化工原理課程設(shè)計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)列管式水冷卻丙醇換熱器的工藝設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1.設(shè)計(jì)題目 非標(biāo)準(zhǔn)列管式水冷卻丙醇換熱器的工藝設(shè)計(jì)2.設(shè)計(jì)任務(wù)（1）熟悉查找與設(shè)計(jì)任務(wù)有關(guān)的圖書資料（2）工藝設(shè)計(jì)（3）換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（4）選定主要零部件（5）繪制條件單（6）編寫設(shè)計(jì)說明書3.設(shè)計(jì)條件（1）處理量：25000h-1 ； （2）丙醇冷卻溫度為80，冷凝液離開換熱器的溫度為35；（3）冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度20，出口溫度（根據(jù)實(shí)際設(shè)定）；（4）允許壓降：合理；（5）每年按300天計(jì)，每天24h連續(xù)運(yùn)行；（6）設(shè)備型式：臥式列管換熱器。前言1.合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物理化學(xué)性質(zhì)（密度、粘度、腐蝕性等

2、）是工藝過程所規(guī)定的條件。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)這些條件進(jìn)行熱力學(xué)和流體力學(xué)的計(jì)算，經(jīng)過反復(fù)比較，使所設(shè)計(jì)的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時(shí)間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。其具體做法如下： （1）增大傳熱系數(shù)。在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動(dòng)的前提下，盡量選擇高的流速。 （2）提高平均溫差。對(duì)于無相變的流體，盡量采用接近逆流的傳熱方式。因?yàn)檫@樣不僅可提高平均溫差，還有助于減少結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力。在允許的條件時(shí)，可提高熱流體的進(jìn)口溫度或降低冷流體的進(jìn)口溫度。 （3）妥善布置傳熱面。例如在管殼式換熱器中，采用合適的管間距或排列方式，不僅可以加大單位空間內(nèi)的傳熱面積，還可以改善流體的流動(dòng)特性。錯(cuò)列管束的傳熱

3、方式比并列管束的好。如果換熱器中的一側(cè)有相變，另一側(cè)流體為氣相，可在氣相一側(cè)的傳熱面上加翅片以增大傳熱面積，更有利于熱量的傳遞。 2.安全可靠 換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵照我國(guó)鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)保證設(shè)備的安全可靠起著重要的作用。 3.有利于安裝、操作與維修 直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與裝拆，在廠房移動(dòng)時(shí)不會(huì)受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設(shè)保溫層。 4.經(jīng)濟(jì)合理 評(píng)價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是：在一定的時(shí)間內(nèi)（通常為1年）固定費(fèi)用（設(shè)備的

4、購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)等）與操作費(fèi)（動(dòng)力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修費(fèi)等）的總和為最小。在設(shè)計(jì)或選型時(shí)，如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務(wù)的需要，這一指標(biāo)尤為重要。 動(dòng)力消耗與流速的平方成正比，而流速的提高又有利于傳熱，因此存在一最適宜的流速。 傳熱面上垢層的產(chǎn)生和增厚，使傳熱系數(shù)不斷降低，傳熱量隨之而減少，故有必要停止操作進(jìn)行清洗。在清洗時(shí)不僅無法傳遞熱量，還要支付清洗費(fèi)，這部分費(fèi)用必須從清洗后傳熱條件的改善得到補(bǔ)償，因此存在一最適宜的運(yùn)行周期。 嚴(yán)格地講，如果孤立地僅從換熱器本身來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算以確定適宜的操作條件與適宜的尺寸是不夠全面的，應(yīng)以整個(gè)系統(tǒng)中全部設(shè)備為對(duì)象進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算或設(shè)備的優(yōu)化。但要解決這樣的問題難

5、度很大，當(dāng)影響換熱器的各項(xiàng)因素改變后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效益關(guān)系影響不大時(shí)，按照上述觀點(diǎn)單獨(dú)地對(duì)換熱器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算仍然是可行的。一、確定設(shè)計(jì)方案1.1選定換熱器類型 管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，造價(jià)低廉，用材廣泛，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為以下幾種： （1）固定管板式換熱器 固定管板式換熱器兩端的管板與殼體連在一起，這類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于50且殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。 帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，其膨脹節(jié)的彈性變形可減小溫差應(yīng)力，這種補(bǔ)償方法適用于兩流體

6、溫差小于70且殼方流體壓強(qiáng)不高于600kpa的情況。 （2）浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的管板有一個(gè)不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)。浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清洗和檢修，適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱，應(yīng)用極為普遍，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。 （3）填料涵式換熱器 填料涵式換熱器管束一端可以自由膨脹，與浮頭式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但殼程流體有外漏的可能性，因此殼程不能處理易燃，易爆的流體。 兩流體溫的變化情況：熱流體（丙醇）進(jìn)口溫度80，出口溫度35；冷流體（冷卻水）進(jìn)口溫度20，預(yù)設(shè)出口溫度為30。 兩流體的定性溫度如下： tm=(80

7、+35)/2=57.5 tm=(20+30)/2=25 兩流體的溫度差tm- tm=57.5-25=32.5 (500時(shí)，；。折流板間距 。折流板數(shù) ,流體流經(jīng)折流板缺口的阻力該換熱器的壓降在合理的范圍內(nèi)，所以設(shè)計(jì)合理。六、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果一覽表換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表參 數(shù)管 程殼 程流率/(kg/h)7296225000溫度（進(jìn)/出）/20/3080/35壓力/mpa0.20.15物性參數(shù)定性溫度/2557.5密度/(kg/m3)996.95776.5比熱容/kj/(kg)4.17852.71粘度/mpas0.89371.14熱導(dǎo)率/w/(m)0.60850.15

8、2普朗特?cái)?shù)6.13720.325設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)型式管板式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm500殼程數(shù)1管子規(guī)格25mm2.5mm管心距/mm32管長(zhǎng)/mm10000管子排列正三角形管子數(shù)目118折流板數(shù)/快65傳熱面積/m291.7折流板距/mm150管程數(shù)2材質(zhì)鋼板主演計(jì)算結(jié)果管 程殼 程流速/(m/s)1.10.559傳熱膜系數(shù)/w/(m2)4698.61020.74污垢熱阻/(m2/w)0.00060.0004阻力損失/mpa0.03120.062熱負(fù)荷/kw846.875傳熱溫差/27.5傳熱系數(shù)/w/(m2)407裕度/%14.67七、符號(hào)說明 7.1英文 流通面積，； 管壁厚度，； 定壓質(zhì)量熱容

9、，；換熱管直徑，；換熱器殼徑，； 范寧摩擦系數(shù)； 校正系數(shù)； 總傳熱系數(shù)，； 管程長(zhǎng)度，； 換熱管長(zhǎng)度，； 管數(shù)； 程數(shù)； 壓力，； 平均傳熱溫差校正系數(shù)； 傳熱速率（熱負(fù)荷），； 平均傳熱溫差校正系數(shù)； 垢阻系數(shù)，； 傳熱面積，； 管中心距，； 冷流體溫度，； 溫差，； 熱流體溫度，； 流速，； b折流擋板間距，。 7.2希文 無相變對(duì)流傳熱系數(shù)，； 差分算符； 管板利用率； 管壁導(dǎo)熱系數(shù)； 摩擦系數(shù)； 黏度，； 密度，； 求和算符； 校正系數(shù)。 7.3無因次數(shù)群 ，普朗特?cái)?shù)（）； ，雷諾數(shù)（）。8、 參考文獻(xiàn)1 化工原理天津大學(xué)化工原理教研室編 天津：天津大學(xué)出版社. （1999）2 換熱

10、器秦叔經(jīng)、葉文邦等 ，化學(xué)工業(yè)出版社（2003）3 化工原理（第三版）上、下冊(cè)譚天恩、竇梅、周明華等，化學(xué)工業(yè)出版社（2006）4 化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì)華南工學(xué)院化工原理教研室（1987）5 化工原理課程設(shè)計(jì)賈紹義等，天津大學(xué)出版社（2003）.6 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì) 第二版 匡國(guó)柱 史啟才主編 化學(xué)工業(yè)出版社7 化工原理上 第三版 陳敏恒 方圖南等編 化學(xué)工業(yè)出版社8 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 蔡紀(jì)寧 張秋翔 編 化學(xué)工業(yè)出版社9 傳熱學(xué) 第四版 楊世銘 陶文銓 編 高等教育出版社九、后記 化工原理課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)個(gè)人綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識(shí)去解決某一設(shè)計(jì)任務(wù)的一次

11、訓(xùn)練，也起著培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的重要作用。 在換熱器的設(shè)計(jì)過程中,我感覺我的理論運(yùn)用于實(shí)際的能力得到了提升，主要有以下幾點(diǎn)： (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(xiàn)中和從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中搜集)的能力； (2)樹立了既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意到操作時(shí)的勞動(dòng)條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計(jì)思想，在這種設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下去分析和解決實(shí)際問題的能力； (3)培養(yǎng)了迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算的能力； (4)學(xué)會(huì)了用簡(jiǎn)潔的文字，清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。 從設(shè)計(jì)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?yàn)槊河偷某?/p>

12、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(yīng)增大.通過這個(gè)設(shè)計(jì)，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經(jīng)濟(jì)投入，設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇十分重要。附錄名稱指標(biāo)殼程工作介質(zhì)丙醇操作溫度80/35操作壓力0.15mpa管程工作介質(zhì)循環(huán)冷卻水操作溫度20/30操作壓力0.2mpa序號(hào)接管名稱公稱規(guī)格連接方式1丙醇入口1086.0凹凸法蘭2丙醇出口1086.0凹凸法蘭3冷卻水入口 12712.0凹凸法蘭4冷卻水出口 12712.0凹凸法蘭參 數(shù)管 程殼 程流率/(kg/h)7296225000溫度（進(jìn)/出）/20/3080/35壓力/mpa0.20.15物性參數(shù)定性溫度/2557.5密度/(kg/m3)996.95776.5比熱容/kj/(kg)4.17852.71粘度/mpas0.89371.14熱導(dǎo)率/w/(m)0.60850.152普朗特?cái)?shù)6.13720.325設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)型式管板式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm500殼程數(shù)1管子規(guī)格25mm2.5mm管心距/mm32管長(zhǎng)/mm