化工課程設(shè)計(jì)--用水冷卻煤油產(chǎn)品的多程列管式換熱器設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　化工原理課程設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　設(shè)</b></p><p><b>　　計(jì)</b></p><p><b>　　書</b></p><p>　　專業(yè)年級 2011級應(yīng)用化學(xué)

2、 </p><p>　　小組成員 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　日 期 2014-5-27 </p><p><b>　　目

3、錄</b></p><p>　　目錄 …………………………………………………</p><p>　　第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)書 ………………………………… 1</p><p>　　第二章 概述 ………………………………………… 2</p><p>　　第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與說明 ……………………………… 4</p><

4、p>　　第四章 換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………… 5</p><p>　　第五章 總結(jié) ……………………………………… 16</p><p>　　第六章 參考文獻(xiàn) …………………………………… 18</p><p>　　第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p>　　一、設(shè)計(jì)名稱用水冷卻煤油產(chǎn)品的多程列管式換熱器設(shè)計(jì)二、

5、設(shè)計(jì)任務(wù)使煤油從140℃冷卻到40℃,壓力1bar(100kpa) ,冷卻劑為水，水壓力為3bar(300kpa)，處理量為10t/h。三、設(shè)計(jì)任務(wù)1 合理的參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2 傳熱計(jì)算和壓降計(jì)算：設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算四、設(shè)計(jì)說明書內(nèi)容1 傳熱面積2 管程設(shè)計(jì)包括：總管數(shù)、程數(shù)、管程總體阻力校核3 殼體直徑4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括流體壁厚5 主要進(jìn)出口管徑的確定包括：冷熱流體的進(jìn)出口管五、設(shè)計(jì)進(jìn)度1 設(shè)計(jì)動員，下達(dá)設(shè)計(jì)任

6、務(wù)書 0.5天2 搜集資料，閱讀教材，擬定設(shè)計(jì)進(jìn)度 1.5天3 設(shè)計(jì)計(jì)算（包括電算，編寫說明書草稿） 5-6天4 繪圖 3-4天5 整理，抄寫說明書 2天</p><p><b>　　第二章 概述</b></p><p>　　化工生產(chǎn)中,無論是化學(xué)過程 還是物理過程,幾乎都需要熱量的引入和導(dǎo)出.例如在絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)過程和物理過程都是在一定溫度下進(jìn)行的,為

7、了使物系達(dá)到并保持指定的溫度,就要預(yù)先對物料進(jìn)行加熱或冷卻,并在很多過程進(jìn)行時(shí),也要及時(shí)取走過程放出的熱量或補(bǔ)充過程吸收的熱量.</p><p>　　工業(yè)上用于傳熱過程的基本設(shè)備稱為換熱器.在化工生產(chǎn)中,最常見的是兩流體間的熱交換.而且多是間壁式換熱,兩流體不接觸,不混合.冷熱兩流體在傳熱是被固體壁面(傳熱面)所隔開,兩流體分別在壁畫兩側(cè)流動.典型的換熱器有套管式換熱器和列管式換熱器. 列管式換熱器是目前化工及酒

8、精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì) ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來分，主要有以下幾種：浮頭式換熱器、固定式換熱器、U形管換熱器、填料函式換熱器等</p><p><b>　　1 浮頭式換熱器</b></p><p>　　浮頭式換熱器兩端的管板，一端不

9、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。浮頭換熱器的特點(diǎn)：浮頭式換熱器的一端管板固定在殼體與管箱之間，另一端管板可以在殼體內(nèi)自由移動，這個特點(diǎn)在現(xiàn)場能看出來。這種換熱器殼體和管束的熱膨脹是自由的，管束可以抽出，便于清洗管間和管內(nèi)。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高（比固定管板高20%），在運(yùn)行中浮頭處發(fā)生泄漏，不易檢查處理。浮頭式換熱器適用于殼體和管束溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的條件。</p&g

10、t;<p>　　2 固定管板式換熱器</p><p>　　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。固定管板式換熱器的特點(diǎn)：旁路滲流較小、造價(jià)低、無內(nèi)漏,缺點(diǎn)是殼體和管壁的溫差較大，易產(chǎn)生溫差力，殼程無法清洗，管子腐蝕后連同殼體報(bào)廢，設(shè)備壽命較低，不適

11、用于殼程易結(jié)垢場合。</p><p><b>　　3 U型管式換熱器</b></p><p>　　這類換熱器只有一個管板，管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點(diǎn)是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。</p><p><b>　　4 填料函式換熱器</b></p><p

12、>　　這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，造價(jià)也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。</p><p>　　第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與說明</p><p><b>　　工藝流程圖</b></p><p><b>　　1.加料方式：</b></p>

13、<p>　　反應(yīng)器出來產(chǎn)品直接進(jìn)入換熱器</p><p><b>　　2.進(jìn)出料熱狀況：</b></p><p>　　煤油進(jìn)口溫度140℃，出口溫度40℃</p><p><b>　　3.換熱方式：</b></p><p>　　循環(huán)水間接接觸式換熱</p><p>

14、<b>　　4.換熱器的選擇：</b></p><p>　　由于兩流體的溫差大于50℃，可選用帶有溫度補(bǔ)償?shù)墓潭ü馨迨綋Q熱器或浮頭式列管換熱器。</p><p><b>　　5.流徑的選擇</b></p><p>　　在具體設(shè)計(jì)時(shí)考慮到盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個，使傳熱面兩側(cè)傳熱系數(shù)接近；在運(yùn)行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡

15、量減少熱量損失，而對于一些制冷裝置，應(yīng)盡量減少其冷量損失；管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢和修理，以保證運(yùn)行的可靠性。因水的對流傳熱系數(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。</p><p>　　第四章 換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)方案</b></p><p><b>　　1選定換熱器

16、類型</b></p><p>　　被冷卻物質(zhì)為煤油，入口溫度為T1=140℃,出口溫度為T2=40℃</p><p>　　冷卻介質(zhì)為自來水，入口溫度為t1=30℃，出口溫度為t2=38℃</p><p><b>　　油的定性溫度： </b></p><p><b>　　水的定性溫度： </b&

17、gt;</p><p>　　兩流體的溫差： （ >50℃， <70℃）</p><p>　　可選用帶溫度補(bǔ)償?shù)墓潭ü馨迨綋Q熱器。但考慮到該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，在冬季操作時(shí)冷卻水進(jìn)口溫度會降低，因此殼體壁溫與管壁壁溫相差較大，為安全起見，故選用浮頭式列管換熱器。</p><p>　　2選用流體流動空間及流速</p><p>　　

18、因循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于清洗污洉，故選定冷卻水走管程，煤油走殼程。同時(shí)選用φ25mm×2.5mm的較高級冷拔碳鋼管，管內(nèi)流速取。</p><p><b>　　浮頭式列管換熱器</b></p><p><b>　　二、確定物性參數(shù)</b></p><p>　　查化工原理附錄，兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)見下表：

19、</p><p>　　兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)</p><p><b>　　三、估算傳熱面積</b></p><p>　　計(jì)算熱負(fù)荷（熱流量或傳熱速率）</p><p><b>　　按管間煤油計(jì)算，即</b></p><p><b>　　計(jì)算冷卻水用量</

20、b></p><p>　　忽略熱損失，則水的用量為</p><p>　　(3) 計(jì)算逆流平均溫度差</p><p>　　(4)初選總傳熱系數(shù)K</p><p>　　查傳熱手冊，煤油的總傳熱系數(shù)大致在116－337 W/(㎡·℃)，現(xiàn)假定K=290 W/(㎡·℃)</p><p><b&g

21、t;　　(5)估算傳熱面積</b></p><p>　　考慮到15%的面積裕度，</p><p><b>　　四、工藝結(jié)構(gòu)尺寸</b></p><p><b>　　管徑和管內(nèi)流速</b></p><p>　　管徑：φ25mm×2.5mm ,管內(nèi)流速ui=1.3m/s</p

22、><p>　　(2)管程數(shù)與傳熱管數(shù)</p><p>　　根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p>　　按照單程計(jì)算所需換熱管的長度L</p><p>　　按照單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長，根據(jù)本題實(shí)際情況取，則該換熱器的管程數(shù)為：</p><p><b>　　傳熱管總根數(shù)：</b></p

23、><p>　　平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)：首先計(jì)算R和P的參考值 </p><p>　　由于查取ψ值比較困難，作如下變換：</p><p>　　根據(jù)查溫差校正系數(shù)圖可知：ψ>0.8，同時(shí)殼程流體流量亦較大，</p><p><b>　　故取單殼程合適。</b></p><p>　　傳熱管排列和分程

24、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。</p><p>　　取管心距：t=1.25d0，則 t=1.25×25=31.25≈32㎜</p><p>　　隔板中心到離其最.近一排管中心距離：&l

25、t;/p><p>　　S=t/2+6=32/2+6=22㎜</p><p>　　各程相鄰管的管心距為ta=2×S=44㎜。</p><p>　　管中心距t與分程隔板槽 兩側(cè)相鄰管排中心距ta的計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)要求相比較，證明可用。</p><p><b>　　殼體內(nèi)徑 </b></p><p&

26、gt;　　采用四管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.7，則殼體內(nèi)徑：</p><p>　　圓整值 。 </p><p><b>　　折流板 </b></p><p>　　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=0.25×600=150mm,取h=150mm.</p>&l

27、t;p>　　取折流板間距為B=0.3×600=180mm, 取B=180mm,則折流板數(shù)</p><p>　　折流板圓缺水平面安裝 。</p><p><b>　　其他附件</b></p><p>　　拉桿直徑為φ12mm,其數(shù)量不少于10根。殼程入口應(yīng)設(shè)置防沖擋板。</p><p><b>　

28、　接管</b></p><p>　　殼程流體（煤油）進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)煤油流速為0.5m/s則接管內(nèi)徑：</p><p>　　取標(biāo)準(zhǔn)管徑φ108mm×20mm</p><p>　　管程流體（循環(huán)水）進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)循環(huán)水流速為2.5m/s,則接管內(nèi)徑：</p><p>　　取標(biāo)準(zhǔn)管徑為φ108mm×5mm

29、，其余接管略。</p><p><b>　　五、換熱器校算</b></p><p><b>　　⑴傳熱能力核算</b></p><p>　　殼程對流給熱系數(shù) </p><p>　　對于圓缺形折流板，可采用克恩（Ken）公式</p><p>　　當(dāng)量直徑由正三角形排列得

30、</p><p><b>　　殼程流通截面積</b></p><p>　　殼程流體流速、雷諾數(shù)及普朗特?cái)?shù)分別為</p><p>　　管程給熱系數(shù) 管程流通截面積</p><p>　　管程流流速、雷諾數(shù)及普朗特?cái)?shù)分別為</p><p>　　③污垢熱阻與管壁熱阻</p><p&

31、gt;　　管外側(cè)污垢熱阻：查污垢經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取Rso=0.000174m2·℃/W</p><p>　　管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：查污垢經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取Rsi=0.000516m2·℃/W</p><p>　　管壁的熱導(dǎo)率：碳鋼的熱導(dǎo)率λ=45W/(m·℃)</p><p><b>　?、?總傳熱系數(shù)</b></p>&

32、lt;p><b>　　=</b></p><p><b>　?、輦鳠崦娣e</b></p><p><b>　　理論傳熱面積</b></p><p><b>　　A=</b></p><p>　　該換熱器的實(shí)際換熱面積</p><p

33、><b>　　面積裕度為</b></p><p><b>　　H=</b></p><p>　　換熱面積裕度合適，在15％范圍內(nèi)，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　?、?核算壁溫</b></p><p>　　因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁壁溫按下式計(jì)算：&

34、lt;/p><p>　　Tm=(T1+T2)/2=(140+40)/2=90℃</p><p>　　tm=0.4t2+0.6t1＝0.4×38+0.6×30=33.2℃</p><p>　　取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算壁溫，得傳熱管平均壁溫：</p><p>　　殼體平均壁溫，近似取殼層流體的平均溫度，即90℃。</p>

35、<p>　　殼體平均壁溫與傳熱管平均壁溫之差：90-41.9=48.1℃。</p><p>　?、?換熱器內(nèi)流體的流體阻力</p><p><b>　?、?管程流動阻力</b></p><p>　?。‵t 結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，Np管程數(shù)，Ns殼程數(shù)）</p><p>　　取換熱管壁粗超度為0.01mm,則ε/d=

36、0.005，而Rei=17152.3，</p><p>　　查圖得λi=0.0355，流速ui=0.64m/s，密度為ρ=994.3㎏/m3，所以：</p><p>　　對Φ25×2.5mm的管子有Ft=1.4，且Np=4，Ns=1</p><p>　　=(1626.5+610.9)×1.4×4×1=12529.44Pa<

37、;/p><p><b>　?、?殼程流動阻力</b></p><p>　?。‵s為結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，對液體Fs=1.15，Ns為殼程數(shù)）</p><p>　　流體流經(jīng)管束的阻力 </p><p>　　式中 F——管子排列方式對壓力降的校正系數(shù)，正三角形排列F=0.5，正方形直列F=0.3，正方形錯列F=0.4；<

38、/p><p>　　fo——?dú)こ塘黧w的摩擦系數(shù)，當(dāng)Reo＞500時(shí)，</p><p><b>　　fo＝;</b></p><p>　　nc——橫過管束中心線的管數(shù)，nc=；</p><p>　　折流板間距B=0.18m，折流板數(shù)NB=24，uo=0.1427m/s</p><p>　　流體流經(jīng)折流板缺

39、口的阻力:</p><p><b>　　合理壓力降的選取</b></p><p>　　參考表合理壓力的選取，該換熱器的壓降在合理的范圍之內(nèi)，故所設(shè)計(jì)的換熱器合適。</p><p>　　六、換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果一覽表</p><p><b>　　第五章 設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p>

40、;<p>　　換熱器是許多工業(yè)生產(chǎn)中常用的設(shè)備,尤其是石油、化工生產(chǎn)應(yīng)用更為廣泛。在化工廠中換熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。換熱器的類型很多，性能各異，個具特點(diǎn)，可以適應(yīng)絕大多數(shù)工藝過程對換熱器的要求。進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)，首先是根據(jù)工藝要求選用適當(dāng)?shù)念愋停瑫r(shí)計(jì)算完成給定生產(chǎn)任務(wù)所需的傳熱面積，并確定換熱器的工藝尺寸。</p><p>　　換熱器類型雖然很多，但計(jì)算傳熱面積所依據(jù)的傳熱基本原

41、理相同，不同</p><p>　　之處僅是在結(jié)構(gòu)上需根據(jù)各自設(shè)備特點(diǎn)采用不同的計(jì)算方法而已。</p><p>　　我們組設(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確定。我們組采用的是浮頭式換熱器，其優(yōu)點(diǎn)：<

42、;/p><p>　　（1）管束可以抽出，以方便清洗管、殼程；</p><p>　?。?）介質(zhì)間溫差不受限制；</p><p>　　（3）可在高溫、高壓下工作，一般溫度小于等于450度，壓力小于等于6.4兆帕；</p><p>　?。?）可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合；</p><p>　?。?）可用于管程易腐蝕的場合等。因水的對

43、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。</p><p>　　本設(shè)計(jì)由**共同設(shè)計(jì)。我們的設(shè)計(jì)是在合理設(shè)計(jì)條件下，嚴(yán)格進(jìn)行計(jì)算和查閱相關(guān)文獻(xiàn)而得出。設(shè)計(jì)過程中我們五人分工明確、共同探討、積極交流經(jīng)驗(yàn)，在團(tuán)體合作中不僅提高了個人的思維能力，也加強(qiáng)了我們的團(tuán)隊(duì)合作的能力。在此，我們更加感謝**老師在設(shè)計(jì)中給予我們的幫助和指導(dǎo)，在設(shè)計(jì)的選題以及設(shè)計(jì)的方法上，老師給了我們莫大的幫助與關(guān)懷。在

44、設(shè)計(jì)期間，老師對我們嚴(yán)格要求，要求我們能夠獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)，培養(yǎng)我們獨(dú)立解決問題的能力，還從自己的寶貴時(shí)間中抽時(shí)間為我們審閱圖，并提出修改意見和建議。淵博的理論知識、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、樂觀的生活態(tài)度及熱情待人的品格都深深地影響和教育了我們，我們從他身上學(xué)到了很多做人的道理。同時(shí)在生活上也很關(guān)心我們，經(jīng)常問我們的設(shè)計(jì)情況，鼓勵我們學(xué)習(xí)。在這里，謹(jǐn)向*老師表示最衷心的感謝和最誠摯的敬意。</p><p>

45、;　　在此還要感謝我的其他老師。在過去的大學(xué)二年里，老師循循善誘的教導(dǎo)我們，為我們的付出了無數(shù)的汗水，還要感謝化學(xué)工程系的各位領(lǐng)導(dǎo)和老師對我們的辛勤培育與教導(dǎo)。</p><p>　　時(shí)間過得很快，這一學(xué)期的生活快要結(jié)束了。在這最后的時(shí)間里，我得到了同學(xué)的很多幫助。我們在一起設(shè)計(jì)，互相討論，互相請教問題，大家共享資料。在我碰到困難的時(shí)候，他們幫我渡過了難關(guān)。這般友誼，彌足珍貴，我不會忘記。</p>&

46、lt;p><b>　　謝謝你們！</b></p><p><b>　　第六章 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　賈紹義，化工傳遞與單元操作課程設(shè)計(jì)，天津大學(xué)出版社，2002,8.</p><p>　　傳熱設(shè)備及工業(yè)爐，化學(xué)工程手冊第8篇，1987.</p><p>　　化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊編