化工原理課程設(shè)計(jì)

1、任務(wù)書(shū)化工原理課程設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 班 級(jí)： K0414411 姓 名： 汪桐 學(xué) 號(hào)： K041441103 指導(dǎo)教師： 譚志偉 2017年 化工原理課程設(shè)計(jì)列管式換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 班級(jí) k041441103 姓名 汪桐 一、設(shè)計(jì)題目：列管式柴油冷卻器的工藝設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件（1）設(shè)計(jì)任務(wù)非標(biāo)準(zhǔn)系列列管式柴油冷卻器的工藝設(shè)計(jì)。說(shuō)明：對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)系列列管式換熱器的設(shè)計(jì)，因是非標(biāo)，顯然不能按照標(biāo)準(zhǔn)系列列管式換熱器在標(biāo)準(zhǔn)系列規(guī)格中進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，而應(yīng)按照非標(biāo)準(zhǔn)系列列管式換熱器的設(shè)計(jì)程序進(jìn)行。（2）操作條件處理能力 3.3×104t/a柴油設(shè)備型式 列管式換熱器（或立

2、式、或臥式）。操作條件柴油入口溫度： 114 ，出口溫度： 39 冷卻介質(zhì)：自來(lái)水，入口溫度： 29 ，出口溫度： 49 允許壓降：不大于105Pa每年按330天計(jì)，每天24h連續(xù)運(yùn)行已知柴油的有關(guān)物性數(shù)據(jù)：密度1=994kg/m3；定壓熱比容cp，1=2.22kJ/(kg·)；熱導(dǎo)率1=0.14W/(m·)；黏度1=7.15×10-4 Pa·s三、設(shè)計(jì)項(xiàng)目(說(shuō)明書(shū)格式) 1、封面、任務(wù)書(shū)、目錄。2、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介：對(duì)確定的換熱器類型進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。 3、換熱器的工藝計(jì)算：1) 確定物性數(shù)據(jù)2) 估算傳熱面積3) 工藝結(jié)構(gòu)尺寸4) 換熱器核算：包括傳熱面積核

3、算和換熱器壓降核算4、換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì) 5、繪制列管式換熱器結(jié)構(gòu)圖（CAD）。 6、對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)述。 7、參考文獻(xiàn)成績(jī)?cè)u(píng)定 指導(dǎo)教師 2016年 月 日課程設(shè)計(jì)內(nèi)容1 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介1.1 選擇換熱器類型1.2 冷熱流體流動(dòng)通道的選擇2 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 確定物性數(shù)據(jù)2.2估算傳熱面積2.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸2.3.1 管徑和管內(nèi)流速2.3.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)2.3.3 管子排列方式和分程方法2.3.4 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)2.3.5 殼體內(nèi)徑2.3.6 折流板2.4 換熱器核算2.4.1 傳熱面積校核2.4.2 換熱器內(nèi)流體流動(dòng)阻力2.5 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果3 換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)3

4、.1 殼體壁厚3.2 管板尺寸3.3 接管尺寸3.4 換熱器封頭選擇3.5 膨脹節(jié)選擇（根據(jù)設(shè)計(jì)可選可不選）3.6 其他部件4 評(píng)述4.1 可靠性評(píng)價(jià)4.2 個(gè)人感想5 參考文獻(xiàn)附表 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果附錄 換熱器結(jié)構(gòu)圖時(shí)間安排：2016-11-16發(fā)任務(wù)書(shū)，設(shè)計(jì)指導(dǎo)2016-12-06完成計(jì)算目錄 目 錄1 引 言62系統(tǒng)設(shè)計(jì)72.1 傳統(tǒng)模式研究的現(xiàn)狀分析82.2 課題研究的目的及意義83 系統(tǒng)方案介紹及比較93.1系統(tǒng)方案論證93.1.1設(shè)計(jì)9其總傳熱系數(shù)10管徑和管內(nèi)流速11管程數(shù)和傳熱管數(shù)11平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)12傳熱管排列和分程方法12殼體內(nèi)徑12折流板13接管13

5、換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力154設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表175設(shè)計(jì)評(píng)述196 心得體會(huì)20化工原理與課程設(shè)計(jì)1 引 言在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各換熱器，且它們是這些行業(yè)的通用設(shè)備，并占有十分重要的地位。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開(kāi)發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問(wèn)世。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。在換熱器設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計(jì)算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器大的機(jī)構(gòu)尺寸。列管式換熱器

6、的應(yīng)用已有很悠久的歷史。在化工、石油、能源設(shè)備等部門，列管式換熱器仍是主要的換熱設(shè)備。列管換熱器的設(shè)計(jì)資料已較為完善，已有系列化標(biāo)準(zhǔn)。目前我國(guó)列管換熱器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收按“鋼制管殼式（即列管式）換熱器”（GB151）標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。列管式換熱器主要有固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U型管換熱器和填料函式換熱器等。固定管板式換熱器有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、排管多等優(yōu)點(diǎn)。但由于結(jié)構(gòu)緊湊，固定管板式換熱器的殼側(cè)不易清洗，而且當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大時(shí)，管子和管板易發(fā)生脫離，故不適用與溫差大的場(chǎng)合。浮頭式換熱器針對(duì)固定管板式換熱器的缺陷進(jìn)行了改進(jìn)。兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端可相對(duì)與殼體移動(dòng)。故這種換

7、熱器的管束膨脹不受殼體的約束，而且易于清洗和檢修，所以能適用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場(chǎng)合。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、造價(jià)高限制了它的使用。U型管換熱器僅有一個(gè)管板，管子兩端均固定于同一管板上。這類換熱器的特點(diǎn)有：管束可以自由伸縮，熱補(bǔ)償性能好；雙管程，流程長(zhǎng)，流速高，傳熱性能好；承壓能力強(qiáng)；管束可以從殼體中抽出，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低。但其管數(shù)少且易短流。故僅適用于管殼壁溫差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的情形。填料函式換熱器也只有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封。它的管束也可自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單，造價(jià)較低。但填料函易泄露，故殼程壓力不宜過(guò)高，

8、也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場(chǎng)合。列管式換熱器的設(shè)計(jì)和分析包括熱力設(shè)計(jì)、流動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及前度設(shè)計(jì)。其中以熱力設(shè)計(jì)最為重要。不僅在設(shè)計(jì)一臺(tái)新的換熱器時(shí)需要進(jìn)行熱力設(shè)計(jì)，而且對(duì)于已生產(chǎn)出來(lái)的，甚至已投入使用的換熱器在檢驗(yàn)它是否滿足使用要求，均需進(jìn)行這方面的工作。熱力設(shè)計(jì)是指，根據(jù)使用單位提出的基本要求，合理地選擇運(yùn)行參數(shù)，并根據(jù)傳熱學(xué)的知識(shí)進(jìn)行傳熱計(jì)算。流動(dòng)設(shè)計(jì)主要是計(jì)算壓降，其目的就是為換熱器的輔助設(shè)備。結(jié)構(gòu)計(jì)算指的是根據(jù)傳熱面積的大小計(jì)算器主要零部件的尺寸，例如管子的直徑、長(zhǎng)度、根數(shù)、殼體的直徑、折流板的長(zhǎng)度和數(shù)目及布置以及連接管的尺寸，等等。列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)

9、容：1. 根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)方案；2. 初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸；3. 核算換熱器的傳熱面積和流體阻力；4. 確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝流程圖及說(shuō)明換熱器-循環(huán)冷卻水煤油泵泵加熱器 工藝流程圖主要說(shuō)明：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。如圖，煤油經(jīng)泵抽上來(lái)，經(jīng)加熱器加熱后，再經(jīng)管道從接管C進(jìn)入換熱器殼程；冷卻水則由泵抽上來(lái)經(jīng)管道從接管A進(jìn)入換熱器管程。兩物質(zhì)在換熱器中進(jìn)行換熱，煤油從140被冷卻至40之后，由接管D流出；循環(huán)冷卻水則從30變?yōu)?0，由接管B流出。2.1 傳統(tǒng)模式研究的現(xiàn)狀分析2.2 課題研究的目的及意義鍛煉學(xué)生的綜合能

10、力：資料查閱、知識(shí)綜合應(yīng)用、理論計(jì)算、設(shè)備選型、繪制圖形、編寫(xiě)說(shuō)明書(shū)。 培養(yǎng)工程觀念：理論小試放大。 3 系統(tǒng)方案介紹及比較3.1 系統(tǒng)方案論證 3.1.1 設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 根據(jù)兩流體的溫度變化：熱流體進(jìn)口溫度114 ，出口溫度為 39 ，冷流體入口溫度29，出口溫度49 ，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季時(shí)其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此，初步確定選用帶有膨脹結(jié)的固定板管式換熱器。從兩流體的操作壓力看。應(yīng)使煤油走管程，循環(huán)冷卻水走殼程，但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度。式換熱器的熱流量下降，所以從總體考慮，應(yīng)使冷卻

11、水走管程，煤油走殼程。流向選用逆流。實(shí)際生產(chǎn)中，冷卻水一般為循環(huán)水，而循環(huán)水易結(jié)垢，為便于清洗，應(yīng)采用冷卻水走管程，煤油走殼程。選用20×2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速設(shè)為ui=0.5m/s2工藝設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 確定物性數(shù)據(jù) 管程冷卻水的定性溫度為：t=（29+49）/2=39 殼程煤油的定性溫度為：T=(114+39) /2=76.5 根據(jù)定性溫度下流體的物性，見(jiàn)下表圖表：定性溫度下流體的物性密度。kg/m3定壓熱比容cp。kJ/(kg·)熱導(dǎo)率。W/(m·)黏度/ Pa·s煤油9942.220.140.000715冷卻水992.54.1740.620.00

12、06682.2估算傳熱面積 先計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量qm1=3.3×107/(330×24)=4166.67kg/h熱負(fù)荷量：Q= qm1cp1(T1-T2)=4166.67×2.22×（114-39） =6.938×105kg/h=19.272kw冷卻水量：qm2=Q/cp2（T1-T2）=6.938×105/4.174×（49-29）=8310.38kg/h計(jì)算兩流體的平均溫差 ()其總傳熱系數(shù)管層傳熱系數(shù) Re= = 殼程傳熱系數(shù) 假設(shè)殼程傳熱系數(shù) 污垢熱阻 管壁的導(dǎo)熱系數(shù) 計(jì)算傳熱面積考慮15%的面積裕度，管徑和管內(nèi)

13、流速選用20×2.5傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速 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)（根）按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。取傳熱管長(zhǎng)LO=6m,則該換熱器管程數(shù)為（管程）傳熱管總根數(shù) (根)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，雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表。但R=10的點(diǎn)在圖上難以讀出，因而相應(yīng)以1/R代替R，PR代替P，查同一圖線，可得 0.8平均傳熱溫差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，則橫過(guò)管束中心線的管數(shù)（根）殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，

14、取管板利用率，則殼體內(nèi)徑取整D=430mm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，則切去的圓缺高度為。,取h=90mm。取折流板間距，則 取板間距B=150mm折流板數(shù)塊(快)折流板圓缺水平裝配。接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)油品流速為，則接管內(nèi)徑為取標(biāo)準(zhǔn)管徑為。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速為，則接管內(nèi)徑為取標(biāo)準(zhǔn)管徑為。換熱器核算熱量核算 殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 對(duì)圓缺形折流板，可采取克恩公式當(dāng)量直徑，由正三角形排列得殼程流通截面積殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普蘭特準(zhǔn)數(shù)粘度校正 管程對(duì)流傳熱系數(shù)管程流通截面積管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普蘭特準(zhǔn)數(shù) 傳熱系數(shù)查有關(guān)文獻(xiàn)知

15、可取：管外側(cè)污垢熱阻 Rs0=0.000172 m2*0C /W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Rs1=0.000344 m2*0C /W碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率 =45W/(m*0C)傳熱面積 該換熱器的實(shí)際傳熱面積 該換熱器的面積裕度傳熱面積裕度不合適，該換熱器不能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 管程流動(dòng)阻力 ，由，傳熱管相對(duì)粗糙度，查莫狄圖得 ，流速，所以，管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。殼程阻力其中，P1,流體橫過(guò)管束的壓強(qiáng)降，PaP2,流體通過(guò)折流板缺口的壓強(qiáng)降，PaFS壓強(qiáng)降的結(jié)垢校正因數(shù),FS=1 , 流體流經(jīng)管束的阻力 P1,=Ffonc(NB+1)其中，F(xiàn)-管子排列方法對(duì)壓強(qiáng)降的校正因數(shù)，

16、對(duì)三角形排列取F=0.5 fo-殼程流體的摩擦系數(shù)，Reo>500時(shí)，取fo=5.0×Reo-0.228 nc-橫過(guò)管束中心線的管子數(shù) NB-折流擋板數(shù)故 fo=5×1731-0.228=0.7962流體流過(guò)折流板缺口的阻力，總阻力殼程流動(dòng)阻力也比較合適。4設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表。參數(shù)管 程殼 程流量/（kg/h）8310.38進(jìn)/出溫度/29/49114/39物性定性溫度/3976.5密度/（kg/m3）992.5994定壓比熱容/（kJ（kg×K）4.1742.22粘度/（Pa×s）0.0006680.000715熱

17、導(dǎo)率/w/（m×K）0.6260.140普朗特?cái)?shù)4.7711.34設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定版式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑mm430殼程數(shù)1管徑/mm20×2.5管心距/mm25管長(zhǎng)/mm6000管子排列管數(shù)目/根189折流板數(shù)/塊39傳熱面積/m264.7折流板間距/mm150管程數(shù)7材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）0.1390.078表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/w/（m2×OC）4800.52225.78污垢阻力/（w/m2×OC）0.0003440.000172阻力/Pa12054.9866.8熱流量/kW693.8傳熱溫差/oC15傳熱系數(shù)/w/（m2×o

18、C）314.5裕度/%167.95設(shè)計(jì)評(píng)述我們?cè)O(shè)計(jì)的是煤油冷卻器，冷卻器是許多工業(yè)生產(chǎn)中常用的設(shè)備。列管式換熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，操作彈性大，應(yīng)用材料廣。列管式換熱器有固定管板式、浮頭式、U形管式和填料函式等類型。列管式換熱器的形式主要依據(jù)換熱器管程與殼程流體的溫度差來(lái)確定。由于兩流體的溫差大于50 ，故選用帶補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器。這類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但管外清洗困難，宜處理殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。因水的對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大，并易結(jié)垢，故選擇冷卻水走換熱器的管程，煤油走殼程6 心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程.經(jīng)過(guò)近一周的努力，我的課程設(shè)計(jì)終于完成了。在沒(méi)有做課程設(shè)計(jì)以前覺(jué)得課程設(shè)計(jì)只是對(duì)這幾年來(lái)所學(xué)知識(shí)的單純總結(jié)，但是通過(guò)這次做課程設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)自己的看法有點(diǎn)太片面。課程設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我明白了自己原來(lái)知識(shí)還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺(jué)得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。 在這次課程設(shè)計(jì)中