传热学课程设计.doc

处理量为吨/年正戊烷冷却器的工艺设计 课 程 设 计 报 告 专 业：油气储运工程班 级：姓 名：指导教师： 2014年 1 月 15 日目 录一、概述4二、正戊烷冷凝器的工艺设计任务书61.设计名称62.设计条件6三、正戊烷冷凝器的工艺设计指导书71.设计目的72.设计的指导思想73.设计要求74.设计课题工程背景7四、正戊烷冷凝器的工艺设计报告81.设计题目82.设计目的83.课题条件84.设计描述85.热力学计算95.1物性数据的确定95.2估算传热面积105.3工艺尺寸计算105.4面积核算125.5压降校核135.6设计计算结果汇总表155.7 列管换热器工艺图155.8设计结果评价,心得16五、参考文献 17 一、概述 换热器是化工厂中重要的化工设备之一，换热器的类型很多，特点不一，可根据生产工艺要求进行选择。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。 换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、过热器等。 依据传热原理和实现热交换的方法可分为间壁式、混合式、蓄热式三类。其中间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器。 在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。 传热器的结构分类 类 型 特 点 间 壁 式 管 壳 式 列管式 固定管板式 刚性结构 用于管壳温差较小的情况（一般50），管间不能清洗 带膨胀节 有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力 浮头式 管内外均能承受高压，可用于高温高压场合 U型管式 管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难 填料函式 外填料函 管间容易泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质 内填料函 密封性能差，只能用于压差较小的场合 釜式 壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮 双套管式 结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中 套管式 能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器 螺旋管式 沉浸式 用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热 喷淋式 只用于管内流体的冷却或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热 螺旋板式 可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用作回收低温热能 平板式 结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净 完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求： （1）合理地实现所规定的工艺条件 传热量、流体热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质是工艺过程所规定的条件。根据这些条件进行计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。 增大传热系数K: 在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。 提高平均温差: 对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。 妥善布置传热面S 例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，加大单位空间内的传热面积，改善流体的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。 （2）安全可靠性计算时，应遵照我国钢制石油化工压力容器设计规定与钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。 （3）有利于安装、操作与维修 直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。 （4）经济合理性在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，评价换热器的最终指标尤为重要：在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、维修费等）的总和为最小。二、正戊烷冷凝器的工艺设计任务书 1.设计名称 正戊烷冷凝器的设计2.设计条件 处理量：5.8104t/a； 正戊烷冷凝温度为51.7，冷凝液于饱和液体下离开冷凝器； 冷却介质：地下水，流量为7000kg/h，入口温度：20； 允许压强降：不大于105Pa； 每年按330天计，每天24h连续运行； 设备型式：立式列管冷凝器； 设计项目： a.设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述； b.换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积；c.选择合适的立式列管冷凝器并进行较核计算；d.对冷凝器的附件进行设计，包括结构设计；e.绘制换热器总装配图；设计要求：a.说明书采用统一封面和纸张；b.方案和流程的选择要阐明理由；c.设计过程思路清晰，内容完全；d.设计、计算中，所采用的公式、数据、图表等注明出处，有些需说明理由；e.一律用钢笔或打印填写，要排列整齐，字体端正，书面整洁；f.计算过程均应写出；g.设备图以制图要求为准；h.集中做设计，独立完成。 三、正戊烷冷凝器的工艺设计指导书1.设计目的 通过对正戊烷冷凝器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。 总之，通过设计达到让学生自己动手进行设计的实践，获取从事工程技术工作的能力。2.设计的指导思想(1)结构设计应满足工艺要求(2)结构简单合理，操作调节方便，运行安全可靠(3)设计符合现行国家标准等(4)安装、维修方便3.设计要求(1)计算正确，分析认证充分，准确(2)条理清晰，文字流畅，语言简炼，字迹工整(3)图纸要求，图纸、尺寸标准，图框，图签字规范(4)独立完成4.设计课题工程背景 在石油化工生产过程中，常常需要将各种石油产品（如汽油、煤油、柴油等）进行冷却，本设计以正戊烷为例，让学生熟悉列管式换热器的设计过程。四、正戊烷冷凝器的工艺设计报告1. 设计题目 正戊烷冷凝器的设计2.设计目的 通过对正戊烷冷凝器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。 总之，通过设计达到让学生自己动手进行设计的实践，获取从事工程技术工作的能力。3.课题条件（1）设计任务处理能力：7000kg/h。正戊烷蒸气压力：0.75kgf/cm2，其饱和温度为51.7，蒸发潜热为冷却剂：自来软水，进口温度 （2）操作条件：生产方式：连续操作生产时间：每年以330天计算，每天24小时冷凝器操作压力为常压，管程和壳程的压力均不大于Kpa4.设计描述 换热器是许多工业生产中常用的设备,尤其是石油、化工生产应用更为广泛。在化工厂中常用的换热设备有换热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。换热器的类型很多，性能各异，个具特点，可以适应绝大多数工艺过程对换热器的要求。进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。 换热器类型虽然很多，但计算传热面积所依据的传热基本原理相同，不同之处仅是在结构上需根据各自设备特点采用不同的计算方法而已。 我们设计的是正戊烷冷却器，冷却器是许多工业生产中常用的设备。列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广。列管式换热器的形式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。因为水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，正戊烷走壳程。5.热力学计算5.1物性数据的确定正戊烷液体在定性温度（51.7）下的物性数据（查化工原理附录） 地下水的定性温度： 入口温度为 故处理量为： 入口温度为，出口温度为 式中 地下水的定性温度为： 两流体的温差，故选固定管板式换热器两流体在定性温度下的物性数据如下物性流体温度密度kg/m3粘度mPas比热容kJ/(kg)导热系数W/(m)正戊烷51.75960.182.340.157地下水23.89940.7254.080.6265.2估算传热面积 （1）计算热负荷 qm,h=7000/3600kg/s=1.94kg/s （2）冷却水用量 qm,c=674.15/(4.08（28.69-20）)=19.01kg/s（3）计算有效平均温度差 正戊烷 51.751.7 冷却水 28.69 20 23.01 31由于=23.01/31=0.74 = （4）选取经验传热系数K值 根据管程走井水，壳程走正戊烷，总传热系数现暂取： （5）估算换热面积 5.3工艺尺寸计算（1）管径和管内流速 选用252.5mm较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速 u1=0.8m/s。 （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 按单程管计算，所需的传热管长度为 L=按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，现取传热管长l=4.0m，则该换热器的管程数为 =3 传热管总根数 N=376=228(根） （3）平均传热温差校正及壳程数: 平均温差校正系数有 : R= P= 单壳程，双管程结构，查得 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，故取单壳 程合适。 （4）壳体内径 采用多管程结构，壳体内径可按下式估算。 采用两管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径 圆整取D=606mm 卧式固定管板式换热器的规格如下： 公称直径D606mm 公称换热面积S54.43m2 管程数 3 管数n228 管长L9000mm 管子直径 管子排列方式正三角形（5）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20%，则切去的圆缺高度为h=0.20*606=121.2mm。取折流板间距B=0.3D，则B=0.3*606=181.8mm，可取B=182mm。折流板数 N=传热管长/折流板间距-1=9000/182-1=49（块）5.4面积核算 （1）壳程表面传热系数 （2）管内表面传热系数.， 有 管程流体流通截面积 管程流体流速 普朗特数 （3）污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为50.29w/(mK)。所以 （4） 传热系数依式3-21有 （5）传热面积裕度 :可得所计算传热面积Ap为5.5压降校核 （1）计算管程压降（结垢校正系数，管程数，壳程数）取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm，则，而，于是 对的管子有 故, 管程压降在允许范围之内。 （2）计算壳程压降 按式计算 , , 流体流经管束的阻力 管子为正三角形排列 F=0.5 D=107mm 壳程流体流速及其雷诺数分别为： 取 0.50.3352(37+1)=3029.74Pa 流体流过折流板缺口的阻力 , B=0.2m , D=0.6m Pa 总阻力 3029.74+25889.6=28972.7Pa 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。5.6设计计算结果汇总表 项目 结果 单位 换热器公称直径D 606 换热器管程数p 3 - 换热器管子总数Nt 228 根 换热器单管长度L 9000 mm 换热器管子规格 mm 换热器管子排列方式 正三角形错列 - 管心距 32 管板厚度T 22 折流板间距B 182 折流板个数NB 49 根 折流板外径 102 折流板厚度 5 传热负荷Q 9.65 KW 正戊烷蒸汽流量qm,h 0.0278 Kg/s 地下水流量qm,c 0.158 Kg/s 初选总传热系数Ko 450 W/m2.K 初步估算传热面积S 1.019 m2 管程流速 0.51 m/s 壳程传热系数o 458.096 W/m2.K 管程传热系数i 4244.9 W/m2.K 总传热系数K 325.5 W/m2.K 所需传热面积S 1.228 m2 管程压降Pt 3083.1 Pa 壳层压降Ps 25889.6 Pa5.7 列管换热器工艺图 列管式换热器 1壳体 2管束 3挡板 4隔板5.8设计结果评价（1）通过分析管壳式换热器壳程传热与阻力性能特点,说明在采用能量系数来评 价强化传热时,应更着眼于提高其换热性能。本设计中： 管程压降Pt+= 3083.1+ 25889.6=28972.7 满足要求，性能良好。（2） 经济和环境效益评价：生命周期方法是一种针对产品或生产工艺对环境影响进行评价的过程,它通过对能量和物质消耗以及由此造成的废弃物排放进行辨识和量化,来评估能量和物质利用对环境的影响,以寻求对产品或工艺改善的途径。这种评价贯穿于产品生产、工艺活动的整个生命周期,包括原材料的开采和加工、产品制造、运输、销售、产品使用与再利用、维护、再循环及最终处置。本设计中使用水作冷却剂，无污染，耗资少，无有害气体产生，整个过程简单，易操作，环境和经济效益良好。课程设计心得经过一个星期的努力，传热学第一次课程设计终于画上了完美的句号。虽然在设计期间遇到了许多的困难，但我从中收获吸取的知识与这次的经历，将让我受益终生。在这次的课程设计中，我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能真正获得答案。每一次的假设取值，每一次的结果核算，着实的磨练了我的耐心，教会了我如何寻求最佳值。在设计的过程中遇到问题，可以说是困难重重，毕竟这是第一次做，难免会遇到过各种各样的问题。同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次课程还教会了查阅资料的能力，很多东西都要自己去翻资料书，自己去寻找