化工原理課程設(shè)計-回流液冷卻器

1、化工原理課程設(shè)計齊齊哈爾大學(xué)Qiqihar University化工原理課程設(shè)計回流液冷卻器說明書學(xué) 院： 食品與生物工程學(xué)院專 業(yè)： 食品科學(xué)與工程班 級： 食工081班姓 名： 姜歡笑學(xué) 號： 2008031050指導(dǎo)教師： 張偉光設(shè)計日期：2011年6月20日至2011年7月1日I化工原理課程設(shè)計化工原理課程設(shè)計任務(wù)書一、 設(shè)計題目回流液冷卻器的設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)及操作條件1、 設(shè)計任務(wù)處理能力（回流液流量） 76.8 m3h 設(shè)備型式 列管式換熱器2、 操作條件回流液 入口溫度194.0,出口溫度101.8 冷卻介質(zhì) 原油入口溫度53.7,出口溫度122.1 管程、殼程的壓強降 不大于1

2、.4MPa 換熱器的熱損失 忽略三、設(shè)計已知條件1、定性溫度下兩流體的物性參數(shù)（1）回流液(2) 原油2、管內(nèi)外兩側(cè)污垢熱阻分別是 Rsi=3.2×10-4( m2)/W Rso=5.1×10-4 (m2)/W3、回流液在管程4、管壁導(dǎo)熱系數(shù)w=45 W/( m)四、設(shè)計內(nèi)容1、設(shè)計方案的選擇及流程說明2、工藝計算3、主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計（1）冷卻器結(jié)構(gòu)尺寸的確定（2）傳熱面積、兩側(cè)流體壓降校核（3）接管尺寸的確定4、輔助設(shè)備選型與計算5、設(shè)計結(jié)果匯總6、換熱器裝配圖(1號圖紙)7、設(shè)計評述8、參考資料II化工原理課程設(shè)計摘要本設(shè)計內(nèi)容是處理量為76.8 m3h的回流液冷卻

3、器，采用列管式換熱器。冷卻介質(zhì)為原油。 設(shè)計基本完成了換熱器的工藝計算，包括回流液的基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)，換熱器面積估算，換熱器工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算，并分別進行了核算。最終繪制了換熱器裝配圖。關(guān)鍵詞：回流液；列管式換熱器；III化工原理課程設(shè)計AbstractThis design content is the capacity for 76.8m3h Backflow liquid cooler design, the design uses the Handling hypoxia heat exchanger. Cooling medium for crude oil.The design is

4、completed the heat exchanger technical, including liquid based physical property data, heat exchanger area estimated, heat exchanger process structure size calculation, and respectively accounting. The assembly drawing heat exchangerKey Words: liquid; Handling hypoxia heat exchangerIV化工原理課程設(shè)計目錄課程設(shè)計任

5、務(wù)書 摘要 Abstract 目錄 一 前言1.1換熱器及換熱器分類 11.2 列管式換熱器分類 1二 設(shè)計方案簡介 2三 確定物性數(shù)據(jù) 3四 工藝計算及主要設(shè)計4.1選擇換熱器的類型 44.2流程安排 44.3估算傳熱面積 44.4換熱器的核算 5五.換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表 12六、設(shè)備參數(shù)計算6.1殼體 136.2管板 136.3拉桿 146.4分程隔板 146.5折流板 146.6封頭及管箱 146.7接管及其法蘭 156.8排氣、排液管 156.9浮頭 166.10支座設(shè)計 16七 設(shè)計計算結(jié)果匯總表 18八 設(shè)計總結(jié) 19九 主要符號說明 20十 參考文獻 21 十一 附錄

6、22V化工原理課程設(shè)計一、前言在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱換熱器。它是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，既可是一個單獨的設(shè)備，如加熱器、冷凝器的凝汽器；也可以是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的熱交換器。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。按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。按傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)特點可分為管殼式（列管式）換熱器、板面式換熱器和擴展面式換熱器。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的是按其溫差補償來分，主要有以下幾種：（1） 固定管板式換熱器這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清

7、洗。此種換熱器管束連接在管板上。管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以致管子扭彎或使管子從管板上松脫，以致毀壞換熱器。（2） 浮頭式換熱器換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼相接，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上裂解一個頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點是：管束可以拉出，以便清潔；管束的膨脹不變殼體約束，因而當(dāng)兩種換熱器

8、介質(zhì)溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。（3） 填料函式換熱器這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏可能，殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。（4） U型管式換熱器這類換熱器只有一個管板，管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。VI化工原理課程設(shè)計二、設(shè)計方案簡介1、選擇換熱器類型：浮頭式換熱器換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼相接，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上裂解一個頂蓋，稱之

9、為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點是：管束可以拉出，以便清潔；管束的膨脹不變殼體約束，因而當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。由此課程設(shè)計是兩介質(zhì)溫差較大，所以選擇浮頭式換熱器。2、計算并初選設(shè)備規(guī)格2.1根據(jù)設(shè)計的任務(wù)書及要求所給數(shù)據(jù)，計算熱負(fù)荷2.2計算平均溫差,并根據(jù)溫差校正系數(shù)不小于0.8的原則決定殼程;2.3確定總傳熱系數(shù)K選;2.4計算傳熱面積S,按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)備標(biāo)準(zhǔn);3、核算總傳熱系數(shù)計算管、殼程對流傳熱系數(shù)ai與ao，確定污垢熱阻Rsi與Rso，再計算總傳熱系數(shù)K，并比較K與K選，若（K-K選）/

10、K選100%的范圍在10%25%之間,則初選設(shè)備合格,否則另選K選值,重復(fù)以上步驟.4、計算管、殼程壓強降計算初選設(shè)備的管、殼程壓強降，如超過工藝允許范圍，則需要調(diào)整流速，在確定管程數(shù)語折板間距，或選另一規(guī)格的換熱器，直至滿足要求。5、根據(jù)所選設(shè)備規(guī)格及工藝要求，確定輔助零部件及尺寸。*VII化工原理課程設(shè)計三、確定物性數(shù)據(jù)定性溫度殼程原油的定性溫度為：Tm=（T1+T2）/2=147.9殼程回流液的定性溫度為：tm=（t1+t2）/2=87.9根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性參數(shù)。 殼程原油的物性數(shù)據(jù)如下：密度 =798kg/m3c比熱容 Cpc=2.20KJ/(kg.) 導(dǎo)熱

11、系數(shù) c=0.131w/m· 黏度 u10-3c=6.27×pa·s管程回流液的物性參數(shù)如下:密度 =701kg/m3h導(dǎo)熱系數(shù) h=0.151w/m· 黏度 u-3h=0.509×10pa·sVIII化工原理課程設(shè)計四、工藝計算及主要設(shè)計設(shè)計要求為操作壓力在1.4Mpa下，屬較大壓力，又因為管壁，殼壁的溫差相差較大，所以初步選用浮頭式換熱器。原油走殼程?；亓饕鹤吖艹?。Q=WhCph（T1-T2）3 =76.8×701/3600×2.89×10×（194.0-101.8）6 =3.985

12、5;10J/sQ=WcCph（t1-t2）=Wc×2.20×10×（122.1-53.7）=3.985×10J/s 36先按單殼程、多管程計算純逆流兩流體的評級均溫度tm=Dt1-Dt2Dtln1Dt2 =(194.0-122.1)-(101.8-53.7)=59.24.3.4平均傳熱溫差校正 R= T1-T2IX化工原理課程設(shè)計P=t2-t1T1-t1=查<化工原理>(天大出版)圖4-19a得校正系數(shù):jt<0.8,不符合一般原則. 查<化工原理>(天大出版)圖4-19b得校正系數(shù):jt=0.925>0.8 符合原則

13、. 則平均傳熱溫差: tm=jttm逆=54.76根據(jù)平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8,同時殼程流體流量適合,需取雙殼程或兩臺換熱器串聯(lián)操作合適.假設(shè)K選=300w/m·,則估算面積為:A=2QKDtm=242.57 m2Tm-tm=147.9-87.9=60>50需考慮熱補償,先選擇兩臺單程的浮頭式列管換熱器,型號為FA600-1.5130-6-4Õ 9根據(jù)上面的初算，查化工原理的附錄得出固定擋板式換熱器規(guī)格參數(shù)如下表：cdeRePr(130) w對于正三角形排列，當(dāng)量直徑X化工原理課程設(shè)計4de=3D×t2d0Dd0=4×(0.866×

14、0.02520.785×0.0192 )=0.0173 m殼程流通截面積：Ad00=BD(1-t)0.025)殼程流通流速：uV00=A=0.768m/s；殼程流體雷諾準(zhǔn)數(shù)：Re0 =deu0rcm c=0.0173´0.769´7986.27´10-3普蘭特數(shù)：Prc0=Cpcml c2.20´103´6.27´10-3所以XI化工原理課程設(shè)計=729.24w/(m2·)ii管程流通截面積：Ai=2NT4diNp=0.785×0.0152×3684管程流體流速：uVi=Ai0.0162

15、5;3600雷諾準(zhǔn)數(shù)：Rediihi= h=0.015×1.317×7010.509×103;=2.72×104普蘭特數(shù)：Pri=cph×hhXII化工原理課程設(shè)計以上數(shù)據(jù)Rei=2.72×1043 10000為湍流； Pri=9.74在0.6160范圍內(nèi)；2=0.509×103pas;l=6/0.015=40050;di所以管內(nèi)傳熱膜系數(shù)：2 =1617.47W/m4.4.2 流體阻力5.4.2.1 管程流動阻力核算pi=(pi+pr)NsNpFt 式中：Pi- 單程直管阻力Pr- 局部阻力Pa; N- 殼程數(shù)取1；sPa

16、;Np-.殼程數(shù)取4；F1-管程結(jié)垢校正系數(shù)； P1-管程總壓力降Pa；lu12 p1=1 d12由Re=2.72 ×104，取傳熱管相對粗糙度 圖得1=0.036；=0.1/15=0.00667，查上冊教材P54-1-27 莫狄dXIII化工原理課程設(shè)計lu12 p1=1 d12=8754.31 Pa取=3pu21r=2= 3×1.3172×7012=1823.82 Pa因為Ns=1，Np=4，F(xiàn)t=1.5；管程流體阻力在允許的范圍內(nèi)。4.4.2.2 殼程流動阻力核算ps=(p 0+p i)FSNSNS=1式中：p2-殼體總阻力，Pa；p0-流體流過管束是總壓力

17、，Pa；pi-流體流過折流板缺口的阻力，Pa； FS-殼程壓力降結(jié)垢校正系數(shù)；N -殼程數(shù)；流體流經(jīng)管束的阻力損失：p(Nu210=F0hcB+1) 2NT -每一殼程的管子總數(shù)；NB- 折流板數(shù)目為19；u0-殼程流體橫過管束的最小流速，m/s； F-管子排列方式對阻力損失的校正因數(shù)； f0-殼程流體摩擦系數(shù)；XIV化工原理課程設(shè)計對于正三方形F=0.5；對于液體FS=1.15;NS=1;hc =1.1NT0.5 =1.1×3680.5=21; A0=B(D- hc*d0)=0.3×(0.6-21×0.019)=0.0603m2;V0 u0=26.48/(798

18、×0.0603)=0.55m/s； A0Re0=deu0cc=0.019×0.55×798 36.27×10=1330>500所以有0.552×798 p0=0.5×0.97×21×（19+1）× =24586 Pa 2流體流過折流板缺口的阻力損失2798×0.5522Bu02×0.3 pi=NB(3.5-)=19×(3.5-)×=7797Pa 22D6B-折流板間距，m；D-換熱器殼體內(nèi)徑，m；總阻力損失：殼程流體阻力在允許的范圍內(nèi)。1 K= dodo1bd

19、o+Rso+Rsi+a0mdmdiaidi=1=320.7 W/(m2·)比較K值與K選值：XV化工原理課程設(shè)計兩臺換熱器的實際傳熱面積為：S0=2NT dL=2×368×3.14×0.019×（6-0.1）=260m2 實際傳熱系數(shù)：K=Q3.985×106S0t=260×54.76=280 W/(m2·)m安全系數(shù)： KK實實280×100%=14.29%根據(jù)安全系數(shù)在10%25%之間為合格換熱XVI化工原理課程設(shè)計六、設(shè)備參數(shù)計算XVII化工原理課程設(shè)計根據(jù)前面的工藝計算，本次設(shè)計采用的換熱器殼體內(nèi)

20、徑Di600 mm。查閱結(jié)構(gòu)與零部件（上）P123，表1-1-86 的無縫鋼管制作筒體時容器的公稱直徑，本次采用公稱直徑為DN600mm×8mm的殼體，則Do616mm，Di=600mm。查閱化工設(shè)備機械基礎(chǔ)P126，表9-3，采用Q235-A.F鋼板(GB3274)，其中鋼密度3 7850kg·m由Po0.6 MPa， Di600mm，再查閱化工設(shè)備機械基礎(chǔ)P124，表9-6,對殼體與管板采用單面焊，焊接接頭系數(shù)f0.65,腐蝕裕度C=3+0.5=3.5mm.查閱化工設(shè)備機械基礎(chǔ)P124，表9-4 碳素鋼、普通低合金鋼板許用應(yīng)力，得：t=113MPa ，s235MPa s

21、PoDi0.6×600=+C+3.55.96 (mm) 2×113×0.650.62tPo圓整后取8mm殼體長度=7m22質(zhì)量=7850×7×3.14×（0.6160.600）/4注：個別數(shù)據(jù)來源于后續(xù)步驟。詳見附圖。根據(jù)殼體內(nèi)徑尺寸，查閱換熱器設(shè)計手冊P161，表1-6-9 管板尺寸表，由于沒有適合本次設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)管板，根據(jù)非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計得管板相關(guān)參數(shù)。具體參數(shù)列于下表： 管板參數(shù)（管板按非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計）管板夾于殼體法蘭和頂蓋法蘭之間，XVIII化工原理課程設(shè)計采用焊接法在管板上固定管子。根據(jù)換熱器設(shè)計手冊P172，表1-6-20，管子伸出長

22、度約為5mm。本換熱器殼體內(nèi)徑為600mm，查閱化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P135，表4-7和表4-8得：拉桿螺紋公稱直徑：dn=16mm前螺紋長La=20mm 后螺紋長Lb=60mm拉桿外套有定距管，規(guī)格與換熱管一樣，長度：L1=6.65 m，L2=6.300m。粗略計算定距管質(zhì)量22 m=7850×（2×6.65+2×6.3）×3.14×(0.0250.02)/4=35.4 kg查閱化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P127，表4-1，因本此設(shè)計換熱器的公稱直徑Di=600mm ，對于碳鋼，得隔板厚度為：b10mm 。分程隔板長L1=150+40+

23、400+5-10=585mm，L2=200+5-10=190mm其中10mm為管箱嵌入法蘭深度，5mm為隔板嵌入管板深度。前面已算出：折流板數(shù) NB=19 塊圓缺高度 h150 mm板間距 B360mm查閱換熱器設(shè)計手冊P182，表1-6-26和表1-6-33，得：折流板直徑 Da(6003.50.5)mm=596mm折流板厚度 C6 mm。折流板質(zhì)量：m=19×0.000418×7850=62.35 kg6.6.1 封頭查閱材料與零部件P332，表2-1-9，本換熱器采用橢圓型封頭(JB115473)一個，材料采用高合金鋼，公稱直徑Dg600mm（以內(nèi)徑為公稱直徑），曲面

24、高度h1150mm，直邊高度h240mm，厚度8mm,重量=16.6kg。焊接于管箱。XIX化工原理課程設(shè)計6.6.2 管箱管箱長L=400mm，管箱內(nèi)徑=6000mm（按非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計），壁厚=8mm管箱質(zhì)量：m=3.14×0.600×0.400×0.008×7850=47.32 kg。查閱材料與零部件（上）P386，表2-2-22，采用凹法蘭，在公稱壓力1.01.6MPa范圍內(nèi)，選取的法蘭參數(shù)為D=730mm，公稱直徑=600mm，孔間距D1=690mm，D2=655mm?？字睆?5mm，厚度b=32mm ，法蘭重量=35.1kg 。所用螺栓規(guī)格M20&

25、#215;90mm，螺栓數(shù)目：28。 一個法蘭焊接在管箱，再與前管板連接；另一個法蘭焊接在筒體，與后管板連接。根據(jù)流體力學(xué)與傳熱P207，接管直徑公式，同時也考慮到接管內(nèi)的流體流速為相應(yīng)管、殼程流速的1.21.4倍。殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)水的流速為 ui= 0.5m/s，則接管內(nèi)徑為取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 200 mm查表材料與零部件（上）P655表 2-8-1，取管的內(nèi)徑200mm，管厚6mm，伸出高度150mm。原油進出口采用凸法蘭，查閱材料與零部件P380，表2-2-19，取法蘭直徑340 mm，厚度b=26mm，螺栓孔間距D1295mm，D2=219mm，螺栓孔直徑22mm。法蘭重量：法蘭

26、=2.42kg，螺栓規(guī)格：M20，螺栓數(shù)量為8。222由于iui=815×0.5=203.7<2200 kg/(ms)，故不需防沖板。管程流體進出口接管：取接管內(nèi)空氣的流速為 uo= 1 m/s，則接管內(nèi)徑為D2=4Vo=D1=uo4×34000/(3600×715)= 0.129m 3.14×1取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 150 mm查表材料與零部件P132無縫鋼管（YB231-70），取管的外徑159mm，管厚4.5mm ，查閱材料與零部件（上P655表 2-8-1，伸出高度150mm?；亓饕哼M出口采用凸法蘭。查閱材料與零件P380，表2-2-19，法蘭的直

27、徑260mm，厚度b=12mm，螺栓孔間距D1225mm，D2=202mm，螺栓孔直徑18mm。法蘭重量：凸法蘭=2.75kg，螺栓規(guī)格：M20，數(shù)量為8。6.8排氣、排液管查表材料與零部件P123無縫鋼管（YB231-70），取排氣液管：外徑45mm，管厚3.5mm，伸出高度80mm。質(zhì)量=7850×3.14×0.045×0.0035×0.08=0.29kg。選用螺塞M27×2。XX化工原理課程設(shè)計浮頭法蘭溝圈內(nèi)徑Dfi=Di(2bl+bn)=600(6+10)=584mm浮頭法蘭溝圈外徑Dfo=DI+80=680mm布管限定圈直徑DL=Di

28、2(bl+b2+b)=6502×(3+11.5+4)=613mm外蓋內(nèi)直徑DL=Di+120=700mm浮頭管板直徑Do=Di=2bl=644mm6.10.1 支座的設(shè)計選型查材料與零部件（上）P559，表2-7-1 鞍式支座尺寸，當(dāng)公稱直徑600mm時，b1=180mm , L=550mm , B=120mm， b=90mm，m=220mm，質(zhì)量=26.3kg， A0.2×7=1.4m，支座間距70002×52×1400=4190mm。6.10.2 支座承載能力校核（2）傳熱管和拉桿所占的體積粗略為：XXI化工原理課程設(shè)計殼體體積為： 231忽略隔板體

29、積，原油充滿整個換熱器時的總重為：M總= 1961.56+（1.978-0.583）×815.03098.48kg。 小于該鞍式支座的最大載荷14噸。（3）殼體剛度校核已知公式：ìï-qx(x£A)ìï-q2Q(x)=ï-qx2x(x£A)íqLïï2(A£x£L-A) 和 M(x)=ïí-qx2+qLx-qAL(A£x£ïîqL-qx(L-A£x£L)ï222L-A)

30、9;ïî-q2x2+Lqx-qL22(L-A£x£L)換熱器的受力可簡化為如圖：彎矩圖為：qL2LqA8-qA-222L=8080m，M總=1961.56kg，g=9.81N/kg。M總校正為2000kg。 取A=0.21L=0.24×8.081.9719(m)，此時MqL2LqA44sMmaxmax=W=4605.79/0.00229=2.011MPa<st=133MPaz故此殼體適用。七、設(shè)計計算結(jié)果匯總表換熱器的工藝計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要結(jié)果和主要尺寸匯總于下表： XXII化工原理課程設(shè)計八、設(shè)計總結(jié)XXIII化工原理課程設(shè)計此次化工原理課程設(shè)計是對我們綜合素質(zhì)的全面考察，從資料的收集與篩選到對全新知識的快速掌握與綜合運用，從理論分析運算到實際設(shè)計繪圖，從課本學(xué)習(xí)到工程實際通過此次設(shè)計，我不僅學(xué)到了很多實際的知識，還提高了自己的動手能力和靈活運用知識的能力，讓我受益匪淺。在設(shè)計中，我們理論聯(lián)系實際，綜合考慮各種實際影響因素，極大地培養(yǎng)了我們的工程意識，也鍛煉了我們的實際動手能力，另外本次設(shè)計讓我們對于列管式換熱器的工作原理、影響因素、強化手段等個方面都有更深層次的了解，并且了解到了相應(yīng)個國家標(biāo)準(zhǔn)、化工標(biāo)準(zhǔn)和機械