《化工原理课程设计23万吨煤油冷却器的设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工原理课程设计23万吨煤油冷却器的设计.doc（20页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、列管式换热器设计说明书 设计者： 班级：应化082班姓名 ：学号 ：日期 ：2011年1月3日 指导教师： 设计成绩： 日期 化工原理课程设计任务书一、设计题目 23万吨/年煤油冷却器的设计二、设计任务与操作条件1、煤油：入口温度140，出口温度402、冷却介质：自来水，入口温度30，出口温度403、允许压强降：不大于100kPa4、每年按330天计，每天24小时连续运行。两流体在定性温度下的物性数据 物性流体煤油908250.7152.220.14水359940.7284.1740.626三、具体要求本设计要求完成以下设计及计算：1、换热器工艺设计及计算：包括物料衡算、能量衡算、工艺参数选定
2、及其计算；2、换热器结构设计：包括换热设备的主要结构设计及其尺寸的确定等；3、绘制换热器装配图：包括设备的各类尺寸、技术特性表等，用2号图纸绘制；4、编写设计说明书：作为整个设计工作的书面总结，说明书应简练、整洁、文字准确。内容应包括：封面、目录、设计任务书、概述或引言、设计方案的说明和论证、设计计算与说明、对设计中有关问题的分析讨论、设计结果汇总（主要设备尺寸、各物料量和状态、能耗、主要操作参数以及附属设备的规格、型号等）、参考文献目录、总结及感想等。四、完成后应上交的材料1、设计说明书 1份2、换热器装配简图 1张目录一、方案简介4二、方案设计61确定设计方案7（1）选择换热器的类型7（2
3、）流动空间及流速的确定72、确定物性数据83计算总传热系数9（1）热流量9（2）平均传热温差9（3）自来水用量9（4）总传热系数K104、计算传热面积105、工艺结构尺寸11（1）管径和管内流速及管长11（2）管程数和传热管数11（3）平均传热温差校正及壳程数11（4）传热管排列和分程方法11（5）壳体内径12（6）折流板12（7）接管126换热器核算13（1）热量核算13（2）换热器内流体的压力降15三、设计结果一览表16四、总结及感想17五、参考文献19六、主要符号说明19附图20一、方案简介在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，
4、一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在化工，石油，动力，制冷，食品等行业中广泛使用各种换热器，他们也是这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。列管式换热器是目前应用最广泛的一种换热设备，设计资料和数据比较完善，目前在许多国家已有系列化标准。列管式换热器在换热效率、 紧凑型和金属消耗量等方面不及其他新型换热器，但由于它有结构牢固 、适应性大、材料范围广等独特优点，因而在各种换热器的竞争发展中仍占有绝对优势。板式换热器的优点(1)换热效率高,热损失小在最好的工况条件下,换热系数可以达到6000W/m2K,在一般的工况条件下,换热系数也可以在30004000W/m2K左右,
5、是管壳式换热器的35倍。设备本身不存在旁路,所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流,进行充分的换热。完成同一项换热过程,板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/31/4。(2)占地面积小重量轻除设备本身体积外,不需要预留额外的检修和安装空间。换热所用板片的厚度仅为0.60.8mm。同样的换热效果,板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。(3)污垢系数低流体在板片间剧烈翻腾形成湍流,优秀的板片设计避免了死区的存在,使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。(4)检修、清洗方便换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时,仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷
6、清洗。(5)产品适用面广设备最高耐温可达180,耐压2.0MPa,特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面,在低品位热能回收方面,具有明显的经济效益。各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。当然板式换热器也存在一定的缺点,比如工作压力和工作温度不是很高,限制了其在较为复杂工况中的使用。同时由于板片通道较小,也不适宜用于杂质较多,颗粒较大的介质。板式换热器的类型及工作原理板式换热器按照组装方式可以分为可拆式、焊接式、钎焊式等形式;按照换热板片的波纹可以分为人字波、平直波、球形波等形式;按照密封垫可以分为粘结式和搭扣式。各种形式进行组合可以满足不同的工况需求
7、,在使用中更有针对性。比如同样是人字形波纹的板片还因采用粘结式还是搭扣式密封垫而有所不同,采用搭扣式密封垫可以有效的避免胶水中可能含有的氯离子对板片的腐蚀,并且设备拆装更加方便。又如焊接式板式换热器的耐温耐压明显好于可拆式板式换热器,可以达到250、2.5MPa。因此同样是板式换热器,因其形式的多样性,可以应用于较为广泛的领域,在大多数热交换工艺过程都可以使用。 虽然板式换热器有多种形式,但其工作原理大致相同。板式换热器主要是通过外力将换热板片夹紧组装在一起,介质通过换热板片上的通孔在板片表面进行流动,在板片波纹的作用下形成激烈的湍流,犹如用筷子搅动杯中的热水,加大了换热的面积。冷热介质分别在
8、换热板片的两侧流动,湍流形成的大量换热面与板片接触,通过板片来进行充分的热传递,达到最终的换热效果。冷热介质的隔离主要通过密封垫的分割,或者通过大量的焊缝来保证,在换热板片不开裂穿孔的情况下,冷热介质不会发生混淆。本设计任务是利用冷流体（水）给煤油降温。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。下图（图1）是工业生产中用到的列管式换热器.选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,复合实际需要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器等。不同的换热器适用于不同的场合。而列管式换
9、热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选列管式换热器作为设计基础。二、方案设计某厂在生产过程中，需将煤油从140冷却到40。处理能力为2.3105吨/年。冷却介质采用自来水，入口温度30，出口温度40。要求换热器的管程和壳程的压降不大于100kPa。试设计能完成上述任务的列管式换热器。（每年按330天，每天24小时连续运行）1确定设计方案 （1）选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度140，出口温度40冷流体。冷流体进口温度30，出口温度40。从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度
10、和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用固定管板式换热器。（2）流动空间及流速的确定 在列管式换热器中，哪一种流体流经管内（管程），哪一种流体流经管外（壳程），关系到设备使用是否合理。一般可以从下列几方面考虑。（1） 不洁净或易结垢的无聊应当流经易于清洗的一侧，对于直管管束，一般通过管内。但对于U型管式换热器，由于管内不能进行机械清洗，故污浊的流体应通过壳程。（2） 有腐蚀的流体应在管内流过，这样只有管子管板及流道室需要使用耐腐蚀材料，而管体及管外其他零件都可以使用比较便宜的材料。（3） 压力高的流体流经管内，因为管直径小，承受高压能力好，同时避免了采用高压外壳和高压密封。（4） 饱和蒸汽一般
11、通入壳程，以便排除洁净冷凝液。（5） 被冷却物料一般走壳程，便于散热。 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，再者煤油的粘度比水的大，因此冷却水走管程，煤油走壳程。另外，这样的选择可以使煤油通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。同时，在此选择逆流。一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。 （1）碳钢 价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。 （2）不锈钢 奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性
12、和冷加工性能。正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。 选用252.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/。 2、确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程硝基苯的定性温度为：管程流体的定性温度为： 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 煤油在90下的有关物性数据如下： 密度 o=825 kg/m3定压比热容 cpo=2.22kJ/(kg)导热系数 o=0.14W/(m)粘度 o=0.000715 Pas自
13、来水在34下的物性数据： 密度 i=994kg/m3定压比热容 cpi=4.174 kJ/(kg)导热系数 i=0.626W/(m)粘度 i=0.000728 Pas3计算总传热系数 （1）热流量 Wo=2.310510003302429040.4kg/hQo=Wocpoto=29040.42.22(140-40)=6446968.8kJ/h=1790.8 kW（2）平均传热温差 （3）自来水用量 （4）总传热系数K 管程传热系数 壳程传热系数 假设壳程的传热系数o=400 W/(m2)； 污垢热阻Rsi=0.000344 m2/W , Rso=0.000172 m2/W管壁的导热系数=45
14、W/(m)4、计算传热面积 考虑 15的面积裕度，S=1.15S=1.15163.15=187.62m25、工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速及管长 选用252.5传热管(碳钢)，取管内流速ui=0.5m/s。（2）管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数根L=取管长为9m管程（3）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。可得平均传热温差（4）传热管排列和分程方法 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25 d0，则 t=1.2525=31.2532(mm)横过管束中心线的管数（5
15、）壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径为 圆整可取D1000mm （6）折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20，则切去的圆缺高度为h0.21000mm200mm，故可取h200 mm。 取折流板间距B0.3D，则B0.31000mm300mm，可取B为300mm。 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=4500/300-1=14(块)折流板圆缺面水平装配。 （7）接管 壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为 u1.0 m/s，则接管内径为 取标准管径为120 mm2.5mm。 管程流体进出口接管：取接管内自来水流速 u1.5 m/s，则接管内径为
16、取205mm2.5mm无缝钢管。6换热器核算 （1）热量核算 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式 当量直径，由正三角形排列得 壳程流通截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数 粘度校正 管程对流传热系数 管程流通截面积管程流体流速 普兰特准数传热系数K传热面积S该换热器的实际传热面积Sp该换热器的面积裕度为 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 （2）换热器内流体的压力降 管程流动阻力 Pi=(P1+P2)FtNsNpNs=1, Np=2, Ft=1.4由Re13653，传热管相对粗糙度0.01/200.005，查莫狄图得i0.037 W/m， 流速ui0.500
17、m/s，994 .3kg/m3，所以 管程压力降在允许范围之内。壳程压力降流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力 壳程压力降也比较适宜。 三、设计结果一览表换热器形式：固定管板式换热面积（m2）:179.7工艺参数名称管程壳程物料名称自来水煤油操作压力，Pa未知未知操作温度，30/40140/40流量，kg/h154455.429040.4流体密度，kg/m3994825流速，m/s0.5000.174传热量，kW1790.8总传热系数，W/m2K310传热系数，W/（m2）2753.7475污垢系数，m2K/W0.0003440.000172阻力降，Pa3418.242343.03程数
18、21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格252.5管数550管长mm:4500管间距，mm32排列方式正三角形折流板型式上下间距，mm300切口高度20%壳体内径mm1000保温层厚度，mm未知表格 1四、总结及感想化工原理课程设计是培养个人综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，也起着培养学生独立工作能力的重要作用。经过几天的奋战，终于完成了一个还算可以的设计，这几天我过的很充实，是我大学生活里又一次最充实的生活，看着自己的劳动成果，心里有种说不出的感觉。毕竟自己的努力还算有所回报，我为自己的努力感到自豪，当然我也认识到了自己学习中的不足，看到了自己在运用知识方面欠缺,
19、估计图也就刚刚达到标准。我想说：为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐。我们一边忙着复习备考，一边还要做课程设计，时间对我们来说一下子变得很宝贵，真是恨不得睡觉的时间也拿来用了。当自己越过一个又一个难题时，笑容在脸上绽放。当我看到设计终于完成的时候，我乐了。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。从这次的课程设计中，我不仅巩固了课本的知识，还学到了许许多多其他的知识。我知道了每一个课程之间是融会贯通的，在化工原理的课程设计中也用到了机械基础的知识，可是自己的机械基础没有学好，于是就要重新翻书来确定自己的一些设计是否正确。其次了解到团队合作很重要，每个人都有分工，但是又不能完全
20、分开来，还要合作，所以设计的成败因素中还有团队的合作好坏。这次设计让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！当然我的设计肯定有不足之处，希望老师批评指正，下次一定会做得更好。 五、参考文献化工原理，王志魁 编，化学工业出版社，2006.化工设备设计，潘国吕，郭庆丰 编著，清华大学出版社，1996.化工物性算图手册，刘光启等 编著，化学工业出版社，2002.生物工程专业课程设计，尹亮，黄儒强 编.石油化工基础数据手册 化学化工工具书等.六、主要符号说明煤油的定性温度T自来水定性温度t煤油苯密度o自来水密度i煤油定压比热容cpo自来水定压比热容cpi煤油导热系数o自来水导热系数i煤油粘度o自来水粘度i热流量Wo自来水流量热负荷Qo平均传热温差总传热系数管程雷诺数温差校正系数管程、壳程传热系数 初算初始传热面积传热管数初算实际传热面积S管程数壳体内径D横过中心线管数折流板间距B管心距t折流板数NB接管内径 管程压力降当量直径壳程压力降面积裕度H附图
