課程設計換熱器煤油.doc

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1、 化工原理課程設計 《化工過程設備設計Ⅰ（一）》 說明書 設計題目：換 熱 器 的 設 計 專 業(yè)： 班 級： 學 號： 姓 名： 指導教師： 設計日期： 設計單位：青海大學化工學院化學工程系

2、目 錄 前言……………………..............…..…..…………………….………...…….4 任務書……………………............……..……………….……………...…….5 目的與要求………………............……..…….………………………...…….6 1、 工藝設計方案…………….......................................................................8 2、 確定物性數(shù)據(jù)……………………………………………..…………….9 3、 估算傳熱面積…

3、…………………………………………………..…….9 4、 工藝結(jié)構(gòu)尺寸………………………………………………………….10 5、 換熱器核算…………………………………………………………….12 六、設計結(jié)果概要一覽表…………………………………………………...17 七、參考文獻………………………………………………………………...19 前 言 化工原理課程設計是化工原理教學的一個重要環(huán)節(jié)，是綜合應用本門課程和有關(guān)先修課程所學知識，完成以單元操作為主的一次設計實踐。通過課程設計使學生掌握化工設計的基本程序和方法，并在查閱技術(shù)資料、選用公式和數(shù)據(jù)、用簡潔文字和圖表

4、表達設計結(jié)果、制圖以及計算機輔助計算等能力方面得到一次基本訓練，在設計過程中能夠培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想和實事求是、嚴肅負責的工作作風。 化工原理課程設計是化工原理課程教學的一個實踐環(huán)節(jié)，是使學生得到化工設計的初步訓練，為畢業(yè)設計奠定基礎。圍繞以某一典型單元設備(如板式塔、填料塔、干燥器、蒸發(fā)器、冷卻器等)的設計為中心，訓練學生非定型設備的設計和定型設備的選型能力。設計時數(shù)為3周，其基本內(nèi)容為： 　　(1)設計方案簡介：對給定或選定的工藝流程、主要設備的型式進行簡要的論述。 　　(2)主要設備的工藝設計計算(含計算機輔助計算)：物料衡算，能量衡量，工藝參數(shù)的選定，設備的結(jié)構(gòu)設計和工藝尺

5、寸的設計計算。 　　(3)輔助設備的選型：典型輔助設備主要工藝尺寸的計算，設備的規(guī)格、型號的選定。 　　(4)工藝流程圖：以單線圖的形式繪制，標出主體設備與輔助設備的物料方向，物流量、能流量，主要測量點。 　　(5)主要設備的工藝條件圖：圖面應包括設備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表。 　　(6)設計說明書的編寫。設計說明書的內(nèi)容應包括：設計任務書，目錄，設計方案簡介，工藝計算及主要設備設計，輔助設備的計算和選型，設計結(jié)果匯總，設計評述，參考文獻。 整個設計由論述，計算和圖表三個部分組成，論述應該條理清晰，觀點明確；計算要求方法正確，誤差小于設計要求，計算公式和所有數(shù)據(jù)必需注明出處

6、；圖表應能簡要表達計算的結(jié)果。 設計者： 2015年 月 日 化工原理課程設計任務書 一、設計題目： 設計一臺換熱器 二、操作條件： 1. 煤油：入口溫度140℃，出口溫度 38 ℃； 2.冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度 28 ℃，出口溫度 34 ℃； 3.允許壓強降：不大于1105Pa； 4.每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行。 三、設備形式： 管殼式換熱器 四、處理能力： 22.6萬噸/年煤油 五、

7、設計要求： 1.選定管殼式換熱器的種類和工藝流程； 2. 管殼式換熱器的工藝計算和主要工藝尺寸的設計； 3.設計結(jié)果概要或設計結(jié)果一覽表； 4.設備簡圖（要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）； 5.對本設計的評述及有關(guān)問題的討論。 目的與要求 一、 課程的目的與任務 化工原理課程設計以“化工原理課程教學基本要求”為依據(jù)，通過課程設計達到以下目的： 1、使學生掌握化工設計的基本程序與方法； 2、結(jié)合設計課題培養(yǎng)學生查閱有關(guān)技術(shù)資料及物性參數(shù)的能力； 3、通過查閱技術(shù)資料，選用設計計算公式，搜集數(shù)據(jù)，分析工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸間的相互影響，增強學生分析問題、解決問題

8、的能力； 4、對學生進行化工工程設計的基本訓練，使學生了解一般化工工程設計的基本內(nèi)容與要求； 5、通過設計說明書，提高學生文字表達能力，掌握撰寫技術(shù)文件的有關(guān)要求； 二、課程的基本要求 1、 設計題目必須是以某一單元操作為主，完成一個完整的化工過程設計，能按《化工原理課程基本要求》中有關(guān)課程設計的基本要求規(guī)定，對學生進行一次較為完整的化工設計基本訓練。 2、 生產(chǎn)規(guī)模，工藝操作條件、設備、物性等都要以實際生產(chǎn)條件為背景，使學生在兼顧技術(shù)上先進性、可行性，經(jīng)濟上合理性的前提下，綜合分析設計任務要求，確定化工工藝流程，進行設備選型，并提出保證過程正常、安全運行所需要的檢測和計量參數(shù)，同時

9、還要考慮改善勞動條件和環(huán)境保護的有效措施設計時間符合課程設計教學大綱之規(guī)定。 3、 化工原理課程設計考核要求： （1）設計說明書完成的情況：按照課程設計教學大綱規(guī)定及設計任務要求，做到設計內(nèi)容完整，設計合理，計算正確，敘述層次分明，條理清楚。 （2）圖面質(zhì)量：工藝流程圖正確，主要設備總裝圖結(jié)構(gòu)基本合理，圖面清晰，基本符合規(guī)范化要求。 ( 3 )在工藝計算中要考慮到各個方面的問題，比如熱阻，管壁的阻力以及長期下來可能遇到遇到的問題，管壁所能承受最大壓力，流體的物性和化學性質(zhì)。 一、工藝設計 一、 設計目的 課程設計是化工原理課程教學中綜合性和實際性較強

10、的教學環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是使學生體察工程實際問題復雜性的初次嘗試。通過化工原理課程設計，要求學生能綜合運用本課程和前修課程的基本知識，進行融會貫通的獨立思考，在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的化工設計任務，從而得到化工設計的主要程序和方法，培養(yǎng)學生分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設計，還可以培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想，培養(yǎng)實事求是，嚴肅認真，高度負責的工作作風。 二、 該設備的作用及在生產(chǎn)中的應用 換熱器是實現(xiàn)傳熱過程的基本設備。而此設備是比較典型的傳熱設備，它在工業(yè)中的應用十分廣泛。例如：在煉油廠中作為加熱或冷卻用的換熱器、蒸餾操作中蒸餾釜和冷凝器、化工廠蒸發(fā)設備的加熱室等。

11、 三、工藝流程示意圖 飽和水蒸氣應從換熱器殼程上方進入，冷凝水由殼程下方排出，冷卻水從換熱器下方的入口進入，上方的出口排除。 四、說明運用該設備的理由 這種換熱器的特點是殼體和管板直接焊接，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。在同樣的殼體直徑內(nèi)，排管較多。管式換熱器具有易于制造、成本較低、處理能力達、換熱表面清洗比較方便、可供選用的結(jié)構(gòu)材料廣闊、適應性強、可用于調(diào)溫調(diào)壓場合等優(yōu)點，由于兩管板之間有管子相互持撐，管板得到加強，故在各種列管換熱器中他的管板最薄，其造價比較低，因此得到了廣泛應用。 五、設備的結(jié)構(gòu)特點 該結(jié)構(gòu)能夠快速的降低物料的溫度，工作時熱流體走殼程，冷流體走管程，使接觸面積大大增加，加快

12、了換熱速度。同時，對溫差稍大時可在殼體的適當部位焊上補償圈(或稱膨脹節(jié))，通過補償圈發(fā)生彈性變形(拉伸或壓縮)來適應外殼和管束不同的膨脹程度。 六、在設計中遇到的問題的處理 在設計中，在工藝計算過程中，由于選取K0不當或其他條件選取不當，造成在校核時K0不符合要求。在重新選取K0的同時，改變了其他的條件，如：n，L等，經(jīng)過二次校核達到了預期的目的。 七、設計方案的確定 （1）對于列管式換熱器，首先根據(jù)換熱流體的腐蝕性或其它特性選項定其結(jié)構(gòu)材料，然后再根據(jù)所選項材料的加工性能，流體的壓強和溫度、換熱的溫度差、換熱器的熱負荷、安裝檢修和維護清洗的要求以及經(jīng)濟合理性等因素來選項定其型式。

13、設計所選用的列管換熱器的類型為固定管板式。列管換熱器是較典型的換熱設備，在工業(yè)中應用已有悠久歷史，具有易制造、成本低、處理能力大、換熱表面情況較方便、可供選用的結(jié)構(gòu)材料廣闊、適應性強、可用于調(diào)溫調(diào)壓場合等優(yōu)點，故在大型換熱器中占優(yōu)勢。 固定管板式列管換熱器的特點是，殼體與管板直接焊接，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，在同樣的殼體直徑內(nèi)排管最多。由于兩管板之間有管板的相互支撐，管板得到加強，故各種列管換熱器中它的管板最薄，造價最低且易清洗。缺點是，管外清洗困難，管壁與殼壁之間溫差大于50℃時，需在殼體上設置膨脹節(jié)，依靠膨脹節(jié)的彈性變形以降低溫差壓力，使用范圍僅限于管、殼壁的溫差不大于70℃和殼程流體壓強小于60

14、0kpa的場合，否則因膨脹節(jié)過厚，難以伸縮而失去溫差補償作用。 二、確定物性數(shù)據(jù)： 二、確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度:可取流體進口溫度的平均值。 殼程煤油的定性溫度為 T1=140C，T2=34C，t1=30C，t2=34C T=(140+34)/2=87(C) 管程水的定性溫度為 t=(30+34)/2=32(C) 已知殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù) 煤油87C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下: 密度 ρo=800 kg/m3 定壓比熱容 Co=2.22 kJ/（kg℃） 導熱系數(shù) λ

15、o=0.140 W/(mk) 粘度 o=7.1510-4 Ns/m2 水32C的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下: 密度 ρi =995 kg/m3 定壓比熱容 C i =4.174 kJ/（kg℃） 導熱系數(shù) λi =0.626 W/(mk) 粘度 i =7.2510-4 Ns/m2 三、估算傳熱面積 1傳熱量 Wh=（kg/h） Q=Whcph（T1-T2）=290002.22(140-34)=6.7106kJ/h=186

16、5 (kW) 2平均傳熱溫差 逆流時平均溫度差為： (℃) 3傳熱面積 查管殼式換熱器中的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗值，假設K=500W/(m2℃),則估算面積為： S=Q/(KΔtm)=1865103/(50032)≈117(m2) 4冷卻水用量 （kg/h） 四、工藝結(jié)構(gòu)計算 1管徑和管內(nèi)流速 選用ф252.5碳鋼管，取管內(nèi)流速ui= 1.5m/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) 按單程管計算，所需的傳熱管長度為： 現(xiàn)取傳熱管長為l=4.5m，則該換熱器的管程數(shù)為：NP=L/l=6.3/4.5≈2；傳熱管總根數(shù)： NT=2382

17、=476（根） 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，2管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應查有關(guān)圖表可得φΔt=0.95 平均傳熱溫差Δtm=φΔtΔtm’=0.9532=30.4℃ 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。 4傳熱管排列方法 采用正三角形排列法，取管心距t=1.25d0，則t=1.2525=31.25≈32(mm) 隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+6=32/2+6=22（mm）。 橫過管束中心線的管數(shù) 5殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η＝0.7，則殼體內(nèi)徑為 D= 按卷

18、制殼體的進級擋，圓整可取D=900mm。 4.6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％。折流板間距h=0.3D,則h=0.3900=270mm。取板間距為300mm 折流板數(shù) NB=傳熱管長/折流板間距-1=4500/300-1=14(塊) 4.7接管 殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為u＝1.0m/s，則接管內(nèi)徑為： d1=，圓整后可取管內(nèi)徑為20mm。 管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u＝1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為 ，圓整后可取管內(nèi)徑為100mm。 五、 換熱器核算 1總傳熱系數(shù)核算 殼程對流傳熱系數(shù)α0 用克恩法計算： 當量

19、直徑，由正三角排列得： de=（m） 殼程流通截面積： =0.053（m2） 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為： u0=（m/s） Re0==4251 普朗特數(shù)：Pr=；粘度校正： α0==532〔W/(m2℃) 〕 管程對流傳熱系數(shù)αi： αi 管程流體流通截面積：Si=0.7850.022476/2=0.075（m2） 管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為： ui==1.5（m/s） Rei==41000 普朗特數(shù)：Pr= αi=0.023=6607〔W/ (m2℃)〕 污垢熱阻和管壁熱阻 查有關(guān)文獻知可取： 管外側(cè)污垢熱阻 R0=0.00017 （m2℃）

20、/W 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Ri=0.0002 （m2℃)/W 管壁熱阻 查有關(guān)文獻知碳鋼在該條件下的熱導率為45W/(m℃)。故 RW=0.0025/45=0.000055（m2℃/W） 計算總傳熱系數(shù)Ko： K0= ≈463〔w/（m2℃）〕 在規(guī)定的流動條件下，換熱器的安全系數(shù)為： 選擇的換熱器適合。 換熱器的面積裕度： 計算傳熱面積S0: S0=Q/(K0△tm)=1865103/（46332）≈126（m2） 該換熱器的實際傳熱面積S： S==3.140.025（4.5-0.1）476≈164（m2） 該換熱器的面積裕度為：H=100%=100%=24

21、.8% 傳熱面積裕度合適(15%~25%)，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。 換熱器內(nèi)流體的流動阻力 （1）管程流體阻力 計算公式如下： △Pt=（△Pi+△Pr）NSNpFS; NS=1, Np=2，F(xiàn)S=1.4; △Pi=。由Re=41000，傳熱管相對粗糙度0.1/20=0.005，查莫狄圖得=0.034，流速u=1.5m/s，ρ=995kg/m3，故 △Pi==12000（Pa）； △Pr==3358（Pa） △Pt=（12000+3358）21.4=43000（Pa）<105 Pa 管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。 （2）殼程阻

22、力 公式有：△PS=（△P0+△Pi）FSNS △P0= Ff0nC(NB+1) ; 又F=0.5,f0=54251-0.228=0.74, NB=15; △P0=0.50.7424（14+1）8000.192/2≈1923（Pa） 流體流過折流板缺口的阻力 △Pi =NB（3.5-2h/D）,其中 h=0.27m; D=0.9m；故 △Pi=14（3.5-20.27/0.9）8000.192/2≈647（Pa）， 則總阻力： △PS=1923+647=2570（Pa）<105 Pa。故殼程流體的阻力也適宜。

23、 六、設計計算結(jié)果一覽表 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表。 換熱器型式：浮頭式 換熱器面積（㎡）：126 工藝參數(shù) 名稱 管程 殼程 物料名稱 循環(huán)水 煤油 操作壓力，MPa 105 操作溫度，℃ 30/34 34/140 流量，kg/h 4104 29000 流體密度，kg/ 995 800 流速，m/s 1.5 0.19 傳熱量，kw 1865 總傳熱系數(shù)，w/㎡k 463 對流傳熱系數(shù)，w/㎡k 6607 532 阻力將，Pa 43000 2750 程數(shù) 2 1 使用材料

24、 碳鋼 碳鋼 折流擋板型式 上下 間距，mm 300 切口高度25% 項目 數(shù)據(jù) 項目 數(shù)據(jù) 殼徑D(DN) 900mm 管尺寸 25mmX2.5 管程數(shù)Np（N） 14 管長l 4500 管數(shù)n 476 管排列方式 正三角形排列 七、心得體會 化工原理課程設計是培養(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計任務的一次訓練，也起著培養(yǎng)學生獨立工作能力的重要作用。 在換熱器的設計過程中,我感覺我的理論運用于實際的能力得到了提升

25、，主要有以下幾點： (1)掌握了查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集)的能力； (2)樹立了既考慮技術(shù)上的先進性與可行性，又考慮經(jīng)濟上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護的正確設計思想，在這種設計思想的指導下去分析和解決實際問題的能力； (3)培養(yǎng)了迅速準確的進行工程計算的能力； (4)學會了用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己設計思想的能力。 從設計結(jié)果可看出，若要保持總傳熱系數(shù)，溫度越大、換熱管數(shù)越多，折流板數(shù)越多、殼徑越大，這主要是因為煤油的出口溫度增高，總的傳熱溫差下降，所以換熱面積要增大，才能保證Q和K.因此，換熱器尺寸增大，金屬材料消耗量相應增大.通過這個設計，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經(jīng)濟投入，設計參數(shù)的選擇十分重要. 八、參考文獻 ［1］ 夏清、賈紹義.化工原理.天津：天津大學出版社，2005 ［2］ 黃璐、王保國.化工設計.北京：化學工業(yè)出版社，2001 ［3］ 王非、林英.化工設備用鋼.北京：化學工業(yè)出版社，2003 ［4］ 秦叔經(jīng)、葉文邦.換熱器.北京：化學工業(yè)出版社，2002 ［5］ 李克永.化工機械手冊. 天津：天津大學出版社，1991 14