毕业设计-化工原理课程设计用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计.doc

化工原理课程设计

题 目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计
系 别：
班 级：
学 号：
姓 名:
指导教师：

日 期：2015年6月26日

任务书
一、 设计题目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计
二、设计任务 ：
1、处理能力 ：45 t/年煤油
2、设备型号 ：列管式换热器
3、操作条件 ：
煤油:入口温度140℃ ，出口温度40℃
冷却介质 ：循环水，入口温度20℃，出口温度30℃
允许压降 ：不大于105Pa
每年按330天计
建厂地址 ：新乡
三、设计要求
1、选择适宜的列管式换热器并进行核算
2、要进行工艺计算
3、要进行主体设备的设计（主要设备尺寸、横算结果等）
4、编写设计任务书
5、进行设备结构图的绘制（设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏。）

目 录

一、设计方案 4
1.1换热器的选择 4
1.2流动空间及流速的确定 4
二、物性数据 5
三、计算总传热系数： 5
3.3、估算传热面积 5
3.3.1热流量 5
3.3.2平均传热温差 5
3.3.3传热面积 5
3.3.4冷却水用量 5
3.4、工艺结构尺寸 6
3.4.1管径和管内流速 6
3.4.2管程数和传热管数 6
3.4.3平均传热温差校正及壳程数 6
3.4.4传热管排列和分程方法 7
3.4.5壳体内径 7
3.4.6折流板 7
3.4.7接管 7
3.5换热器核算 8
3.5.1热流量核算 8
3.5.2换热器内流体的流动阻力 10
四、设计结果设计一览表 12
五、设计自我评价 12
六、参考文献 13
七、主要符号说明 13
八、主体设备条件图及生产工艺流程图（附图）
13

一、设计方案
1.1 换热器类型的选择
列管式换热器有以下几种：
1、固定管板式
固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。
特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。
2、U形管式
U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。
特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。
3、浮头式
换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。
特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，消除温差应力，应用普遍。

在本次设计任务中，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(循环水)进口温度25℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，最大使用温差小于120℃，,选用固定管板式换热器，又因为管壳两流体温差大于60℃，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。
1.2 流动空间及流速的确定
在固定管板式式换热器中，对于流体流径的选择一般可以考虑以下几点：
(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。
(2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。
(3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。
(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。
(5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。
(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。
(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。
由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=1.5m/ｓ。
二、确定物性数据
两流体在定性温度下的物性数据如下表
物性
流体
定性温度
℃
密度
kg/m3
粘度
mPa·s
比热容
kJ/(kg·℃)
导热系数
W/(m·℃)
煤油
90
825
0.715
2.22
0.14
冷却水
35
994
0.728
4.174
0.626
三、换热器设计计算
（一）计算热流量
mh=（kg/h）
Qh=mhcphΔth=27777.78×2.22×(140-40)=6.17×106kJ/h=1712.9 kW
（二）平均传热温差
(℃)
（三）传热面积
假设壳程传热系数：α0=400 W（m2•℃），管壁导热系数λ=45 W（m2•℃）
则K=298.7W/(m2·℃),则估算面积为：
S’=Qh/(K×Δtm)=1.7139×106/(298.7×39)=147.04 (m2)
考虑15%的面积裕度则：S=1.15×147.04=169.1(m2)
（四）冷却水用量
（kg/h）

3.4、工艺结构尺寸
3.4.1管径和管内流速
选用ф25×2.5mm碳钢管，取管内流速ui= 1.5m/s
3.4.2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
=88.07≈89（根）
按单程管计算，所需的传热管长度为：
=24（m）
按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，根据本设计实际情况，采用标准设计，现取传热管长为l=6m，则该换热器的管程数为：
NP=L/l=24/6=4
传热管总根数：
NT=89×4=356（根）
3.4.3平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数：
R=(140-40)/(30-20)=10;
P=(30-20)/(140-20)=0.083
按单壳程，4管程结构，温差校正系数应查有关图表可得φΔt=0.9
平均传热温差
Δtm=φΔtΔtm =0.9×39=35.1（℃）
由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取単壳程合适。
3.4.4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=1.25dh，则
t=1.25×25=31.25≈32(mm)
横过管束中心线的管数

3.4.5壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为
D==757.7 (mm)
按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=800mm。
3.4.6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25％，则切去的圆缺高度为
h＝0.25×800=200（mm）
折流板间距B=0.3D,则
B=0.3×800=240mm取250mm。
折流板数 NB= -1=-1=23 (块)
3.4.7接管
壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u＝1.0m/s，则接管内径为：
D1=（m），取管内径为110mm。
管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u＝1.5 m/s，则接管内径为
mm
圆整可取 =200mm 。
3.5换热器核算
3.5.1热流量核算
3.5.1.1壳程表面传热系数
可采用克恩公式：

当量直径，由正三角排列得：
de=（m）
壳程流通截面积：
=0.044（m2）
壳程流体流速及其雷诺数分别为：
u0=（m/s）
Re0==4905
普朗特准数
Pr=；
粘度校正
ɑh==606.46 W/(m2·K)
3.5.1.2管内表面传热系数
ɑc
管程流体流通截面积：
Sc=0.785×0.022×356/4=0.028（m2）
管程流体流速及其雷诺数分别为：
Uc==1.484（m/s）
Rec==36919.4
普朗特准数
Pr=
ɑc=0.023×=6027.7 W/ (m2·℃)
3.5.1.3污垢热阻和管壁热阻
查有关文献知可取：
管外侧污垢热阻 Rh=0.000172 m2·K/W
管内侧污垢热阻 Rc=0.000344m2·K/W
管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为λ=45 W/(m·℃)。
3.5.1.4计算传热系数

K =

=396.8 W/（m·℃）

计算传热面积S:
S===122.985（m2）
该换热器的实际传热面积：
Sр==3.14×0.025×(6-0.06)×(356-23)=155.27（m2）
3.5.1.5换热器的面积裕度
H=×100%=×100%=19.23%
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
3.5.2换热器内流体的流动阻力
3.5.2.1管程流体阻力
计算公式如下：
ΣPi=（△P1+△P2）NSNpFt;
NS=1, Np=4，FS=1.4;
△P1=,△P2=
由Re=41103.6，传热管相对粗糙度0.01/20=0.05，查莫狄图得=0.034(W/ (m2·℃)，流速u=1.499m/s，ρ=995.7kg/m3，所以
△P1==9508.7（Pa）；
△P2==3356（Pa）
ΣPt=（11410.43+3356）×1.4×1×4=72042.3（Pa）<100 KPa
管程流体阻力在允许范围之内。
3.5.2.2壳程阻力
ΣP0=（△P1+△P2）FSNS
FS=NS=1
△P1= f0Fnc(NB+1) ;
F=0.5
f0=5×4905=0.720
nC=23
NB=23,uh=0.21m/s
△P1=0.5×0.720×23×（23+1）×825×0.212/2≈17472.6（Pa）
流体流过折流板缺口的阻力
△P2 =NB（3.5-2B/D）,
B=0.25m; D=0.8m；
故△P2=23×（3.5-2×0.25/0.8）×825×0.22/2≈6000（Pa），
则总阻力：△P0=3625+1202=23473（Pa）<100 KPa
故壳程流体的阻力也适宜。

四、设计结果设计一览表
换热器主要结构尺寸及计算结构
换热器型式：带膨胀节的固定管板式换热器
管口表
换热面积：155.27m2
符号
尺寸
用途
连接形式
工艺参数
a
Φ200×6
冷却循环水入口
平面
名称
管程
壳程
b
Φ200×6
冷却循环水出口
平面
物料
循环水
煤油
c
Φ100×4
煤油入口
平面
操作压力，MPa
0.4
0.3
d
Φ100×4
煤油出口
平面
操作温度，℃
20/30
140/40
e
Φ57×3.5
排气口
平面
流量，kg/h
148701..9
6.17×106

流体密度，kg/m3
995.7
825

附图

流速，m/s
0.993
0.0784
热负荷，kW
1712.9
总传热系数，W/(m2·℃)
263.9
对流传热系数
4734
350.4
污垢热阻，m2·℃/W
0.000344
0.000172
压降，MPa
0.072
0.023
程数
4
1
推荐使用材料
低碳钢
低碳钢

五、设计的评价
化工原理课程设计已经结束，首先感谢单老师耐心细致的教导和同学们的热心帮助。通过这次设计课程，使我对上学期的理论知识进一步加深了，并且初步认识到将理论知识运用于实际生产实际的重要性，真正做一个合格的设计并不是那么简单的，需要的是耐心和细心。
在设计过程中，总会遇到这样或是那样的问题，比如由于马虎算错了结果，那么这将会影响下一步计算过程，并且计算过程中忽略一个条件，都会造成设计不当，那么必须重新设计，不断的改进，不断的吸取教训，才能不断的进步，得到最终的设计结果。
在学习理论知识的过程中，对精馏塔只有一个模糊的认识，而通过这次实际的计算设计，使我对精馏塔有了全新的认识。但我知道的，这次课程设计只是理论转化实践的一小步，以后会有更大的挑战在等待着我，我有信心把它做好。

六、参考文献
[1] 贾绍文，柴诚敬. 化工原理课程设计.天津:天津大学出版社,2002.8.
[2] 柴诚敬、张国亮主编．《化工流体流动与传热》．北京：化学工业出版社，2008
[3]中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布，1989
[4]李国庭等编著．《化工设计概论》．北京：化学工业出版社，2008
[5] 周大军.《化工工艺制图》[M].北京：化学工业出版社，2003.

七、主要符号说明
P——压力，Pa ; Q——传热速率，W；
R——热阻，㎡·℃/W； Re——雷诺准数；
S——传热面积，㎡； t——冷流体温度，℃；
T——热流体温度，℃； u——流速，m/s;
m——质量流速，㎏/h; ——对流传热系数W/(㎡·℃); ——导热系数，W/(m·℃) ——校正系数;
——粘度，Pa·s; ——密度，㎏/m3;
——实际传热面积， Pr——普郎特系数
n——板数，块 K——总传热系数，
V——体积流量 N——管数
D——壳体内径 d——管径

八、主体设备条件图及生产工艺流程图（附图）

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