化工原理課程設計 列管式換熱器

1、日期：材料工程原理B課程設計設計題目：處理量10X104噸/年煤油冷卻器的設計專業(yè)：班級：學號姓名日期指導教師設計成績：設計任務書設計題目|處理量10X104噸/年煤油冷卻器的設計設計要求：1.處理能力：(10X104)噸/年煤油2設備型式：列管式換熱器操作條件煤油：入口溫度1409，出口溫度409。冷卻介質(zhì)：采用循環(huán)水，入口溫度309,出口溫度40C。允許壓降：不大于105Pa。煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：pc=825kg/m3,c=7.15x10-4Pas,Cpc=2.22kj/(kgOC),Q0.14W/(mC)每年按330天計，每天24h連續(xù)生產(chǎn)。設計任務選擇適宜的列管換熱器并進行核算。

2、繪制帶控制點的工藝流程圖和設備結(jié)構(gòu)圖，并編寫設計說明書。任務下達日期：2015.12.21任務完成日期：2015.12.25指導教師：學生：目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 一、概述0 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 二、設計方案說明0 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 列管式換熱器設計簡介0 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 列管式換熱器的類型1 HYPERLINK l

3、 bookmark10 o Current Document 固定管板式1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 浮頭式換熱器1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document U型管式換熱器2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 填料函式換熱器2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 換熱器類型的選擇2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 流體流徑流速的選擇2 HYPER

4、LINK l bookmark22 o Current Document 材質(zhì)的選擇3 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2.6換熱器其他結(jié)構(gòu)的選擇3 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 管程結(jié)構(gòu)3 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2.7工藝流程草圖4 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 三、換熱器設計計算5 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 3.1

5、確定計算方案5 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 3.1.1選擇換熱器的類型5 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 3.1.2流體流徑流速的選擇5 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 確定物性參數(shù)5 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 估算傳熱面積6 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 熱流量6 HYPERLINK l bookmark68 o Curre

6、nt Document 3.3.2平均傳熱溫差6 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 傳熱面積6 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 冷卻水用量7 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 工藝結(jié)構(gòu)尺寸7 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 3.4.1管徑和管內(nèi)流速7 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 3.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)7 HYPERLINK l boo

7、kmark84 o Current Document 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)8 HYPERLINK l bookmark96 o Current Document 傳熱管排列和分程方法8 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 殼體內(nèi)徑8 HYPERLINK l bookmark112 o Current Document 折流板9 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 接管9 HYPERLINK l bookmark116 o Current Document 換熱器核算9 HYPERLINK l

8、 bookmark118 o Current Document 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113.5.1.3傳熱系數(shù)K11換熱器面積裕度11 HYPERLINK l bookmark122 o Current Document 換熱器內(nèi)流體阻力計算12管程流體阻力12殼程阻力12 HYPERLINK l bookmark124 o Current Document 3.6壁溫核算13 HYPERLINK l bookmark126 o Current Document 水泵14 HYPERLINK l bookmark128 o Current Document 四、換熱

9、器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表15 HYPERLINK l bookmark130 o Current Document 五、設計心得體會16 HYPERLINK l bookmark132 o Current Document 參考資料17 HYPERLINK l bookmark134 o Current Document 主要符號說明17一、概述課程設計是學習化工設計基礎知識，培養(yǎng)學生化工設計能力的重要教學環(huán)節(jié)，通過這一實踐教學環(huán)節(jié)，使學生掌握化工單元過程及設備設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

10、生應在進行本課程設計的實踐過程中，以實事求是的科學態(tài)度，嚴謹認真的工作作風完成以下內(nèi)容。（1）設計方案簡介（2）主要設備的工藝設計計算（3）主要設備的結(jié)構(gòu)設計與機械設計（4）典型輔助設備的選型（5）帶控制點的工藝流程圖（6）主要設備的工藝條件圖（7）主要設備的總裝配圖（8）編寫設計說明書二、設計方案說明列管式換熱器設計簡介列管式換熱器的設計、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”（GB151）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。列管式換熱器的工藝設計主

11、要包括下列內(nèi)容：根據(jù)生產(chǎn)任務和有關(guān)要求確定設計方案；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)。列管式換熱器的類型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。適用于殼程流體清潔，不易結(jié)垢，或者管外側(cè)污垢能用化學處理方法除掉的場合，同時要求殼體壁溫與管子壁溫之差不能太大，一般情況下，該溫差不得大于50C。若超過此值，應加溫度補償裝置。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于6070C及殼程壓力不高的場合.當殼程流體表壓超過0.7MPa時,由于膨脹節(jié)的材料較厚,難以伸縮而失去對熱變形的

12、補償作用，此時不宜采用這種結(jié)構(gòu)。常法蘭骨版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，便于清洗管間和管內(nèi)。管束可以在殼體內(nèi)自由伸縮，不會產(chǎn)生熱應力。但這種換熱器結(jié)構(gòu)較為復雜，造價高，制造安裝要求高。適用于殼體壁溫與管壁溫差較大或者殼程流體易結(jié)垢的場223U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)生溫差應力，結(jié)構(gòu)簡單，造價比浮頭式低，管外容易清洗。但管板上排列的管子較少。另外由于管束中心一帶存在間隙，且各排管子回彎處曲

13、率不同，長度不同，故殼程流體分布不夠均勻，影響傳熱效果。適用于殼程流體易結(jié)垢，或殼體壁溫與管壁溫之差較大的場合，但要求管程流體應較為清潔，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，易于檢修清洗。但這種換熱器密封性能較差，故殼程中不宜處理易燃、易爆或有毒的流體。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計為煤油冷卻器的工藝設計，工藝要求煤油（熱流體）的入口溫度140C，出口溫度40C。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40C。根據(jù)換熱器的分類與特性，結(jié)合

14、上述工藝要求，最大使用溫差小于120C,選用固定管板式換熱器，又因為管殼兩流體溫差大于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清洗，且粘度大的流體應走殼程，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)循環(huán)冷卻水的流速初選為Uj=1.0m/s。材質(zhì)的選擇換熱器的設計時，換熱器的各種零件，部件的材料應根據(jù)設備的操作壓力，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。碳鋼，價格低強度較高，對堿性介質(zhì)的化學腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求

15、的環(huán)境中應用是比較合理的。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。換熱器其他結(jié)構(gòu)的選擇管程結(jié)構(gòu)換熱管的布置和排列間距：常用的換熱管有dl9X2mm,d25X2mm,25X2.5mm。故可選擇換換熱管徑25X2.5mm。殼程結(jié)構(gòu)殼體：直徑小于400mm的殼體通常用鋼管制成，殼體大于400mm的殼用鋼板卷焊而成。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。此設計中使用折流板間隔為內(nèi)徑

16、的1/4。2.7工藝流程草圖輸油管儲油塔工藝流程圖熱源蒸汽壓縮機列管式換熱器圖42三、換熱器設計計算確定計算方案選擇換熱器的類型本次設計為煤油冷卻器的工藝設計，工藝要求煤油（熱流體）的入口溫度140C，出口溫度40C。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，冷卻水的出口溫度40C。根據(jù)間壁式換熱器的分類與特性表，結(jié)合上述工藝要求，最大使用溫差小于120C，選用固定管板式換熱器，又因為管殼兩流體溫差大于60C，故因選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。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清洗，且循環(huán)冷卻水的推薦流速大于煤

17、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Uj=1.0m/s,管子選用25X2.5mm的換熱管。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T=140+40=90C2煤油90C下的物性數(shù)據(jù)T=30+40二35C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90C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水在35C下的物性數(shù)據(jù)密度P=825kg/m3o密度P=994kg/m3i定壓比熱容C=2.22kJ/(kgC)pc定壓比熱容Cp=4.08kJ/(kgC)i導熱系數(shù)入c=0.14W/(mC)導熱系數(shù)入=

18、0.626W/(mC)i粘度口=7.1510-4Pasc粘度口=7.2510-4Pasi估算傳熱面積熱流量10 x107mc=330 x24=12626-26(k/h)Q=mcAt=12626.26x2.22,40-40)=2.80 x106kJ/h=778.62kWccpc平均傳熱溫差AtmAt-At12iAtIniAt2(140-40)-(40-30)In140-4040-30=39C傳熱面積假設殼程傳熱系數(shù)a二400WC2C),管壁導熱系數(shù)九=45WC2C)0則K=298.7W/Cn2C),則估算面積Q778619A=pKAtm=66.84m2298.7x39考慮15%的面積裕度，貝V：

19、A=1.15x66.84=76.86m2p冷卻水用量=68627.45kg/hQ2.80 x106=ch=4.08x(40-30)pii工藝結(jié)構(gòu)尺寸管徑和管內(nèi)流速選用25X2.5mm傳熱管，取管內(nèi)流速u=0.5m/s。i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)68627.45al23根P994x3600=314d2ux0.022x0.54i4按單程管計算，所需的傳熱管長度為A66.84L=r=nds0_3.14x0.025x123_m按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設計實際情況，采用標準設計，現(xiàn)取傳熱管長為l=4.5m，則該換熱器的管程數(shù)為：N=礬2管程pl4.5

20、換熱器的總傳熱管數(shù)為N=Nn=123x2=246根Tps平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)：r=TzT=140Z1O=iot-140-302iP=40-30=0.091T-1140-30ii按單殼程，4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，因而相應以1/R代替R,PR代替P,查同一圖線，可得e=083At平均傳熱溫差t=8At=0.83x39=32.371mAtm由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，故取單殼程合適。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于安裝隔板，采用正方形排列方法。取管心距t二1.

21、25d，貝V0t二1.25x25二32mm隔板中心到離其最近一排管中心的距離為s二+6二22mm2各程相鄰管子的管心距為2s=2x22=44mm橫過管束中心線的管數(shù)n=1.19,N=1.19246=19根c殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率n=0.7，則殼體內(nèi)徑為D=1-05=1.05x32x嚴607=629.88mm按卷制殼體的晉級擋，圓整到D=650mm。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%或50mm（取兩者中的較大值）折流板間距B=Dx20%=650

22、x0.2=130mm，取150m。傳熱管長折流板數(shù)Nb=折流板間距-1=4500150-1=29塊接管殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為u=1.0m/s，則接管內(nèi)徑為D迄=；4x12626-26/fe600 x8H）=0.0736m=73.6mmnu3.14x11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)徑為莎4x68627.45/（3600 x994）D=上=0.1563m=156.3mmnu3.14x12取管內(nèi)徑為160mm。3.5換熱器核算熱流量核算3.5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)采用克恩公式00.14丿二0.36Reo.55Prdce當量直徑

23、，由正三角排列得d=e/3314、x0.0322x0.025224nd0殼程流通截面積3.14x0.025=0.020mS=BD(1-學)=0.15x0.65x01-0025)=0.021m2ct0.032殼程流體流速及其雷諾數(shù)12626.%600 x825)0.021=0.20m/s=4615.38dup0.02x0.20 x825Re=-c=Pr=CZ=A=2各1031504=0.140普朗特準數(shù)(0.14粘度校正旦沁1c“0.0007151卩丿Wa=0.36x0140 x11.3413x4615.380.55x1=586.48W/(m2K)00.02033.5.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a=

24、0.023Re0.8Pr.4idii管程流通面積S=普d2ns=x0.022x246=0.0386m2/4/442管程流體流速及其雷諾數(shù)68627%600 x994)050/=0.50m/s3.5.1.3傳熱系數(shù)KU0.03860.02*0.50*994Re=13710.34i0.000725普朗特準數(shù)0.626Pr=083%7250-4=4.73a=0.023*船x113710-340-8*4川4=2734-36/(m2K)3.5.1.2污垢熱阻和管壁熱阻查表得管外側(cè)污垢熱阻1.72X10-4m2K/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻3.44X10-4m2K/W管壁熱阻查表得碳鋼在此溫度下熱導率為48.85=

25、邑=0.0025二5.1x10-5C|2K/W)48.85K=K=dRdRd1o+-0+R+adddoaiiim00.0252734.36*0.020+=354.50W/(m2K)0.000344*0.025+5.1*10-1*0.025+0.000172+0.0200.02251586.483.5.1.4換熱器面積裕度與K對應的計算傳熱面積A=KTCm778.62*103=354.50*32.37=67.85m2該換熱器的實際傳熱面積A=ndIN-N)=3.14x0.025x4.5(246-19)=80.19m2P0C換熱器的面積裕度A-A80.19-67.85H=PC=18.19%A67.

26、85C傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。換熱器內(nèi)流體阻力計算3.5.2.1管程流體阻力Ap=(Ao+Ap)NNFtirspsN=1，N=4，F(xiàn)=1.5，sptIpu2pu2Ap=九，Ap=M飛-iid2r2i由Re=27091.6，傳熱管相對粗糙度0%。二0.0005,查莫迪圖得九二0.0275W/(m2C)i流速u.二0.988m/s,p二994kg-m-3i4.5994x0.9882Ap=0.0275xx=3001.83Pai0.02-994x0.9882Ap=3x=1455.43Par2Ap=(3001.83+1455.43)x1x4x1.5=26743.56100kpat管程

27、流體阻力在允許范圍之內(nèi)。3.5.2.2殼程阻力Ap=Gp+Ap)FN,s0issF=1.15sN=1s流體流過管束的阻力p=FfNN+1)學0cTCB2F=0.5u=0.20m/scf=5.0 xRe0.228=5.0 x4615.38-0.228=0.73ccN=n=1.19何=19TCcvTN=19B825x0.202p=0.5x0.73x19x(19+1)x=2288.56PaF02流體流過折流板缺口的阻力2Bpu2p=N(3.5-憐iBD2N=29BB=0.15m,D=0.65mp=29x(3.5-i2x0.15)x0.65)994x0.2022=1751.73Pa總阻力p=(2288

28、.56+1751.73)x1.15x1=34646.335Pa10kPas因此，殼程流動阻力也比較適宜。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?？煽浚⊙h(huán)冷卻水進口溫度為10C，出口溫度為30C核算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(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，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應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。Ta+1amcmh1a+1achT=0.4T+0.6T=0.4x140+0.6x40=80Cm12t=0.4t+0.6t=0.4x

29、40+0.6x30=34oCm21a=a=2734.36“/m2Ccia=a=568.48“/m2Ch080+34傳熱管平均壁溫t=2734.36568.48=492C“1/+1/2734.36+/568.48殼體壁溫，可近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=48oC50C與假設基本一致，不需要膨脹節(jié)。水泵水的流速q=68627.45kg/h=19.06kg/smqm=0.019m3/s，水的實際流量為q)=1.1q=0.021m3/s=69m3/hvmaxvq0.021=1.04m/su=V=A3.14x0.162廠pduRe=2.7

30、4x105U取=0.0002,d=0-001查表得人=0.042截止閥全開時阻力系數(shù)匚二6，管入口Z=0.5，取吸入管路總長l=5m，換熱器高出截面高出水表面z=7m。管路壓頭損失工H=+=1.91mfd2g在換熱器與蓄水池水表面列伯努利方程，揚程H=Az+ZHf=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)DN80冷卻循環(huán)水入口平面名稱管程殼程DN80冷卻循環(huán)水出口平面物料循環(huán)水煤油DN170煤油入口凹凸面操作壓力，MPa0.40.3DN

31、170煤油出口凹凸面操作溫度，C30/40140/40DN20排氣口凹凸面流量，kg/h68627.4512626.26流體密度，kg/m3994825流速，m/s0.50.2熱負荷，kW1695.8總傳熱系數(shù)，W/(m2C)263.9對流傳熱系數(shù)4734350.4污垢熱阻，m2C/W0.0003440.000172壓降，MPa0.001150.00395程數(shù)推薦使用材料低碳鋼低碳鋼列管管子規(guī)格25X2.5官數(shù)243管長，mm4500管間距，mm32排列方式正三角形折流板型式弓形水平間距，mm150切口高度25%殼體內(nèi)徑，mm650五、設計心得體會作為高XX專業(yè)的學生，我深知化工原理是一門非常重要的專業(yè)基礎課程，進行適當?shù)脑O計訓練對于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計，通過本次設計，我認為自己已經(jīng)初步掌握化工設計的一些基本知識了。本次設計的是煤油冷卻器，根據(jù)溫差和物性確定本設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，而鑒于浮頭式換熱器的造價一般比固定管板式換熱器的造價高出二十多個百分點，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。通過本次設計，我學會了如何根據(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