化工原理課程設(shè)計(jì)--用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)

1、<p>　　化工原理課程設(shè)計(jì) </p><p>　　題 目：用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)</p><p><b>　　系 別： </b></p><p><b>　　班 級(jí)：</b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)：<

2、;/b></p><p><b>　　姓 名: </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師：</b></p><p>　　日 期：2015年6月26日</p><p><b>　　任務(wù)書(shū)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目：用水

3、冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)任務(wù) ：</b></p><p>　　1、處理能力 ：45 t/年煤油</p><p>　　2、設(shè)備型號(hào) ：列管式換熱器</p><p><b>　　3、操作條件 ：</b></p><p>　　煤油

4、:入口溫度140℃ ，出口溫度40℃</p><p>　　冷卻介質(zhì) ：循環(huán)水，入口溫度20℃，出口溫度30℃</p><p>　　允許壓降 ：不大于105Pa</p><p><b>　　每年按330天計(jì)</b></p><p><b>　　建廠地址 ：新鄉(xiāng)</b></p><p

5、><b>　　三、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1、選擇適宜的列管式換熱器并進(jìn)行核算</p><p><b>　　2、要進(jìn)行工藝計(jì)算</b></p><p>　　3、要進(jìn)行主體設(shè)備的設(shè)計(jì)（主要設(shè)備尺寸、橫算結(jié)果等）</p><p><b>　　4、編寫(xiě)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</b&

6、gt;</p><p>　　5、進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)圖的繪制（設(shè)備技術(shù)要求、主要參數(shù)、接管表、部件明細(xì)表、標(biāo)題欄。）</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)方案4</b></p><p>　　1.1換熱器的選擇4</p><p>

7、;　　1.2流動(dòng)空間及流速的確定4</p><p><b>　　二、物性數(shù)據(jù)5</b></p><p>　　三、計(jì)算總傳熱系數(shù)：5</p><p>　　3.3、估算傳熱面積5</p><p>　　3.3.1熱流量5</p><p>　　3.3.2平均傳熱溫差5</p>&

8、lt;p>　　3.3.3傳熱面積5</p><p>　　3.3.4冷卻水用量5</p><p>　　3.4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸6</p><p>　　3.4.1管徑和管內(nèi)流速6</p><p>　　3.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)6</p><p>　　3.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)6</p>

9、<p>　　3.4.4傳熱管排列和分程方法7</p><p>　　3.4.5殼體內(nèi)徑7</p><p>　　3.4.6折流板7</p><p><b>　　3.4.7接管7</b></p><p>　　3.5換熱器核算8</p><p>　　3.5.1熱流量核算8</p

10、><p>　　3.5.2換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力10</p><p>　　四、設(shè)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)一覽表12</p><p>　　五、設(shè)計(jì)自我評(píng)價(jià)12</p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)13</b></p><p>　　七、主要符號(hào)說(shuō)明13</p><p>　　八、主體設(shè)

11、備條件圖及生產(chǎn)工藝流程圖（附圖）</p><p><b>　　13</b></p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)方案 </b></p><p>　　1.1 換熱器類型的選擇</p><p>　　列管式換熱器有以下幾種：</p><p><b>　　1、固定管板式

12、</b></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(gè)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(lái)補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。</p><p><b>　　2、U形管式</b>&l

13、t;/p><p>　　U形管式換熱器每根管子均彎成U形，流體進(jìn)、出口分別安裝在同一端的兩側(cè)，封頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來(lái)解決熱補(bǔ)償問(wèn)題。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場(chǎng)合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。</p><p>　　3、浮頭式 換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，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

14、除了溫差應(yīng)力。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，便于清洗和檢修，消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)任務(wù)中，兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度140℃，出口溫度40℃；冷流體(循環(huán)水)進(jìn)口溫度25℃，出口溫度40℃。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)進(jìn)口溫度會(huì)降低，最大使用溫差小于120℃，,選用固定管板式換熱器，又因?yàn)楣軞闪黧w溫差大于60℃，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式式換熱器。 &l

15、t;/p><p>　　1.2 流動(dòng)空間及流速的確定 </p><p>　　在固定管板式式換熱器中，對(duì)于流體流徑的選擇一般可以考慮以下幾點(diǎn)： </p><p>　　(1) 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。</p><p>　　(2) 腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。

16、</p><p>　　(3) 壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。 </p><p>　　(4) 飽和蒸氣宜走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。</p><p>　　(5) 被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強(qiáng)冷卻效果。</p><p>　　(6) 

17、需要提高流速以增大其對(duì)流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。</p><p>　　(7) 粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達(dá)到湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。</p><p>　　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

18、程。選用ф25×2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取ui=1.5m/ｓ。 </p><p><b>　　二、確定物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下表</p><p><b>　　三、換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算</b></p><p><b>　?。ㄒ唬┯?jì)算熱流量&l

19、t;/b></p><p><b>　　mh=（kg/h）</b></p><p>　　Qh=mhcphΔth=27777.78×2.22×(140-40)=6.17×106kJ/h=1712.9 kW</p><p><b>　?。ǘ┢骄鶄鳠釡夭?lt;/b></p><

20、;p><b>　　(℃)</b></p><p><b>　?。ㄈ﹤鳠崦娣e</b></p><p>　　假設(shè)殼程傳熱系數(shù)：α0=400 W（m2?℃），管壁導(dǎo)熱系數(shù)λ=45 W（m2?℃）</p><p>　　則K=298.7W/(m2·℃),則估算面積為：</p><p>　　S

21、’=Qh/(K×Δtm)=1.7139×106/(298.7×39)=147.04 (m2) </p><p>　　考慮15%的面積裕度則：S=1.15×147.04=169.1(m2)</p><p><b>　?。ㄋ模├鋮s水用量</b></p><p><b>　?。╧g/h）</b&

22、gt;</p><p>　　3.4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸</p><p>　　3.4.1管徑和管內(nèi)流速</p><p>　　選用ф25×2.5mm碳鋼管，取管內(nèi)流速ui= 1.5m/s</p><p>　　3.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)</p><p>　　依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p>&l

23、t;p>　　=88.07≈89（根）</p><p>　　按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為：</p><p><b>　　=24（m）</b></p><p>　　按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)為l=6m，則該換熱器的管程數(shù)為：</p><p>　　NP=

24、L/l=24/6=4</p><p><b>　　傳熱管總根數(shù)：</b></p><p>　　NT=89×4=356（根）</p><p>　　3.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)</p><p>　　平均傳熱溫差校正系數(shù)：</p><p>　　R=(140-40)/(30-20)=10;

25、</p><p>　　P=(30-20)/(140-20)=0.083</p><p>　　按單殼程，4管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表可得φΔt=0.9</p><p><b>　　平均傳熱溫差</b></p><p>　　Δtm=φΔtΔtm =0.9×39=35.1（℃）</p><

26、p>　　由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取単殼程合適。</p><p>　　3.4.4傳熱管排列和分程方法</p><p>　　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t=1.25dh，則</p><p>　　t=1.25×25=31.25≈32(mm) </p><p

27、>　　橫過(guò)管束中心線的管數(shù)</p><p><b>　　3.4.5殼體內(nèi)徑</b></p><p>　　采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η＝0.7，則殼體內(nèi)徑為</p><p>　　D==757.7 (mm)</p><p>　　按卷制殼體的進(jìn)級(jí)擋，圓整可取D=800mm。</p><p>&l

28、t;b>　　3.4.6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</p><p>　　h＝0.25×800=200（mm）</p><p>　　折流板間距B=0.3D,則</p><p>　　B=0.3×800=240mm取250mm。&

29、lt;/p><p>　　折流板數(shù) NB= -1=-1=23 (塊) </p><p><b>　　3.4.7接管</b></p><p>　　殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為u＝1.0m/s，則接管內(nèi)徑為：</p><p>　　D1=（m），取管內(nèi)徑為110mm。</p><p>　　管程流

30、體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u＝1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為</p><p><b>　　mm</b></p><p>　　圓整可取 =200mm 。</p><p><b>　　3.5換熱器核算</b></p><p>　　3.5.1熱流量核算</p><p>　　3

31、.5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)</p><p><b>　　可采用克恩公式：</b></p><p>　　當(dāng)量直徑，由正三角排列得：</p><p><b>　　de=（m）</b></p><p><b>　　殼程流通截面積：</b></p><p>　

32、　=0.044（m2）</p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：</p><p><b>　　u0=（m/s）</b></p><p><b>　　Re0==4905</b></p><p><b>　　普朗特準(zhǔn)數(shù) </b></p><p>

33、<b>　　Pr=；</b></p><p><b>　　粘度校正 </b></p><p>　　ɑh==606.46 W/(m2·K) </p><p>　　3.5.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)</p><p><b>　　ɑc</b></p><

34、p>　　管程流體流通截面積：</p><p>　　Sc=0.785×0.022×356/4=0.028（m2）</p><p>　　管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：</p><p>　　Uc==1.484（m/s）</p><p>　　Rec==36919.4</p><p><b>

35、　　普朗特準(zhǔn)數(shù)</b></p><p><b>　　Pr=</b></p><p>　　ɑc=0.023×=6027.7 W/ (m2·℃)</p><p>　　3.5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻</p><p><b>　　查有關(guān)文獻(xiàn)知可取：</b></p>

36、;<p>　　管外側(cè)污垢熱阻 Rh=0.000172 m2·K/W</p><p>　　管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Rc=0.000344m2·K/W</p><p>　　管壁熱阻 查有關(guān)文獻(xiàn)知碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為λ=45 W/(m·℃)。</p><p>　　3.5.1.4計(jì)算傳熱系數(shù)</p>&l

37、t;p><b>　　K =</b></p><p>　　=396.8 W/（m·℃）</p><p><b>　　計(jì)算傳熱面積S:</b></p><p>　　S===122.985（m2）</p><p>　　該換熱器的實(shí)際傳熱面積：</p><p>　　S

38、р==3.14×0.025×(6-0.06)×(356-23)=155.27（m2）</p><p>　　3.5.1.5換熱器的面積裕度</p><p>　　H=×100%=×100%=19.23%</p><p>　　傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。</p><p>　　3.5.

39、2換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力</p><p>　　3.5.2.1管程流體阻力 </p><p><b>　　計(jì)算公式如下：</b></p><p>　　ΣPi=（△P1+△P2）NSNpFt;</p><p>　　NS=1, Np=4，F(xiàn)S=1.4; </p><p><b>　　△P1=

40、,△P2=</b></p><p>　　由Re=41103.6，傳熱管相對(duì)粗糙度0.01/20=0.05，查莫狄圖得=0.034(W/ (m2·℃)，流速u=1.499m/s，ρ=995.7kg/m3，所以</p><p>　　△P1==9508.7（Pa）；</p><p>　　△P2==3356（Pa）</p><p&g

41、t;　　ΣPt=（11410.43+3356）×1.4×1×4=72042.3（Pa）<100 KPa</p><p>　　管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p>　　3.5.2.2殼程阻力 </p><p>　　ΣP0=（△P1+△P2）FSNS </p><p><b>　　

42、FS=NS=1 </b></p><p>　　△P1= f0Fnc(NB+1) ; </p><p><b>　　F=0.5</b></p><p>　　f0=5×4905=0.720</p><p><b>　　nC=23 </b></p><p>　

43、　NB=23,uh=0.21m/s </p><p>　　△P1=0.5×0.720×23×（23+1）×825×0.212/2≈17472.6（Pa）</p><p>　　流體流過(guò)折流板缺口的阻力</p><p>　　△P2 =NB（3.5-2B/D）,</p><p>　　B=0.25m;

44、 D=0.8m；</p><p>　　故△P2=23×（3.5-2×0.25/0.8）×825×0.22/2≈6000（Pa），</p><p>　　則總阻力：△P0=3625+1202=23473（Pa）<100 KPa</p><p>　　故殼程流體的阻力也適宜。</p><p>　　四、

45、設(shè)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)一覽表</p><p>　　換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸及計(jì)算結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　五、設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)</b></p><p>　　化工原理課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，首先感謝單老師耐心細(xì)致的教導(dǎo)和同學(xué)們的熱心幫助。通過(guò)這次設(shè)計(jì)課程，使我對(duì)上學(xué)期的理論知識(shí)進(jìn)一步加深了，并且初步認(rèn)識(shí)到將理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)實(shí)際的重要性，真正做一個(gè)合格的設(shè)計(jì)并不

46、是那么簡(jiǎn)單的，需要的是耐心和細(xì)心。</p><p>　　在設(shè)計(jì)過(guò)程中，總會(huì)遇到這樣或是那樣的問(wèn)題，比如由于馬虎算錯(cuò)了結(jié)果，那么這將會(huì)影響下一步計(jì)算過(guò)程，并且計(jì)算過(guò)程中忽略一個(gè)條件，都會(huì)造成設(shè)計(jì)不當(dāng)，那么必須重新設(shè)計(jì)，不斷的改進(jìn)，不斷的吸取教訓(xùn)，才能不斷的進(jìn)步，得到最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。</p><p>　　在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的過(guò)程中，對(duì)精餾塔只有一個(gè)模糊的認(rèn)識(shí)，而通過(guò)這次實(shí)際的計(jì)算設(shè)計(jì)，使我對(duì)精餾塔

47、有了全新的認(rèn)識(shí)。但我知道的，這次課程設(shè)計(jì)只是理論轉(zhuǎn)化實(shí)踐的一小步，以后會(huì)有更大的挑戰(zhàn)在等待著我，我有信心把它做好。</p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 賈紹文，柴誠(chéng)敬. 化工原理課程設(shè)計(jì).天津:天津大學(xué)出版社,2002.8. </p><p>　　[2] 柴誠(chéng)敬、張國(guó)亮主編．《化工流體流動(dòng)與傳熱》．北京

48、：化學(xué)工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB151-89鋼制管殼式換熱器.國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布，1989</p><p>　　[4]李國(guó)庭等編著．《化工設(shè)計(jì)概論》．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008 </p><p>　　[5] 周大軍.《化工工藝制圖》[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.</p><p>

49、<b>　　七、主要符號(hào)說(shuō)明</b></p><p>　　P——壓力，Pa ; Q——傳熱速率，W；</p><p>　　R——熱阻，㎡·℃/W； Re——雷諾準(zhǔn)數(shù)；</p><p>　　S——傳熱面積，㎡；

50、 t——冷流體溫度，℃；</p><p>　　T——熱流體溫度，℃； u——流速，m/s;</p><p>　　m——質(zhì)量流速，㎏/h; ——對(duì)流傳熱系數(shù)W/(㎡·℃); ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)

51、 ——校正系數(shù);</p><p>　　——粘度，Pa·s; ——密度，㎏/m3;</p><p>　　——實(shí)際傳熱面積， Pr——普郎特系數(shù)</p><p>　　n——板數(shù)，塊