化工原理课程设计列管式换热器

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date化工原理课程设计-列管式换热器封面格式材料工程原理B课程设计设计题目： 处理量10104吨/年煤油冷却器的设计 专 业： 班 级： 学 号： 姓 名： 日 期： 指导教师： 设计成绩： 日 期： -设计任务书设计题目处理量10104吨/年煤油冷却器的设计一. 设计要求： 1.处理能力：（10104）吨/年煤油 2.设备型式：列管式换热器 二. 操作条件1. 煤油：入口温度140C，出口温度40C。2. 冷却介质：采用循环水，入口温度30C，出口温度40C。3. 允许压降：不大于105Pa。4. 煤油定性温度下的物性数据：rc=825kg/m3, mc=7.1510-4Pas,Cpc=2.22kJ/(kgC)， c=0.14W/(mC)5. 每年按330天计，每天24h连续生产。三. 设计任务l 选择适宜的列管换热器并进行核算。l 绘制带控制点的工艺流程图和设备结构图，并编写设计说明书。任务下达日期：2015.12.21任务完成日期：2015.12.25 指导教师： 学生：目录一、概述1二、设计方案说明12.1 列管式换热器设计简介12.2 列管式换热器的类型22.2.1 固定管板式22.2.2 浮头式换热器22.2.3 U型管式换热器32.2.4 填料函式换热器32.3 换热器类型的选择32.4 流体流径流速的选择32.5 材质的选择42.6换热器其他结构的选择42.6.1 管程结构42.7工艺流程草图5三、换热器设计计算63.1确定计算方案63.1.1选择换热器的类型63.1.2流体流径流速的选择63.2 确定物性参数63.3 估算传热面积73.3.1 热流量73.3.2平均传热温差73.3.3 传热面积73.3.4 冷却水用量83.4 工艺结构尺寸83.4.1管径和管内流速83.4.2管程数和传热管数83.4.3 平均传热温差校正及壳程数93.4.4 传热管排列和分程方法93.4.5 壳体内径93.4.6 折流板103.4.7 接管103.5 换热器核算103.5.1 热流量核算103.5.1.1 壳程表面传热系数103.5.1.2 污垢热阻和管壁热阻123.5.1.3 传热系数K123.5.1.4 换热器面积裕度123.5.2 换热器内流体阻力计算133.5.2.1 管程流体阻力133.5.2.2 壳程阻力133.6壁温核算143.7水泵15四、 换热器主要结构尺寸和计算结果表16五、设计心得体会17参考资料18主要符号说明18一、概述 课程设计是学习化工设计基础知识，培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过这一实践教学环节，使学生掌握化工单元过程及设备设计的基本程序和方法，熟悉查阅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。为此，学生应在进行本课程设计的实践过程中，以实事求是的科学态度，严谨认真的工作作风完成以下内容。（1） 设计方案简介（2） 主要设备的工艺设计计算（3） 主要设备的结构设计与机械设计（4） 典型辅助设备的选型（5） 带控制点的工艺流程图（6） 主要设备的工艺条件图（7） 主要设备的总装配图（8） 编写设计说明书二、设计方案说明2.1 列管式换热器设计简介 列管式换热器的设计、制造、检验与验收必须遵循中华人民共和国国家标准“钢制管壳式（即列管式）换热器”（GB151）执行。按该标准，换热器的公称直径做如下规定：卷制圆筒，以圆筒内径作为换热器公称直径，mm；钢管制圆筒，以钢管外径作为换热器的公称直径，mm。列管式换热器的工艺设计主要包括下列内容： 根据生产任务和有关要求确定设计方案； 初步确定换热器结构和尺寸； 核算换热器的传热能力及流体阻力； 确定换热器的工艺结构。2.2 列管式换热器的类型2.2.1 固定管板式 固定管板式换热器是用焊接的方式将管束的管板固定在壳体两端。制造方便，紧凑，造价较低。适用于壳程流体清洁，不易结垢，或者管外侧污垢能用化学处理方法除掉的场合，同时要求壳体壁温与管子壁温之差不能太大，一般情况下，该温差不得大于50。若超过此值，应加温度补偿装置。通常是在壳体上加一膨胀节。但这种装置只能用在管壁温与壳体壁温之差低于6070及壳程压力不高的场合.当壳程流体表压超过0.7MPa时,由于膨胀节的材料较厚,难以伸缩而失去对热变形的补偿作用,此时不宜采用这种结构。图12.2.2 浮头式换热器浮头式换热器是采用法兰把管束一端的管板固定到壳体上，另一端管板可以在壳体内自由伸缩，并在这端管板上加一顶盖后称为“浮头”。这类换热器的主要特点是管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内。管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生热应力。但这种换热器结构较为复杂，造价高，制造安装要求高。适用于壳体壁温与管壁温差较大或者壳程流体易结垢的场合。图22.2.3 U型管式换热器这类换热器的管束是由弯成U型的传热管组成。其特点是管束可以自由伸缩，不会产生温差应力，结构简单，造价比浮头式低，管外容易清洗。但管板上排列的管子较少。另外由于管束中心一带存在间隙，且各排管子回弯处曲率不同，长度不同，故壳程流体分布不够均匀，影响传热效果。适用于壳程流体易结垢，或壳体壁温与管壁温之差较大的场合，但要求管程流体应较为清洁，不易结垢。图32.2.4 填料函式换热器这类换热器具有浮头换热器的优点，克服了固定管板式换热器的缺点，结构比浮头式简单，制造方便，易于检修清洗。但这种换热器密封性能较差，故壳程中不宜处理易燃、易爆或有毒的流体。同时要求壳程流体的压力不宜过高。2.3 换热器类型的选择本次设计为煤油冷却器的工艺设计，工艺要求煤油（热流体）的入口温度140，出口温度40。采用循环冷却水作为冷却剂降低热的没有温度，冷却水的入口温度30，出口温度40。根据 换热器的分类与特性，结合上述工艺要求，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，故因选用带膨胀节的固定管板式换热器。2.4 流体流径流速的选择循环冷却水易结垢，而固定管板式换热器的壳程不易清洗，且粘度大的流体应走壳程，故选择循环冷却水为管程流体，煤油为壳程流体。根据流体在直管内常见适宜流速，管内循环冷却水的流速初选为ui=1.0m/s。2.5 材质的选择换热器的设计时，换热器的各种零件，部件的材料应根据设备的操作压力，操作温度，流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺要求来选取。换热器的常用材料有：碳钢和不锈钢。碳钢，价格低强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是比较合理的。据生产要求，冷热流体分别为水和煤油，均无腐蚀性化学性质比较稳定，以及生产经济合理，选择碳钢作为换热器的材料。2.6换热器其他结构的选择2.6.1 管程结构 换热管的布置和排列间距：常用的换热管有192mm，252mm，252.5mm。故可选择换换热管径252.5mm。 2.6.2壳程结构 壳体：直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，壳体大于400mm的壳用钢板卷焊而成。折流板：常用的为圆形折流板，切缺率通常为20% 至50%。垂直圆缺用于水平冷凝器，水平再沸器等，选用垂直圆缺。推荐折流板间隔最小值为内径的1/5或小于50mm，最大值取决于支持管所必要的最大间隔。此设计中使用折流板间隔为内径的1/4。2.7工艺流程草图图4三、换热器设计计算3.1确定计算方案3.1.1选择换热器的类型 本次设计为煤油冷却器的工艺设计，工艺要求煤油（热流体）的入口温度140，出口温度40。采用循环冷却水作为冷却剂降低热的没有温度，冷却水的入口温度30，冷却水的出口温度40。 根据间壁式换热器的分类与特性表，结合上述工艺要求，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，故因选用带膨胀节的固定管板式换热器。3.1.2流体流径流速的选择 根据流体流径选择的基本原则，循环冷却水易结垢，而固定管板式换热器的壳程不易清洗，且循环冷却水的推荐流速大于煤油的推荐流速，故选择循环冷却水为管程流体，煤油为壳程流体。根据流体在直管内常见适宜流速，管内循环冷却水的流速初选为ui=1.0m/s,管子选用252.5mm的换热管。3.2 确定物性参数定性温度：可取流体进口温度的平均值。 管程流体的定性温度煤油90下的物性数据表1根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 煤油在90下的有关物性数据循环冷却水在35下的物性数据密度o=825kg/m3密度i=994kg/m3定压比热容Cpc=2.22kJ/(kg)定压比热容Cpi=4.08kJ/(kg)导热系数c=0.14W/(m)导热系数i=0.626 W/(m)粘度c=7.1510-4Pas粘度i=7.2510-4Pas3.3 估算传热面积3.3.1 热流量3.3.2平均传热温差3.3.3 传热面积假设壳程传热系数，管壁导热系数则,则估算面积考虑15%的面积裕度，则：3.3.4 冷却水用量3.4 工艺结构尺寸3.4.1管径和管内流速选用252.5mm传热管，取管内流速ui=0.5m/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根按单程管计算，所需的传热管长度为按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用标准设计，现取传热管长为l=4.5m，则该换热器的管程数为：换热器的总传热管数为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：按单壳程，4管程结构，温差校正系数查阅有关图表。但R= 10的点在图上难以读出，因而相应以1R代替R，PR代替P，查同一图线，可得平均传热温差由于平均传热温差校正系数大于0.8，故取单壳程合适。3.4.4 传热管排列和分程方法多管程换热器采用组合排列法，即每一程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方法。取管心距，则隔板中心到离其最近一排管中心的距离为各程相邻管子的管心距为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=0.7，则壳体内径为按卷制壳体的晋级挡，圆整到D=650mm。3.4.6 折流板采用弓形折流板（水平圆缺），取弓形折流板切去的圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为允许的折流板最小间距为壳体内径的20%或50mm（取两者中的较大值）折流板间距，取150m。折流板数 3.4.7 接管壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u1=1.0m/s，则接管内径为取管内径为80mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u1.5 m/s，则接管内径为取管内径为160mm。3.5 换热器核算3.5.1 热流量核算3.5.1.1 壳程表面传热系数采用克恩公式当量直径，由正三角排列得壳程流通截面积壳程流体流速及其雷诺数普朗特准数粘度校正 3.5.1.2 管内表面传热系数管程流通面积管程流体流速及其雷诺数普朗特准数3.5.1.2 污垢热阻和管壁热阻查表得管外侧污垢热阻 1.7210-4 m2K/W管内侧污垢热阻 3.4410-4 m2K/W管壁热阻查表得碳钢在此温度下热导率为48.853.5.1.3 传热系数K3.5.1.4 换热器面积裕度 与K对应的计算传热面积该换热器的实际传热面积换热器的面积裕度传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。3.5.2 换热器内流体阻力计算3.5.2.1 管程流体阻力，由，传热管相对粗糙度，查莫迪图得流速，管程流体阻力在允许范围之内。3.5.2.2 壳程阻力,流体流过管束的阻力流体流过折流板缺口的阻力总阻力因此，壳程流动阻力也比较适宜。3.6壁温核算 因为管壁很薄，而且壁热阻很小。冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为10，出口温度为30核算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。 传热管平均壁温壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=58.55。壳体壁温和传热管壁温之差为与假设基本一致，不需要膨胀节。3.7水泵水的流速 水的实际流量为取 查表得截止阀全开时阻力系数，管入口，取吸入管路总长，换热器高出截面高出水表面。管路压头损失在换热器与蓄水池水表面列伯努利方程，扬程根据流量和扬程，可选择泵的型号为IS80-50-200。表2四、 换热器主要结构尺寸和计算结果表换热器型式：带膨胀节的固定管板式换热器管口表换热面积：89.02m2符号尺寸用途连接形式工艺参数aDN80冷却循环水入口平面名称管程壳程bDN80冷却循环水出口平面物料循环水煤油cDN170煤油入口凹凸面操作压力，MPa0.40.3dDN170煤油出口凹凸面操作温度，30/40140/40eDN20排气口凹凸面流量，kg/h68627.4512626.26流体密度，kg/m3994825附图流速，m/s0.50.2热负荷，kW1695.8总传热系数，W/(m2)263.9对流传热系数4734350.4污垢热阻，m2/W0.0003440.000172压降，MPa0.001150.00395程数21推荐使用材料低碳钢低碳钢列管管子规格252.5管数243管长，mm4500管间距，mm32排列方式正三角形折流板型式弓形水平间距，mm150切口高度25%壳体内径，mm650五、设计心得体会作为高XX专业的学生，我深知化工原理是一门非常重要的专业基础课程，进行适当的设计训练对于加深我对课程的理解是非常重要和有意义的。这是第一次做化工原理课程设计，通过本次设计，我认为自己已经初步掌握化工设计的一些基本知识了。本次设计的是煤油冷却器，根据温差和物性确定本设计的换热器为带膨胀节的固定管板式换热器或浮头式换热器，而鉴于浮头式换热器的造价一般比固定管板式换热器的造价高出二十多个百分点，以降低投资成本为目的，选择带膨胀节的固定管板式换热器。通过本次设计，我学会了如何根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。了解到了工艺设计计算过程中要进行工艺参数的计算。通过设计不但巩固了对主体设备图的了解，还学习到了工艺流程图的制法。通过本次设计不但熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及网上资源，对前面所学课程有了更深的了解。但由于时间较为仓促，查阅的文献有限，本次设计还有很多不完善的地方。本次设计非常感谢刘晓敏老师的指导，有了他的指导使得我们更快的进入课程设计的状态，使我们少走弯路。同时非常感谢我的同学，正是有他们在一起讨论，才使我较快及顺利地在较短时间内完成本设计。参考资料1 天津大学化工原理教研室编化工原理上、下册(第二版) M,天津:天津科技出版社,19962 柴诚敬等.化工原理课程设计M,.天津:天津科学技术出版社,2000 3 伟萍等编.化工过程及设备设计M, 北京：化学工业出版社,2000.4 潘国昌,化工设备设计M, 北京：清华大学出版社.20015 娄爱娟,吴志泉,吴叙美编,化工设计, 上海：华东理工大学出版社,20026 黄璐主编.化工设计.M.北京：化学工业出版社,2000.7 化工设备全书换热器M.北京：化学工业出版社,2003.8 兰州石油机械研究所.现代塔器技术M,北京:中国石化出版社,20059 化工设备设计全书编辑委员会.化工设备设计全书-塔设备设计M.上海:上海科学技术出版社,1988.10 童景山 .流态化干燥工艺与设备 M.北京 : 科学出版社 ,1989. 11 童景山.流体的热物理性质M. 北京:中国石化出版社,1996.主要符号说明英文流通面积，；管壁厚度，；定压质量热容，；热容流率比；换热管直径，；换热器壳径，；范宁摩擦系数；校正系数；对流传热系数，；导热系数，；总传热系数，；长度，；换热管长度，；管数；程数；压力，；平均传热温差校正系数；传热速率（热负荷），；平均传热温差校正系数；垢阻系数，；传热面积，；管中心距，；冷流体温度，；温差，；热流体温度，；流速，；质量流率，；B折流挡板间距，。希文无相变对流传热系数，；差分算符；传热效率；管板利用率；管壁导热系数；摩擦系数；黏度，；密度，；求和算符；校正系数。无因次数群，普朗特数（）；，雷诺数（）。