化工13級(jí)G杰化工課程設(shè)計(jì)2-1

1、中國(guó)石油大學(xué)（華東）化工原理課程設(shè)計(jì)2-1化工原理課程設(shè)計(jì)2-1說明書題 目：芳烴冷卻器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：郭杰學(xué) 號(hào)：1303010806專業(yè)班級(jí)：化學(xué)工程與工藝1306 班指導(dǎo)教師：王蘭娟2015年 7 月 9日化工原理課程設(shè)計(jì)（2-1）任務(wù)書 專業(yè)班級(jí)： 化工 1306 學(xué)號(hào)：1303010806 學(xué)生：郭杰 一、 題目芳烴冷卻器的設(shè)計(jì) 二、 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件工藝流體熱流體（苯 51%+甲苯 49%)冷流體（Water）總質(zhì)量流率/（kg·s-1）3128入口溫度/9328出口溫度/54入口壓力（絕壓）/k Pa550450允許壓力降/k Pa9060污垢熱阻/（m2·K

2、·W-1）0.000150.00016注：熱流體組成為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)三、選擇合適的列管式換熱器并進(jìn)行核算1 選擇合適的換熱器； 2 計(jì)算熱負(fù)荷； 3 計(jì)算溫差和估計(jì)傳熱系數(shù)； 4 估算換熱面積； 5 計(jì)算管程壓降和給熱系數(shù)； 6 計(jì)算殼程壓降和給熱系數(shù)； 7 計(jì)算傳熱系數(shù)； 8 校核傳熱面積。 四、設(shè)計(jì)要求1. 手工計(jì)算完成換熱器設(shè)計(jì)與校核； 2. 用 EDR 軟件完成換熱器的設(shè)計(jì)、校核； 3. 提交電子版及紙板：設(shè)計(jì)說明書、計(jì)算源程序。 發(fā)出日期 2015年7月6日 交入日期 2015年7月11 日 指導(dǎo)教師 王蘭娟 目錄前 言 1第1章 設(shè)計(jì)計(jì)算3 1.1 確定設(shè)計(jì)方案3 1.1.1

3、選定換熱器類型3 1.1.2選定流體流動(dòng)空間及流速3 1.2 確定物性數(shù)據(jù)3 1.3 計(jì)算總傳熱系數(shù)3 1.3.1 計(jì)算熱負(fù)荷（熱流量） 3 1.3.2 計(jì)算逆流平均溫度差 3 1.4 總傳熱系數(shù) K4 1.5 估算傳熱面積4 1.6 工藝結(jié)構(gòu)尺寸4 1.6.1 管徑和管內(nèi)流速 4 1.6.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 4 1.6.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 4 1.6.4 傳熱管排列和分程方法 4 1.6.5 殼體內(nèi)徑 5 1.6.6 折流板 5第2章 校核計(jì)算6 2.1 熱量核算6 2.1.1 殼程對(duì)流給熱系數(shù) 6 2.1.2 管程對(duì)流給熱系數(shù) 7 2.1.3 傳熱K7 2.1.4 傳熱面積 7

4、 2.2 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力7 2.2.1 管程流動(dòng)阻力 7 2.2.2殼程流動(dòng)阻力 8第3章 換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果9第4章 EDR設(shè)計(jì)與校核10 4.1 初步規(guī)定10 4.2 EDR設(shè)計(jì) 10 4.2.1 建立文件 10 4.2.2 設(shè)置選項(xiàng) 10 4.2.3 工藝參數(shù) 11 4.2.4 物性數(shù)據(jù) 12 4.2.5 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 12 4.2.6 結(jié)果數(shù)據(jù) 13 4.3 EDR校核 15 4.3.1 換熱器評(píng)價(jià)分析及調(diào)整選項(xiàng) 15 4.3.2 EDR校核分析 164.4 EDR設(shè)計(jì)結(jié)果17參考文獻(xiàn)18致 謝19附 錄 20附錄A20附錄B22前言前言在換熱器中至少要有兩種溫度不同

5、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。3540。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。 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)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計(jì)算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。 換熱器按用途不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器、深冷器、過熱器等。 換熱器按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中間

6、壁式換熱器應(yīng)用最廣泛，按照傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可分為管殼式換熱器、板面式換熱器和擴(kuò)展表面式換熱器（板翅式、管翅式等），如表1所示。表1 傳熱器的結(jié)構(gòu)分類 類 型 特 點(diǎn) 間 壁 式 管 殼 式 列管式 固定管板式 剛性結(jié)構(gòu) 用于管殼溫差較小的情況（一般50），管間不能清洗 帶膨脹節(jié) 有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受低壓力 浮頭式 管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場(chǎng)合 U型管式 管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難 填料函式 外填料函 管間容易泄漏，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質(zhì) 內(nèi)填料函 密封性能差，只能用于壓差較小的場(chǎng)合 釜式 殼體上部有個(gè)蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮 雙套管式

7、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場(chǎng)合和固定床反應(yīng)器中 套管式 能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器 螺旋管式 沉浸式 用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱 噴淋式 只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱 螺旋板式 可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流操作，有自潔的作用，可用作回收低溫?zé)崮?平板式 結(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈 板殼式 板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高 混合式 適用于允許換熱流體之間直接接觸 蓄熱式 換熱過程分階段交替進(jìn)行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場(chǎng)合 完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)

8、基本要求。 （1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 （2）安全可靠（3）有利于安裝、操作與維修（4）經(jīng)濟(jì)合理 24設(shè)計(jì)計(jì)算第1章 設(shè)計(jì)計(jì)算1.1 確定設(shè)計(jì)方案1.1.1選定換熱器類型兩流體溫度變化情況：熱流體（苯 40%+甲苯 60%）入口溫度為93，出口溫度為54，冷流體（冷卻水）入口溫度為28，出口溫度選為48.兩流體的定性溫度如下：熱流體（苯 40%+甲苯 60%）的定性溫度 =（93+54）/2 = 73.5冷卻水定性溫度 =（28+48）/2 = 38 兩流體的溫度差 = 73.5-38 = 35.5因該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)冷卻水進(jìn)口溫度會(huì)降低，因此殼體壁溫和管壁溫相差較大，

9、故選用帶膨脹節(jié)的列管式換熱器。1.1.2選定流體流動(dòng)空間及流速因循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于污垢清洗，故選定冷卻水走管程，熱流體走殼程。同時(shí)選用25×2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取。1.2 確定物性數(shù)據(jù)兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下表：表2 兩流體在定性溫度下的物性流體物性定性溫度密度kg/m3粘度 mPa s比熱 kJ/(kg)導(dǎo)熱系數(shù) W/(m )熱流體73.5823.850.32891.8760.1263冷卻水38995.190.67844.1880.61731.3 計(jì)算總傳熱系數(shù)1.3.1 計(jì)算熱負(fù)荷（熱流量）按熱流體計(jì)算，即 (1-1)1.3.2 計(jì)算逆流平均溫度差 (1-2)

10、1.4 總傳熱系數(shù)K假設(shè)總傳熱系數(shù)5561.5 估算傳熱面積 (1-3)考慮15%的面積裕度，1.6 工藝結(jié)構(gòu)尺寸1.6.1 管徑和管內(nèi)流速選用的碳鋼換熱管,管內(nèi)流速。1.6.2 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) (1-4) 按單管程計(jì)算所需換熱管的長(zhǎng)度 (1-5)按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=6m，則該換熱器的管程數(shù)為 (1-6) 傳熱管的總根數(shù) N=180×2=360根1.6.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) (1-7) 按單殼程雙管程結(jié)構(gòu)查單殼程-P-R圖，得=0.84=0.84=0.84×34.64=29.10 (1-8) 單殼程雙管程屬

11、于1-2折流，現(xiàn)用1-2折流的公式計(jì)算平均溫度差 (1-9)1.6.4 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t=1.25,則t=1.25×2532mm 橫過管束中心線的管數(shù)=1.19=1.19=23根1.6.5 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，圓整取D=800mm (1-10)1.6.6 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h=0.25×800=200mm,取h=200mm取折流板間距為B=0.3D=0.3×800=240mm,取B=30

12、0mm折流板數(shù)，折流板圓缺水平安裝。1.6.7 接管殼程流體（熱流體）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200mm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200mm。 校核計(jì)算第2章 校核計(jì)算2.1 熱量核算2.1.1 殼程對(duì)流給熱系數(shù)對(duì)于圓缺形折流板，可采用克恩公式： (2-1)當(dāng)量直徑由正三角形排列得： (2-2)殼程流通截面積： (2-2)殼程流體流速、雷諾數(shù)及普蘭德數(shù)分別為： (2-3) (2-4) (2-5) 2.1.2 管程對(duì)流給熱系數(shù) (2-6)管程流通截面積: (2-7)管程流體流速、雷諾數(shù)及普

13、蘭德數(shù)分別為: (2-8） (2-9) (2-10）2.1.3 傳熱系數(shù)K (2-11）2.1.4 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。2.2 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力2.2.1 管程流動(dòng)阻力 (2-12）（ 結(jié)垢校正系數(shù)， 管程數(shù)， 殼程數(shù)）取換熱管的管壁粗糙度為0.01mm，則,由于查圖得=0.036， (2-12） (2-13）對(duì)25×2.5mm的管子有，且，管程阻力在允許的范圍之內(nèi)。<Pa (2-14）2.2.2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)

14、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： (2-15） （為結(jié)垢校正系數(shù)，對(duì)液體 =1.15，為殼程數(shù)）流體流經(jīng)管束的阻力： (2-16） 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F=0.3，正方形錯(cuò)列時(shí)，F(xiàn)=0.4. 為殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng) (2-17）為橫過管束中心線的管數(shù)，=23.折流板間距B=0.3m,折流板數(shù)=19 (2-18）流體流經(jīng)折流板缺口的阻力： (2-19）由于37.66kP<90kP,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。換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)和

15、計(jì)算結(jié)果第3章 換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果將本換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果列于下表：表3 換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)型式固定管板式換熱器殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/500臺(tái)數(shù)1管徑/20×2.5管心距/32管長(zhǎng)/6000管子排列正三角形管數(shù)目/(根)342折流板數(shù)/(塊)9傳熱面積/158.7折流板間距/200管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼管主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/0.851.07污垢熱阻/0.000160.00015阻力/4.7737.66熱流量/傳熱系數(shù)/ 612.3裕度/ 24.7EDR設(shè)計(jì)與校核第4章EDR設(shè)計(jì)與校核4.1 初步規(guī)定（1）流體空間選擇熱流體走殼程，冷流體走管程。（2

16、）殼體和封頭換熱流體為甲苯和乙苯，選擇平蓋管箱B。冷熱流體溫差較大，因此選擇浮頭式換熱器，后端選擇S,殼體形式選擇單殼程。因此，TEMA type 選擇BEM。（3）換熱管選用管外徑19mm，壁厚2mm的碳鋼換熱管。由于殼程流體較臟，且為浮頭式換熱器，因此換熱管選錯(cuò)列正三角形，管間距25mm。（4）折流板選單弓形折流板。（5）換熱器方位換熱器水平放置，折流板切口方向?yàn)樗椒较颉?.2 EDR設(shè)計(jì)4.2.1 建立文件 啟動(dòng)EDR軟件，在File菜單下選擇“ Shells and Tube Exchanger” ，點(diǎn)擊OK，選擇保存路徑，將文件保存。4.2.2 設(shè)置選項(xiàng)4.2.3 工藝參數(shù)4.2.

17、4 物性數(shù)據(jù)4.2.5 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)4.2.6 結(jié)果數(shù)據(jù)（1）結(jié)構(gòu)參數(shù)換熱器形式為單臺(tái)1管程BEM換熱器，殼體內(nèi)徑徑660mm，管長(zhǎng)4500mm，管外徑25mm，管壁厚2.5mm，管子排列方式為正三角形，管間距32mm，單弓形折流板。（2） 面積余量 為零，需在校核模式中調(diào)整。（3）壓降殼側(cè)壓降0.1306bar，管側(cè)壓降0.0377bar，小于允許壓降。（4）流速殼側(cè)最高流速2.14m/s，管側(cè)最高流速1.07m/s，管側(cè)流速偏高，殼側(cè)偏高，在校核模式調(diào)節(jié)。（5）傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)為702.6W/(m2)，在經(jīng)驗(yàn)值范圍內(nèi)。（6）傳熱溫差為34.64，無(wú)矯正。4.3 EDR校核4.3.1 換熱器評(píng)

18、價(jià)分析及調(diào)整選項(xiàng)4.3.2 EDR校核分析分析項(xiàng)目：（1）面積余量圓整后換熱器的面積余量為24.7%，符合工藝要求。（2）壓力降“Process Conditions”區(qū)域所示，殼側(cè)壓力降和管側(cè)壓力降均小于允許壓力降。（3）流速“Velocities”區(qū)域所示，換熱器殼側(cè)和管側(cè)流速分別為1.07 m/s和0.85m/s，均在合理范圍內(nèi)。（4）傳熱系數(shù)換熱器總傳熱系數(shù)為702.6W/m2·K，在經(jīng)驗(yàn)值范圍之內(nèi)。（5）熱阻分布熱阻集中分布在殼側(cè)，符合原油實(shí)際情況，對(duì)于浮頭式殼側(cè)亦容易清洗。換熱器殼側(cè)熱阻和管側(cè)熱阻分別為總熱阻的45.3%和21.4%。（6）壓降分布錯(cuò)流、窗口流壓降分別61

19、.89%和26.58%，殼側(cè)和進(jìn)出口管嘴壓降分別為4%、2.68%，管側(cè)和進(jìn)出口管嘴壓降分別為7.9%、4.08%，壓降分布合理4.4 EDR設(shè)計(jì)結(jié)果 設(shè)計(jì)出的換熱器型號(hào)為:。具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：公稱直徑700 mm；管子為25mm×2.5mm的碳鋼管，長(zhǎng)度為4.5 m，管心距為31.2 mm，管子數(shù)為342，管程數(shù)為2，排列角度為30°；折流板為圓缺率25%的單弓形折流板，間距為480 mm。中國(guó)石油大學(xué)（華東）化工原理課程設(shè)計(jì)2-1參考文獻(xiàn)1石油化學(xué)工程原理（上） 中國(guó)石化出版社.2石油煉制及石油化工計(jì)算方法圖表集 煉制系編.3化學(xué)工程手冊(cè) 化學(xué)工業(yè)出版社.4冷換設(shè)備工藝計(jì)算手冊(cè) 中國(guó)石化出版社.5換熱器工藝設(shè)計(jì)6 GB 151-1999管殼式換熱器.7 JB/T 4715-92 固定管板式換熱器與基本參數(shù).中國(guó)石油大