化工原理課程設(shè)計(jì)-用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì)題 目：用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)系 別：班 級：學(xué) 號：姓 名 :指導(dǎo)教師：日期： 2015 年 6 月 26 日7任務(wù)書設(shè)計(jì)題目：用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)二 、設(shè)計(jì)任務(wù) ：1、處理能力 ： 45 t/ 年煤油2、設(shè)備型號 ： 列管式換熱器3、操作條件 ：煤油：入口溫度140C，出口溫度40C冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度20r，出口溫度30C 允許壓降 ：不大于 105Pa 每年按 330 天計(jì)建廠地址 ：新鄉(xiāng)三、設(shè)計(jì)要求1 、選擇適宜的列管式換熱器并進(jìn)行核算2、要進(jìn)行工藝計(jì)算3、要進(jìn)行主體設(shè)備的設(shè)計(jì)（主要設(shè)備尺寸、橫算結(jié)果等）4、編寫設(shè)計(jì)任務(wù)書5

2、、進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)圖的繪制（設(shè)備技術(shù)要求、主要參數(shù)、接管表、部件明細(xì) 表、標(biāo)題欄。）、設(shè)計(jì)方案1.1 換熱器的選擇 41.2 流動(dòng)空間及流速的確定 4二、物性數(shù)據(jù) 5三、計(jì)算總傳熱系數(shù)： 53.3、估算傳熱面積 53.3.1 熱流量 53.3.2 平均傳熱溫差 53.3.3 傳熱面積 53.3.4 冷卻水用量 53.4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸 63.4.1 管徑和管內(nèi)流速 63.4.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 63.4.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 63.4.4 傳熱管排列和分程方法 73.4.5 殼體內(nèi)徑 73.4.6 折流板 73.4.7 接管 73.5 換熱器核算 83.5.1 熱流量核算 83.5.2 換

3、熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 10四、設(shè)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)一覽表 12五、設(shè)計(jì)自我評價(jià) 12六、參考文獻(xiàn) 13七、主要符號說明 13八、主體設(shè)備條件圖及生產(chǎn)工藝流程圖（附圖） 13、設(shè)計(jì)方案1.1 換熱器類型的選擇列管式換熱器有以下幾種：1、固定管板式固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體， 當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)， 在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個(gè)補(bǔ)償圈， (或膨脹節(jié))。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時(shí)， 補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的 物料。2、U 形管式U 形管式換熱器每根管子均彎成 U 形，流體進(jìn)、出口分別安裝在同一端

4、的 兩側(cè)，封頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補(bǔ)償問題。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體 必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。3、浮頭式 換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時(shí)，管束連 同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，便于清洗和檢修，消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。在本次設(shè)計(jì)任務(wù)中，兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度140C，出口溫度40C ;冷流體(循環(huán)水)進(jìn)口溫度25C,出口溫度40C。該換熱器用循環(huán)冷卻 水冷卻，冬季操作時(shí)進(jìn)口溫度會降低，最大使用溫差小于120C， ,選用固定管板式換熱器，又

5、因?yàn)楣軞闪黧w溫差大于 60C，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的 固定管板式式換熱器。1.2 流動(dòng)空間及流速的確定在固定管板式式換熱器中，對于流體流徑的選擇一般可以考慮以下幾點(diǎn)：(1) 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。(2) 腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕，而且管子也便 于清洗和檢修。(3) 壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。(4) 飽和蒸氣宜走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳 熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。(5) 被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強(qiáng)冷卻效 果。(6) 需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面 積常小于殼

6、程，且可采用多管程以增大流速。(7) 粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re100)下即可達(dá)到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油走殼 程。選用 巾25X2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取u=1.5m/ s。二、確定物性數(shù)據(jù)兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下表物性定性溫度密度粘度比熱容導(dǎo)熱系數(shù)流體Tkg/m3mPa skJ/(kg T )W/(m T )煤油908250.7152.220.14冷卻水359940.7284.1740.626三、換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算(一) 計(jì)算熱流量m=2

7、 105300 24= 27777.78 (kg/h )Q=mCph t h=27777.78 X 2.22 X (140 -40)=6.17 X 106kJ/h=1712.9 kW(二) 平均傳熱溫差：t mIn：t(140 40) -(30 - 20)140 40 ln30 - 20(三) 傳熱面積2 2假設(shè)殼程傳熱系數(shù)：a 0=400 W( m?T),管壁導(dǎo)熱系數(shù) 入=45 W( m?T)2則K=298.7W/(m T ),則估算面積為：S =Q/(K X td=1.7139 X 106/(298.7 X 39)=147.04 (m 2)考慮 15%勺面積裕度則：S=1.15X 147.

8、04=169.1(m2)(四) 冷卻水用量Qh6.17X06Wc h148701.9 (kg/h)cpctc4.147 x(40 30)3.4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸3.4.1管徑和管內(nèi)流速選用巾25X 2.5 mn碳鋼管，取管內(nèi)流速u=1.5m/s3.4.2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)qvns 二 2 d c u c 4148701.9/(3600 995.7)20.785 0.0221.5=88.07 89 (根)按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為:S_：dh ns169.193.14 0.025 89=24( m按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，

9、采 用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長為l=6m，則該換熱器的管程數(shù)為：NP=L/l=24/6=4傳熱管總根數(shù)：Nt=89X 4=356 (根)3.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)：R=(140-40)/(30-20)=10;P=(30-20)/(140-20)=0.083按單殼程，4管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表可得t=0.9平均傳熱溫差 t n= t t m =0.9 X3 9=35.1 (C)由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于 0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取単殼程合適。344傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列取管心距t=1.25

10、d h，則t=1.25 X 25=31.25 32(mn)橫過管束中心線的管數(shù)nc =1.19 N =1.19,356 =2(根)3.4.5殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 n = 0.7，則殼體內(nèi)徑為N356D=1. 05t J = 1.05 x 32 j =757.7 (mm) n 0. 7按卷制殼體的進(jìn)級擋，圓整可取 D=800mm3.4.6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%，則切去的圓缺高度為h = 0.25 X 800=200 ( mm折流板間距B=0.3D,則B=0.3X 800=240mr取 250mm折流板數(shù)傳熱管長折流板間距-1= 6000-仁2

11、3 （塊）2503.4.7接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為Di=恥 277772（3600 乂 825）= 0.113.14 1.0u = 1.0m/s，則接管內(nèi)徑為:(m)，取管內(nèi)徑為110mm管程流體進(jìn)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D2 二C148701.9(360 995.7)3.14 1.5=188mm圓整可取D2 =200mm。3.5換熱器核算3.5.1熱流量核算3.5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可采用克恩公式:h =0.36 Reh.55 Prde/J.14當(dāng)量直徑，由正三角排列得:3 2 二 24( t - -d 2)2224 h 丿 4

12、(0.032 -0.785 0.0252)de=240.020 (m)：dh3.14 0.025殼程流通截面積:Sh =BD(1 ；h) =0.8 匯 0.25 漢(1 -0.025)=0.044 ( m)0.0327殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為:27777.8U0=空y 0.2130.044(m/s)r皆.2。213825=49。50.000715普朗特準(zhǔn)數(shù)Pr= 2221071510-0. 14011. 34 ；0. 14癢1粘度校正a=0.36 0.140 49050.5511.34 3 =606.46 W/(m2 K)0.023.5.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a = 0.023dcRe08

13、Pr0.4119管程流體流通截面積:Sc=0.785 X 0.02 2X 356/4=0.028 (吊)管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：UC=148701.9/(3600 995.7) =1.484(m/s)0.028R02皿4=36919.40.0008007普朗特準(zhǔn)數(shù)= 4.87Pr=4.147 103 725 100.6176a=.23 X 議 36919408 4.870.4 =60 27.7 Wc)3.5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻查有關(guān)文獻(xiàn)知可?。汗芡鈧?cè)污垢熱阻Rh=0.000172 m 2 K/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 R c=0.000344mi K/W管壁熱阻查有關(guān)文獻(xiàn)知碳鋼在該條件下的

14、熱導(dǎo)率為入=45 W/(m C )3.5.1.4計(jì)算傳熱系數(shù)dh:cdcRscdcbdhdc0.0256027.7 0.0200.000344 迎0.0200.0025 0.0250.0225 450.000172606.46=396.8 W/ (rm C)計(jì)算傳熱面積S:=122.985 (吊)S亠=1712.9103K t m 396. 835. 1該換熱器的實(shí)際傳熱面積:Sp =：dhL (N -n=3.14 X 0.025 X (6-0.06) X (356-23)=155.27( ni)3.5.1.5換熱器的面積裕度SP - S155.27 -130.217HX100%=X 100%

15、=19.23%S130.217傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。3.5.2換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力3.5.2.1管程流體阻力計(jì)算公式如下：藝 Pi= ( P1+AP2) NSNpF;Ns=1, N p=4, Fs=1.4; P1= idiu2 F2=；J.2ii由Re=41103.6,傳熱管相對粗糙度0.01/20=0.05，查莫狄圖得 c =0.034(W/ (m2C )，流速 u=1.499m/s, p =995.7kg/m3，所以25995 7 x1499 2 P1=0.034 =9508.7 ( Pa);0.02 2 P2=；=32995.7 1499=3356 (Pa)藝 P

16、t= (11410.43+3356)X 1.4 X 1 X 4=72042.3 (Pa) 100 KPa管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。3.5.2.2殼程阻力藝 Po= ( Pi + P2) FsNSFs=NS=1 Pi= f Frc(NB+1)2UoF=0.5fo=5X 4905=0.720nc=23N=23,Uh=0.21m/s Pi=0.5 X 0.720 X 23X( 23+1)X 825X 0.212/2 17472.6 (Pa) 流體流過折流板缺口的阻力2PU0 F2 =Nb (3.5-2B/D ),2B=0.25m; D=0.8m ;故厶 R=23X( 3.5-2 X 0.25/0.

17、8 ) X 825X 0.22/2 6000 (Pa), 則總阻力： R=3625+1202=23473( Pa) 100 KPa故殼程流體的阻力也適宜。四、設(shè)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)一覽表換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸及計(jì)算結(jié)構(gòu)換熱器型式：帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器管口表換熱面積：155.27m2符號尺寸用途連接形式工藝參數(shù)a 200X6冷卻循環(huán)水入口平面名稱管程殼程b 200X6冷卻循環(huán)水出口平面物料循環(huán)水煤油c 100X4煤油入口平面操作壓力，MPa0.40.3d 100X4煤油出口平面操作溫度，C20/30140/40e 57X 3.5排氣口平面流里，kg/h148701.96.17X 106流體密度，kg/m

18、3995.7825u0=圖附|X-1流速，m/s0.9930.0784熱負(fù)荷，kW1712.9總傳熱系數(shù)，W/(m 2 -c )263.9.對流傳熱系數(shù)4734350.4污垢熱阻，m2 c /W0.0003440.000172壓降，MPa0.0720.023程數(shù)41T：推薦使用材料低碳鋼低碳鋼3五、設(shè)計(jì)的評價(jià)化工原理課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，首先感謝單老師耐心細(xì)致的教導(dǎo)和同學(xué)們的熱 心幫助。通過這次設(shè)計(jì)課程，使我對上學(xué)期的理論知識進(jìn)一步加深了， 并且初步 認(rèn)識到將理論知識運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)實(shí)際的重要性，真正做一個(gè)合格的設(shè)計(jì)并不是 那么簡單的，需要的是耐心和細(xì)心。在設(shè)計(jì)過程中，總會遇到這樣或是那樣的問題，比如由于馬虎算錯(cuò)了結(jié)果， 那么這將會影響下一步