化工原理课程设计用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计.doc

西南科技大学生命科学与工程学院化工原理课程设计化工原理课程设计设计题目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计设计者：班级 生工1001 姓名 张渊 （20103095） 刘丹 （20103075）指导教师：陆爱霞设计成绩：进度 说明书 图纸 总分 日 期： 西南科技大学 生命科学与工程学院15一设计任务和设计条件1、设计题目：用水冷却煤油的列管式换热器的设计2、设计条件(1) 煤油 处理量：1.188105 吨/年进口温度：120 出口温度：40 压强降：1.5105 pa (2)冷却水进口温度：10 出口温度：30 (3)每年按330天计算，每天24小时连续运行3、设计项目 (1) 选择适宜的列管式换热器并进行核算(2) 传热计算(3) 管、壳程流体阻力计算 管板厚度计算绘制列管式换热器的装配图目录中文摘要1第一章 绪论21.1换热器介绍21.2换热器的用途21.3换热器的优点21.4换热器的应用21.5几种常用换热器介绍21.5.1板式换热器21.5.2管壳式换热器31.5.3板翅式换热器3第二章 设计方案简介32.1选择换热器的类型32.2管程安排32.3流向的选择3第三章 确定物性数据3第四章 工艺计算及主要设备设计44.1计算热负荷和冷却水流量44.2计算两流体的平均温度差44.3估算传热面积54.4换热器规格64.4.1管径和管内流速64.4.2管程数和传热管数64.4.3传热管排列和分程方法64.4.4壳体内径64.4.5折流板64.4.6接管64.5热流量核算74.5.1课程表面传热系数74.5.2管程对流传热系数84.5.3污垢热阻和管壁热阻94.5.4传热系数ke94.5.5传热面积裕度104.6换热器内流体的流动阻力104.6.1管程流体阻力104.6.2壳程流体阻力11结论12结束语13参考文献14主要符号说明14摘要： 列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程列管式换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。关键词：列管式换热器；流体；壳程；管程；封头第一章 绪论1.1换热器介绍 换热器是以两种不同温度的流体进行热量交换的设备，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。1.2换热器的用途 换热器的作用可以是以热量交换为目的。即在确定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量;也可以是以回收热量为目的，用于余热利用;也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏。换热器的作用不同，其设计、选型、运行工况也各不相同。1.3换热器的优点 换热器的热损失要少，换热效率要高;流动阻力要小；要有足够的机械强度，抗腐蚀和抗损坏能力要强，维护工作量要少；结构要合理，工作要安全可靠，即零部件之间因为温升而产生的热应力不会导致换热器破裂；要便于制造、安装和检修;经济上要合理，设奋全寿命期的总投资要少，生活热水系统的换热器应易于清除水垢，以上要求常常相互制约，难于同时满定，因此应视具体情况，在换热器的选型和设计中有所侧重，满足工程对换热器的主要要求。因为换热器故障率较低，并且供暖为季节性负荷，有足够的检修时间，生活热水系统暂停供热也不会造成重大影响，所以可不设备用换热器。换热器台数的选择和单台能力的确定应适应热负荷的分期增长，并考虑供热的可靠性。1.4换热器的应用 换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。1.5几种常用换热器介绍1.5.1板式换热器：板式换热器主要由传热板片、固定盖板、活动盖板、定位螺栓及压紧螺栓组成得新型高效换热器，板片之间用垫片进行密封。由于板片表面的特殊结构，能使流体在低流速下发生强烈湍动，从而强化了传热过程。1.5.2管壳式换热器：管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型1.5.3板翅式换热器：通常由隔板、翅片、封条、导流片组成。在相邻两隔板间放置翅片、导流片以及封条组成一夹层，称为通道，将这样的夹层根据流体的不同方式叠置起来，钎焊成一整体便组成板束，板束是板翅式换热器的核心，配以必要的封头、接管、支撑等就组成了板翅式换热器。第二章 设计方案简介 换热器是在工业生产中实现物料之间热量传递过程的一种设备，故又称热交换器。它是化工、炼油、动力和原子能及许多工业部门广泛应用的一种通用设备，是保证工艺流程和条件，利用二次能源实现余热回收和节约能源的主要设备。在化工厂换热器约占总投资的1020%；由于工艺流程不同，生产中往往进行着加热、冷却、蒸发或冷凝等过程。通过换热器热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺需求。2.1选择换热器的类型 两流体温度的变化情况：热流体进口温度120 出口温度40；冷流体进口温度10，出口温度30，该换热器用循环冷却水冷却，冬季时其进口温度会降低，考虑这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用带有膨胀节的固定板管式换热器。22管程安排 从两物流的操作压力看，应使煤油走管程，循环冷却水走壳程，但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，煤油走壳程。2.3流向的选择 当冷、热流体的进出口温度相同时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而传递同样的热流体，所需的传热面积较小。逆流操作时，冷却介质温升可选择得较大因而冷却介质用量可以较小。显然在一般情况下，逆流操作总是优于并流。第三章 确定物性数据 定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。 管程冷却水的定性温度为： t=10+302=20（）壳程煤油的定性温度为： T=120+402=80（）根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。定性温度下流体的物性，见表1：表1 定性温度下流体的物性密度/kgm-3比热容cp/kJkg-1-1黏度/Pas热导率/Wm-1-1煤油8122.080.0007250.141水9984.180.0010050.599第四章 工艺计算及主要设备设计4.1.计算热负荷和冷却水流量 qm1=1.188108/(33024)=15000 kg/h热负荷量：Q=qm1cp1(T1-T2)=150002.08103(120-40)=2.496109 kg/h=693333W冷却水量：qm2 = Qcp2(t2-t1) =249600000018103(30-10)=29856kg/h=8.29 kg/s4.2.计算两流体的平均温度差暂按单壳程、多管程进行计算。逆流时平均温度差：热流体(煤油） T 140 40冷流体（水） t 30 10 t 110 30t1=T1-t2=120-30=90t2=T2-t1=40-10=30逆流时的平均温差为： tm=t1-t2lnt1t2=90-30ln9030=54.61而 R=T1-T2t2-t1=120-4030-10=4 P=t2-t1T1-t1=30-10120-10=0.182查温差校正系数有关图表（见图1）可得：t=0.85平均传热温差: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2壳程换热器合适。图1 对数平均温度差校正系数4.3估算传热面积由常用化工单元设备设计表1-6，查的水与煤油之间的传热系数在290-698 W/(m2 .)，假设K=600估算传热面积为：S=Q2Ktm=693333/(60046.42)=24.894.4.换热器规格4.4.1管径和管内流速 选用252.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1 =1.0m/s。4.4.2管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 Ns=根按单程管计算，所需的传热管长度为 L=11.75m按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=3m，则该换热器的管程数为 Np=传热管总根数 Nt=274=108根4.4.3.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=1.25d0，则 t=1.2525=31.25=32横过管束中心线的管数 nC=1.1910.3=13根4.4.4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 D=1.05t按卷制壳体的进级档，可取D=500mm4.4.5折流板 采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为： H=0.25500=125mm，故可取H=150mm取折流板间距B=0.3D，则 h=0.3500=150mm，可取h为150mm。折流板数目NB=块4.4.6接管表2 管壳式换热器中常用的流速范围 介质流速循环水新鲜水一般液体易结垢液体低粘度油高粘度油管程流速（m/s）1.0-2.00.8-1.50.5-31.00.8-1.80.5-1.5壳程流速，（m/s）0.5-1.50.5-1.50.2-1.50.50.4-1.00.3-0.8表3 管壳式换热器中不同黏度液体的常用流速液体黏度,15001500-500500-100100-3535-11最大流速,m/s0.60.751.11.51.82.4壳程流体进出口接管：取接管内水流速u1=0.6m/s，则接管内径为：经圆整采用108mm4热轧无缝钢管（GB8163-87）,取标准管径为100mm管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速u1=1.0m/s，则接管内径为：经圆整采用108mm4热轧无缝钢管（GB8163-87）,取标准管径为100mm4.5.热流量核算4.5.1壳程表面传热系数 用克恩法计算得：其中，当量直径： 壳程流通截面积：壳程流体流速及其雷诺数分别为：普朗特数：粘度校正：o=0.360.1410.02140180.5510.7013=1067W/m24.5.2管程对流传热系数管程流体流通截面积：管程流体流速： 普朗特数： 4.5.3污垢热阻和管壁热阻：查阅表可得，冷却水侧污垢热阻 煤油侧的污垢热阻 表4 常见流体污垢热阻流体Rs,m2/kW流体Rs,m2/kW水（50）0.09清净的河水0.21蒸馏水0.09优质不含油0.052海水0.09劣质不含油0.09未处理的凉水0.58盐水0.172已处理的凉水0.26有机物0.172已处理的锅炉0.26熔盐0.086硬水、井水0.58植物油0.52气体0.26-0.53燃料油0.172-0.52空气0.26-0.53重油0.86溶剂蒸汽0.172焦油0.172导热系数=454.5.4 传热系数： K=1doaidi+Rsidodi+bdodm+Rso+1o=1=528W/m24.5.5传热面积裕度 :S=QKtm=69333352846.42=28.29m2该换热器的实际传热面积为SpSp=dolN-nc=32.8m2该换热器的面积裕度为：H=Sp-SS=32.8-28.2928.29=15.94%传热面积裕度在（15-25）之间，所以合适，该换热器能够完成生产任务。4.6换热器内流体的流动阻力4.6.1管程流体阻力壳程数Ns=2 ，管程数4 ,污垢校正系数 Ft=1.5流体流过直管段由于摩擦引起的压力降为 ：流体流过回管弯（进出口阻力忽略不计）因摩擦所引起的压力降为：由 Rei=20457，传热管对粗糙度0.01/20=0.005，查莫狄图得，流速ui=1.03m/s,所以:管程流体阻力在允许范围之内。莫狄图4.6.2 壳程流体阻力：流体流经管束的阻力为： F=1, NS=2 ,f0 =5.0 Re0-0.228 = 514018 -0.228=0.57，nc =13 ，NB =19 ,uo = 0.6258，所以 =0.5713(19+1)0.62582812/2=23564（Pa）流体流经折流板缺口的阻力：隔板间距B=0.15m，D=0.5m 所以P2=NB3.5-2BDuo22=193.5-20.150.58120.625822=8761Pa综上，管程壳程流体阻力都在允许范围之内。Po=p1+p2=23564+8761=32325Pa结论 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：表5 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器型式：固定管板式换热器换热器面积（）：32.8工艺参数名称管程壳程物料名称水煤油操作压力,MPa1.5105 1.5105操作温度,10/30120/40流量,kg/h2984415000流体密度,kg/998812流速,m/s1.02590.6258传热量，W693333总传热系数，W/528对流传热系数，W/42611014污垢系数，m2/W0.0003440.000172阻力降，Pa4802631498程数42推荐使用材料碳钢碳钢中心排管数nc13管心距 32mm管子规格252.5管数 108管长，mm3000管间距，mm32排列方式正三角形折流挡板型式上下间距，mm150切口高度25%壳体内径，mm500保温层厚度，mm无保温层结束语本次设计，我们参考了大量的参考资料，比如到网上查资料，到图书室借阅相关图书，总之我们寻找了关于物料及换热器的大量数据。我们通过本小组成员的相互协作，以及与其他同学的探讨，初步设计出了用水