化工原理課程設(shè)計23萬噸年煤油冷卻器的設(shè)計

1、列管式換熱器設(shè)計說明書 設(shè)計者： 班級：應(yīng)化082班姓名 ：學(xué)號 ：日期 ：2011年1月3日 指導(dǎo)教師： 設(shè)計成績： 日期 化工原理課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目 23萬噸/年煤油冷卻器的設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)與操作條件1、煤油：入口溫度140，出口溫度402、冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度30，出口溫度403、允許壓強降：不大于100kpa4、每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行。兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù) 物性流體煤油908250.7152.220.14水359940.7284.1740.626三、具體要求本設(shè)計要求完成以下設(shè)計及計算：1、換熱器工藝設(shè)計及計算：包括物料衡算、能量衡算、工藝參數(shù)選定

2、及其計算；2、換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計：包括換熱設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計及其尺寸的確定等；3、繪制換熱器裝配圖：包括設(shè)備的各類尺寸、技術(shù)特性表等，用2號圖紙繪制；4、編寫設(shè)計說明書：作為整個設(shè)計工作的書面總結(jié)，說明書應(yīng)簡練、整潔、文字準確。內(nèi)容應(yīng)包括：封面、目錄、設(shè)計任務(wù)書、概述或引言、設(shè)計方案的說明和論證、設(shè)計計算與說明、對設(shè)計中有關(guān)問題的分析討論、設(shè)計結(jié)果匯總（主要設(shè)備尺寸、各物料量和狀態(tài)、能耗、主要操作參數(shù)以及附屬設(shè)備的規(guī)格、型號等）、參考文獻目錄、總結(jié)及感想等。四、完成后應(yīng)上交的材料1、設(shè)計說明書 1份2、換熱器裝配簡圖 1張目錄一、方案簡介4二、方案設(shè)計61確定設(shè)計方案7（1）選擇換熱器的類型7（2

3、）流動空間及流速的確定72、確定物性數(shù)據(jù)83計算總傳熱系數(shù)9（1）熱流量9（2）平均傳熱溫差9（3）自來水用量9（4）總傳熱系數(shù)k104、計算傳熱面積105、工藝結(jié)構(gòu)尺寸11（1）管徑和管內(nèi)流速及管長11（2）管程數(shù)和傳熱管數(shù)11（3）平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)11（4）傳熱管排列和分程方法11（5）殼體內(nèi)徑12（6）折流板12（7）接管126換熱器核算13（1）熱量核算13（2）換熱器內(nèi)流體的壓力降15三、設(shè)計結(jié)果一覽表16四、總結(jié)及感想17五、參考文獻19六、主要符號說明19附圖20一、方案簡介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，

4、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，他們也是這些行業(yè)的通用設(shè)備，并占有十分重要的地位。列管式換熱器是目前應(yīng)用最廣泛的一種換熱設(shè)備，設(shè)計資料和數(shù)據(jù)比較完善，目前在許多國家已有系列化標準。列管式換熱器在換熱效率、 緊湊型和金屬消耗量等方面不及其他新型換熱器，但由于它有結(jié)構(gòu)牢固 、適應(yīng)性大、材料范圍廣等獨特優(yōu)點，因而在各種換熱器的競爭發(fā)展中仍占有絕對優(yōu)勢。板式換熱器的優(yōu)點(1)換熱效率高,熱損失小在最好的工況條件下,換熱系數(shù)可以達到6000w/m2k,在一般的工況條件下,換熱系數(shù)也可以在30004000w/m2k左右,

5、是管殼式換熱器的35倍。設(shè)備本身不存在旁路,所有通過設(shè)備的流體都能在板片波紋的作用下形成湍流,進行充分的換熱。完成同一項換熱過程,板式換熱器的換熱面積僅為管殼式的1/31/4。(2)占地面積小重量輕除設(shè)備本身體積外,不需要預(yù)留額外的檢修和安裝空間。換熱所用板片的厚度僅為0.60.8mm。同樣的換熱效果,板式換熱器比管殼式換熱器的占地面積和重量要少五分之四。(3)污垢系數(shù)低流體在板片間劇烈翻騰形成湍流,優(yōu)秀的板片設(shè)計避免了死區(qū)的存在,使得雜質(zhì)不易在通道中沉積堵塞,保證了良好的換熱效果。(4)檢修、清洗方便換熱板片通過夾緊螺柱的夾緊力組裝在一起,當檢修、清洗時,僅需松開夾緊螺柱即可卸下板片進行沖刷

6、清洗。(5)產(chǎn)品適用面廣設(shè)備最高耐溫可達180,耐壓2.0mpa,特別適應(yīng)各種工藝過程中的加熱、冷卻、熱回收、冷凝以及單元設(shè)備食品消毒等方面,在低品位熱能回收方面,具有明顯的經(jīng)濟效益。各類材料的換熱板片也可適應(yīng)工況對腐蝕性的要求。當然板式換熱器也存在一定的缺點,比如工作壓力和工作溫度不是很高,限制了其在較為復(fù)雜工況中的使用。同時由于板片通道較小,也不適宜用于雜質(zhì)較多,顆粒較大的介質(zhì)。板式換熱器的類型及工作原理板式換熱器按照組裝方式可以分為可拆式、焊接式、釬焊式等形式;按照換熱板片的波紋可以分為人字波、平直波、球形波等形式;按照密封墊可以分為粘結(jié)式和搭扣式。各種形式進行組合可以滿足不同的工況需求

7、,在使用中更有針對性。比如同樣是人字形波紋的板片還因采用粘結(jié)式還是搭扣式密封墊而有所不同,采用搭扣式密封墊可以有效的避免膠水中可能含有的氯離子對板片的腐蝕,并且設(shè)備拆裝更加方便。又如焊接式板式換熱器的耐溫耐壓明顯好于可拆式板式換熱器,可以達到250、2.5mpa。因此同樣是板式換熱器,因其形式的多樣性,可以應(yīng)用于較為廣泛的領(lǐng)域,在大多數(shù)熱交換工藝過程都可以使用。 雖然板式換熱器有多種形式,但其工作原理大致相同。板式換熱器主要是通過外力將換熱板片夾緊組裝在一起,介質(zhì)通過換熱板片上的通孔在板片表面進行流動,在板片波紋的作用下形成激烈的湍流,猶如用筷子攪動杯中的熱水,加大了換熱的面積。冷熱介質(zhì)分別在

8、換熱板片的兩側(cè)流動,湍流形成的大量換熱面與板片接觸,通過板片來進行充分的熱傳遞,達到最終的換熱效果。冷熱介質(zhì)的隔離主要通過密封墊的分割,或者通過大量的焊縫來保證,在換熱板片不開裂穿孔的情況下,冷熱介質(zhì)不會發(fā)生混淆。本設(shè)計任務(wù)是利用冷流體（水）給煤油降溫。利用熱傳遞過程中對流傳熱原則，制成換熱器，以供生產(chǎn)需要。下圖（圖1）是工業(yè)生產(chǎn)中用到的列管式換熱器.選擇換熱器時,要遵循經(jīng)濟,傳熱效果優(yōu),方便清洗,復(fù)合實際需要等原則。換熱器分為幾大類：夾套式換熱器，沉浸式蛇管換熱器，噴淋式換熱器，套管式換熱器，螺旋板式換熱器，板翅式換熱器，熱管式換熱器，列管式換熱器等。不同的換熱器適用于不同的場合。而列管式換

9、熱器在生產(chǎn)中被廣泛利用。它的結(jié)構(gòu)簡單、堅固、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。所以首選列管式換熱器作為設(shè)計基礎(chǔ)。二、方案設(shè)計某廠在生產(chǎn)過程中，需將煤油從140冷卻到40。處理能力為2.3105噸/年。冷卻介質(zhì)采用自來水，入口溫度30，出口溫度40。要求換熱器的管程和殼程的壓降不大于100kpa。試設(shè)計能完成上述任務(wù)的列管式換熱器。（每年按330天，每天24小時連續(xù)運行）1確定設(shè)計方案 （1）選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度140，出口溫度40冷流體。冷流體進口溫度30，出口溫度40。從兩流體溫度來看，估計換熱器的管壁溫度

10、和殼體壁溫之差不會很大，因此初步確定選用固定管板式換熱器。（2）流動空間及流速的確定 在列管式換熱器中，哪一種流體流經(jīng)管內(nèi)（管程），哪一種流體流經(jīng)管外（殼程），關(guān)系到設(shè)備使用是否合理。一般可以從下列幾方面考慮。（1） 不潔凈或易結(jié)垢的無聊應(yīng)當流經(jīng)易于清洗的一側(cè)，對于直管管束，一般通過管內(nèi)。但對于u型管式換熱器，由于管內(nèi)不能進行機械清洗，故污濁的流體應(yīng)通過殼程。（2） 有腐蝕的流體應(yīng)在管內(nèi)流過，這樣只有管子管板及流道室需要使用耐腐蝕材料，而管體及管外其他零件都可以使用比較便宜的材料。（3） 壓力高的流體流經(jīng)管內(nèi)，因為管直徑小，承受高壓能力好，同時避免了采用高壓外殼和高壓密封。（4） 飽和蒸汽一般

11、通入殼程，以便排除潔凈冷凝液。（5） 被冷卻物料一般走殼程，便于散熱。 由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，再者煤油的粘度比水的大，因此冷卻水走管程，煤油走殼程。另外，這樣的選擇可以使煤油通過殼體壁面向空氣中散熱，提高冷卻效果。同時，在此選擇逆流。一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 （1）碳鋼 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)用是合理的。如一般換熱器用的普通無縫鋼管，其常用的材料為10號和20號碳鋼。 （2）不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1crl8ni9ti為代表，它是標準的18-8奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性

12、和冷加工性能。正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。 選用252.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取ui=0.5m/。 2、確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。 殼程硝基苯的定性溫度為：管程流體的定性溫度為： 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90下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 o=825 kg/m3定壓比熱容 cpo=2.22kj/(kg)導(dǎo)熱系數(shù) o=0.14w/(m)粘度 o=0.000715 pas自

13、來水在34下的物性數(shù)據(jù)： 密度 i=994kg/m3定壓比熱容 cpi=4.174 kj/(kg)導(dǎo)熱系數(shù) i=0.626w/(m)粘度 i=0.000728 pas3計算總傳熱系數(shù) （1）熱流量 wo=2.310510003302429040.4kg/hqo=wocpoto=29040.42.22(140-40)=6446968.8kj/h=1790.8 kw（2）平均傳熱溫差 （3）自來水用量 （4）總傳熱系數(shù)k 管程傳熱系數(shù) 殼程傳熱系數(shù) 假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)o=400 w/(m2)； 污垢熱阻rsi=0.000344 m2/w , rso=0.000172 m2/w管壁的導(dǎo)熱系數(shù)=45

14、w/(m)4、計算傳熱面積 考慮 15的面積裕度，s=1.15s=1.15163.15=187.62m25、工藝結(jié)構(gòu)尺寸 （1）管徑和管內(nèi)流速及管長 選用252.5傳熱管(碳鋼)，取管內(nèi)流速ui=0.5m/s。（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)根l=取管長為9m管程（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)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表?？傻闷骄鶄鳠釡夭睿?）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=1.25 d0，則 t=1.2525=31.2532(mm)橫過管束中心線的管數(shù)（5

15、）殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率0.7，則殼體內(nèi)徑為 圓整可取d1000mm （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20，則切去的圓缺高度為h0.21000mm200mm，故可取h200 mm。 取折流板間距b0.3d，則b0.31000mm300mm，可取b為300mm。 折流板數(shù) nb=傳熱管長/折流板間距-1=4500/300-1=14(塊)折流板圓缺面水平裝配。 （7）接管 殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為 u1.0 m/s，則接管內(nèi)徑為 取標準管徑為120 mm2.5mm。 管程流體進出口接管：取接管內(nèi)自來水流速 u1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為

16、取205mm2.5mm無縫鋼管。6換熱器核算 （1）熱量核算 殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板，可采用凱恩公式 當量直徑，由正三角形排列得 殼程流通截面積 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 普蘭特準數(shù) 粘度校正 管程對流傳熱系數(shù) 管程流通截面積管程流體流速 普蘭特準數(shù)傳熱系數(shù)k傳熱面積s該換熱器的實際傳熱面積sp該換熱器的面積裕度為 傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。 （2）換熱器內(nèi)流體的壓力降 管程流動阻力 pi=(p1+p2)ftnsnpns=1, np=2, ft=1.4由re13653，傳熱管相對粗糙度0.01/200.005，查莫狄圖得i0.037 w/m， 流速ui0.500

17、m/s，994 .3kg/m3，所以 管程壓力降在允許范圍之內(nèi)。殼程壓力降流體流經(jīng)管束的阻力 流體流過折流板缺口的阻力 殼程壓力降也比較適宜。 三、設(shè)計結(jié)果一覽表換熱器形式：固定管板式換熱面積（m2）:179.7工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱自來水煤油操作壓力，pa未知未知操作溫度，30/40140/40流量，kg/h154455.429040.4流體密度，kg/m3994825流速，m/s0.5000.174傳熱量，kw1790.8總傳熱系數(shù)，w/m2k310傳熱系數(shù)，w/（m2）2753.7475污垢系數(shù)，m2k/w0.0003440.000172阻力降，pa3418.242343.03程數(shù)

18、21推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格252.5管數(shù)550管長mm:4500管間距，mm32排列方式正三角形折流板型式上下間距，mm300切口高度20%殼體內(nèi)徑mm1000保溫層厚度，mm未知表格 1四、總結(jié)及感想化工原理課程設(shè)計是培養(yǎng)個人綜合運用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識去解決某一設(shè)計任務(wù)的一次訓(xùn)練，也起著培養(yǎng)學(xué)生獨立工作能力的重要作用。經(jīng)過幾天的奮戰(zhàn)，終于完成了一個還算可以的設(shè)計，這幾天我過的很充實，是我大學(xué)生活里又一次最充實的生活，看著自己的勞動成果，心里有種說不出的感覺。畢竟自己的努力還算有所回報，我為自己的努力感到自豪，當然我也認識到了自己學(xué)習(xí)中的不足，看到了自己在運用知識方面欠缺,估計圖也就剛剛達到標準。我想說：為完成這次課程設(shè)計我們確實很辛苦，但苦中仍有樂。我們一邊忙著復(fù)習(xí)備考，一邊還要做課程設(shè)計，時間對我們來說一下子變得很寶貴，真是恨不得睡覺的時間也拿來用了。當自己越過一個又一個難題時，笑容在臉上綻放。當我看到設(shè)計終于完成的時候，我樂了。對我而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。從這次的課程設(shè)計中，我不僅鞏固了課本的知識，還學(xué)到了許許多多其