換熱器的設(shè)計[共23頁]

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1、 化工原理課程設(shè)計2-1說明書 題 目：芳烴冷卻器設(shè)計 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 2015年 7月10日 中國石油大學(xué)（華東）化工原理課程設(shè)計（2-1） 化工原理課程設(shè)計（2-1）任務(wù)書 題目 芳烴冷卻器的設(shè)計 設(shè)計任務(wù)及操作條件 工藝流體 熱流體（甲苯44%+乙苯56%） 冷流體（Water） 總質(zhì)量流率/(kgg-1) 24 27 入口溫度/℃ 90 28 出口溫度/℃ 51 入口壓力（絕壓）/kPa 550 450 允許壓力降/kPa 90 60

2、 污垢熱阻/(m2kw-1) 0.00015 0.00016 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(shù)； 4 估算換熱面積； 5 計算管程壓降和給熱系數(shù)； 6 計算殼程壓降和給熱系數(shù)； 7 計算傳熱系數(shù)； 8 校核傳熱面積。 設(shè)計要求 1. 手工計算完成換熱器設(shè)計與校核； 2. 用EDR軟件完成換熱器的設(shè)計、校核； 3. 提交電子版及紙板：設(shè)計說明書、計算源程序。 23 目 錄 第1章 前言 2 第2章 設(shè)計計算 4 第3章 校核計算 8 第4章 換熱器主要工

3、藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和計算結(jié)果一覽表 9 第5章 EDR設(shè)計與校核 10 致 謝 16 參考文獻 17 第1章 前言 第1章 前言 化工原理課程設(shè)計是培養(yǎng)我們化工設(shè)計能力的重要的環(huán)節(jié)，是化工原理課程教學(xué)中綜合性和實踐性較強的教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是偵查工程實際問題復(fù)雜性的初次嘗試。通過化工原理課程設(shè)計，要學(xué)會應(yīng)用相關(guān)課程設(shè)計基礎(chǔ)只是，進行融會貫通的獨立思考，在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的換熱器任務(wù)，得到化工工程設(shè)計的初步訓(xùn)練。在此之前，我們對化工這個專業(yè)的理解是抽象的，不具體的，局限于書本上的。通過化工原理課程設(shè)計，使我們初步掌握化工設(shè)計基

4、礎(chǔ)知識，設(shè)計原則及方法，學(xué)會各種標準的使用以及物質(zhì)物理性質(zhì)的查找方法，掌握了校核方法，包括筆算校核以及EDR校核，考慮的因素會很多，極大的調(diào)動我們的動手能力，會使我們能力得到提高。 課程設(shè)計將訓(xùn)練分析問題和獨立工作的能力，綜合運用所學(xué)知識進行化工工藝設(shè)計的能力，培養(yǎng)實事求是的科學(xué)態(tài)度和嚴謹認真的工作作風(fēng)，還能提高工程繪圖及寫作能力。 換熱器是石油化工中最基本的設(shè)備，它掌控著熱量在化工當(dāng)中的使用，在能源利用方面也起著至關(guān)重要的作用。換熱設(shè)備在石油化工各個設(shè)置中的投資以及鋼材消耗所占比重中不斷上升，其在降低能耗與生產(chǎn)成本中的作用也日益顯著。 本次設(shè)計所用的是固定管板式換熱器，它屬于管殼式換熱

5、器。管殼式換熱器由管束跟殼體組成，一種流體在管內(nèi)流動，稱為管程；另一種流體在管外殼內(nèi)流動，稱為殼程。兩種流體通過管壁進行換熱。 固定管板式換熱器加折流擋板進行調(diào)整結(jié)構(gòu)架單，造價低廉，在工藝條件許可時應(yīng)優(yōu)先考慮。 本課程設(shè)計要考慮到安全性以及經(jīng)濟型，設(shè)計的主要內(nèi)容有設(shè)計計算，校核計算，EDR軟件模擬以及校核。 第2章 設(shè)計計算 第2章 設(shè)計計算 2.1 確定設(shè)計方案 2.1.1選定換熱器類型 兩流體溫度變化情況：熱流體入口溫度90℃，出口溫度51℃；冷流體（自來水）入口溫度28℃。選水的出口溫度為43℃. 兩流體定性溫度如下： 熱流體的定性溫度 （90+51）/ 2

6、 =70.5℃ 水的定性溫度 （28+43）/2=35.5℃ 2,1.2選定流體流動空間及流速 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， 甲苯乙苯混合物走殼程。同時選用 的碳鋼管，管內(nèi)流速取, 2.2確定物性數(shù)據(jù) 查取冷熱流體的物性數(shù)據(jù)可得： 在定性溫度下，存在如下數(shù)據(jù)： 屬性 熱流體 水 密度/（kgm3） 821 995.95 粘度/(mPas) 0.3691 0.7124 導(dǎo)熱系數(shù)/(wm-1k-1) 0.1206 0.6142 比熱容/(kJkg-1k-1) 1.82 4.189 2.3計算總傳熱系數(shù)

7、2.3.1計算熱負荷（熱流量） 按熱流體計算，即 （2-1） 2.3.2計算逆流平均溫度差 （2-2） 2.3.3總傳熱系數(shù)K 2.3.3.1管程給熱系數(shù) （2-3） 故采用下式計算 （2-4） 2.3.3.2管壁的導(dǎo)熱系數(shù) 2.3.3.3假設(shè)總傳熱系數(shù)K=710 2.4計算傳熱面積 （2-5） 考慮15%的傳熱面積裕度 （2-6） 2.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸 2.5.1管徑和管內(nèi)流速 選用的碳鋼換熱管為，管內(nèi)流速為0.6m/s. 2.5.2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) （2-7） 按單管程計算所需換

8、熱管長度 （2-8） 選6m的管長，單管程. 傳熱管根數(shù)N=256（根）. 2.5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) （2-9） 按單殼程單管程結(jié)構(gòu) 2.5.4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=1.25d0=1.25*19=24mm（2-10） 橫過管束中心線的管數(shù) （2-11） 2.5.5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 （2-12） 圓整取D=500mm 2.5.6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 取折流

9、板間距為B=0.3D=150mm，取為200mm，折流板取11塊。 2.5.7接管 2.5.7.1 殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為1.0m/s，則接管內(nèi)徑 （2-13） 取標準管徑為200mm。 2.5.7.2管程流體（循環(huán)水）進出口接管，取接管內(nèi)循環(huán)水的流速為1.5m/s，則接管內(nèi)徑 （2-14） 取標準管徑為200mm。 第3章 校核計算 第3章 校核計算 3.1熱量核算 3.1.1殼程

10、對流給熱系數(shù) 對于圓缺形折流板，可采用克恩公式（3-1） 當(dāng)量直徑由正三角形排列得 （3-2） 殼程流通截面積 （3-3） 殼程流體流速、雷諾數(shù)及普蘭德數(shù)分別為 （3-4） （3-5） （3-6） （3-7） 3.1.2管程對流給熱系數(shù) （3-8） 管程流通截面積 （3-9） 管程流體流速、雷諾數(shù)及普蘭德數(shù)分別為 （3-10） （3-11） （3-12） 3.1.3傳熱系數(shù)K （3-13） （3-14） K值符合要求. 3.1.4傳熱面積 （3-15） 實際傳熱面積 （3-16） 面積裕度 （3-17） 換熱面積裕

11、度合適，滿足設(shè)計要求. 3.2換熱器內(nèi)流體流動阻力 3.2.1管程流動阻力 （3-18） （Ft 結(jié)垢校正系數(shù)，Np 管程數(shù)，Ns 殼程數(shù)） 取換熱管的管壁粗糙度為0.01mm，則ε/d=0.0005，Rei=12578，查圖得λi=0.036. （3-19） 壓降符合標準即管程阻力在允許范圍之內(nèi)。 3.2.2殼程流動阻力 工程計算中常采用Esso法，該法的計算公式如下： （3-20） （Fs 為結(jié)垢校正系數(shù)，對液體 Fs=1.15，Ns 為殼程數(shù)） 流體流經(jīng)管束的阻力 （3-21） F為管子排列方式對壓強降的校正系數(shù)，正三角形排列F=0.5，正方形直列 F

12、=0.3，正方形錯列時，F(xiàn)=0.4。 fo為殼程流體的摩擦系數(shù)， 當(dāng)（3-22） nc為橫過管束中心線的管數(shù)，nc=20 折流板間距B=0.2m，折流板數(shù)NB=11 （3-23） 流體流經(jīng)折流板缺口的阻力 （3-24） 以上管程壓降和殼程壓降都符合要求。 第4章 換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和計算結(jié)果一覽表 第4章 換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和計算結(jié)果一覽表 換熱器型式：帶熱補償非標準的管板式換熱器 換熱面積：84.48㎡ 工藝參數(shù) 設(shè)備名稱 管程 殼程 物料名稱 循環(huán)水 甲苯44%+乙苯56% 操作壓力，k

13、Pa 450 550 操作溫度，℃ 28/43 90/51 質(zhì)量流量，kg/s 24 27 密度，kg/m 995.95 821 流速，m/s 0.5998 1.392 傳熱量，kW 1703.52 總傳熱系數(shù)，W/(㎡K) 771.3 對流傳熱系數(shù)，W/(㎡K) 3374.8 1927.26 污垢熱阻，㎡K/W 0.00016 0.00015 阻力降，Pa 8728 74914 程數(shù) 1 1 推薦使用材料 碳鋼 碳鋼 管子規(guī)格 ?192mm 管數(shù)256根 管長6m 管間距，mm 25 排列方式 正三角形 折流

14、板型式 上下 間距200mm 切口25% 殼體內(nèi)徑 500mm 保溫層厚度 無需保溫 接管表 序號 尺寸 用途 連接形式 1 DN159 循環(huán)水入口 平面 2 DN159 循環(huán)水出口 平面 3 DN219 熱流體入口 凹凸面 4 DN219 熱流體出口 凹凸面 5 DN20 排氣口 凹凸面 6 DN50 放凈口 凹凸面 第5章 EDR設(shè)計與校核 第5章 EDR設(shè)計與校核 5.1 初步規(guī)定 5.1.1流體空間選擇 熱流體走殼程，冷流體走管程。 5.1.2殼體和封頭 換熱流體為甲苯與乙苯組成的混合

15、物和自來水，選擇平蓋管箱A。冷熱流體進口溫差小于110℃，且污垢熱阻小于0.00035，換熱器的冷熱流體均為較清潔流體，因此選擇固定管板式換熱器，前封頭采用B型，后封頭采用M型，殼體為E型。因此，TEMA type 選擇BME。 5.1.3換熱管 選用管外徑19mm，壁厚2mm的碳鋼換熱管。 換熱管排列角度為30o，管間距為25mm。 5.1.4折流板 選單弓形折流板。 5.1.5換熱器方位 換熱器水平放置，折流板切口方向為水平方向。 5.2 設(shè)計結(jié)果與分析 圖5-1 圖5-2 圖5-3 5.2.1結(jié)構(gòu)參數(shù) 換熱器形式為單臺1管

16、程AES換熱器，殼體內(nèi)徑387mm，管長5100mm，管子180，管外徑19.05mm，管壁厚2.11mm管子排列方式為錯列正三角形，管間距23.81mm，單弓形折流板，切確率34.84%。 5.2.2面積余量 為零，需在校核模式中調(diào)整。 5.2.3壓降 殼側(cè)壓降0.53565bar，管側(cè)壓降0.28991bar，小于允許壓降。 5.2.4流速 殼側(cè)最高流速1.91m/s，管側(cè)最高流速1.75m/s，管側(cè)流速偏高，殼側(cè)偏高，在校核模式調(diào)節(jié)。 5.2.5傳熱系數(shù) 總傳熱系數(shù)為10326.2W/(m2?℃)，大于經(jīng)驗值。 5.2.6傳熱溫差 為30.45℃，

17、無矯正。 5.3校核模式 根據(jù)設(shè)計結(jié)果，在《浮頭式換熱器和冷凝器形式與基本參數(shù)》(GB/T 28712.1-2014)中選擇最為接近的規(guī)格進行圓整，殼體內(nèi)徑430mm，管長6000mm，管子237，管外徑19mm管壁厚2.0mm，管子排列方式為錯列正三角方形，管間距25mm，單弓形折流板，切缺率25%。 參照相關(guān)標準，殼側(cè)、管側(cè)進出口內(nèi)、外徑為159mm、168mm。 5.4校核結(jié)果分析 圖5-4 圖5-5 圖5-6 5.4.1面積余量 為26%，符合生產(chǎn)要求。 5.4.2壓降 殼側(cè)壓降0.32802bar，管側(cè)壓降0.04254bar，小于允許壓

18、降。 5.4.3流速 殼側(cè)最高流速1.6m/s，管側(cè)最高流速0.7m/s. 5.4.4傳熱系數(shù) 總傳熱系數(shù)為762.4W/(m2?℃)，在經(jīng)驗值范圍之內(nèi)。 5.4.5傳熱溫差 為33.72℃，溫差校正系數(shù)0.996。 5.4.6熱阻分布 熱阻集中分布在殼側(cè)，符合甲苯乙苯混合物實際情況，對于浮頭式殼側(cè)亦容易清洗。 5.4.7壓降分布 錯流窗口流壓降分別3.1%和56.54%，殼側(cè)和進出口管嘴壓降分別為5.07%、5.11%，管側(cè)和進出口管嘴壓降分別為24.75%、12.21%，壓降分布合理 5.5 EDR設(shè)計結(jié)果 換熱器型號為，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為：公稱直

19、徑450mm；管子為的碳鋼管，長度為6m，管心距25mm，管子數(shù)237，管程數(shù)為1，管子排列方式為正三角形錯列，單弓形折流板，切缺率25%，間距200mm。 中國石油大學(xué)（華東）化工原理課程設(shè)計（2-1） 致 謝 感謝老師給了我一次機會來獨立完成課程設(shè)計，在這個過程中，老師不斷的給與我們方便，在兩年的大學(xué)生活將滿之際，終于能體會到專業(yè)的實際操作性內(nèi)容也讓我很是興奮與欣慰，增強了我們的實踐能力與動手應(yīng)用能力，并且提高了我們的獨立思考能力。 同時也要感謝同學(xué)們在過程中給予我的幫助，當(dāng)我遇到困難的時候沒有他們就沒有我的繼續(xù)，風(fēng)雨與共患難同行，互幫互助才是學(xué)習(xí)的本源，這讓我了解到了更

20、多。 通過這次設(shè)計我學(xué)習(xí)到了更多的知識以及能夠把化工專業(yè)立體化形象化，極大地開闊了我的視野，提高了我的學(xué)習(xí)能力，獨立完成能力，應(yīng)用實踐能力，為我以后的道路奠定了堅定的基礎(chǔ)。 最后，再一次感謝幫助過我的老師和同學(xué)們！ 參考文獻 [1] 《化工單元操作課程設(shè)計》 賈紹義、柴誠敬主編，天津大學(xué)出版社,2011,8 [2] 《換熱器工藝設(shè)計》 孫蘭義、馬占華主編，中國石化出版社，2015.3 [3]《化工原理課程設(shè)計》 石大膠印 化工原理課程設(shè)計2-1成績匯總表 項 目 考查要點 占比 成 績 平時表現(xiàn) 工作態(tài)度、作風(fēng)，獨立工作的能力、考勤等 20%　 　 階段考核 對基本知識的掌握情況 20%　 設(shè)計 軟件 文件完整性、面積余量、壓降、流速、傳熱系數(shù)等主要指標是否在適宜范圍 20%　 　 說明書 工作量、說明書的規(guī)范性、設(shè)計的正確性 40%　 總成績 　 100%　 　 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日