化工原理課程設(shè)計列管式換熱器

1、材料工程原理B課程設(shè)計設(shè)計題目:處理雖10x104噸/年煤油冷卻器的設(shè)計專業(yè)：班級：_學(xué)號：姓名：日期：指導(dǎo)教師:設(shè)計成績：日期：設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目處理量10X104噸/年煤油冷卻器的設(shè)計一. 設(shè)計要求：1. 處理能力:(10X104)噸/年煤油設(shè)備型式：列管式換熱器二. 操作條件1. 煤油：入口溫度140C,出口溫度40Co2. 冷卻介質(zhì)：采用循環(huán)水，入口溫度30C,出口溫度40C3. 允許壓降：不大于105Pa。4. 煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：c=825kg/m3,c=7.1510-4Pas,Cpc=2.22kJ/(kgC),?c=0.14W/(m-C)5. 每年按330天計，每天24h連

2、續(xù)生產(chǎn)。三. 設(shè)計任務(wù)選擇適宜的列管換熱器并進行核算。繪制帶控制點的工藝流程圖和設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，并編寫設(shè)計說明書任務(wù)下達日期：2015.12.21任務(wù)完成日期：2015.12.25指導(dǎo)教師：學(xué)生：目錄一、概述0二、設(shè)計方案說明02.1列管式換熱器設(shè)計簡介02.2.3 2.2列管式換熱器的類型12.2.1固定管板式12.2.2浮頭式換熱器1U型管式換熱器2填料函式換熱器22.3換熱器類型的選擇22.4流體流徑流速的選擇22.5材質(zhì)的選擇32.6.1 2.6換熱器其他結(jié)構(gòu)的選擇3管程結(jié)構(gòu)32.7工藝流程草圖4三、換熱器設(shè)計計算53.1確定計算方案53.1.1選擇換熱器的類型53.1.2流體流徑流速的選

3、擇53.2確定物性參數(shù)53.3估算傳熱面積6熱流量6平均傳熱溫差63.3.3傳熱面積63.3.4冷卻水用量73.4.6 3.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸73.4.1管徑和管內(nèi)流速73.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)73.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)83.4.4傳熱管排列和分程方法83.4.5殼體內(nèi)徑8折流板9接管93.5.2.1 3.5換熱器核算9熱流量核算9殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)9污垢熱阻和管壁熱阻11傳熱系數(shù)K11換熱器面積裕度113.5.2換熱器內(nèi)流體阻力計算12管程流體阻力12殼程阻力123.6壁溫核算133.7水泵14四、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表15五、設(shè)計心得體會16參考資料17主要符號說明17課程設(shè)

4、計是學(xué)習(xí)化工設(shè)計基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生化工設(shè)計能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通過這一實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握化工單元過程及設(shè)備設(shè)計的基本程序和方法，熟悉查閱和正確使用技術(shù)資料，能夠在獨立分析和解決實際問題的能力方面有較大提高，增強工程觀念和實踐能力。為此，學(xué)生應(yīng)在進行本課程設(shè)計的實度過程中，以實事求是的科學(xué)態(tài)度，嚴謹認真的工作作風(fēng)完成以下內(nèi)容。(1) 設(shè)計方案簡介(2) 主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算(3) 主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計與機械設(shè)計(4) 典型輔助設(shè)備的選型(5) 帶控制點的工藝流程圖(6) 主要設(shè)備的工藝條件圖(7) 主要設(shè)備的總裝配圖編寫設(shè)計說明書二、設(shè)計方案說明2.1列管式換熱器設(shè)計簡介列管式換熱器的設(shè)計

5、、制造、檢驗與驗收必須遵循中華人民共和國國家標準“鋼制管殼式(即列管式)換熱器”(GB15)執(zhí)行。按該標準，換熱器的公稱直徑做如下規(guī)定：卷制圓筒，以圓筒內(nèi)徑作為換熱器公稱直徑，mm鋼管制圓筒,以鋼管外徑作為換熱器的公稱直徑，mm工管式換熱器的工藝設(shè)計主要包括下列內(nèi)容： 根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計方案； 初步確定換熱器結(jié)構(gòu)和尺寸； 核算換熱器的傳熱能力及流體阻力； 確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)。2.2列管式換熱器的類型2.2.1固定管板式固定管板式換熱器是用焊接的方式將管束的管板固定在殼體兩端。制造方便，緊湊，造價較低。適用丁殼程流體活潔，不易結(jié)垢，或者管外側(cè)污垢能用化學(xué)處理方法除掉的場合，同時要求

6、殼體壁溫與管子壁溫之差不能太大，一般情況下，該溫差不得大丁50Co若超過此值，應(yīng)加溫度補償裝置。通常是在殼體上加一膨脹節(jié)。但這種裝置只能用在管壁溫與殼體壁溫之差低丁6070C及殼程壓力不高的場合.當殼程流體表壓超過0.7MPa時，由丁膨脹節(jié)的材料較厚，難以伸縮而失去對熱變形的補償作用，此時不宜采用這種結(jié)構(gòu)。2.2.2 圖1浮頭式換熱器浮頭式換熱器是采用法蘭把管束一端的管板固定到殼體上，另一端管板可以在殼體內(nèi)自由伸縮，并在這端管板上加一頂蓋后稱為“浮頭”。這類換熱器的主要特點是管束可以從殼體中抽出，便丁活洗管問和管內(nèi)。管束可以在殼體內(nèi)自由伸縮，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。但這種換熱器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，造價高，制

7、造安裝要求高。適用丁殼體壁溫與管壁溫差較大或者殼程流體易結(jié)垢的場合。2.2.3 U型管式換熱器這類換熱器的管束是由彎成u型的傳熱管組成。其特點是管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力，結(jié)構(gòu)簡單，造價比浮頭式低，管外容易活洗。但管板上排列的管子較少。另外由丁管束中心一帶存在間隙，且各排管子回彎處曲率不同,長度不同，故殼程流體分布不夠均勻，影響傳熱效果。適用丁殼程流體易結(jié)垢，或殼體壁溫與管壁溫之差較大的場合，但要求管程流體應(yīng)較為活潔，不易結(jié)垢。圖32.2.4填料函式換熱器這類換熱器具有浮頭換熱器的優(yōu)點，克服了固定管板式換熱器的缺點，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，制造方便，易丁檢修活洗。但這種換熱器密封性能較差，故

8、殼程中不宜處理易燃、易爆或有蠹的流體。同時要求殼程流體的壓力不宜過高。2.3換熱器類型的選擇本次設(shè)計為煤油冷卻器的工藝設(shè)計，工藝要求煤油（熱流體）的入口溫度140C，出口溫度40Co采用循環(huán)冷卻水作為冷卻劑降低熱的沒有溫度，冷卻水的入口溫度30C，出口溫度40Co根據(jù)換熱器的分類與特性，結(jié)合上述工藝要求，最大使用溫差小丁120C,選用固定管板式換熱器，乂因為管殼兩流體溫差大丁60C,故因選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。2.4流體流徑流速的選擇循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，而固定管板式換熱器的殼程不易活洗，且粘度大的流體應(yīng)走殼程，故選擇循環(huán)冷卻水為管程流體，煤油為殼程流體。根據(jù)流體在直管內(nèi)常見適宜流速，管內(nèi)

9、循環(huán)冷卻水的流速初選為Ui=1.0m/s2.5材質(zhì)的選擇換熱器的設(shè)計時，換熱器的各種零件，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要求來選取。換熱器的常用材料有：碳鋼和不銹鋼。價鋼，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)用是比較合理的。據(jù)生產(chǎn)要求，冷熱流體分別為水和煤油，均無腐蝕性化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，以及生產(chǎn)經(jīng)濟合理，選擇碳鋼作為換熱器的材料。2.6.1 2.6換熱器其他結(jié)構(gòu)的選擇管程結(jié)構(gòu)換熱管的布置和排歹0間距：常用的換熱管有419X2mm425x2mm425X2.5mm故可選擇換換熱管徑425X2.5mm2

10、.6.2殼程結(jié)構(gòu)殼體：直徑小于400mnfi勺殼體通常用鋼管制成，殼體大于400mm勺殼用鋼板卷焊而成。折流板：常用的為圓形折流板，切缺率通常為20%至50%垂直圓缺用于水平冷凝器，水平再沸器等，選用垂直圓缺。推薦折流板間隔最小值為內(nèi)徑的1/5或小于50mm最大值取決于支持管所必要的最大間隔。此設(shè)計中使用折流板問隔為內(nèi)徑的1/4。2.7工藝流程草圖儲油塔輸油管列管式換熱器熱源蒸汽壓繾機工藝流程圖二、換熱器設(shè)計計算3.1確定計算方案3.1.1選擇換熱器的類型本次設(shè)計為煤油冷卻器的工藝設(shè)計，工藝要求煤油（熱流體）的入口溫度140C，出口溫度40Co采用循環(huán)冷卻水作為冷卻劑降低熱的沒有溫度，冷卻水的

11、入口溫度30C，冷卻水的出口溫度40Co根據(jù)問壁式換熱器的分類與特性表,結(jié)合上述工藝要求,最大使用溫差小丁120C,選用固定管板式換熱器，乂因為管殼兩流體溫差大丁60C,故因選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。3.1.2流體流徑流速的選擇根據(jù)流體流徑選擇的基本原則，循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，而固定管板式換熱器的殼程不易活洗，且循環(huán)冷卻水的推薦流速大丁煤油的推薦流速，故選擇循環(huán)冷卻水為管程流體，煤油為殼程流體。根據(jù)流體在直管內(nèi)常見適宜流速，管內(nèi)循環(huán)冷卻水的流速初選為ui=1.0m/s,管子選用425x2.5mm的換熱管。3.2確定物性參數(shù)定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。管程流體的定性溫度T1404090

12、C2煤油90C下的物性數(shù)據(jù)T些淄35C2根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)表1煤油在90CT的有關(guān)物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水在35CT的物性數(shù)據(jù)密度.3po=825kg/m密度.3pi=994kg/m定壓比熱容Cpc=2.22kJ/(kg-C)定壓比熱容Cp=4.08kJ/(kgC)導(dǎo)熱系數(shù)入c=0.14W/(m-C)導(dǎo)熱系數(shù)入i=0.626W/(mC)粘度號=7.1510-4Pas粘度=7.2510-4Pas3.3.1 3.3估算傳熱面積熱流雖10X107mc=12626.26(kg/h)330X24Qc=mccpcAt=12626.26X2.22x(140-40)=2.80X106

13、kJ/h=778.62kW3.3.2平均傳熱溫差A(yù)tmt-At2(140-40)-(40-30)小=39CAt1ln云140-40ln40-303.3.3傳熱面積假設(shè)殼程傳熱系數(shù)400Wm2C,管壁導(dǎo)熱系數(shù)2一45WmC則K298.7W/m2C，則估算面積Ap=778619KAtm=66.84m2298.7X39考慮15%勺面積裕度，貝U:Ap=1.15X66.84=76.86m2冷卻水用雖3iQc2.80X106CpiAti4.08X（40-30）=68627.45kg/h3.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸3.4.1管徑和管內(nèi)流速選用425X2.5mm傳熱管，取管內(nèi)流速Ui=0.5m/s3.4.2管程數(shù)和傳

14、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)68627.45Pvnsr2diu4=994X360023根3.142X0.022X0.54按單程管計算，所需的傳熱管長度為66.843.14X0.025X123=6.92m按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計實際情況，采用標準設(shè)計，現(xiàn)取傳熱管長為l=4.5m,則該換熱器的管程數(shù)為：L6.92手口N=R2目程pl4.5換熱器的總傳熱管數(shù)為Nt=Npns=123X2=246根3.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù):TiT214040“R-210t2t14030t2t14030P210.091T1t114030按單殼程，4

15、管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)查閱有關(guān)圖表。但R=10的點在圖上難以讀出，因而相應(yīng)以1/R代替R,PR代替P,查同一圖線，可得t0.83平均傳熱溫差tm=公tAtm=0.83X39=32.37C由丁平均傳熱溫差校正系數(shù)大丁0.8,故取單殼程合適3.4.4傳熱管排列和分程方法多管程換熱器采用組合排列法，即每一程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便丁安裝隔板，采用正方形排列方法。取管心距t1.25d，則t1.252532mm隔板中心到離其最近一排管中心的距離為s622mm2各程相鄰管子的管心距為2s22244mm橫過管束中心線的管數(shù)3.4.5 nc=1.19而=1.19XV246=19根殼體內(nèi)徑采用多

16、管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7,則殼體內(nèi)徑為D=1.05tJN/=1.05X32逐24%7=629.88mm按卷制殼體的晉級擋，圓整到D=650mm3.4.6折流板采用弓形折流板(水平圓缺)，取弓形折流板切去的圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%則切去的圓缺高度為h=0.25X650=162.5mm允許的折流板最小間距為殼體內(nèi)徑的20%50mm(取兩者中的較大值)折流板間距B=DX20%=650X0.2=130mm,取150m心也皿部傳熱管長4500曲折流板數(shù)Nb二比、女拒-1=-1=29塊B折流板間距1503.4.7接管殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為U1=1.0m/s,則接管內(nèi)徑為-4&：4X

17、12626.26/(3600X825)八八“D1=一=0.0736m=73.6mm1丫山Y(jié)3.14X1取管內(nèi)徑為80mm管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s,則接管內(nèi)徑為c,磚,4X68627.45/(3600X994)D2=3=0.1563m=156.3mm2t3.14X1取管內(nèi)徑為160mm3.5換熱器核算3.5.1熱流雖核算3.5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)采用克恩公式0.140550.36Re0Prde當量直徑，由正三角排列得de3224tdc24d0.一323.14240.0320.025243.140.0250.020m口deucPRec=(10.02X0.20X82

18、50.000715=4615.38殼程流通截面積,d。、,0.025、2Sc=BD(1-)=0.15X0.65x(1-)=0.021mct0.032殼程流體流速及其雷諾數(shù)uc=cSc/12626.26(3600X825)=0.20”為0.021普朗特準數(shù)cp從2.22X103X7.15X104Pr=11.34入0.1400.14粘度校正1W0.140X0.020X11.3413X4615.380.55X1=586.48w/(m2K)管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)快=0.023卜Re0.8Pr0.4di管程流通面積兀2nsSi=dj14j43.142X0.024246x2=0.0386m2管程流體流速及其雷諾

19、數(shù)Ui68627.45,、(3600X4)=0.50m/s0.03860.02X0.50X994Rei=13710.340.000725普朗特準數(shù)3.40.626Pr4.0810。25104.730.626080423.5.1.2 缶=0.023XX113710.34X4.73=2734.36W/(m2K)0.02污垢熱阻和管壁熱阻查表得管外側(cè)污垢熱阻1.72X10-4m2-K/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻3.44X10-4m2-K/W管壁熱阻查表得碳鋼在此溫度下熱導(dǎo)率為48.85b_0.00255.1105m2K/WW48.85Rw傳熱系數(shù)KK=:-:-:rd0Rid0RWd01+Ro+洶didma。3

20、.5.1.3 11586.48=Z_-50.0250.000344X0.0255.1X10X0.025+0.000172+2734.36X0.0200.0200.02252=354.50W/(m2K)換熱器面積裕度與K對應(yīng)的計算傳熱面積778.62X103一354.50X32.37=67.85m2該換熱器的實際傳熱面積Ap=ud0l(N-Nc)=3.14X0.025X4.5x(246-19)=80.19m2換熱器的面積裕度Ap-Ac80.19-67.85Ac67.85H=18.19%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。3.5.2換熱器內(nèi)流體阻力計算管程流體阻力PtPiPrNsNpFsN

21、s=1,Np=4,Ft=1.5,Pi_ldi2Pr由Re27091.6，傳熱管相對粗糙度宜%。0.0005,查莫迪圖得j0.0275W/m2C流速ui0.988m/s,994kgmPiPr4.59940.98820.02750.02c9940.988231455.43Pa3001.83PaPt23001.831455.43141.526743.56100kPa管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。殼程阻力PsP0PiFsNsFs1.15Ns1流體流過管束的阻力2P0=FfcNTc(nb+1)-F=0.5uc=0.20m/sc0.228-0.228-fc=5.0XRec=5.0X4615.38=0.73c

22、cNTC=j=1.19.Nt=19icc.INb=19/、825X0.202p0=0.5X0.73X19X(19+1)X=2288.56Pa流體流過折流板缺口的阻力22BpucPi=NB(3.5-)D2Nb=29B=0.15m,D=0.65m22X0.15994X0.202Api=29X(3.5)X=1751.73PaHl0.65/一總阻力Ps=(2288.56+1751.73)X1.15X1=34646.335Pa10kPa因此，殼程流動阻力也比較適宜3.6壁溫核算因為管壁很薄，而且壁熱阻很小。冬季操作時，循環(huán)水的進口溫度將會降低。為確?？煽?，取循環(huán)冷卻水進口溫度為10C，出口溫度為30C核

23、算傳熱管壁溫。另外，由丁傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管問壁溫差可能較大。計算中，應(yīng)該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。能*Tm知+tmh壁溫tw=1ac+1ahTm=0.4T1+0.6T2=0.4X140+0.6X40=80Ctm=0.4t2+0.6t1=0.4X40+0.6X30=34C-.2occ=oci=2734.36w/mC2。八ah=a0=568.48w/mC80+34傳熱管平均壁溫tw=12734.361568.48=41.92c2734.36+568.48殼體壁溫，可近

24、似取為殼程流體的平均溫度，即T=58.55C殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為At=90-41.92=48C50C與假設(shè)基本一致，不需要膨脹節(jié)。3.7水泵水的流速qm=68627.45kg/h=19.06kg/s水的實際流量為q=吼=0.019vp3，/、m/S,（qv）max=1.1qv=0.021m3/s=69m3/hqv0.021取=0.0002/=0.001查表得入=0.042截止閥全開時阻力系數(shù)6,管入口V=0.5,取吸入管路總長l=5m,換u=i=1.04m/sA3.14X0.164pdu5Re二一=2.74X105（1熱器高出截面高出水表面z=7m。2管路壓頭損失對=空房=1.91m在換

25、熱器與蓄水池水表面列伯努利方程，揚程H=Az+洲=8.91m根據(jù)流量和揚程，可選擇泵的型號為IS80-50-200四、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表表2換熱器型式：帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器管口表換熱面積：89.02m2符號尺寸用途連接形式工藝參數(shù)aDN80冷卻循環(huán)水入口平面名稱物料管程殼程循環(huán)水煤油bDN80冷卻循環(huán)水出口平面cDN170煤油入口凹凸面操作壓力，MPa操作溫度，C流量，kg/h流體密度,kg/m30.430/400.3140/40dDN170煤油出口凹凸面eDN20排氣口凹凸面68627.4512626.26994825流速，m/s0.50.2熱負荷，kW1695.8總傳熱系

26、數(shù)，W/(m2C)263.9對流傳熱系數(shù)污垢熱阻，nbC/W壓降，MPa4734350.40.0003440.0001720.001150.00395程數(shù)21管子規(guī)格425X2.5菅數(shù)243管長，mm4500管間距，mm32排列方式正三角形推薦使用材料低碳鋼低碳鋼列管折流板型式弓形水平間距，mm150切口高度25%殼體內(nèi)徑，mm650五、設(shè)計心得體會作為高XX專業(yè)的學(xué)生，我深知化工原理是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，進行適當?shù)脑O(shè)計訓(xùn)練對丁加深我對課程的理解是非常重要和有意義的。這是第一次做化工原理課程設(shè)計，通過本次設(shè)計，我認為自己已經(jīng)初步掌握化工設(shè)計的一些基本知識了。本次設(shè)計的是煤油冷卻器，根據(jù)

27、溫差和物性確定本設(shè)計的換熱器為帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器或浮頭式換熱器，而鑒丁浮頭式換熱器的造價一股比固定管板式換熱器的造價高出二十多個白分點，以降低投資成本為目的，選擇帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。通過本次設(shè)計，我學(xué)會了如何根據(jù)工藝過程的條件查找相關(guān)資料，并從各種資料中篩選出較適合的資料，根據(jù)資料確定主要工藝流程，主要設(shè)備，及計算出主要設(shè)備及輔助設(shè)備的各項參數(shù)及數(shù)據(jù)。了解到了工藝設(shè)計計算過程中要進行工藝參數(shù)的計算。通過設(shè)計不但鞏固了對主體設(shè)備圖的了解，還學(xué)習(xí)到了工藝流程圖的制法。通過本次設(shè)計不但熟悉了化工原理課程設(shè)計的流程，加深了對冷卻器設(shè)備的了解，而且學(xué)會了更深入的利用圖書館及網(wǎng)上資源，對前面所學(xué)課程有了更深的了解。但由丁時間較