化工原理課程設(shè)計(jì)-換熱器

化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)院專業(yè)班學(xué)生姓名學(xué)號(hào)：設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)時(shí)間：年月日一一年月日指導(dǎo)老師：設(shè)計(jì)任務(wù)：某煉油廠用柴油將原油預(yù)熱。柴油和原油的有關(guān)參數(shù)如下表，兩側(cè)的污垢熱阻均可取1.72X10-4m2?K/W,換熱器熱損失忽略不計(jì)，管程的絕對(duì)粗糙度s=0.1mm，要求兩側(cè)的阻力損失均不超過0.3X105Pa。試設(shè)計(jì)一臺(tái)適當(dāng)?shù)牧泄苁綋Q熱器。(y：學(xué)號(hào)后2位數(shù)字)物料溫度°C質(zhì)量流量kg/h比熱kJ/(kg?C)密度kg/m3導(dǎo)熱系數(shù)W/(m?C)粘度Pa.s工作壓力入口出口柴油175T234000+100*y2.487150.1330.64X10-3常壓原油7011044000+150*y2.208150.1283.0X10-3常壓設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)方案的確定及流程說明換熱面積的估算(3)管子尺寸及數(shù)目計(jì)算管子在管板上的排列殼體內(nèi)徑的確定附件設(shè)計(jì)(選型)換熱器校核(包括換熱面積、壓力降等)設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述或有關(guān)問題的分析討論參考文獻(xiàn)圖紙要求：1、換熱器化工設(shè)備圖(1#圖紙)目錄第一章文獻(xiàn)綜述第一節(jié)概述一、換熱器的概念二、換熱器的分類三、列管式換熱器的標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介四、列管式換熱器選型的工藝計(jì)算步驟第二節(jié)換熱器設(shè)備應(yīng)滿足的基本要求一、合理的實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件二、安全可靠性三、安裝、操作及維護(hù)方便四、經(jīng)濟(jì)合理第三節(jié)列管式換熱器結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)一、管束及殼程分程二、傳熱管三、管的排列及管心距四、折流板和支撐板五、旁路擋板和防沖擋板六、其他主要附件七、列管式換熱器結(jié)構(gòu)基本參數(shù)第四節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算的參數(shù)選擇一、冷卻劑和加熱劑的選擇二、冷熱流體通道的選擇三、流速的選擇四、流向的選擇第二章列管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算第一節(jié)換熱面積的估算一、計(jì)算熱負(fù)荷二、估算傳熱面積第二節(jié)換熱器及主要附件的試選一、試選管型號(hào)二、換熱器結(jié)構(gòu)一些基本參數(shù)的選擇第三節(jié)換熱器校核一、核算總傳熱系數(shù)二、核算壓強(qiáng)降第四節(jié)設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表第五節(jié)設(shè)計(jì)總結(jié)及感想一、設(shè)計(jì)總結(jié)二、感想?yún)⒖嘉墨I(xiàn)第一章文獻(xiàn)綜述(略)第二章列管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算第一節(jié)換熱面積的估算一、計(jì)算熱負(fù)荷(不考慮熱損失)由于設(shè)計(jì)條件所給為無相變過程。由設(shè)計(jì)任務(wù)書可知熱負(fù)荷為Q=w原油Cp原油(t2-t1)=(50000/3600)X2.20X1000X(110-70)=1222222W.由熱量守恒可計(jì)算柴油出口溫度T2Q=w柴油Cp柴油(T1-T2)=(38000/3600)X2.48X1000X(175-T2)=1222222WT2=128.31°C二、計(jì)算平均溫度差：ti=175-110=65Ct2=128.31-70=58.31C逆流溫度差A(yù)t=七了2=65—5V=61.6Cm逆lAtm65nAt4"58.312三、確定流體走向由于原油溫度低于柴油，為減少熱損失和充分利用柴油的熱量，選擇原油走殼程，柴油走管程。換熱面積估算由《化工原理課程設(shè)計(jì)》的表4-6，取K估=200W/(m2?。0.先假設(shè)換熱器為單管程、單殼程的，且冷熱流體逆流接觸。則A估二Q/(K估乂乙tm逆)=1222222/(200X61.6)=99.2m2.預(yù)先估算傳熱面積為99.2m2。五、選柴油的流速為ui=1m/s取換熱管的規(guī)格為①25X2.5mm碳素鋼管(8.3kg/6m)。估算單管程的管子根數(shù)n'="柴油n=38000X4=47.02e473600Xp柴油X彳d「u13600x715x3.14x(0.02)2x1根。根據(jù)傳熱面積A估計(jì)算管子的長度L’,有A99.2,L=一—==26.9n27m兀d2n'3.14x0.025x47式中：q換熱管的內(nèi)徑，為0.02md0----換熱管的外徑，為0.025m五、管程數(shù)Nt的確定由于L’數(shù)值太大，換熱器不可使用單管程的形式，必須用多管程。我們選擇管程的長度為6m，則Nt=L76=27/6=4.5^4.(管程數(shù)通常選擇偶數(shù))六、校正溫度差R=(T1-T2)/(t2-t1)=(175-128.31)/(110-70)=1.167P=(t2-ti)/(Ti-ti)=(110-70)/(175-70)=0.381根據(jù)R,P的值，查化工原理教材中圖4-25(a),得溫度校正系數(shù)9=0.91>0.9,說明換熱器采用單殼程，四管程的結(jié)構(gòu)是合適的?！鱰m=^XAtm逆=0.91*61.6=56.06°C。七、求實(shí)際換熱面積A實(shí)際換熱管數(shù)為n’XNt=47X4=188根。A實(shí)際二LX(nXd0)Xn’=6X(3.14X0.025)X188=88.55m2.實(shí)際換熱面積為88.55m2.八、選擇換熱器殼體尺寸選擇換熱管為三角形排列，換熱管的中心距為t=32mm。橫過管束中心線的管數(shù)：n=1.1.際=1.1^188=15.1牝16C最外層換熱管中心線距殼體內(nèi)壁距離：b'=(1——1.5)d0，此處b’取一倍d0,即b'=0.025m殼體內(nèi)徑：D=t(n-1)+2b'=0.032x15+2x0.025=0.53mc圓整后，換熱器殼體圓筒內(nèi)徑為D=550mm，殼體厚度選擇8mm。長度定為5996mm。殼體的標(biāo)記：筒體DN5506=8L=5910。筒體材料選擇為Q235-A，單位長度的筒體重110kg/m,殼體總重為110*(5.910-0.156)=632.94kg。(波形膨脹節(jié)的軸向長度為0.156m，見本設(shè)計(jì)設(shè)備圖)九、確定折流擋板形狀和尺寸選擇折流擋板為有弓形缺口的圓形板，直徑為540mm,厚度為6mm。缺口弓形高度為圓形板直徑的約1/4，本設(shè)計(jì)圓整為120mm。折流擋板上換熱管孔直徑為25.6mm，共有188-22-13/2=159.5個(gè)；拉桿管孔直徑為16.6mm，每個(gè)折流擋板上有4個(gè)。折流擋板上的總開孔面積=159.5*514.7185+4*216.4243=82963.2972mm2。折流擋板的實(shí)際面積=191126.3264-82963.2972=108163.0292mm2，重量為5.1kg。選擇折流擋板間距h=400mm。折流擋板數(shù)NB=L/h-1=6000/400-1=14塊.換熱管排列的橫截面如下圖所示：圖中圓環(huán)形的剖切面表示換熱器殼體的剖面.換熱管分為四個(gè)管程,每個(gè)管程47根換熱管(圖中各個(gè)小菱形的頂點(diǎn)表示換熱管橫截面的中心).圖中8個(gè)”十”字形表示拉桿的開孔，拉桿直徑為16mm.十、波形膨脹節(jié)冷流體原油為黏度較高的流體，其定性溫度為(110*0.4+70*0.6)=86°C;熱流體柴油的定性溫度為(175*0.5+128.31*0.5)

=87.5+64.155=151.66°C.冷熱流體的定性溫度差二151.66-86=65.66°C>50°C,所以換熱器殼體上要安裝波形膨脹節(jié)。波形膨脹節(jié)的壁厚與殼體相同，為8mm。根據(jù)換熱器殼體的公稱直徑550mm,可知波形膨脹節(jié)的公稱直徑也是550mm，根據(jù)公稱直徑，查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》（化學(xué)工業(yè)出版社，2008）書中表16-9的對(duì)應(yīng)條目，獲得波形膨脹節(jié)的具體尺寸（見換熱器設(shè)備圖）。單個(gè)波形膨脹節(jié)的質(zhì)量=4579586.3154mm3X7.8X10-3X10-3kg?mm-3=35.721kg。十一、傳熱系數(shù)K的計(jì)算1.管程對(duì)流傳熱系數(shù)aI4x4x38000u=W柴油/3600===1.00m/s1兀3600x3.14x0.022x715x47—xd2xp柴油xn，雷諾數(shù)Re=d1U1P柴油=0.02xL00x715=22344，1旦0.64x10-31普蘭德數(shù)Pr=￡Zl=2.48x103x0.64x10一3=1193，0.1331人?10.133柴油的黏度小于常溫水黏度的兩倍，是低黏度液體，且是被冷卻，所以0.02a=0.023卓Re0.8Pr0.3=0.023x01133x(22344)0.8x(11.93)0.3=970.2w/(m2?iC)0.022.殼程對(duì)流傳熱系數(shù)ao殼程流通截面積:S=hD(1-L)=0.400X0.550x(1-25)=0.0481m2t32殼程流速：七油/3600=50000/3600=0.354m/sP柴油S815x0.0481換熱管為三角形排列，殼程的當(dāng)量直徑為4^2312-§d22)4X(號(hào)x0.0322-罕X0.0252)d福3.14x0.0252=4x(8.87-4.91)x10-4/0.0785=0.0202m雷諾數(shù)Re2du2P柴油旦20.0202x0.354x815=1943，3.0x10-3普蘭德數(shù)Pr22.20x103x3.0x10-30.128=51.56，原油被加熱，所以a=0.36二Re0.55Pr0.333甲=0.36x0.128x(1943)0.55x(51.56)0.333x1.05odR0.0202e=2.28x64.37x3.72x1.05=573.2w/(m2?°C)3.污垢熱阻根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，兩側(cè)的污垢熱阻Rso=Rsj1.72X10-4m2?C/W。4.總傳熱系數(shù)KoK=1;取管壁Aw=45w/(m，C)o1+r*bd*rd*daso人dsidad2mmi1i1573.2+1.72x10-4+0.0025x0.02545x0.0225+1.72x10-4x0.0250.025+0.020970.2x0.0200.001745+1.72x10-4+6.17x10-5+2.15x10-4+0.001288=287.2w/(m2?°C)A需要二Q/(KX△^)=1222222/(287.2X56.06)=75.91m2.面積裕量："實(shí)際—A需要x100%=88.55—7'91x100%=16.65%〉15%A75.91需要符合換熱器設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。十二、壓強(qiáng)降的計(jì)算管程壓強(qiáng)降已知管程直管的絕對(duì)粗糙度￡=0.1mm，則￡/d=0.1/20=0.005,雷1諾準(zhǔn)數(shù)Re=叩1「柴油=22344，查摩擦系數(shù)圖1-28，得到入二0.035,所以，每程1口1直管的壓降：Ap=XL「柴油U「=0.035x—x715x12=3753.75Pa；1d、20.0202柴油在每管程中局部阻力導(dǎo)致的壓強(qiáng)降按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算如下：Ap=3x'柴油U「=3x715x12=1072.5Pa；222一般地，流體流經(jīng)換熱器進(jìn)出口導(dǎo)致的壓強(qiáng)降可以忽略。對(duì)于①25X2.5的換熱管，結(jié)垢校正系數(shù)F=1.4；因?yàn)槭菃螝こ獭四管程的換熱器，所以Ns=1，Np=4；￡Ap=(Ap1+Ap2)xFxNpxN=(375375+10725)x1.4x4x1=27027Pa<30000Pa,符合任務(wù)書的要求。2.殼程壓強(qiáng)降流體橫過管束的壓強(qiáng)降：管子排列方法對(duì)壓強(qiáng)降的校正因數(shù)F=0.5(正三角形排列)；殼程流體的摩擦系數(shù)f。，當(dāng)Re?500時(shí)，fo=5.0XRe2-0.228=5.0X1943-0.228=0.89；橫過管束中心線的管子數(shù)nc=15；折流板數(shù)N=14；B殼程流速u2=0.354m/s；p原油二815kg/m3△p'=Ffn(N+1)P原油U22=0.5x0.89x15x(14+1)x815*0.3542=5113P1oc、B'22a；流體通過折流板缺口的壓強(qiáng)降：折流板間距h=400mm=0.400m；殼體內(nèi)徑D=550mm=0.550mXp=N(3.5-當(dāng)^2=14x(3.5-^400)x815x庭542=1462Pa2B、D20.5502一般地，流體流經(jīng)換熱器進(jìn)出口導(dǎo)致的壓強(qiáng)降可以忽略。殼程總壓降：對(duì)于液體殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢校正系數(shù)F=1.15；s殼程數(shù)Ns=1￡詢=(Ap1'+Ap2')xFxN=(5113+1462)x1.15x1=7561Pa<30000Pa.符合任務(wù)書的要求。十三、主要附件的選擇1.接管及法蘭的選型1）管口A管口A為柴油出口。接管管徑的確定：流量為38000kg/h，密度為715kg/m3,相當(dāng)于q=38000/715/3600=0.01476m3/s。柴油為低粘度流體，在接管中的合理流速u=12m/s。本設(shè)計(jì)取u=1m/s。則接管的內(nèi)徑二：亶=：'4x0.01476=0.1371m=137mm。接管的外徑選擇為159mm，壁厚"兀xu\3.14x1選擇為4.5mm,材質(zhì)為20鋼，每米管子的重量17.14kg（GB-T17395-1998無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差）。接管長度的選擇：接管的長度L選擇150mm，則重量為2.6kg。接管的標(biāo)記：接管①159X4.5L=150接管法蘭的選擇：查《大學(xué)工程制圖》（華東理工大學(xué)出版社，2005）表14-5，接管外徑d=159mm的板式平焊鋼制管法蘭的公稱通徑DN=150mm。選擇公H稱壓力PN=0.6MPa的突面法蘭，材料為Q235-A，標(biāo)記為：HG20592法蘭PL150（B）-0.6RFQ235-A。重量為5.14kg。該法蘭有8個(gè)均布在外周的螺孔，使用8個(gè)M16螺栓、螺母、墊片與工藝管道連接。2）管口B管口B為原油出口。原油的流量為50000kg/h,密度為815kg/m3,相當(dāng)于q=50000/815/3600=0.01704m3/s。原油在接管中的合理流速u=1——2m/s。本設(shè)計(jì)取u=1m/s。則接管的內(nèi)徑二：互二：'4xO.°17°4=0.147m=147mm。選擇接管的外徑、壁厚、材質(zhì)、偵XU\3.14x1長度和接管法蘭都與管口A的相同。3）管口C管口C為排氣口。接管管徑的確定：接管的外徑選擇32mm，壁厚選擇為3.5mm，材質(zhì)為20鋼，每米管子的重量2.46kg（GB-T17395-1998無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差）。接管長度的選擇：接管的長度L選擇150mm，則重量為0.369kg。接管的標(biāo)記：接管①32X3.5L=150接管法蘭的選擇：查《大學(xué)工程制圖》（華東理工大學(xué)出版社，2005）表14-5，接管外徑d=32mm的板式平焊鋼制管法蘭的公稱通徑DN=25mm。選擇公稱H壓力PN=0.6MPa的突面法蘭，材料為Q235-A，標(biāo)記為：HG20592法蘭PL25（B）-0.6RFQ235-A。該法蘭有4個(gè)均布在外周的螺孔，使用4個(gè)M10螺栓、螺母、墊片與配套的法蘭蓋裝配。4）管口D管口D為原油進(jìn)口。接管、法蘭與管口A和B的完全相同。5）管口E管口E為排污口。接管管徑的確定：接管的外徑選擇57mm，壁厚選擇為3.5mm，材質(zhì)為20鋼，每米管子的重量4.62kg。接管長度的選擇：接管的長度L選擇150mm，則重量為0.693kg。接管的標(biāo)記：接管①57X3.5L=150接管法蘭的選擇：查《大學(xué)工程制圖》（華東理工大學(xué)出版社，2005）表14-5，接管外徑d=57mm的板式平焊鋼制管法蘭的公稱通徑DN=50mm。選擇公稱H壓力PN=0.6MPa的突面法蘭，材料為Q235-A，標(biāo)記為：HG20592法蘭PL50（B）-0.6RFQ235-A。重量為1.51kg。該法蘭有4個(gè)均布在外周的螺孔，使用4個(gè)M12螺栓、螺母、墊片與配套的法蘭蓋裝配。6）管口F管口F為柴油進(jìn)口。接管、法蘭與管口A、B和D的完全相同。左管板的選型1）管板厚度：《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》（化學(xué)工業(yè)出版社，2008）中有表16-8管板厚度表。管板的設(shè)計(jì)壓力為管、殼程設(shè)計(jì)壓力中的大者。當(dāng)設(shè)計(jì)壓力小于1MPa時(shí)，取為1MPa；表中的設(shè)備殼體內(nèi)徑X壁厚最接近本課程設(shè)計(jì)值的是600X8；管、殼程的溫度差=151.66-86=65.66^；根據(jù)上述的設(shè)計(jì)壓力、殼體內(nèi)徑X壁厚以及溫度差，查表得管板的厚度6=42mm。管板材料為16Mn（鍛件）。2）管板形狀：管板同時(shí)起到法蘭的作用，密封面為凸面，可以和管箱的法蘭（密封面為凹面）連接。管板直徑與管箱法蘭的相同，為665mm。外周均布24個(gè)①18螺孔，管板重量約為：（-x0.6652-188x-x0.0252-24x-x0.0182）x0.042x7800=82kg。444管板的大致形狀如下圖.④④④④④3）管板的開孔開孔和管程隔板密封槽分布情況:左管板共有188個(gè)安裝換熱管的開孔和8個(gè)拉桿安裝孔以及2道管程隔板密封槽（見設(shè)備圖）。安裝換熱管的開孔尺寸：為了便于在管板上焊接換熱管，開孔的孔徑比換熱管的外徑大0.4mm,即①25.4mm。開孔形狀見設(shè)備圖。（或者:為了便于在管板上脹接換熱管，開孔的孔徑比換熱管的外徑大0.3mm,即①25.3mm。開孔內(nèi)表面有兩道環(huán)向的槽，槽深0.5mm。管板開孔形狀和內(nèi)表面環(huán)向槽的位置、尺寸見下圖：e?③拉桿安裝孔和管程隔板密封槽的尺寸見設(shè)備圖。e?③拉桿安裝孔和管程隔板密封槽的尺寸見設(shè)備圖。換熱管的選擇:1）選擇20鋼材質(zhì)的無縫鋼管，規(guī)格：①25X2.5。2）換熱管的長度為6000mm。3）換熱管與管板連接采用焊接。（或者:換熱管與管板連接采用脹接。）具體見設(shè)備圖。左管箱短節(jié)的選擇：1）左管箱短節(jié)的內(nèi)徑與壁厚：左管箱短節(jié)為圓柱筒體，內(nèi)徑與壁厚選擇與設(shè)備殼體相同。2）左管箱短節(jié)的長度：左管箱短節(jié)連接A和F管口。選擇左管箱短節(jié)的長度為管口接管公稱直徑的兩倍，即150X2=300mm。選擇Q235-A材料制作，單位長度的短節(jié)重110kg/m,總重約為110*0.300=33kg。左管箱短節(jié)的標(biāo)記：筒體DN5506=8L=300。3）左管箱短節(jié)的材質(zhì)選擇材質(zhì)選擇與換熱器殼體相同：Q235-A左管箱封頭的選擇：選擇公稱直徑為550mm的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。壁厚與殼體相同，也是8mm。材質(zhì)也是Q235-A。重量約24kg。標(biāo)記：EHA550X8-Q235-AJB/T4746-2002o左管箱隔板的選擇：1）材質(zhì)選擇普通的碳素鋼：Q235-Ao2）管箱隔板厚度的選擇：由于管程壓強(qiáng)降較小，用公式計(jì)算隔板厚度會(huì)小于GB151規(guī)定的隔板最小厚度（換熱器公稱直徑＜=600時(shí)，碳鋼隔板的最小厚度為8mm），所以直接選擇隔板厚度為10mm。3）數(shù)量：左管箱需要2塊相同的隔板。4）形狀：見下圖。面積：217977.2468mm2，厚度：10mm。5）重量：?jiǎn)蝹€(gè)左管箱隔板重二（217977.2468mm2X10mm）X7.8X10-3X10-3kg?mm-3=17kg。左管箱法蘭和密封墊片的選型：1）法蘭：根據(jù)公稱直徑，查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》（化學(xué)工業(yè)出版社，2008）書中表10-3。選擇甲型平焊容器法蘭，公稱直徑550mm，公稱壓力0.6MPa，密封面為凹面(FM),與凸密封面的左管板連接。外周均布24個(gè)①16螺孔，用M16雙頭螺柱與左管板連接。標(biāo)記：法蘭一FM550—0.6JB4701—2000。重量為26.4kg。密封墊片：選擇甲型平焊容器法蘭用非金屬軟墊片，公稱直徑550mm,公稱壓力0.6MPa。標(biāo)記：墊片550—0.6JB4