，排管較多。管式換熱器具有易于制造、成本較低、處理能力達(dá)、換熱表面清洗比較方便、可供選用的結(jié)構(gòu)材料廣闊、適應(yīng)性強(qiáng)、可用于調(diào)溫調(diào)壓場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn)，由于兩管板之間有管子相互持撐，管板得到加強(qiáng)，故在各種列管換熱器中

9、他的管板最薄，其造價(jià)比較低，因此得到了廣泛應(yīng)用。五、設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)該結(jié)構(gòu)能夠快速的降低物料的溫度，工作時(shí)熱流體走殼程，冷流體走管程，使接觸面積大大增加，加快了換熱速度。同時(shí)，對(duì)溫差稍大時(shí)可在殼體的適當(dāng)部位焊上補(bǔ)償圈(或稱膨脹節(jié))，通過補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形(拉伸或壓縮)來適應(yīng)外殼和管束不同的膨脹程度。六、在設(shè)計(jì)中遇到的問題的處理在設(shè)計(jì)中，在工藝計(jì)算過程中，由于選取K0不當(dāng)或其他條件選取不當(dāng)，造成在校核時(shí)K0不符合要求。在重新選取K0的同時(shí)，改變了其他的條件，如：n，L等，經(jīng)過二次校核達(dá)到了預(yù)期的目的。七、設(shè)計(jì)方案的確定（1）對(duì)于列管式換熱器，首先根據(jù)換熱流體的腐蝕性或其它特性選項(xiàng)定其結(jié)構(gòu)材料，然后

10、再根據(jù)所選項(xiàng)材料的加工性能，流體的壓強(qiáng)和溫度、換熱的溫度差、換熱器的熱負(fù)荷、安裝檢修和維護(hù)清洗的要求以及經(jīng)濟(jì)合理性等因素來選項(xiàng)定其型式。設(shè)計(jì)所選用的列管換熱器的類型為固定管板式。列管換熱器是較典型的換熱設(shè)備，在工業(yè)中應(yīng)用已有悠久歷史，具有易制造、成本低、處理能力大、換熱表面情況較方便、可供選用的結(jié)構(gòu)材料廣闊、適應(yīng)性強(qiáng)、可用于調(diào)溫調(diào)壓場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn)，故在大型換熱器中占優(yōu)勢(shì)。固定管板式列管換熱器的特點(diǎn)是，殼體與管板直接焊接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，在同樣的殼體直徑內(nèi)排管最多。由于兩管板之間有管板的相互支撐，管板得到加強(qiáng)，故各種列管換熱器中它的管板最薄，造價(jià)最低且易清洗。缺點(diǎn)是，管外清洗困難，管壁與殼壁之間溫差大

11、于50時(shí)，需在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，依靠膨脹節(jié)的彈性變形以降低溫差壓力，使用范圍僅限于管、殼壁的溫差不大于70和殼程流體壓強(qiáng)小于600kpa的場(chǎng)合，否則因膨脹節(jié)過厚，難以伸縮而失去溫差補(bǔ)償作用。二、確定物性數(shù)據(jù)：二、確定物性數(shù)據(jù)定性溫度:可取流體進(jìn)口溫度的平均值。殼程煤油的定性溫度為T1=140°C，T2=34°C，t1=30°C，t2=34°CT=(140+34)/2=87(°C)管程水的定性溫度為t=(30+34)/2=32(°C)已知?dú)こ毯凸艹塘黧w的有關(guān)物性數(shù)據(jù)煤油87°C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下:密度 o=800 kg/m3

12、 定壓比熱容 Co=2.22 kJ/（kg·）導(dǎo)熱系數(shù) o=0.140 W/(m·k)粘度 µo=7.15×10-4 N·s/m2水32°C的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下:密度 i =995 kg/m3 定壓比熱容 C i =4.174 kJ/（kg·）導(dǎo)熱系數(shù) i =0.626 W/(m·k)粘度 µi =7.25×10-4 N·s/m2三、估算傳熱面積1傳熱量Wh=（kg/h）Q=Whcph（T1-T2）=29000×2.22×(140-34)=6.7×106kJ

13、/h=1865 (kW)2平均傳熱溫差逆流時(shí)平均溫度差為：()3傳熱面積 查管殼式換熱器中的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)值，假設(shè)K=500W/(m2·),則估算面積為：S=Q/(K×tm)=1865×103/(500×32)117(m2) 4冷卻水用量（kg/h）四、工藝結(jié)構(gòu)計(jì)算1管徑和管內(nèi)流速選用25×2.5碳鋼管，取管內(nèi)流速ui= 1.5m/s2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為：現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)為l=4.5m，則該換熱器的管程數(shù)為：NP=L/l=6.3/4.52；傳熱管總根數(shù)： NT=238×

14、2=476（根）3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)：平均傳熱溫差校正系數(shù)：按單殼程，2管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表可得t=0.95平均傳熱溫差tm=ttm=0.95×32=30.4由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取単殼程合適。4傳熱管排列方法采用正三角形排列法，取管心距t=1.25d0，則t=1.25×25=31.2532(mm)隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+6=32/2+6=22（mm）。橫過管束中心線的管數(shù)5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=按卷制殼體的進(jìn)級(jí)擋，圓整可取D=900mm。4.6折流板采用弓形

15、折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25。折流板間距h=0.3D,則h=0.3×900=270mm。取板間距為300mm折流板數(shù) NB=傳熱管長(zhǎng)/折流板間距-1=4500/300-1=14(塊)4.7接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為u1.0m/s，則接管內(nèi)徑為：d1=，圓整后可取管內(nèi)徑為20mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為，圓整后可取管內(nèi)徑為100mm。五、 換熱器核算1總傳熱系數(shù)核算殼程對(duì)流傳熱系數(shù)0用克恩法計(jì)算：當(dāng)量直徑，由正三角排列得：de=（m）殼程流通截面積：=0.053（m2）殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：u0=（

16、m/s）Re0=4251普朗特?cái)?shù)：Pr=；粘度校正：0=532W/(m2·) 管程對(duì)流傳熱系數(shù)i：i管程流體流通截面積：Si=0.785×0.022×476/2=0.075（m2）管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：ui=1.5（m/s）Rei=41000普朗特?cái)?shù)：Pr=i=0.023×=6607W/ (m2·)污垢熱阻和管壁熱阻 查有關(guān)文獻(xiàn)知可?。汗芡鈧?cè)污垢熱阻 R0=0.00017 （m2·）/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Ri=0.0002 （m2·)/W管壁熱阻 查有關(guān)文獻(xiàn)知碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為45W/(m·)。故RW=

17、0.0025/45=0.000055（m2·/W）計(jì)算總傳熱系數(shù)Ko：K0=463w/（m2·）在規(guī)定的流動(dòng)條件下，換熱器的安全系數(shù)為：選擇的換熱器適合。換熱器的面積裕度：計(jì)算傳熱面積S0:S0=Q/(K0×tm)=1865×103/（463×32）126（m2）該換熱器的實(shí)際傳熱面積S：S=3.14×0.025×（4.5-0.1）×476164（m2）該換熱器的面積裕度為：H=×100%=×100%=24.8%傳熱面積裕度合適(15%25%)，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力（

18、1）管程流體阻力 計(jì)算公式如下：Pt=（Pi+Pr）NSNpFS; NS=1, Np=2，F(xiàn)S=1.4; Pi=。由Re=41000，傳熱管相對(duì)粗糙度0.1/20=0.005，查莫狄圖得=0.034，流速u=1.5m/s，=995kg/m3，故 Pi=12000（Pa）；Pr=3358（Pa） Pt=（12000+3358）×2×1.4=43000（Pa）<105 Pa管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。（2）殼程阻力 公式有：PS=（P0+Pi）FSNS P0= Ff0nC(NB+1) ; 又F=0.5,f0=5×4251-0.228=0.74, NB=15;P0

19、=0.5×0.74×24×（14+1）×800×0.192/21923（Pa）流體流過折流板缺口的阻力Pi =NB（3.5-2h/D）,其中 h=0.27m; D=0.9m；故Pi=14×（3.5-2×0.27/0.9）×800×0.192/2647（Pa），則總阻力：PS=1923+647=2570（Pa）<105 Pa。故殼程流體的阻力也適宜。六、設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果一覽表?yè)Q熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見下表。換熱器型式：浮頭式換熱器面積（）：126工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水煤油操作壓力，MPa 105操作溫度，30/3434/140流量，kg/h4×10429000流體密度，kg/995800流速，m/s1.50.19傳熱量，kw1865總傳熱系數(shù)，w/·k463對(duì)流傳熱系數(shù)，w/·k6607532阻力將，Pa430002750程數(shù)21使用材料碳鋼碳鋼折流擋板型式上下間距，mm300切口高度25%項(xiàng)目數(shù)據(jù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)殼徑D(DN)900mm