化工原理課程設(shè)計(jì)-用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的設(shè)計(jì)

用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的設(shè)計(jì)：一、設(shè)計(jì)任務(wù)及條件（1）使煤油從140℃冷卻到40℃，壓力1bar；（2）冷卻劑為水，水壓力為3bar，處理量為10t/h。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）合理的參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：傳熱面積；管程設(shè)計(jì)包括：總管數(shù)、程數(shù)、管程總體阻力校核；殼體直徑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括流體壁厚；主要進(jìn)出口管徑的確定包括：冷熱流體的進(jìn)出口管（2）傳熱計(jì)算和壓降計(jì)算：設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算。三、設(shè)計(jì)成果（1）設(shè)計(jì)說明書一份；（2）A4設(shè)計(jì)圖紙包括：換熱器的設(shè)備尺寸圖。

目錄22248第一章緒論 1120981.1概述 1170941.2換熱器設(shè)計(jì)依據(jù) 199691.3換熱器選型 12461.3.1固定管板式換熱器 2305371.3.2浮頭式換熱器 2326051.3.3U型管式換熱器 2321011.3.4填料函式換熱器 331284第二章確定設(shè)計(jì)方案 4127992.1換熱器類型的選型 418312.1.1換熱器內(nèi)冷熱流體通道的選擇 4154942.1.2換熱管的選擇 516017第三章確定物性參數(shù) 620459第四章估算傳熱面積 770654.1熱流量 799294.2平均傳熱溫差 7128594.3冷卻水用量 7250424.4總傳熱系數(shù)K 747304.4.1管程傳熱系數(shù) 7252564.5傳熱面積 810839第五章工藝結(jié)構(gòu)尺寸 9201145.1管徑和管內(nèi)流速 9174675.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 9326755.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 9281495.4傳熱管排列和分程方法 1082705.5殼體內(nèi)徑 10134465.6折流板 10195895.7接管 1017219第六章?lián)Q熱器核算 12114676.1熱量核算 12105216.1.1殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 12253206.1.2管程對(duì)流給熱系數(shù) 13238086.1.3傳熱系數(shù)K 1374506.2換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 1489176.2.1.管程流動(dòng)阻力 1430676.2.2.殼程流動(dòng)阻力 1415412第七章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1662647.1殼體直徑、長度、厚度設(shè)計(jì) 16279227.2換熱器封頭尺寸設(shè)計(jì) 16252197.3法蘭及各連接材料的選擇 17230717.3.1選定法蘭結(jié)構(gòu) 1757467.3.2選定墊片結(jié)構(gòu) 18141347.4流體進(jìn)、出口接管直徑的計(jì)算 18220487.5開孔補(bǔ)強(qiáng) 19118877.6支座選用 207245第八章匯總 22PAGE12第一章緒論1.1概述隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。在換熱器設(shè)計(jì)中首先應(yīng)該根據(jù)工藝要求選擇適合的類型，然后計(jì)算換熱器所需傳熱面積，并確定換熱管的結(jié)構(gòu)尺寸。1.2換熱器設(shè)計(jì)依據(jù)1）《浮頭式換熱器和冷凝器型式與基本參數(shù)》JB/T4714-052）《固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)》JB/T4715-053）《管式換熱器用金屬包墊片》JB/T4718-054）《管式換熱器用纏繞墊片》JB/T4719-055）《管式換熱器用非金屬包墊片》JB/T4720-056）《化工設(shè)計(jì)手冊(cè)》華東理工大學(xué)出版社1.3換熱器選型在化工生產(chǎn)中，經(jīng)常要求在各種不同的條件下進(jìn)行熱交換，因此對(duì)各種換熱器的要求必然是多種多樣的。而每種類型的換熱器都有其優(yōu)缺點(diǎn)，選擇時(shí)考慮的因素很多，例如材料、壓強(qiáng)、溫度、溫度差、壓強(qiáng)降、流動(dòng)狀態(tài)、傳熱效果、結(jié)垢腐蝕情況、檢修和操作等。1.3.1固定管板式換熱器這類換熱器操作簡單、便宜。最大的缺點(diǎn)是管外側(cè)清洗困難，因而多用于殼側(cè)流體清潔，不易結(jié)垢或污垢容易化學(xué)處理的場合。當(dāng)殼壁與殼壁溫度相差較大時(shí)，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，甚至毀壞整個(gè)換熱器，因此，一般管壁與殼壁溫度相差50℃以上時(shí)，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置，圖為具有溫差補(bǔ)償圈（或稱膨脹節(jié)）的固定管板式換熱器。1.3.2浮頭式換熱器用法蘭把管束一側(cè)的管板固定到殼體的一端，另一側(cè)的管板不與外殼連接，以便管子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮。這種形式的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)前兩側(cè)傳熱介質(zhì)溫差較大時(shí)，不會(huì)因膨脹產(chǎn)生溫差壓力，且管束可以自由拉出，便于清洗。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。1.3.3U型管式換熱器此類換熱器只有一個(gè)管板，管程至少為兩程。由于管束可以取出，管外側(cè)清洗方便，另外，管子可以自由膨脹。缺點(diǎn)是U型管的更換及管內(nèi)清洗困難?？紤]到換熱器管壁與殼壁溫差不超過50℃，而且應(yīng)用廣泛，操作簡單、方便。用水冷卻氨氣不易結(jié)垢，所以選擇帶有補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器。1.3.4填料函式換熱器填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。其特點(diǎn)是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。填料函式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價(jià)也比浮頭式的低；管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)管間均能進(jìn)行清洗，維修方便。其缺點(diǎn)是填料函乃嚴(yán)不高，殼程介質(zhì)可能通過填料函外樓，對(duì)于易燃、易爆、有度和貴重的介質(zhì)不適用。本次設(shè)計(jì)任務(wù)為列管式換熱器工藝設(shè)計(jì)，用冷水冷卻煤油。煤油作為熱流體，其入口溫度為140°C，出口溫度為40°C；水作為冷流體，入口溫度為25°C,出口溫度為35°C。該換熱器采用循環(huán)冷卻水冷卻，考慮到冬季操作時(shí)進(jìn)口溫度會(huì)降低，估計(jì)該換熱器的關(guān)閉溫和殼體壁溫之差較大，所以初步確定選用浮頭式換熱器。第二章確定設(shè)計(jì)方案2.1換熱器類型的選型本設(shè)計(jì)任務(wù)是利用冷流體（水）給煤油降溫。利用熱傳遞過程中對(duì)流傳熱原則，制成換熱器，以供生產(chǎn)需要。選擇換熱器時(shí)，要遵循經(jīng)濟(jì)，傳熱效果優(yōu)，方便清洗，復(fù)合實(shí)際需要等原則。不同的換熱器適用于不同的場合。換熱器的選擇涉及的因素很多，如換熱流體的腐蝕性及其他特性，操作溫度與壓力，換熱器的熱負(fù)荷，管程與殼程的溫差，檢修與清洗要求等。而列管式換熱器在生產(chǎn)中被廣泛利用。它的結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、制造較容易、處理能力大、適應(yīng)性大、操作彈性較大。尤其在高壓、高溫和大型裝置中使用更為普遍。所以首選間壁式換熱器中的列管式換熱器作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。2.1.1換熱器內(nèi)冷熱流體通道的選擇冷、熱流體流動(dòng)通道的選擇的一般原則：(1)不潔凈或易結(jié)垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便。(2)腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時(shí)受到腐蝕。(3)壓力高的流體宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力。(4)飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較清潔，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速無關(guān)，而且冷凝液容易排出。(5)流量小而粘度大的流體一般以殼程為宜，因在殼程Re>100即可達(dá)到湍流。但這不是絕對(duì)的，如流動(dòng)阻力損失允許，將這類流體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，亦可得到較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。(6)若兩流體溫差較大，對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大的流體通入殼程，以減小熱應(yīng)力。需要被冷卻物料一般選殼程，便于散熱。由于循環(huán)冷卻水容易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，油品走殼程。2.1.2換熱管的選擇選用較小直徑的管子，可以提高流體的對(duì)流給熱系數(shù)，并使單位體積設(shè)備中的傳熱面積增大，設(shè)備較緊湊，單位傳熱面積的金屬耗量少，但制造麻煩，小管子易結(jié)垢，不易清洗，可用于較清潔流體。大管徑的管子用于粘性較大或易結(jié)垢的流體。我國列管式換熱器常采用無縫鋼管，規(guī)格為外徑×壁厚，常用的換熱管的規(guī)格：φ19×2，φ25×2.5，φ38×3。在此項(xiàng)目設(shè)計(jì)中選擇換熱管的規(guī)格為φ25×2.5碳鋼管，管內(nèi)流速取u=0.5m/s第三章確定物性參數(shù)定性溫度：可去流體進(jìn)口溫度的平均值。殼程油的定性溫度為T==90(°C)管程冷卻水的定性溫度為t==30(°C)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)。（注：水的物性參數(shù)在《化工原理上冊(cè)》課本上找的，煤油的物性參數(shù)在網(wǎng)上找的，由于網(wǎng)上參數(shù)甚多，有些參數(shù)會(huì)有偏差。）油在90°C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度ρ=825㎏/m3定壓比熱容c=2.22kJ/（kg.k）導(dǎo)熱系數(shù)=0.140（W/m.k）粘度η=0.000715（Pa.s）循環(huán)冷卻水在30°C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度ρ=995.7㎏/m3定壓比熱容c=4.174kJ/（kg.k）導(dǎo)熱系數(shù)=0.618（W/m.k）粘度η=0.000801（Pa.s）第四章估算傳熱面積4.1熱流量Q==10000x2.22x(140-40)=2.2x10(kJ/h)=616.7（kW）4.2平均傳熱溫差===39(°C)4.3冷卻水用量4.4總傳熱系數(shù)K4.4.1管程傳熱系數(shù)故采用下式計(jì)算：4.4.2殼程傳熱系數(shù)假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)W/（m°C）污垢熱阻管壁的導(dǎo)熱系數(shù)=219.54.5傳熱面積

考慮15%的面積裕度，第五章工藝結(jié)構(gòu)尺寸5.1管徑和管內(nèi)流速選用的碳鋼換熱管，管內(nèi)流速5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)（根）按單管程計(jì)算所需換熱管的長度按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長，現(xiàn)取傳熱管長，則該換熱器的管程數(shù)為（管程）傳熱管的總根數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)傳熱管根數(shù)為220根5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)按單殼程雙管程結(jié)構(gòu)，查單殼程圖(化工原理書p229)，因在圖上難以讀取，因而相應(yīng)以代替R，PR代替P，查同一圖線得平均傳熱溫差5.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列，即每層內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)按正方形排列。取管心距，則橫過管束中心線的管數(shù)5.5殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率，則殼體內(nèi)徑圓整取5.6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)徑的25%，則切去的圓缺高度為，取h=150mm取折流板間距為，則，取折流板數(shù)（塊）折流板圓缺水平面安裝。5.7接管殼程流體（煤油）進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為1.0m/s，則接管內(nèi)徑取標(biāo)準(zhǔn)管徑為50mm。管程流體（循環(huán)水）進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)循環(huán)水的流速為1.5m/s，則接管內(nèi)徑取標(biāo)準(zhǔn)管徑為125mm（根據(jù)我查得的資料，管道的標(biāo)準(zhǔn)口徑有：DN6、DN10、DN15、DN20、DN25、、DN32、DN40、DN50、DN80、DN100、DN150、DN200、DN250、DN300、DN400、DN500、DN600……DN1000、DN1200……DN2400等）第六章?lián)Q熱器核算6.1熱量核算6.1.1殼程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)于圓缺形折流板，可采用克恩公式當(dāng)量直徑由正三角形排列得殼程流通截面積殼程流體流速、雷諾數(shù)、普蘭德數(shù)及殼程對(duì)流傳熱系數(shù)分別為6.1.2管程對(duì)流給熱系數(shù)管程流通截面積管程流體流速、雷諾數(shù)、普蘭德數(shù)及管程對(duì)流傳熱系數(shù)分別為6.1.3傳熱系數(shù)K6.1.4傳熱面積該換熱器的實(shí)際換熱面積面積裕度為換熱面積裕度合適，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。6.2換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力6.2.1.管程流動(dòng)阻力（Ft結(jié)垢校正系數(shù)，Np管程數(shù)，Ns殼程數(shù)）取換熱管的管壁粗糙度為0.01mm，則，而，查圖得對(duì)的管子有管程阻力在允許的范圍之內(nèi)。6.2.2.殼程流動(dòng)阻力對(duì)殼程有折流擋板時(shí)，計(jì)算殼程阻力的方法有Bell法、Kern法和Esso法等。Bell法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的一致性較好，但計(jì)算比較麻煩，而且對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸要求較詳細(xì)。工程計(jì)算中常采用Esso法，該法的計(jì)算公式如下：（Fs為結(jié)垢校正系數(shù)，對(duì)液體Fs=1.15，Ns為殼程數(shù)）流體流經(jīng)管束的阻力F為管子排列方式對(duì)壓強(qiáng)降的校正系數(shù)，正三角形排列F=0.5，正方形直列，正方形錯(cuò)列時(shí)，。為殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)為橫過管束中心線的管數(shù)，折流板間距，折流板數(shù)流體流經(jīng)折流板缺口的阻力該換熱器的管程與殼程壓降均滿足要求，故所設(shè)計(jì)的換熱器合適。第七章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7.1殼體直徑、長度、厚度設(shè)計(jì)由上面的計(jì)算可得殼體直徑為殼體長度為操作壓力根據(jù)以上假設(shè)和查表數(shù)據(jù)可得按化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（天津大學(xué)出版社）P87，腐蝕余量，鋼板厚度負(fù)偏差設(shè)計(jì)厚度因而可取名義厚度。但對(duì)碳素鋼，規(guī)定不包括腐蝕裕量的最小厚度應(yīng)不小于3mm，若加上2mm的腐蝕裕量，名義厚度至少應(yīng)取5mm。按化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（天津大學(xué)出版社）取殼體厚度7.2換熱器封頭尺寸設(shè)計(jì)考慮綜合因素，使用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，材料使用碳素鋼Q235-C，焊接接頭形式采用雙面焊對(duì)接接頭，無損檢測(cè)比例100%，故。參考化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（天津大學(xué)出版社）附錄得，在下，厚度假設(shè)為時(shí)，碳鋼Q235-c的許用應(yīng)力為管程壓力為0.1Mpa，殼程壓力為0.3Mpa，按計(jì)算。根據(jù)以上假設(shè)和查表數(shù)據(jù)可得按過程設(shè)備設(shè)計(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社），腐蝕余量，鋼板厚度負(fù)偏差設(shè)計(jì)厚度因而可取名義厚度。但對(duì)碳素鋼，規(guī)定不包括腐蝕裕量的最小厚度應(yīng)不小于3mm，若加上2mm的腐蝕裕量，名義厚度至少應(yīng)取5mm。有鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，名義厚度取為5mm。，沒有變化，故取名義厚度合適。因?yàn)橛纱丝傻脵E圓頭短半徑7.3法蘭及各連接材料的選擇7.3.1選定法蘭結(jié)構(gòu)工藝操作條件所給出的各參數(shù)如下：壓力 溫度 根據(jù)上述數(shù)據(jù)，查看《JB_4700~4707壓力容器法蘭》可得法蘭類型： 松式法蘭法蘭材料： Q235壓緊面： 凹凸面 7.3.2選定墊片結(jié)構(gòu)根據(jù)上述數(shù)據(jù)，查看《JB_4700~4707壓力容器法蘭》可得墊片形式： 耐油墊墊片壓緊面形狀： 凹凸形壓緊面墊片材料： 橡膠石棉板按《GB150-1998鋼制壓力容器》可得墊片系數(shù)： 比壓力： 墊片接觸寬度： 墊片基本密封寬度： 墊片有效密封寬度： 墊片壓緊力作用中心圓計(jì)算直徑：預(yù)緊時(shí)需要的壓緊力：操作狀態(tài)下，需要的最小墊片壓緊力：7.4流體進(jìn)、出口接管直徑的計(jì)算殼程流體（煤油）進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為1.0m/s，則接管內(nèi)徑取標(biāo)準(zhǔn)管徑為80mm。管程流體（循環(huán)水）進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)循環(huán)水的流速為1.5m/s，則接管內(nèi)徑為取標(biāo)準(zhǔn)管徑為100mm7.5開孔補(bǔ)強(qiáng)a、確定殼體和接管的的計(jì)算厚度及開孔直徑由已知條件可知?dú)んw的計(jì)算厚度，接管的計(jì)算厚度為（以冷卻水進(jìn)出接管為例，由上可知，冷卻管直徑，材質(zhì)為20號(hào)鋼管）式中，Pc——計(jì)算壓力，取Pc=0.6MPaD0=100mm查表得：=0.85查表得：140=132MPa計(jì)算得開孔直徑為d=d1+2c=(100-2c)=（100-2×4）+2×2=96mmb、確定殼體和實(shí)際厚度，開孔有效補(bǔ)強(qiáng)厚度B及外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)厚度h1，已知?dú)んw的名義厚度為6mm，接管名義厚度接管的有效補(bǔ)強(qiáng)寬度為B=2d=2×96=192mm接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)厚度c、計(jì)算需要補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積和可以作為補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積：需要補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積：96×3.1=297.6mm2d、e、比較Ae與A，Ae＞A，同時(shí)計(jì)算接管和殼體焊接面積A3之后，該開孔接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠。7.6支座選用殼體質(zhì)量m1：單位長度的筒體質(zhì)量為則封頭的質(zhì)量m2的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，其質(zhì)量m=12.3Kg，所以m2=12.3×2=24.6Kg水的質(zhì)量，式中裝填系數(shù)儲(chǔ)罐體積則附件質(zhì)量管子質(zhì)量單重7.82Kg有：法蘭質(zhì)量PN=0.6MPa；DN=450mm；法蘭質(zhì)量70Kg。則設(shè)備總質(zhì)量：m=m1+m2+m3+m4+m法=301.5+24.6+750+280+985.32=2341.4Kg支座計(jì)算每個(gè)支座承受11.47KN，選用重型B1型，120度包角，焊制，雙筋，帶墊片的鞍座。第八章匯總換熱器型式：浮頭式換熱器換熱面積：81.49m2工藝參數(shù)設(shè)備名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水煤油操作壓力，MPa0.30.1操作溫度，℃25/35140/40流量，kg/h5318610000密度，kg/m3995.7825流速，m/s0.4300.077傳熱量，kW616.7總傳熱系數(shù)，W/m2?K219.5對(duì)流傳熱系數(shù)，W/m2?K2334405污垢系數(shù)，m2?K/W0.0003440.000172阻力降，Pa4427.1756.5程數(shù)21推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格φ25×2.5管數(shù)190管長6000mm管心距mm32排列方式正三角形折流板型式上下中心管束，根16切口高度25%殼體內(nèi)徑，mm530無需保溫?fù)Q熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸其他工藝參數(shù)：殼體長度6000mm殼體厚度5mm封頭類型標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭封頭材料碳素鋼Q235-C封頭厚度5mm封頭短半徑150mm法蘭類型松式法蘭法蘭材料Q235法蘭緊壓面凹凸面墊片類型耐油墊墊片材料橡膠石棉板墊片系數(shù)2.75比壓力25.5Mpa墊片接觸寬度20mm墊片基本密封寬度10mm墊片有效密封寬度8mm中心圓計(jì)算直徑68