陜西科技大學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì)

1、化工原理 -課程設(shè)計(jì) 目錄. 任務(wù)書(shū)3. 設(shè)計(jì)說(shuō)明4-8. 工藝計(jì)算 9-17. 設(shè)備的結(jié)構(gòu)計(jì)算18-24. 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明及匯總25-26. 設(shè)計(jì)評(píng)論26. 參考文獻(xiàn)27. 附頁(yè)23-24任務(wù)書(shū)一設(shè)計(jì)題目：二次蒸汽冷凝器二設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)：（1）質(zhì)量流量：wh=(2000+20*28)*1.3=3328kg/h 真空度：275.6mmhg （2）冷卻水 進(jìn)口溫度：20 出口溫度：自定（26） 當(dāng)?shù)卮髿鈮海?50mmhg三設(shè)計(jì)要求：（1）工藝設(shè)計(jì)：確定設(shè)備的主要工藝尺寸，如：管徑、管長(zhǎng)、管子數(shù)目、管程數(shù)目等，計(jì)算k0。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：確定管板、殼體、封頭的結(jié)構(gòu)和尺寸； 確定連接方式、管板的列管的排列

2、方式、管法蘭、接管法蘭、接管等組件的結(jié)構(gòu)。（3）繪制列管式換熱器的裝配圖及編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)四設(shè)計(jì)時(shí)間： 2010年12月20日2010年12月25日 設(shè)計(jì)學(xué)生：常小龍 指導(dǎo)教師：李磊設(shè)計(jì)說(shuō)明一、 設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是化工原理課程教學(xué)中綜合性和實(shí)際性較強(qiáng)的教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，是使學(xué)生體察工程實(shí)際問(wèn)題復(fù)雜性的初次嘗試。通過(guò)化工原理課程設(shè)計(jì)，要求學(xué)生能綜合運(yùn)用本課程和前修課程的基本知識(shí)，進(jìn)行融會(huì)貫通的獨(dú)立思考，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成指定的化工設(shè)計(jì)任務(wù)，從而得到化工設(shè)計(jì)的主要程序和方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。同時(shí)，通過(guò)課程設(shè)計(jì)，還可以培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)實(shí)事求是，嚴(yán)

3、肅認(rèn)真，高度負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)。二、 該設(shè)備的作用及在生產(chǎn)中的應(yīng)用換熱器是實(shí)現(xiàn)傳熱過(guò)程的基本設(shè)備。而此設(shè)備是比較典型的傳熱設(shè)備，它在工業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛。例如：在煉油廠(chǎng)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(chǎng)蒸發(fā)設(shè)備的加熱室等。三、 工藝流程示意圖飽和水蒸氣應(yīng)從換熱器殼程上方進(jìn)入，冷凝水由殼程下方排出，冷卻水從換熱器下方的入口進(jìn)入，上方的出口排除。四、 說(shuō)明運(yùn)用該設(shè)備的理由這種換熱器的特點(diǎn)是殼體和管板直接焊接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dá)、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(yīng)性強(qiáng)、可用于調(diào)溫調(diào)壓場(chǎng)合等優(yōu)

4、點(diǎn)，由于兩管板之間有管子相互持撐，管板得到加強(qiáng)，故在各種列管換熱器中他的管板最薄，其造價(jià)比較低，因此得到了廣泛應(yīng)用。五、 設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)該結(jié)構(gòu)能夠快速的降低物料的溫度，工作時(shí)熱流體走殼程，冷流體走管程，使接觸面積大大增加，加快了換熱速度。同時(shí)，對(duì)溫差稍大時(shí)可在殼體的適當(dāng)部位焊上補(bǔ)償圈(或稱(chēng)膨脹節(jié))，通過(guò)補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形(拉伸或壓縮)來(lái)適應(yīng)外殼和管束不同的膨脹程度。六、 在設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題的處理在設(shè)計(jì)中，在工藝計(jì)算過(guò)程中，由于選取k0不當(dāng)或其他條件選取不當(dāng)，造成在校核時(shí)k0不符合要求。在重新選取k0的同時(shí)，改變了其他的條件，如：n，l等，經(jīng)過(guò)二次校核達(dá)到了預(yù)期的目的。七、 設(shè)計(jì)方案的確定（1）

5、對(duì)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(xiàng)定其結(jié)構(gòu)材料，然后再根據(jù)所選項(xiàng)材料的加工性能，流體的壓強(qiáng)和溫度、換熱的溫度差、換熱器的熱負(fù)荷、安裝檢修和維護(hù)清洗的要求以及經(jīng)濟(jì)合理性等因素來(lái)選項(xiàng)定其型式。設(shè)計(jì)所選用的列管換熱器的類(lèi)型為固定管板式。列管換熱器是較典型的換熱設(shè)備，在工業(yè)中應(yīng)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(yīng)性強(qiáng)、可用于調(diào)溫調(diào)壓場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn)，故在大型換熱器中占優(yōu)勢(shì)。固定管板式列管換熱器的特點(diǎn)是，殼體與管板直接焊接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(qiáng)，故各種列管換熱器中

6、它的管板最薄，造價(jià)最低且易清洗。缺點(diǎn)是，管外清洗困難，管壁與殼壁之間溫差大于50時(shí)，需在殼體上設(shè)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(qiáng)小于600kpa的場(chǎng)合，否則因膨脹節(jié)過(guò)厚，難以伸縮而失去溫差補(bǔ)償作用。2）工藝流程圖溶 液換 熱 器（3）流體流經(jīng)的空間：冷卻水走管程原因有以下幾個(gè)方面，冷卻水常常用江水或井水，比較臟硬度較高，受熱容易結(jié)垢，在管內(nèi)便于清理，此外，管內(nèi)流體易于維持高速，可避免懸浮顆粒的沉積。管程可以采用多管程來(lái)增大流速，用以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。被加熱的流體應(yīng)走管程，以提高熱的有效利用，被冷卻的流體走殼程，以便于熱量散失。飽

7、和蒸汽由于比較清潔應(yīng)于殼程流過(guò)，易便于冷凝液的排出。綜上所述冷卻水走管程蒸汽走殼程。（4）流體的流動(dòng)方向選擇：飽和水蒸氣應(yīng)從換熱器殼程上方進(jìn)入，冷凝水從殼程的下方排出，這樣既便于冷凝水的排放，又利于傳熱效率的提高;冷卻水一般從換熱器的下方的入口進(jìn)入,上方的出口排出,可減少冷卻水流動(dòng)中的死角,以提高傳熱面積的有效利用.故采用逆流.(5)流速的選擇:換熱器內(nèi)流體的流速大小,應(yīng)有經(jīng)濟(jì)衡算來(lái)決定.增大器內(nèi)流體的流速,可增強(qiáng)對(duì)流傳熱,減少污垢在換熱管表面上沉積的可能性,即降低了污垢的熱阻,使總傳熱系數(shù)增大,從而減少換熱器的傳熱面積和設(shè)備的投資經(jīng)費(fèi),但是流速增大,又使流體阻力增大,動(dòng)力消耗也就增多,從而致

8、使操作費(fèi)用增加,若流速過(guò)大,還會(huì)使換熱器產(chǎn)生震動(dòng),影響壽命,因此選取合適的流速是十分重要的.(6)冷卻劑及出口溫度的確定:選取水做冷卻劑,它們可以直接取自大自然,不必特別加工.由于本地水源豐富,可以降低傳熱面積,減少設(shè)備費(fèi)用,故取出口溫度為28.注：k化學(xué)原理上冊(cè)課本s化學(xué)原理實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)換熱過(guò)程工藝計(jì)算根據(jù)任務(wù)書(shū)所下達(dá)的換熱任務(wù)，進(jìn)行完整的換熱過(guò)程的工藝計(jì)算。其目的是確定設(shè)備的主要工藝尺寸和參數(shù)，如換熱器的傳熱面積；換熱管管徑、長(zhǎng)度、根數(shù)；管程數(shù)和殼程數(shù)；換熱管的排列和殼體直徑，以及管殼程流體的壓強(qiáng)降等；為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)?；すに囉?jì)算的步驟大致如下：（一）傳熱面積s0的初定在穩(wěn)定傳熱過(guò)程

9、中，總傳熱系數(shù)k隨溫度變化不大（1）s-p93頁(yè)2-1時(shí)，根據(jù)總傳熱速率方程式：（1）0總傳熱系速 ；0換熱管外表面積 ；平均溫度差 。q有效傳熱速率（熱負(fù)荷）w1、傳熱速率q有效的計(jì)算 （2）k-p17頁(yè)由公式p絕 =大氣壓強(qiáng)真空度 （2） = 750-275.6=474.4mmhg（3）k-p225頁(yè)4-32=63.2kpa 由算得數(shù)據(jù)查表得：t=90.2 r = 2.2826106j/由q=whr （3） =2.2826106j/ =2.1101106j/s式中： q換熱器的熱負(fù)荷wh飽和蒸氣的質(zhì)量流量r飽和蒸氣的冷凝熱q有效 =q95% =1.337910695% =1.271106j

10、/sk0初選為12822、平均溫度tm計(jì)算（4）s-p93頁(yè)2-2對(duì)逆流和并流 （4）式中：、分別為換熱器兩端的溫度差，= =20 =26 tm=67.1553 3、假設(shè)k0=1492w/= m2=19.58 m2（二）主要尺寸的確定 1、換熱管的類(lèi)型、尺寸及材料的確定 （1）管子的直徑當(dāng)采用小直徑的管子時(shí)，換熱器單位體積傳熱面積較大，設(shè)備較為緊湊，單位傳熱面積的金屬耗用量較小，管程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)也較高，但制造，加工較麻煩，且容易結(jié)垢，不易清洗，因此小直徑一般用于清潔流體，而大直徑的管子常用于粘性大或污垢的流體。本設(shè)計(jì)為清潔流體，故可選用（2）管子的長(zhǎng)度我國(guó)現(xiàn)有的管子長(zhǎng)度規(guī)格常見(jiàn)的有150

11、0，2000，3000，4500，6000，9000等，根據(jù)換熱器工藝計(jì)算和設(shè)備設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)可選用長(zhǎng)度3000規(guī)格的管子。（3）管子的材料列管式換熱器設(shè)計(jì)中，正確選用管子的材料是很重要的，既要滿(mǎn)足工藝條件的要求，又要經(jīng)濟(jì)合理。選材時(shí)應(yīng)按照操作壓強(qiáng)，工作溫度，及流體的物化性質(zhì)來(lái)選擇，所選的材料最好滿(mǎn)足下述要求：導(dǎo)熱，耐磨蝕性能好，機(jī)械強(qiáng)度高，制造加工容易，價(jià)格低廉。換熱器常（5）s-p96頁(yè)用的材料有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅鎳合金、鋁合金。 （5）本設(shè)計(jì)為低壓列管換熱器，可用含碳量低于0.5%的優(yōu)質(zhì)碳鋼的無(wú)縫鋼管，其鋼號(hào)以20為多，這號(hào)鋼強(qiáng)度雖低些，但塑性好，焊接性能好。 2、管心距t的確定：

12、管板上兩管子中心的距離稱(chēng)為管間距，用t表示t=(1.3-1.5) （6）（6）（7）s-p96頁(yè)且兩管外徑之間的距離不能小于6mm,即t(d0+6)mm所以t=1.4 d0=1.425mm=35mm外層管子中心到隔板的距離：b, b,= (1-1.5)d0且不能小于1/2d0+10mm （7）所以b,=1.4d0=35mm3、管子在管板上的排列形式管子的排列方式按照三角形排列。這樣排列的優(yōu)點(diǎn)是：（5）s-p96頁(yè)（5）s-p96頁(yè)在一定的管板面積上可以配置較多的管子數(shù)，而且由于管（8）（s-p97頁(yè)子間的距離相等，管板的加工制作方便。 （8）（三）管程數(shù)的確定（m）（9）（s-p99頁(yè) （9）

13、式中：管程流體的適宜流速，m/s 單管程流體的實(shí)際流速，m/s（10）s-p100頁(yè) （10）式中冷卻水流量，/s管內(nèi)徑， m 冷卻水密度 ， 總管數(shù)（11）s-p96頁(yè)= （11）列管中的總管數(shù) ，傳熱面積的估算值選定的換熱管外徑，m l換熱管有效長(zhǎng)度，m代入數(shù)值：=查表得：=4179j/故，=78.26/s（12）s-p96頁(yè)2-6根據(jù)公式 （12） 其中 列管式換熱器的總管數(shù)，必須取整數(shù)l選定的換熱管有效長(zhǎng)度l=3m2（伸長(zhǎng)量+管板厚） =3-2（0.005+0.025）=2.94m所以由公式得管子數(shù)為=85由=2.96 m/s（13）k-p331頁(yè)=(1-3) m/s 查表 取=2m/

14、s （13）=0.68, 故選單程（四）殼體的內(nèi)徑d（14）s-p100頁(yè)2-9根據(jù)公式di=t(nc1)+2b, （14） 其中：nc=1.1=10.1由公式的di=37.5(10.1-1)+237.5=389mm所以取di為400mm根據(jù)l/d=3/0.400=7.5在610之間，所以選用臥式。（五）確定準(zhǔn)確的管子數(shù)按照正三角形排列，見(jiàn)坐標(biāo)紙。由圖得準(zhǔn)確管子數(shù)為n=65。（15）s-p100頁(yè)2-8根據(jù)公式 （15） 得u=2.75m/s（六）校核k0（16）s-p103頁(yè)2-20根據(jù)公式k0= （16） 式中：rs傳熱壁面兩側(cè)污垢熱阻 b 傳熱壁面的厚度 傳熱壁面材料的導(dǎo)熱系數(shù)1、管內(nèi)對(duì)

15、流傳熱系數(shù)i的計(jì)算（17）s-p104頁(yè)2-21a根據(jù)公式i=0.023 （17） 當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4；被冷卻時(shí)，n=0.3。注明：式中所有參數(shù)均在24條件下查得所以取n=0.4 由公式得i=0.023 =9630.2（注明）（18）s-p103頁(yè)2、=0.00017 =0.000086 查表 （18）3、飽和蒸汽在換熱管外作膜狀冷凝時(shí)0的計(jì)算采用試差法計(jì)算tw 注明：由24查表=997.2kgm-3 =60.6410-2w/(m) =9.232810-4 pasr=2282.6 kj/設(shè)tw=81.4, ts=90.2則t=8.8， tm=(t1+t2)/2=24（注明） 假設(shè)條件合

16、理，則根據(jù)公式 0=0.725 （19）其中：nm= （20） 得nm=1.468算得0=11749.46（19）s-p1042-23驗(yàn)證tw 根據(jù)公式tw= ts 得tw=82.28（20）s-p105頁(yè)2-24|=|82.28-81.4|=0.881 所以假設(shè)合理。所以最后得0=11749.464、計(jì)算k0，k0，=1738.7所以k0，/k0=1738.7/1492=1.17（適合）（七）校核面積s0根據(jù)公式s0=16.81 m2（21）s-p105頁(yè) s設(shè)= （21）=3.140.0252.9591=21.08m2所以s設(shè)/ s0=21.08/16.81=1.2（合適）故，設(shè)計(jì)合理。設(shè)

17、備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（一）殼體1、殼體內(nèi)徑 400（22）s-p105頁(yè)2、壁厚 選最小壁厚 10 （22）3、材質(zhì)的選取導(dǎo)墊耐腐蝕性要好，機(jī)械強(qiáng)度高，制造加工容易，價(jià)格低廉。一般中、低壓管式換熱器的；列管常用含碳量低于0.25%的優(yōu)質(zhì)低碳鋼的無(wú)縫鋼管，所選低碳鋼為a3f（二）管板的材質(zhì)及管板的結(jié)構(gòu)（23）s-p107頁(yè)1、在選用管板的材料時(shí)，當(dāng)換熱介質(zhì)無(wú)腐蝕有輕微腐蝕時(shí)，可按規(guī)定采用低碳鋼或普通低合金，處理腐蝕性介質(zhì)時(shí)，應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)的耐腐蝕材料。本設(shè)計(jì)可采用低碳鋼。 （23）2、管板與殼體的連接 管板尺寸：根據(jù)dg=400 mm查表（s-p109頁(yè)表2-10）得管板尺寸：pg =1.0mpadgdd1

18、d2d3d4d5b400mm515mm480mm390mm398mm438mm400mm30mm圖見(jiàn)附頁(yè)圖-1（三）管子在管板上的固定：管子在管板上的固定方法主要有脹接和焊接兩種。其原則是必須保證管子與管板連接牢固，連接處不會(huì)產(chǎn)生泄露。 （1）脹接法 此法是利用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部使管端發(fā)生塑性變形，管板同時(shí)也產(chǎn)生彈性性形變，當(dāng)取去脹管器后由于管板孔的彈性收縮，使管板與管子間同時(shí)產(chǎn)生一定的擠緊力而緊密地貼在一起，從而達(dá)到密封固緊連接的目的。采用脹接時(shí)，管板的硬度應(yīng)比管端硬度高，以保證脹接質(zhì)量，這樣可免除因管板孔的塑性變形，（24）s-p106頁(yè)而影響脹接的緊密性。 圖見(jiàn)附頁(yè)圖-2

19、（24） （2）焊接法由于此法具有高溫高壓下仍能保持連接的緊密性，對(duì)管板孔的加工精度要求低，加工工藝較簡(jiǎn)單，當(dāng)壓強(qiáng)不太高時(shí)，可用較薄管板等優(yōu)點(diǎn)，因此焊接法的應(yīng)用較廣泛。但焊接法工藝要求管子與管孔之間應(yīng)留有一定的間隙。由于本設(shè)計(jì)要求在常溫常壓下工作，可采用脹接法。 （四）管板與殼體的連接固定管板式換熱器的管板與殼體間采用不可拆連接。可采（25）s-p117頁(yè)用焊接的方式。圖見(jiàn)附頁(yè)圖-3 （25）（五）封頭封頭又稱(chēng)端蓋（或頂蓋），按其形狀可分為凸形封頭、錐形封頭和平板封頭三類(lèi)。其中凸形封頭按結(jié)構(gòu)形狀又可分為球形、橢圓形、蝶形和無(wú)折邊球形的四種封頭。對(duì)于列管式換熱器一般取用橢圓形封頭為多。橢圓形封頭

20、是由半橢球和具有一定高度的短圓筒兩部分所組成。直邊的作用是避免殼體與封頭間環(huán)向焊縫的邊緣應(yīng)力，由于橢球封頭各點(diǎn)曲率的變化是連續(xù)的，當(dāng)其承受內(nèi)壓時(shí)封頭內(nèi)的應(yīng)力分布不會(huì)發(fā)生突變，所以其承受能力較大。橢圓形封頭的壁厚與其長(zhǎng)短值的比值有關(guān)。即d/2h=2。大多數(shù)橢圓封頭的壁厚是與筒體厚度相等或比筒稍短。（26）s-p119頁(yè)直邊的內(nèi)徑與殼體內(nèi)徑相同。（26）根據(jù)本實(shí)驗(yàn)可選 材料：碳素鋼其中r=d=400mm;r=0.15d=60mm;s=b=10mm;h=0.25d=100mm;h=3s=30mm圖見(jiàn)附頁(yè)圖-4 （六）封頭或管箱的法蘭與墊片法蘭是壓力容器用的法蘭。壓力容器法蘭分為平焊法蘭和對(duì)稱(chēng)法蘭兩類(lèi)

21、，平焊法蘭又分為甲型和乙型兩種。甲型平焊法蘭適用于公稱(chēng)壓強(qiáng)（mpa）pg0.25、0.6、1.0、1.6四個(gè)壓強(qiáng)等級(jí)的較小范圍。乙型平焊法蘭適用公稱(chēng)壓強(qiáng)pg2.54.0兩個(gè)壓強(qiáng)等級(jí)的較小范圍，其最高工作溫度（27）s-p119頁(yè)為350。 （27）本設(shè)計(jì)選用甲型平焊法蘭，圖見(jiàn)附頁(yè)圖-5、圖-6（28）s-p120頁(yè)公稱(chēng)尺寸：pg =1.0mpa （28）dgdd1d2d3d4ba a1d400mm515mm480mm450mm440mm438mm 30mm 15mm13mm18mm（七）接管接口管有焊接管、鑄造接管和螺紋接管三種。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可選焊接接管，且二次蒸汽選用上進(jìn)下出的形式1、蒸汽進(jìn)口

22、管di = 式中：di 接管的內(nèi)徑 vs 通過(guò)接管流體的體積流量 u 接管內(nèi)流體的適宜流速u(mài)=30m/s =0.42675 kgm-3 所以：di =m= 241mm=314圓整成300 2、冷凝水管：di =20mm =24 通過(guò)查表得出：t=90.2,查得 3、冷卻水管：di =127mm=191 圓整150 -200 通過(guò)查表得出：t=t1t2/2=24,查得 4、不凝氣體排除管： di =54=70圓整70（八）容器開(kāi)孔的補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)圈的材料一般與器壁材料相同，其厚度也與器壁厚度相等，直徑與管子一樣。故補(bǔ)強(qiáng)圈可選：碳素鋼 10 直徑200圖見(jiàn)附頁(yè)圖-7（九）接管法蘭與法蘭蓋 根據(jù)上述計(jì)算出

23、的接管的di通過(guò)查表（s-p151附表7）得到管法蘭尺寸鋼制平焊pg=0.98mpa（10kgf/cm2） dg管子法蘭螺栓dh外徑s壁厚dd1d2d3d4b厚度f(wàn)d數(shù)量直徑25027384053553202923123232512m2230032584604103783433633242512m2232383.5135100785165182184m1632383.5135100785165182184m16（十）容器法蘭 圖見(jiàn)附頁(yè)圖-8（十一）支座 圖見(jiàn)附頁(yè)圖-9課程設(shè)計(jì)技術(shù)說(shuō)明一、 接管表序號(hào)連接方式用途公稱(chēng)尺寸連接尺寸1平面連接冷卻水進(jìn)出口dg250mm*273pg1.57mpa dg250mm2平面連接水蒸氣進(jìn)口dg300mmpg1.57mpa dg300mm3平面連接不凝氣出口dg32mmpg1.57mpa dg32mm4平面連接冷凝水出口dg32mmpg1.57mpa dg32mm二、技術(shù)特性表序