化工原理课程设计-煤油换热器的设计.doc

淮阴工学院化工原理课程设计说明书 第 15 页 共 15 页 化工原理课程设计作 者： 学 号： 系 ： 专 业： 化学工程与工艺 题 目： 煤油换热器的设计 指导者： (姓 名) (专业技术职务) 2013年 07月 淮 阴 工 学 院化 工 原 理 课 程 设 计 任 务 书 （I）专业： 班级： 姓名： 学号： 设计日期： 2013 年 6 月 24 日 至 2013 年 7 月 05 日设计题目：列管式换热器的设计设计条件：将 1700 kg/h的煤油从180冷却到50，压力为0.3MPa，循环冷却水压力为0.4MPa，循环水入口温度为15，出口温度为30。煤油定性温度下的物性数据：= 825kg/m3；= 7.1510-4Pas；cpc = 2.22kJ/(kg)；= 0.14W/(m)设计内容:1、确定物性数据；2、热量衡算；3、工艺结构尺寸的计算；4、换热器核算；5、绘制换热器设计条件图。 指导教师： 2013年 6 月 6 日目录1 引言42 换热器的摘要及简介43 换热器的设计 53.1 选择合适的换热器类型 53.2 空间及流速的确定 53.3 确定物性数据 53.4 计算总传热系数 63.5 计算传热面积 73.6 确定工艺结构尺寸 73.7 换热器的核算 93.8 换热器主要结构尺寸和计算结果 124 结论 135 致谢 146 参考文献 15 7 换热器的设计图 161 引言设计要求：本设计的主要任务是完成满足某一生产要求的管壳式换热器，它是属于列管式换热器的一种，是利用间壁使高温流体和低温流体进行对流传热从而实现物料间的热量传递。换热器的工艺设计计算有两种类型，即设计计算和校核计算，包括计算换热面积和造型两方面。设计计算的目的是根据给定的工作条件及热负荷，选择一种适当的换热器类型，确定所需的换热面积，进而确定换热器的具体尺寸。校核计算的目的则是对已有的换热器校核它是否满足预定要求，这是属于换热器性能计算问题。无论是设计计算还是校核计算，所需的数据包括结构数据、工艺数据和物性数据三大类。其中结构数据的选择在换热器设计中最为重要。对于列管式换热器的设计包括壳体型式、管程数、管子类型、管长、管制排列形式、折流板型式、冷热流体流动通道等方面的选择。工艺数据包括冷热流体的流量、进出口温度、进口压力、允许压力降及污垢系数。物性数据包括冷热流体在进出口温度或定性温度下的的密度、比热容、粘度、导热系数等。设计目的：过程设备设计是学习化工设备设计基础知识，培养学生化工设备设计能力的重要教学环节，通过这一实践教学环节的训练，使学生掌握化工设备设计的基本方法，熟悉查询和正确使用技术资料，能够在独立分析和解决实际问题的能力方面有较大提高，增强工程观念和实践能力。2 换热器的摘要及简介摘要：列管式换热器在化工、石油等行业中广泛应用。根据本次设计任务，正戊烷流动温度为51.7，水的进、出口量温度为32、40.计算一个年处理量为 吨的正戊烷冷凝器。通过计算，得到所需管程数为4，传热管长为4.5米，壳体直径为0.5米,传热面积为33.09平方米的的换热器。由此进行换热器的选择,并确定传热过程的流体流速等参数,传热面积为36.6平方米的的换热器。经过进一步核算，换热器压降，面积裕度，管壁温度均符合设计要求，。然后通过查阅资料合理计算确定封头、管箱、拉杆、定距管等结构尺寸和选取符合要求的辅助设备（主要是离心泵）。最后画出符合工程语言的设备总装图和带控制点的工艺流程图。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，一种流体从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。关键词 列管式，固定管板式换热器，设计计算，工艺结构，设计图3 列管换热器的设计：3.1选择合适的换热器类型：两流体温度变化情况：热流体进口温度180，出口温度50；冷流体（循环水）进口温度15，出口温度30。该换热器用循环冷却水冷却，热流体为煤油，为不易结垢和清洁的流体，冬季操作时进口温度会降低，估计该换热器的壳壁温和壳体温差较小，因此初步确定选用带膨胀节约的固定管板式换热器。3.2空间及流速的确定：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，油品走壳程。选用252.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/s。3.3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。壳程混和气体的定性温度为： T= 管程流体的定性温度为： t根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对混合气体来说，最可靠的无形数据是实测值。若不具备此条件，则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据。煤油在115下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）： 密度 定压比热容 =2.22kJ/（kg） 导热系数 =0.140W/（m）粘度 =0.000715Pas循环水在22.5 下的物性数据： 密度=998/m3 定压比热容=4.18kJ/(kg) 导热系数 =0.598W/(m)粘度 =0.000951Pas3.4总传热系数：3.4.1热流量：Qo=17002.22(180-50)=490620kJ/h =136.3kW3.4.2平均传热温差：先按照纯逆流计算，得 =3.4.3冷却水用量：=/h3.4.4总传热系数K：管程传热系数Re= =W/ (m2)壳程传热系数假设壳程的传热系数 = 380W/（m2)污垢热阻 = 0.000344 m2/W =0.000172 m2/W管壁的导热系数 = 45W/(m) K = = = 262.3W/（m2)3.5计算传热面积：= = s = 6.58m2考虑15的面积裕度，S = 1.15=1.156.58 = 7.56m23.6工艺结构尺寸：3.6.1 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=0.8m/s。3.6.2 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= 按单程管计算，所需的传热管长度为 L= (m)按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长l=6m，则该换热器的管程数为 Np= (管程)传热管总根数 N=142=28（根）3.6.3平均传热温差校正及壳程数：平均温差校正系数 R= P= 按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一图线，可得 平均传热温差 3.6.4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=1.25d0，则 t=1.2525=31.2532横过管束中心线的管束 3.6.5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 D=1.05t mm圆整可取D=273mm3.6.6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=0.25273=68.25mm，故可取h=80mm取折流板间距B=0.3D，则 B=0.5273=136.5mm，可取B为200mm。折流板数目NB= 折流板圆缺面水平装配。3.6.7接管：壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为u1=1.0m/s，则接管内径为取标准管径为50mm管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u2=1.5m/s，则接管内径为取标准管径为50mm3.7 换热器核算：3.7.1热流量核算：3.7.1.1壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，用克恩法计算 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(m/s) 普朗特数 粘度校正 3.7.1.2管内对流传热系数 管程流体流通截面积管程流体流速 普朗特数 W/（m2)3.7.1.3 传热系数依式 W/（m2)3.7.1.4传热面积 该换热器的实际传热面积为Sp m2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。3.7.2换热器内流体的流动阻力3.7.2.1管程流体阻力 , , ,由Re=10963，传热管相对粗糙度，查莫狄图得，流速u=0.5m/s, =998 kg/m ,所以， 管程流体阻力在允许范围之内。3.7.2.2壳程阻力 , , 流体流经管束的阻力 F=0.5 0.51.0126.3(29+1)=90.7Pa流体流过折流板缺口的阻力 , B=0.2m , D=0.273m55.9 Pa总阻力90.7+55.9=146.6（Pa） 10 KPa由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。3.8换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：换热器型式：固定管板式管口表换热器面积（m）164符号尺寸用途连接形式工艺参数a循环水入口平面名称管程壳程b循环水入口平面物料名称循环水 煤油c油品出口凹凸面操作压力，MPa0403d油品出口凹凸面操作温度，15/30180/50e排气口凹凸面流量，7824.91700f放净口凹凸面对流传热系数，2397.65267推荐使用材料碳钢碳钢污垢系数，00003440000172阻力降，MPa0.0052610.004115程数21结论通过列管式换热器的初步设计，在整个过程中，值得注意的几点：1、初步估算，选择合适的换热器类型，满足换热的需求，但要尽量节省物料，比如单管、多管要具体计算确认才行；2、确定物性数据，在确定物性数据时，要根据流体和冷凝水的温度要求，确定好定性温度后决定物料参数，并计算物性数据，包括流体流量、传热系数、体系面积、管程数等，然后确定所需的工艺结构尺寸；3、假设流体在管内的流速已知，根据确定的工艺尺寸，再验证确定的尺寸是否符合工艺要求，即计算出传热系数，传热面积，考虑壳程阻力，比较所有的数据，计算是否符合工艺和操作要求；4、按照已经确定的工艺结构和管程数，在AutoCAD工具做出换热器尺寸结构图。经过此次课程设计，我学会了化工工艺设计的基本流程，在设计的过程中，我也出过小错误，比如在确定水的物性数据时，我忽略的定性温度这一重要参数，使得结果偏差过大，不符合要求，所以在设计过程中，一定要仔细计算，在确定管程及壳程内外径时，一定要取标准尺寸。致 谢 对于化工原理任课教师胡涛老师和周伟老师的悉心教导表示衷心的感谢，还要感谢那些指出我设计中错误的同学，感谢他们在我设计过程中给予我的帮助。在我设计过程中，我曾经出现过物性数据确定的错误，以及总传热系数计算的错误，幸亏书上教材有实例计算方法，此次设计的成功离不开大家的讨论。参 考 文