化工原理課程設計-23萬噸年煤油冷卻器的設計

1、列管式換熱器設計說明書 設計者： 班級：應化082班姓名 ：學號 ：日期 ：2011年1月3日 指導教師： 設計成績： 日期 化工原理課程設計任務書一、設計題目 23萬噸/年煤油冷卻器的設計二、設計任務與操作條件1、煤油：入口溫度140，出口溫度402、冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度30，出口溫度403、允許壓強降：不大于100kPa4、每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行。兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù) 物性流體煤油90825水35994三、具體要求本設計要求完成以下設計及計算：1、換熱器工藝設計及計算：包括物料衡算、能量衡算、工藝參數(shù)選定及其計算；2、換熱器結構設計：包括換熱設備的主要結構設計

2、及其尺寸確實定等；3、繪制換熱器裝配圖：包括設備的各類尺寸、技術特性表等，用2號圖紙繪制；4、編寫設計說明書：作為整個設計工作的書面總結，說明書應簡練、整潔、文字準確。內(nèi)容應包括：封面、目錄、設計任務書、概述或引言、設計方案的說明和論證、設計計算與說明、對設計中有關問題的分析討論、設計結果匯總主要設備尺寸、各物料量和狀態(tài)、能耗、主要操作參數(shù)以及附屬設備的規(guī)格、型號等、參考文獻目錄、總結及感想等。四、完成后應上交的材料1、設計說明書 1份2、換熱器裝配簡圖 1張目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc282689883 一、方案簡介 PAGEREF _Toc2826898

3、83 h 4 HYPERLINK l _Toc282689884 二、方案設計 PAGEREF _Toc282689884 h 6 HYPERLINK l _Toc282689885 1確定設計方案 PAGEREF _Toc282689885 h 7 HYPERLINK l _Toc282689886 1選擇換熱器的類型 PAGEREF _Toc282689886 h 7 HYPERLINK l _Toc282689887 2流動空間及流速確實定 PAGEREF _Toc282689887 h 7 HYPERLINK l _Toc282689888 2、確定物性數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc2

4、82689888 h 8 HYPERLINK l _Toc282689889 3計算總傳熱系數(shù) PAGEREF _Toc282689889 h 9 HYPERLINK l _Toc282689890 1熱流量 PAGEREF _Toc282689890 h 9 HYPERLINK l _Toc282689891 2平均傳熱溫差 PAGEREF _Toc282689891 h 9 HYPERLINK l _Toc282689892 3自來水用量 PAGEREF _Toc282689892 h 9 HYPERLINK l _Toc282689893 4總傳熱系數(shù)K PAGEREF _Toc2826

5、89893 h 10 HYPERLINK l _Toc282689894 4、計算傳熱面積 PAGEREF _Toc282689894 h 10 HYPERLINK l _Toc282689895 5、工藝結構尺寸 PAGEREF _Toc282689895 h 11 HYPERLINK l _Toc282689896 1管徑和管內(nèi)流速及管長 PAGEREF _Toc282689896 h 11 HYPERLINK l _Toc282689897 2管程數(shù)和傳熱管數(shù) PAGEREF _Toc282689897 h 11 HYPERLINK l _Toc282689898 3平均傳熱溫差校正及殼

6、程數(shù) PAGEREF _Toc282689898 h 11 HYPERLINK l _Toc282689899 4傳熱管排列和分程方法 PAGEREF _Toc282689899 h 11 HYPERLINK l _Toc282689900 5殼體內(nèi)徑 PAGEREF _Toc282689900 h 12 HYPERLINK l _Toc282689901 6折流板 PAGEREF _Toc282689901 h 12 HYPERLINK l _Toc282689902 7接管 PAGEREF _Toc282689902 h 12 HYPERLINK l _Toc282689903 6換熱器核

7、算 PAGEREF _Toc282689903 h 13 HYPERLINK l _Toc282689904 1熱量核算 PAGEREF _Toc282689904 h 13 HYPERLINK l _Toc282689905 2換熱器內(nèi)流體的壓力降 PAGEREF _Toc282689905 h 15 HYPERLINK l _Toc282689906 三、設計結果一覽表 PAGEREF _Toc282689906 h 16 HYPERLINK l _Toc282689907 四、總結及感想 PAGEREF _Toc282689907 h 17 HYPERLINK l _Toc2826899

8、08 五、參考文獻 PAGEREF _Toc282689908 h 19 HYPERLINK l _Toc282689909 六、主要符號說明 PAGEREF _Toc282689909 h 19 HYPERLINK l _Toc282689910 附圖 PAGEREF _Toc282689910 h 20一、方案簡介在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體那么溫度較低，吸收熱量。在化工，石油，動力，制冷，食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，他們也是這些行業(yè)的通用設備，并占有十分重要的地位。列管式換熱器

9、是目前應用最廣泛的一種換熱設備，設計資料和數(shù)據(jù)比擬完善，目前在許多國家已有系列化標準。列管式換熱器在換熱效率、 緊湊型和金屬消耗量等方面不及其他新型換熱器，但由于它有結構牢固 、適應性大、材料范圍廣等獨特優(yōu)點，因而在各種換熱器的競爭開展中仍占有絕對優(yōu)勢。板式換熱器的優(yōu)點(1)換熱效率高,熱損失小在最好的工況條件下,換熱系數(shù)可以到達6000W/m2K,在一般的工況條件下,換熱系數(shù)也可以在30004000W/m2K左右,是管殼式換熱器的35倍。設備本身不存在旁路,所有通過設備的流體都能在板片波紋的作用下形成湍流,進行充分的換熱。完成同一項換熱過程,板式換熱器的換熱面積僅為管殼式的1/31/4。(2

10、)占地面積小重量輕除設備本身體積外,不需要預留額外的檢修和安裝空間。換熱所用板片的厚度僅為0.60.8mm。同樣的換熱效果,板式換熱器比管殼式換熱器的占地面積和重量要少五分之四。(3)污垢系數(shù)低流體在板片間劇烈翻騰形成湍流,優(yōu)秀的板片設計防止了死區(qū)的存在,使得雜質(zhì)不易在通道中沉積堵塞,保證了良好的換熱效果。(4)檢修、清洗方便換熱板片通過夾緊螺柱的夾緊力組裝在一起,當檢修、清洗時,僅需松開夾緊螺柱即可卸下板片進行沖刷清洗。(5)產(chǎn)品適用面廣設備最高耐溫可達180,耐壓2.0MPa,特別適應各種工藝過程中的加熱、冷卻、熱回收、冷凝以及單元設備食品消毒等方面,在低品位熱能回收方面,具有明顯的經(jīng)濟效

11、益。各類材料的換熱板片也可適應工況對腐蝕性的要求。當然板式換熱器也存在一定的缺點,比方工作壓力和工作溫度不是很高,限制了其在較為復雜工況中的使用。同時由于板片通道較小,也不適宜用于雜質(zhì)較多,顆粒較大的介質(zhì)。板式換熱器的類型及工作原理板式換熱器按照組裝方式可以分為可拆式、焊接式、釬焊式等形式;按照換熱板片的波紋可以分為人字波、平直波、球形波等形式;按照密封墊可以分為粘結式和搭扣式。各種形式進行組合可以滿足不同的工況需求,在使用中更有針對性。比方同樣是人字形波紋的板片還因采用粘結式還是搭扣式密封墊而有所不同,采用搭扣式密封墊可以有效的防止膠水中可能含有的氯離子對板片的腐蝕,并且設備拆裝更加方便。又

12、如焊接式板式換熱器的耐溫耐壓明顯好于可拆式板式換熱器,可以到達250、。因此同樣是板式換熱器,因其形式的多樣性,可以應用于較為廣泛的領域,在大多數(shù)熱交換工藝過程都可以使用。 雖然板式換熱器有多種形式,但其工作原理大致相同。板式換熱器主要是通過外力將換熱板片夾緊組裝在一起,介質(zhì)通過換熱板片上的通孔在板片外表進行流動,在板片波紋的作用下形成劇烈的湍流,猶如用筷子攪動杯中的熱水,加大了換熱的面積。冷熱介質(zhì)分別在換熱板片的兩側(cè)流動,湍流形成的大量換熱面與板片接觸,通過板片來進行充分的熱傳遞,到達最終的換熱效果。冷熱介質(zhì)的隔離主要通過密封墊的分割,或者通過大量的焊縫來保證,在換熱板片不開裂穿孔的情況下,

13、冷熱介質(zhì)不會發(fā)生混淆。本設計任務是利用冷流體水給煤油降溫。利用熱傳遞過程中對流傳熱原那么，制成換熱器，以供生產(chǎn)需要。以下圖圖1是工業(yè)生產(chǎn)中用到的列管式換熱器.選擇換熱器時,要遵循經(jīng)濟,傳熱效果優(yōu),方便清洗,復合實際需要等原那么。換熱器分為幾大類：夾套式換熱器，沉浸式蛇管換熱器，噴淋式換熱器，套管式換熱器，螺旋板式換熱器，板翅式換熱器，熱管式換熱器，列管式換熱器等。不同的換熱器適用于不同的場合。而列管式換熱器在生產(chǎn)中被廣泛利用。它的結構簡單、鞏固、制造較容易、處理能力大、適應性大、操作彈性較大。尤其在高壓、高溫和大型裝置中使用更為普遍。所以首選列管式換熱器作為設計根底。二、方案設計某廠在生產(chǎn)過程

14、中，需將煤油從140冷卻到40。處理能力為105噸/年。冷卻介質(zhì)采用自來水，入口溫度30，出口溫度40。要求換熱器的管程和殼程的壓降不大于100kPa。試設計能完成上述任務的列管式換熱器。每年按330天，每天24小時連續(xù)運行1確定設計方案 1選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度140，出口溫度40冷流體。冷流體進口溫度30，出口溫度40。從兩流體溫度來看，估計換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差不會很大，因此初步確定選用固定管板式換熱器。2流動空間及流速確實定 在列管式換熱器中，哪一種流體流經(jīng)管內(nèi)管程，哪一種流體流經(jīng)管外殼程，關系到設備使用是否合理。一般可以從以下幾方面考慮。不潔凈或易

15、結垢的無聊應當流經(jīng)易于清洗的一側(cè)，對于直管管束，一般通過管內(nèi)。但對于U型管式換熱器，由于管內(nèi)不能進行機械清洗，故污濁的流體應通過殼程。有腐蝕的流體應在管內(nèi)流過，這樣只有管子管板及流道室需要使用耐腐蝕材料，而管體及管外其他零件都可以使用比擬廉價的材料。壓力高的流體流經(jīng)管內(nèi)，因為管直徑小，承受高壓能力好，同時防止了采用高壓外殼和高壓密封。飽和蒸汽一般通入殼程，以便排除潔凈冷凝液。被冷卻物料一般走殼程，便于散熱。 由于循環(huán)冷卻水較易結垢，為便于水垢清洗，再者煤油的粘度比水的大，因此冷卻水走管程，煤油走殼程。另外，這樣的選擇可以使煤油通過殼體壁面向空氣中散熱，提高冷卻效果。同時，在此選擇逆流。一般換熱

16、器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 1碳鋼 價格低，強度較高，對堿性介質(zhì)的化學腐蝕比擬穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應用是合理的。如一般換熱器用的普通無縫鋼管，其常用的材料為10號和20號碳鋼。 2不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti為代表，它是標準的18-8奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。正三角形排列結構緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結構更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式那么以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。 選用252.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取ui=/。 2、

17、確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。 殼程硝基苯的定性溫度為：管程流體的定性溫度為： 根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。 煤油在90下的有關物性數(shù)據(jù)如下： 密度 o=825 kg/m3定壓比熱容 cpo=kJ/(kg)導熱系數(shù) o=W/(m)粘度 o715 Pas自來水在34下的物性數(shù)據(jù)： 密度 i=994kg/m3定壓比熱容 cpi=4.174 kJ/(kg)導熱系數(shù) i26W/(m)粘度 i=0.000728 Pas3計算總傳熱系數(shù) 1熱流量 Wo=105100033024/hQo=Wocpoto=(140-40)=kJ/h=1790.8 kW2平均傳熱溫差

18、 3自來水用量 4總傳熱系數(shù)K 管程傳熱系數(shù) 殼程傳熱系數(shù) 假設殼程的傳熱系數(shù)o=400 W/(m2)； 污垢熱阻Rsi=0.000344 m2/W , Rso=0.000172 m2/W管壁的導熱系數(shù)=45 W/(m)4、計算傳熱面積 S=25、工藝結構尺寸 1管徑和管內(nèi)流速及管長 選用252.5傳熱管(碳鋼)，取管內(nèi)流速ui=/s。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)根L=取管長為9m管程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) 按單殼程，雙管程結構，溫差校正系數(shù)應查有關圖表?？傻闷骄鶄鳠釡夭?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

19、兩側(cè)采用正方形排列。取管心距t=1.25 d0，那么 32(mm)橫過管束中心線的管數(shù)5殼體內(nèi)徑 采用多管程結構，取管板利用率0.7，那么殼體內(nèi)徑為 圓整可取D1000mm 6折流板 1000mm200mm，故可取h200 mm。 取折流板間距B0.3D，那么B0.31000mm300mm，可取B為300mm。 折流板數(shù) NB=傳熱管長/折流板間距-1=4500/300-1=14(塊)折流板圓缺面水平裝配。 7接管 殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為 u1.0 m/s，那么接管內(nèi)徑為 取標準管徑為120 mm。 管程流體進出口接管：取接管內(nèi)自來水流速 u1.5 m/s，那么接管內(nèi)徑為 取2

20、05mm無縫鋼管。6換熱器核算 1熱量核算 殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板，可采用凱恩公式 當量直徑，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 普蘭特準數(shù) 粘度校正 管程對流傳熱系數(shù) 管程流通截面積管程流體流速 普蘭特準數(shù)傳熱系數(shù)K傳熱面積S該換熱器的實際傳熱面積Sp該換熱器的面積裕度為 傳熱面積裕度適宜，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。 2換熱器內(nèi)流體的壓力降 管程流動阻力 Pi=(P1+P2)FtNsNp由Re13653，傳熱管相對粗糙度0.01/200.005，查莫狄圖得i0.037 W/m， 流速ui0.500m/s，994 .3kg/m3，所以 管程壓力降在允許范圍

21、之內(nèi)。殼程壓力降流體流經(jīng)管束的阻力 流體流過折流板缺口的阻力 殼程壓力降也比擬適宜。 三、設計結果一覽表換熱器形式：固定管板式換熱面積m2:工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱自來水煤油操作壓力，Pa未知未知操作溫度，30/40140/40流量，kg/h流體密度，kg/m3994825流速，m/s0.50074傳熱量，kW總傳熱系數(shù)，W/m2K310傳熱系數(shù)，W/m2475污垢系數(shù)，m2K/W阻力降，Pa程數(shù)21推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格管數(shù)550管長mm:4500管間距，mm32排列方式正三角形折流板型式上下間距，mm300切口高度20%殼體內(nèi)徑mm1000保溫層厚度，mm未知表格 SEQ 表格 * ARABIC 1四、總結及感想化工原理課程設計是培養(yǎng)個人綜合運用本門課程及有關選修課程的根本知識去解決某一設計任務的一次訓練，也起著培養(yǎng)學生獨立工作能力的重要作用。經(jīng)過幾天的奮戰(zhàn)，終于完成了一個還算可以的設計，這幾天我過的很充實，是我大學生活里又一次最充實的生活，看著自己的勞動成果，心里有種說不出的感覺。畢竟自己的努力還算有所回報，我為自己的努力感到自豪，當然我也認識到了自己學習中的缺乏，看到了自己在運用知識方面欠缺,估計圖也就剛剛到達標準。我想說：為完成這次課程設計我們確實很辛苦，但苦中仍有樂。我們一邊忙著復習備考，一邊還要做課程設計，時間對我們來說一下子變得很珍貴，真是恨不得睡覺的