课程设计--换热器-煤油.doc

化工原理课程设计

《化工过程设备设计Ⅰ（一）》
说明书

设计题目：换 热 器 的 设 计
专 业：
班 级：
学 号：
姓 名：
指导教师：
设计日期：

目 录
前言……………………..............…..…..…………………….………...…….4

任务书……………………............……..……………….……………...…….5

目的与要求………………............……..…….………………………...…….6

一、 工艺设计方案…………….......................................................................8

二、 确定物性数据……………………………………………..…………….9

三、 估算传热面积……………………………………………………..…….9

四、 工艺结构尺寸………………………………………………………….10

五、 换热器核算…………………………………………………………….12

六、设计结果概要一览表…………………………………………………...17

七、参考文献………………………………………………………………...19

前 言
化工原理课程设计是化工原理教学的一个重要环节，是综合应用本门课程和有关先修课程所学知识，完成以单元操作为主的一次设计实践。通过课程设计使学生掌握化工设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料、选用公式和数据、用简洁文字和图表表达设计结果、制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练，在设计过程中能够培养学生树立正确的设计思想和实事求是、严肃负责的工作作风。
化工原理课程设计是化工原理课程教学的一个实践环节，是使学生得到化工设计的初步训练，为毕业设计奠定基础。围绕以某一典型单元设备(如板式塔、填料塔、干燥器、蒸发器、冷却器等)的设计为中心，训练学生非定型设备的设计和定型设备的选型能力。设计时数为3周，其基本内容为：
　　(1)设计方案简介：对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。
　　(2)主要设备的工艺设计计算(含计算机辅助计算)：物料衡算，能量衡量，工艺参数的选定，设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算。
　　(3)辅助设备的选型：典型辅助设备主要工艺尺寸的计算，设备的规格、型号的选定。
　　(4)工艺流程图：以单线图的形式绘制，标出主体设备与辅助设备的物料方向，物流量、能流量，主要测量点。
　　(5)主要设备的工艺条件图：图面应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表。
　　(6)设计说明书的编写。设计说明书的内容应包括：设计任务书，目录，设计方案简介，工艺计算及主要设备设计，辅助设备的计算和选型，设计结果汇总，设计评述，参考文献。
整个设计由论述，计算和图表三个部分组成，论述应该条理清晰，观点明确；计算要求方法正确，误差小于设计要求，计算公式和所有数据必需注明出处；图表应能简要表达计算的结果。
设计者：
2015年 月 日

化工原理课程设计任务书

一、设计题目：
设计一台换热器
二、操作条件：
1. 煤油：入口温度140℃，出口温度 38 ℃；
2.冷却介质：循环水，入口温度 28 ℃，出口温度 34 ℃；
3.允许压强降：不大于1×105Pa；
4.每年按330天计，每天24小时连续运行。
三、设备形式：
管壳式换热器
四、处理能力：
22.6万吨/年煤油
五、设计要求：
1.选定管壳式换热器的种类和工艺流程；
2. 管壳式换热器的工艺计算和主要工艺尺寸的设计；
3.设计结果概要或设计结果一览表；
4.设备简图（要求按比例画出主要结构及尺寸）；
5.对本设计的评述及有关问题的讨论。

目的与要求
一、 课程的目的与任务
化工原理课程设计以“化工原理课程教学基本要求”为依据，通过课程设计达到以下目的：
1、使学生掌握化工设计的基本程序与方法；
2、结合设计课题培养学生查阅有关技术资料及物性参数的能力；
3、通过查阅技术资料，选用设计计算公式，搜集数据，分析工艺参数与结构尺寸间的相互影响，增强学生分析问题、解决问题的能力；
4、对学生进行化工工程设计的基本训练，使学生了解一般化工工程设计的基本内容与要求；
5、通过设计说明书，提高学生文字表达能力，掌握撰写技术文件的有关要求；
二、课程的基本要求
1、 设计题目必须是以某一单元操作为主，完成一个完整的化工过程设计，能按《化工原理课程基本要求》中有关课程设计的基本要求规定，对学生进行一次较为完整的化工设计基本训练。
2、 生产规模，工艺操作条件、设备、物性等都要以实际生产条件为背景，使学生在兼顾技术上先进性、可行性，经济上合理性的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过程正常、安全运行所需要的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施设计时间符合课程设计教学大纲之规定。
3、 化工原理课程设计考核要求：
（1）设计说明书完成的情况：按照课程设计教学大纲规定及设计任务要求，做到设计内容完整，设计合理，计算正确，叙述层次分明，条理清楚。
（2）图面质量：工艺流程图正确，主要设备总装图结构基本合理，图面清晰，基本符合规范化要求。
( 3 )在工艺计算中要考虑到各个方面的问题，比如热阻，管壁的阻力以及长期下来可能遇到遇到的问题，管壁所能承受最大压力，流体的物性和化学性质。

一、工艺设计
一、 设计目的
课程设计是化工原理课程教学中综合性和实际性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过化工原理课程设计，要求学生能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工设计的主要程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以培养学生树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。
二、 该设备的作用及在生产中的应用
换热器是实现传热过程的基本设备。而此设备是比较典型的传热设备，它在工业中的应用十分广泛。例如：在炼油厂中作为加热或冷却用的换热器、蒸馏操作中蒸馏釜和冷凝器、化工厂蒸发设备的加热室等。
三、工艺流程示意图
饱和水蒸气应从换热器壳程上方进入，冷凝水由壳程下方排出，冷却水从换热器下方的入口进入，上方的出口排除。
四、说明运用该设备的理由
这种换热器的特点是壳体和管板直接焊接，结构简单、紧凑。在同样的壳体直径内，排管较多。管式换热器具有易于制造、成本较低、处理能力达、换热表面清洗比较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，由于两管板之间有管子相互持撑，管板得到加强，故在各种列管换热器中他的管板最薄，其造价比较低，因此得到了广泛应用。
五、设备的结构特点
该结构能够快速的降低物料的温度，工作时热流体走壳程，冷流体走管程，使接触面积大大增加，加快了换热速度。同时，对温差稍大时可在壳体的适当部位焊上补偿圈(或称膨胀节)，通过补偿圈发生弹性变形(拉伸或压缩)来适应外壳和管束不同的膨胀程度。
六、在设计中遇到的问题的处理
在设计中，在工艺计算过程中，由于选取K0不当或其他条件选取不当，造成在校核时K0不符合要求。在重新选取K0的同时，改变了其他的条件，如：n，L等，经过二次校核达到了预期的目的。
七、设计方案的确定
（1）对于列管式换热器，首先根据换热流体的腐蚀性或其它特性选项定其结构材料，然后再根据所选项材料的加工性能，流体的压强和温度、换热的温度差、换热器的热负荷、安装检修和维护清洗的要求以及经济合理性等因素来选项定其型式。
设计所选用的列管换热器的类型为固定管板式。列管换热器是较典型的换热设备，在工业中应用已有悠久历史，具有易制造、成本低、处理能力大、换热表面情况较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，故在大型换热器中占优势。
固定管板式列管换热器的特点是，壳体与管板直接焊接，结构简单紧凑，在同样的壳体直径内排管最多。由于两管板之间有管板的相互支撑，管板得到加强，故各种列管换热器中它的管板最薄，造价最低且易清洗。缺点是，管外清洗困难，管壁与壳壁之间温差大于50℃时，需在壳体上设置膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形以降低温差压力，使用范围仅限于管、壳壁的温差不大于70℃和壳程流体压强小于600kpa的场合，否则因膨胀节过厚，难以伸缩而失去温差补偿作用。

二、确定物性数据：
二、确定物性数据
定性温度:可取流体进口温度的平均值。
壳程煤油的定性温度为
T1=140°C，T2=34°C，t1=30°C，t2=34°C
T=(140+34)/2=87(°C)
管程水的定性温度为
t=(30+34)/2=32(°C)
已知壳程和管程流体的有关物性数据
煤油87°C下的有关物性数据如下:
密度 ρo=800 kg/m3
定压比热容 Co=2.22 kJ/（kg·℃）
导热系数 λo=0.140 W/(m·k)
粘度 µo=7.15×10-4 N·s/m2
水32°C的有关物性数据如下:
密度 ρi =995 kg/m3
定压比热容 C i =4.174 kJ/（kg·℃）
导热系数 λi =0.626 W/(m·k)
粘度 µi =7.25×10-4 N·s/m2

三、估算传热面积
1传热量
Wh=（kg/h）
Q=Whcph（T1-T2）=29000×2.22×(140-34)=6.7×106kJ/h=1865 (kW)
2平均传热温差
逆流时平均温度差为：
(℃)
3传热面积
查管壳式换热器中的总传热系数K的经验值，假设K=500W/(m2·℃),则估算面积为：
S=Q/(K×Δtm)=1865×103/(500×32)≈117(m2)
4冷却水用量
（kg/h）
四、工艺结构计算
1管径和管内流速
选用ф25×2.5碳钢管，取管内流速ui= 1.5m/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

按单程管计算，所需的传热管长度为：

现取传热管长为l=4.5m，则该换热器的管程数为：NP=L/l=6.3/4.5≈2；传热管总根数： NT=238×2=476（根）
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，2管程结构，温差校正系数应查有关图表可得φΔt=0.95

平均传热温差Δtm=φΔtΔtm’=0.95×32=30.4℃
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。
4传热管排列方法
采用正三角形排列法，取管心距t=1.25d0，则t=1.25×25=31.25≈32(mm)
隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+6=32/2+6=22（mm）。
横过管束中心线的管数
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=
按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=900mm。
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％。折流板间距h=0.3D,则h=0.3×900=270mm。取板间距为300mm
折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=4500/300-1=14(块)
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=，圆整后可取管内径为20mm。
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
，圆整后可取管内径为100mm。
五、 换热器核算
1总传热系数核算
壳程对流传热系数α0
用克恩法计算：
当量直径，由正三角排列得：
de=（m）
壳程流通截面积：
=0.053（m2）
壳程流体流速及其雷诺数分别为：
u0=（m/s）
Re0==4251
普朗特数：Pr=；粘度校正：
α0==532〔W/(m2·℃) 〕
管程对流传热系数αi：
αi
管程流体流通截面积：Si=0.785×0.022×476/2=0.075（m2）
管程流体流速及其雷诺数分别为：
ui==1.5（m/s）
Rei==41000
普朗特数：Pr=
αi=0.023×=6607〔W/ (m2·℃)〕
污垢热阻和管壁热阻 查有关文献知可取：
管外侧污垢热阻 R0=0.00017 （m2·℃）/W
管内侧污垢热阻 Ri=0.0002 （m2·℃)/W
管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为45W/(m·℃)。故
RW=0.0025/45=0.000055（m2·℃/W）
计算总传热系数Ko：
K0=
≈463〔w/（m2·℃）〕
在规定的流动条件下，换热器的安全系数为：
选择的换热器适合。
换热器的面积裕度：
计算传热面积S0:
S0=Q/(K0×△tm)=1865×103/（463×32）≈126（m2）
该换热器的实际传热面积S：
S==3.14×0.025×（4.5-0.1）×476≈164（m2）
该换热器的面积裕度为：H=×100%=×100%=24.8%
传热面积裕度合适(15%~25%)，该换热器能够完成生产任务。
换热器内流体的流动阻力
（1）管程流体阻力 计算公式如下：
△Pt=（△Pi+△Pr）NSNpFS; NS=1, Np=2，FS=1.4; △Pi=。由Re=41000，传热管相对粗糙度0.1/20=0.005，查莫狄图得=0.034，流速u=1.5m/s，ρ=995kg/m3，故
△Pi==12000（Pa）；
△Pr==3358（Pa）
△Pt=（12000+3358）×2×1.4=43000（Pa）<105 Pa
管程流体阻力在允许范围之内。
（2）壳程阻力
公式有：△PS=（△P0+△Pi）FSNS
△P0= Ff0nC(NB+1) ; 又F=0.5,f0=5×4251-0.228=0.74, NB=15;
△P0=0.5×0.74×24×（14+1）×800×0.192/2≈1923（Pa）
流体流过折流板缺口的阻力
△Pi =NB（3.5-2h/D）,其中 h=0.27m; D=0.9m；故
△Pi=14×（3.5-2×0.27/0.9）×800×0.192/2≈647（Pa），
则总阻力：
△PS=1923+647=2570（Pa）<105 Pa。故壳程流体的阻力也适宜。

六、设计计算结果一览表
换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。
换热器型式：浮头式
换热器面积（㎡）：126
工艺参数
名称
管程
壳程
物料名称
循环水
煤油
操作压力，MPa
105
操作温度，℃
30/34
34/140
流量，kg/h
4×104
29000
流体密度，kg/
995
800
流速，m/s
1.5
0.19
传热量，kw
1865
总传热系数，w/㎡·k
463
对流传热系数，w/㎡·k
6607
532
阻力将，Pa
43000
2750
程数
2
1
使用材料
碳钢
碳钢
折流挡板型式
上下
间距，mm
300
切口高度25%
项目
数据
项目
数据
壳径D(DN)
900mm
管尺寸
¢ 25mmX2.5
管程数Np（N）
14
管长l
4500
管数n
476
管排列方式
正三角形排列

七、心得体会
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。
在换热器的设计过程中,我感觉我的理论运用于实际的能力得到了提升，主要有以下几点：
(1)掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；
(2)树立了既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；
(3)培养了迅速准确的进行工程计算的能力；
(4)学会了用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。
从设计结果可看出，若要保持总传热系数，温度越大、换热管数越多，折流板数越多、壳径越大，这主要是因为煤油的出口温度增高，总的传热温差下降，所以换热面积要增大，才能保证Q和K.因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应增大.通过这个设计，我们可以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分重要.

八、参考文献
［1］ 夏清、贾绍义.化工原理.天津：天津大学出版社，2005
［2］ 黄璐、王保国.化工设计.北京：化学工业出版社，2001
［3］ 王非、林英.化工设备用钢.北京：化学工业出版社，2003
［4］ 秦叔经、叶文邦.换热器.北京：化学工业出版社，2002
［5］ 李克永.化工机械手册. 天津：天津大学出版社，1991
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