化工13級G杰化工課程設計2-1

1、中國石油大學（華東）化工原理課程設計2-1化工原理課程設計2-1說明書題 目：芳烴冷卻器設計學生姓名：郭杰學 號：1303010806專業(yè)班級：化學工程與工藝1306 班指導教師：王蘭娟2015年 7 月 9日化工原理課程設計（2-1）任務書 專業(yè)班級： 化工 1306 學號：1303010806 學生：郭杰 一、 題目芳烴冷卻器的設計 二、 設計任務及操作條件工藝流體熱流體（苯 51%+甲苯 49%)冷流體（Water）總質量流率/（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：熱流體組成為質量百分數三、選擇合適的列管式換熱器并進行核算1 選擇合適的換熱器； 2 計算熱負荷； 3 計算溫差和估計傳熱系數； 4 估算換熱面積； 5 計算管程壓降和給熱系數； 6 計算殼程壓降和給熱系數； 7 計算傳熱系數； 8 校核傳熱面積。 四、設計要求1. 手工計算完成換熱器設計與校核； 2. 用 EDR 軟件完成換熱器的設計、校核； 3. 提交電子版及紙板：設計說明書、計算源程序。 發(fā)出日期 2015年7月6日 交入日期 2015年7月11 日 指導教師 王蘭娟 目錄前 言 1第1章 設計計算3 1.1 確定設計方案3 1.1.1

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

4、 2.2 換熱器內流體的流動阻力7 2.2.1 管程流動阻力 7 2.2.2殼程流動阻力 8第3章 換熱器主要工藝結構參數和計算結果9第4章 EDR設計與校核10 4.1 初步規(guī)定10 4.2 EDR設計 10 4.2.1 建立文件 10 4.2.2 設置選項 10 4.2.3 工藝參數 11 4.2.4 物性數據 12 4.2.5 結構數據 12 4.2.6 結果數據 13 4.3 EDR校核 15 4.3.1 換熱器評價分析及調整選項 15 4.3.2 EDR校核分析 164.4 EDR設計結果17參考文獻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，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設計、制造、結構改進及傳熱機理的研究十分活躍，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，性能各異。在換熱器設計中，首先應根據工藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結構尺寸。 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、壁式換熱器應用最廣泛，按照傳熱面的形狀和結構特點又可分為管殼式換熱器、板面式換熱器和擴展表面式換熱器（板翅式、管翅式等），如表1所示。表1 傳熱器的結構分類 類 型 特 點 間 壁 式 管 殼 式 列管式 固定管板式 剛性結構 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) 有一定的溫度補償能力，殼程只能承受低壓力 浮頭式 管內外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合 U型管式 管內外均能承受高壓，管內清洗及檢修困難 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 內填料函 密封性能差，只能用于壓差較小的場合 釜式 殼體上部有個蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮 雙套管式

7、結構比較復雜，主要用于高溫高壓場合和固定床反應器中 套管式 能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝器或預熱器 螺旋管式 沉浸式 用于管內流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱 噴淋式 只用于管內流體的冷卻或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，傳熱面能調整，主要用于粘性較大的液體間換熱 螺旋板式 可進行嚴格的逆流操作，有自潔的作用，可用作回收低溫熱能 平板式 結構緊湊，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行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場合 完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下各項

8、基本要求。 （1）合理地實現(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）經濟合理 24設計計算第1章 設計計算1.1 確定設計方案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，冬季操作時冷卻水進口溫度會降低，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選定流體流動空間及流速因循環(huán)冷卻水較易結垢，為便于污垢清洗，故選定冷卻水走管程，熱流體走殼程。同時選用25×2.5的碳鋼管，管內流速取。1.2 確定物性數據兩流體在定性溫度下的物性數據如下表：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)導熱系數 W/(m )熱流體73.5823.850.32891.8760.1263冷卻水38995.190.67844.1880.61731.3 計算總傳熱系數1.3.1 計算熱負荷（熱流量）按熱流體計算，即 (1-1)1.3.2 計算逆流平均溫度差 (1-2)

10、1.4 總傳熱系數K假設總傳熱系數5561.5 估算傳熱面積 (1-3)考慮15%的面積裕度，1.6 工藝結構尺寸1.6.1 管徑和管內流速選用的碳鋼換熱管,管內流速。1.6.2 管程數和傳熱管數根據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數 (1-4) 按單管程計算所需換熱管的長度 (1-5)按單管程設計，傳熱管過長，現(xiàn)取傳熱管長l=6m，則該換熱器的管程數為 (1-6) 傳熱管的總根數 N=180×2=360根1.6.3 平均傳熱溫差校正及殼程數 (1-7) 按單殼程雙管程結構查單殼程-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，即每層內按正三角形排列，隔板兩側按正方形排列。取管心距t=1.25,則t=1.25×2532mm 橫過管束中心線的管數=1.19=1.19=23根1.6.5 殼體內徑 采用多管程結構，取管板利用率=0.7，則殼體內徑，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，折流板圓缺水平安裝。1.6.7 接管殼程流體（熱流體）進出口接管：取接管內煤油流速為1.0m/s，則接管內徑,取標準管徑為200mm管程流體（循環(huán)水）進出口接管，取接管內循環(huán)水的流速為1.5m/s,則接管內徑，取標準管徑為200mm。 校核計算第2章 校核計算2.1 熱量核算2.1.1 殼程對流給熱系數對于圓缺形折流板，可采用克恩公式： (2-1)當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、雷諾數及普蘭德數分別為： (2-3) (2-4) (2-5) 2.1.2 管程對流給熱系數 (2-6)管程流通截面積: (2-7)管程流體流速、雷諾數及普

13、蘭德數分別為: (2-8） (2-9) (2-10）2.1.3 傳熱系數K (2-11）2.1.4 傳熱面積該換熱器的實際換熱面積:面積裕度為:換熱面積裕度合適，能夠滿足設計要求。2.2 換熱器內流體的流動阻力2.2.1 管程流動阻力 (2-12）（ 結垢校正系數， 管程數， 殼程數）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25×2.5mm的管子有，且，管程阻力在允許的范圍之內。<Pa (2-14）2.2.2殼程流動阻力 對殼程有折流擋板時，計算殼程阻力的方法有Bell法、Kern法和Esso法等。Bell法計算結果與實際數

14、據的一致性較好，但計算比較麻煩，而且對換熱器的結構尺寸要求較詳細。工程計算中常采用Esso法，該法的計算公式如下： (2-15） （為結垢校正系數，對液體 =1.15，為殼程數）流體流經管束的阻力： (2-16） F為管子排列方式對壓強降的校正系數，正三角形排列F=0.5，正方形直列F=0.3，正方形錯列時，F(xiàn)=0.4. 為殼程流體的摩擦系數，當 (2-17）為橫過管束中心線的管數，=23.折流板間距B=0.3m,折流板數=19 (2-18）流體流經折流板缺口的阻力： (2-19）由于37.66kP<90kP,該換熱器的管程與殼程壓降均滿足要求，故所設計的換熱器合適。換熱器主要工藝結構和

15、計算結果第3章 換熱器主要工藝結構參數和計算結果將本換熱器的設計計算結果列于下表：表3 換熱器主要工藝結構參數和計算結果設備結構參數型式固定管板式換熱器殼程數1殼體內徑/500臺數1管徑/20×2.5管心距/32管長/6000管子排列正三角形管數目/(根)342折流板數/(塊)9傳熱面積/158.7折流板間距/200管程數2材質碳鋼管主要計算結果管程殼程流速/0.851.07污垢熱阻/0.000160.00015阻力/4.7737.66熱流量/傳熱系數/ 612.3裕度/ 24.7EDR設計與校核第4章EDR設計與校核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，折流板切口方向為水平方向。4.2 EDR設計4.2.1 建立文件 啟動EDR軟件，在File菜單下選擇“ Shells and Tube Exchanger” ，點擊OK，選擇保存路徑，將文件保存。4.2.2 設置選項4.2.3 工藝參數4.2.

17、4 物性數據4.2.5 結構數據4.2.6 結果數據（1）結構參數換熱器形式為單臺1管程BEM換熱器，殼體內徑徑660mm，管長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，需在校核模式中調整。（3）壓降殼側壓降0.1306bar，管側壓降0.0377bar，小于允許壓降。（4）流速殼側最高流速2.14m/s，管側最高流速1.07m/s，管側流速偏高，殼側偏高，在校核模式調節(jié)。（5）傳熱系數總傳熱系數為702.6W/(m2)，在經驗值范圍內。（6）傳熱溫差為34.64，無矯正。4.3 EDR校核4.3.1 換熱器評

18、價分析及調整選項4.3.2 EDR校核分析分析項目：（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，殼側壓力降和管側壓力降均小于允許壓力降。（3）流速“Velocities”區(qū)域所示，換熱器殼側和管側流速分別為1.07 m/s和0.85m/s，均在合理范圍內。（4）傳熱系數換熱器總傳熱系數為702.6W/m2·K，在經驗值范圍之內。（5）熱阻分布熱阻集中分布在殼側，符合原油實際情況，對于浮頭式殼側亦容易清洗。換熱器殼側熱阻和管側熱阻分別為總熱阻的45.3%和21.4%。（6）壓降分布錯流、窗口流壓降分別61

19、.89%和26.58%，殼側和進出口管嘴壓降分別為4%、2.68%，管側和進出口管嘴壓降分別為7.9%、4.08%，壓降分布合理4.4 EDR設計結果 設計出的換熱器型號為:。具體的結構參數為：公稱直徑700 mm；管子為25mm×2.5mm的碳鋼管，長度為4.5 m，管心距為31.2 mm，管子數為342，管程數為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。中國石油大學（華東）化工原理課程設計2-1參考文獻1石油化學工程原理（上） 中國石化出版社.2石油煉制及石油化工計算方法圖表集 煉制系編.3化學工程手冊 化學工業(yè)出版社.4冷換設備工藝計算手冊 中國石化出版社.5換熱器工藝設計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.中國石油大