化工原理課程設(shè)計說明書

1、課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目煤油冷卻器的設(shè)計一. 設(shè)計要求：1. 處理能力：(19.8 x 104)噸/年煤油2. 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40C;(2) 冷卻介質(zhì)循環(huán)水，入口溫度 30C，出口溫度40C;(3) 允許壓強(qiáng)降不大于100 KPa;(4) 煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)；3密度為825kg/m ;粘度為：7.5 x 10-4Pa.S;比熱容為：2.22kJ/(kg. C);導(dǎo)熱系數(shù)為：0.14W/ (m. C);(5) 每年按300天計，每天24小時連續(xù)運行。學(xué)生應(yīng)完成的工作：1. 選擇適宜的列管換熱器并進(jìn)行核算。2. 畫出工藝設(shè)備圖及列管

2、布置任務(wù)下達(dá)日期：2010年11月08日任務(wù)完成日期：2010年11月22 日指導(dǎo)教師：學(xué)生:摘要換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸 收熱量。在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行 業(yè)的通用設(shè)備，占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的 要求不斷提高，對換熱器的要求也日益增強(qiáng)。換熱器的設(shè)計制造結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及傳熱機(jī)理的研究 十分活躍

3、，一些新型高效換熱器相繼問世。根據(jù)不同的目的，換熱器可以是熱交換器、加熱器、 冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器等。由于使用條件的不同，換熱器可以有各種各樣的形式和結(jié)構(gòu)。在 生產(chǎn)中，換熱器有時是一個單獨的設(shè)備，有時則是某一工藝設(shè)備的組成部分。衡量一臺換熱器好的標(biāo)準(zhǔn)是傳熱效率高、流體阻力小、強(qiáng)度足夠、結(jié)構(gòu)合理、安全可靠、節(jié)省材料、成本低，制造、安裝、檢修方便、節(jié)省材料和空間、節(jié)省動力。二、關(guān)鍵字煤油換熱器列管式換熱器膨脹節(jié)固定管板式封頭管板目錄一、概述 1二、工藝流程草圖及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) 12.1工藝流程草圖 12.2設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) 2三、換熱器設(shè)計計算 23.1確定設(shè)計方案 23.1.1選擇換熱器的類型 23.1.2

4、流體溜徑流速的選擇 23.2確定物性的參數(shù) 33.3估算傳熱面積 33.3.1 熱流量332平均傳熱溫差 3333傳熱面積 33.3.4冷卻水用量 43.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸 43.4.1管徑和管內(nèi)流速 43.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 43.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 43.4.4傳熱管排列和分程方法 53.4.5殼體內(nèi)徑 53.4.6折流板 53.4.7 接管 53.5換熱器核算63.5.1熱流量核算 63.5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 63.5.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 73.5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻 73.5.1.4計算傳熱系數(shù)Kc 73.5.1.5換熱器的面積裕度 83.5.2換熱器內(nèi)流體

5、的流動阻力 83.5.2.1管程流體阻力 83.522殼程阻力 8四、設(shè)計結(jié)果設(shè)計一覽表 10五、設(shè)計自我評價 11六、參考資料 12七、主要符號說明 13一、概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器 ,簡稱為換熱器。 在換熱器中至少要有 兩種溫度不同的流體 , 一種流體溫度較高 ,放出熱量 ; 另一種流體則溫度較低 , 吸收熱量。在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器 , 它們也是這些行業(yè)的通用設(shè) 備,并占有十分重要的地位。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 熱器也各有優(yōu)缺點， 性能各異。 列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器

6、， 它在工業(yè)上的應(yīng)用有 著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。列管式換熱器有以下幾種：1、固定管板式 固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大時，在外殼的適 當(dāng)位置上焊上一個補(bǔ)償圈， （或膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時， 補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性 變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。特點：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉， 殼程清洗和檢修困難， 殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。2、U形管式U 形管式換熱器每根管子均彎成 U 形，流體進(jìn)、 出口分別安裝在同一端的兩側(cè)， 封頭內(nèi)用 隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補(bǔ)償問題。 特點：結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場合

7、。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和 不易結(jié)垢的物料。3、浮頭式 換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。 特點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，便于清洗和檢修，消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。二、 工藝流程草圖及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)2.1 工藝流程草圖泵a-d_ 1泵2由于循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，為便于水垢的清洗，選擇循環(huán)水做管程流體，煤油做殼程流體。管程與殼程流體的進(jìn)出方向為上圖所示，并選擇逆流傳熱。圖中水由泵1經(jīng)過管程沿所示方向流動，煤油由泵1經(jīng)過殼程沿所示方向流動。冷卻循環(huán)水與煤油在設(shè)計的換熱器中進(jìn)行熱交換，煤油由初溫140C降溫至，40C冷卻循環(huán)水由初

8、溫升30C溫至40C。2.2設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(1) JB1145-73列管式固定管板熱交換器(2) JB1146-73立式熱虹吸式重沸器(3) 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB151-89鋼制管殼式換熱器.國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布， 1989(4) 鋼制石油化工壓力容器設(shè)計規(guī)定(5) JBT4715-1992固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)(6) HGT20701.8-2000容器、換熱器專業(yè)設(shè)備簡圖設(shè)計規(guī)定(7) HG20519-92全套化工工藝設(shè)計施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一規(guī)定(8) 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) JB4732-95鋼制壓力容器一分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(9) 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) JB4710-92鋼制塔式容器(

9、10) 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) GB16749-1997壓力容器波形膨脹節(jié)三、換熱器設(shè)計計算3.1確定設(shè)計方案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 30r，根據(jù)經(jīng) 驗結(jié)合選廠地址的水資源現(xiàn)狀況，選定冷卻水的出口溫度 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

10、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25 2.5mm的較好級冷拔換熱管（換熱管標(biāo)準(zhǔn)：GB8163。3.2確定物性參數(shù)定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。管程流體的定性溫度為：14040290C)煤油90C下的物性數(shù)據(jù):30 40235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)煤油在90C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水在35 C下的物性數(shù)據(jù)密度3p o=825 kg/m密度p i=994 kg/m3定壓比熱容Cp=2.22k

11、J/(kg K)定壓比熱容Cp=4.08kJ/(kg K)導(dǎo)熱系數(shù)入 o=0.140 W/(m K)導(dǎo)熱系數(shù)入 i=0.626 W/(m K)粘度卩 o=0.000715 Pa s粘度卩 i =0.000725 Pa s3.3、估算傳熱面積3.3.1熱流量19. 8104mo=3002427500 (kg/h )Q=mCp。t=27500X 2.22 X (140-40)=6.15 X 106kJ/h=1695.8 kW3.3.2平均傳熱溫差tmlnt1 t2上t2(14040) (40 30)39(C),14040In40303.3.3傳熱面積假設(shè)殼程傳熱系數(shù)：a0=400 w（ m?c）,

12、管壁導(dǎo)熱系數(shù) 入=45 w（m?c）2則K=298.7W/(m K),則估算面積為：S =Q/(K XAtm)=1.696 X 106/(298.7 X 39)=145.86(m2)2考慮 15%勺面積裕度則：S=1.15X 145.86=167.74(m )3.3.4冷卻水用量w.Q0CPi ti6. 1051064. 08103(4030)149632. 4 (kg/h )3.4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸3.4.1管徑和管內(nèi)流速選用巾25X 2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼10），取管內(nèi)流速u= 1.5m/s3.4.2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)nsqV149632. 4 / 36

13、00994Zdi 2ui20. 7850. 022=88.78 89 （根）1.5按單程管計算，所需的傳熱管長度為:Sdns167. 783. 14 0. 02589=24（ m按單管程設(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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 現(xiàn)取傳熱管長為l=6m，則該換熱器的管程數(shù)為:NP=L/l=24/6=4傳熱管總根數(shù)：Nt=89X 4=356 （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)：R=(140-40)/(40-30)=10;P=(40-30)/(140-30)=0.091按單殼程，4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. 82平均傳熱溫差

14、Atrr=A t At m =0.82 X3 9=32 (C)由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于 0.8，同時殼程流體流量較大，故取単殼程合適。3.4.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距t=1.25d0，則t=1.25 X 25=31.25 32(mn)橫過管束中心線的管數(shù)nc 1.19 . N 1.19 356 2（根）3.4.5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=:n356D=1.05j1.0532一=757.7 (mm)VV0. 7按卷制殼體的進(jìn)級擋，圓整可取 D=800m。3.4.6折流板采用弓形折流板

15、，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h = 0.25 X 800=200 (mrh折流板間距B=0.3D,則B=0.3X 800=240mr取 250mm折流板數(shù)N b=傳熱管長 折流板間距-1= 6000-仁23 (塊)2503.4.7接管殼程流體進(jìn)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:27500(3600825)3. 141. 01. 10 (m)，取管內(nèi)徑為110mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u = 1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為4149632 4D23. 141.5(3600994)193 mm圓整可取D2 =200mm。3.

16、5換熱器核算3.5.1熱流量核算3.5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)Pr I0. 14可采用克恩公式:0.550. 36Red e當(dāng)量直徑，由正三角排列得:de=d04 ( 0. 03220.785 0. 0252)3H4 0. 0250.020( m殼程流通截面積:S。8 .25 (1 黑A044 (m)殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：27500U0=住600 825)0. 21 ( m/s)0. 044r&=.02。21825=48460.000715普朗特準(zhǔn)數(shù)11. 34 ;2.2210371510Pr=0. 1400.14粘度校正一1wa=0. 360. 1400. 024846. 55=10

17、13.57 W/(m2 K)3.5.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a0.023 和Re0.8R宀管程流體流通截面積：S =0.785 X 0.022 X 356/4=0.028 (ni)管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：Ui=149632-4/( 3600994)=1.499 (m/s)0. 0279994=40939.10. 021. 499Rei=0. 000725普朗特準(zhǔn)數(shù)Pr=107250. 62610 64. 73a=0.023 X0. 6260. 0240939.1 0.84. 730.4 =6560.4 W/ (m 2 K)3.5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻查有關(guān)文獻(xiàn)知可取：管外側(cè)污垢熱阻 R

18、0=0.000172 m 2 K/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Ri=0.000344m 2 K/W管壁熱阻查有關(guān)文獻(xiàn)知碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為入=45 W/(mK)3.5.1.4計算傳熱系數(shù)doididibd。di0.0256560. 40. 0200. 000340. 0250. 0200. 00250. 0250. 0225450. 00017211013. 57=436.9 W/ (m- C)計算傳熱面積S:s=曲K t m 436. 910332=121.3 (用)該換熱器的實際傳熱面積:Sp = dL(Nnc) =3.14 X 0.025 X (6-0.06) X (356-23)=155.2

19、7 (ni)3.5.1.5換熱器的面積裕度SPS155 121.3H X100%=X 100%=28.01%S121.3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)流體的流動阻力3.5.2.1管程流體阻力計算公式如下：藝 Pi= ( P1+AP2) NSNpFt;Ns=1, N p=4, Fs=1.4; P1= ii di2u=0.034(W/ (m2C ),由Re=41103.6,傳熱管相對粗糙度0.01/20=0.05，查莫狄圖得3流速 u=1.499m/s , p =994kg/m，所以59941. 268, F2= P1=0. 0388=10643.7 (Pa);0.

20、 02 22 P2=-29942. 268 =3130.5 (Pa)藝 R= (10643.7+3130.5 ) X 1.4 X 1 X 4=77135.5 (Pa) 100 KPa管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)3.5.2.2殼程阻力藝 Po= ( R+A P2) FsNsFs=1.15 N=1 P1= Ff0nC(NB+1)2UoF=0.5f 0=5X 41103.6-0.228=0.722nc=23N=23,Uo=O.21m/s Pi=0.5 X 0.722 X 23X( 23+1)X 825X 0.212/2 3625 (Pa) 流體流過折流板缺口的阻力2 P2 =Nb (3.5-2B/D

21、),2B=0.25m; D=0.8m ;故厶 R=23X( 3.5-2 X 0.25/0.8 ) X 825 X 0.22/2 1202 (Pa),則總阻力： P=3625+1202=4827( Pa) 100 KPa故殼程流體的阻力也適宜。四、設(shè)計結(jié)果設(shè)計一覽表換熱器型式：帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器管口表換熱面積：155.27m2符號尺寸用途連接形式工藝參數(shù)a 200X6冷卻循環(huán)水入口平面名稱管程殼程b 200X6冷卻循環(huán)水出口平面物料操作壓力，MPa操作溫度，C流量，kg/h流體密度，kg/m3流速，m/s熱負(fù)荷，kW總傳熱系數(shù)，W/(m 2 -c )對流傳熱系數(shù)污垢熱阻，m2 C /W壓

22、降，MPa程數(shù)推薦使用材料循環(huán)水30/40149632.4994.30.9931695.8263.947340.0003440.0263煤油140/406.105X 1068250.0784350.40.0001720.00037041低碳鋼低碳鋼管子規(guī)格0 25X 2.5管數(shù)356管長，mm6000管間距，mm32排列方式正三角形列管折流板型式弓形水平間距，mm600切口咼度25%殼體c100X4煤油入口平面d100X4煤油出口平面e 57X 3.5 排氣口平面圖 附內(nèi)徑，mm800五、設(shè)計自我評價作為、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(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計訓(xùn)練對于加深我對課

23、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(rèn)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)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(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(jìn)行工藝參數(shù)的計算。 通過

24、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。 但由于時間較為倉促， 查閱的文獻(xiàn)有限， 本次設(shè)計還有很多不完善的 地方。本次設(shè)計非常感謝。老師的指導(dǎo)，有了他的指導(dǎo)使得我們更快的進(jìn)入課程設(shè)計的狀 態(tài)，使我們少走彎路。同時非常感謝我的同學(xué)，正是有他們在一起討論，才使我較快及順利地 在較短時間內(nèi)完成本設(shè)計。六、參考文獻(xiàn)1 賈紹義、柴誠敬主編化工原理課程設(shè)計 天津：天津大學(xué)出版社， 20022 柴誠敬、張國亮主編 化工流體流動與傳熱 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 20083 中國石化集團(tuán)上海工程有限公司 石油化工設(shè)備設(shè)計選用手冊換熱器 北京： 化學(xué)工 業(yè)出版社， 20094 李國庭等編著化工設(shè)計概論北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 20085 楊世銘、陶文銓編著 傳熱學(xué)北京：高等教育出版社，