化工原理课程设计--列管式换热器的设计选型.doc

化工原理课程设计任务书设计题目：列管式换热器的设计选型 班 级：生物工程专业2010级本科班 姓 名：冯世红 （2010111051） 指导教师：蒋玉梅 李霁昕 设计时间：2012.05.252012.06.02 甘肃农业大学食品科学与工程学院二O一二年五月 目录化工原理课程设计任务书.一 概述及设计方案的简介. 1 概述. 2 设计方案的简介.二 设计条件及主要物性参数表.三 工艺设计计算. 1 确定物性方案. 2 确定物性数据. 3 估算传热面积. 4 工艺构造尺寸. 5 换热器核算.四 设计结果汇总表.五 设计评述.六 工艺流程图及设备工艺条件图.七 参考资料.八 主要符号说明. 化工原理课程设计任务书一、化工原理课程设计的重要性化工原理课程设计是学生学完基础课程以及化工原理课程以后，进一步学习工程设计的基础知识，培养学生工程设计能力的重要教学环节，也是学生综合运用化工原理和相关选修课程的知识，联系生产实际，完成以单元操作为主的一次工程设计的实践。通过这一环节，使学生掌握单元操作设计的基本程序和方法，熟悉查阅技术资料、国家技术标准，正确选用公式和数据，运用简洁文字和工程语言正确表述设计思想和结果；并在此过程中使学生养成尊重实际问题向实践学习，实事求是的科学态度，逐步树立正确的设计思想、经济观点和严谨、认真的工作作风，提高学生综合运用所学的知识，独立解决实际问题的能力。二、课程设计的基本内容和程序化工原理课程设计的基本内容有：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、 主要设备的工艺计算：物料衡算、能量衡算、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，设备规格型号的选定。4、 工艺流程图：以单线图的形式描绘，标出主体设备与辅助设备的物料方向、物流量、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、 编写设计说明书：可按照以下几步进行： 课程设计准备工作 有关生产过程的资料； 设计所涉及物料的物性参数； 在设计中所涉及工艺设计计算的数学模型及计算方法； 设备设计的规范及实际参考图等。 确定设计方案 工艺设计计算 结构设计 工艺设计说明书 封面：课程设计题目、学生班级及姓名、指导教师、时间。 目录 设计任务书 概述与设计方案的简介 设计条件及主要物性参数表 工艺设计计算 辅助设备的计算及选型 设计结果汇总表 设计评述 工艺流程图及设备工艺条件图 参考资料 主要符号说明 以上即为我们在课程设计中所涉及的主要内容。三、列管式换热器设计内容1、确定设计方案（1）选择换热器的类型；（2）流程安排2、确定物性参数（1）定性温度；（2）定性温度下的物性参数3、估算传热面积（1）热负荷；（2）平均传热温度差；（3）传热面积；（4）冷却水用量4、工艺结构尺寸（1）管径和管内流速；（2）管程数；（3）平均传热温度差校正及壳程数；（4）传热管排列和分程方法；（5）壳体内径；（6）折流板；（7）其它附件；（8）接管5、换热器核算（1）传热能力核算；（2）壁温核算；（3）换热器内流体的流动阻力四、设计任务和操作条件某厂用井水冷却从反应器出来的循环使用的有机液。欲将6000kg/h的植物油从140冷却到40，井水进、出口温度分别为20和40。若要求换热器的管程和壳程压强降均不大于35kPa，试选择合适型号的列管式换热器。定性温度下有机液的物性参数列于附表中。 附 表项 目密度，kg/m3比热，KJ/(kg)粘度，Pas热导率，kJ/(m)植物油9502.2610.7420.172五、主要设备结构图（示例） 根据设计结果，可选择其它形式的列管换热器。六、设计进度1. 设计动员，下达设计任务书； 搜集资料，阅读教材，拟定设计进度 1天；2. 设计计算（包括电算，编写说明书草稿）2-3天；3. 绘图2天；5. 整理，抄写说明书 1天；6. 设计小结及答辩 1天。七、设计成绩评分体系考核成绩分为五档：优秀（90-100分）、良好（80-89分）、中等（70-79分）、及格（60-69分）、不及格（60分）。一 概述及设计方案的简介 1 概述 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。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。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。 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。由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种 典型的换热器。换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。 2 设计方案的简介 确定设计方案，包括选择换热器的类型、流程安排；确定物性参数，包括定性温度、定性温度下的物性参数；估算传热面积，包括热负荷、平均传热温度差、传热 面积、冷却水用量；确定工艺结构尺寸，包括管径和管内流速、管程数、平均传热温度差校正及壳程数、传热管排列和分程方法、壳体内径、折流板、其它附件、接管；换热器核算， 包括传热能力核算、壁温核算、换热器内流体的流动阻力。最后画出工程图。 二 设计条件及主要物性参数表 性质密度，kg/10-3 比热,KJ/(kg)粘度，Pas 热导率，KJ/(m) 植物油 热流体950 2.261 0.47210-3 0.172 井 水 冷流体995.7 4.174 0,80110-3 0.618 将 6000kg/h的植物油从140冷却到40，井水进、出口温度分别为20和 40。要求换热器的管程和壳程压强降均不大于35kPa。三 工艺设计计算 1 确定物性方案 （1）选择换热器的类型 两流体的变化情况：热流体进口温度 140，出口温度 40； 冷流体进口温度 20，出口温度 40。 考虑冷热流体间温差大于50，初步确定选用浮头式换热器。 （2）流程安排 与植物油相比，井水易于结垢，如果其流速太小，会加快污垢增长速度使换热器传热速率下降。有机液被冷却，走壳程便于散热。因此，冷却水走管程，有机液走壳程。 2 确定物性数据 (1) 定性温度 对于粘度低的流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。所以， 壳程流体的定性温度为：T=（140 + 40）/2 = 90 管程流体的定性温度为：T=（20 + 40）/2 = 30 (2) 物性参数 定性温度下，管程流体(井水)、壳程流体（植物油）有关物性参数由主要物性参数表 得出。 3 估算传热面积 (1) 热流量 Q1= m1cp1 t1 =60002.261(140-40)=1.3566106kj/h =376.833kw （2） 平均传热温差 先按照纯逆流计算，得 = 3.传热面积 由于壳程有机液的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=395W/()则估算的传热面积为：A= 考虑到估算性质的影响，根据经验取实际传热面积为估算值的1.15倍，则实际传热面积为：A4.井水用量：m=四、工艺结构尺寸 1.管径和管内流速 选用选用252.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=0.75m/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： Ns=（根）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，采用标准管设计，现取传热管长L=8m，则该换热器的管程数为：Np=（管程）传热管总根数：Nt=202=40（根）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，查图得：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.传热管排列和分程方法 采用正方形错列。取管心距t=1.25d0，则 t=1.2525=31.2532mm隔板中心到离其最近一排管中心距离：S=t/2+6=32/2+6=22mm各程相邻管的管心距为：222=44mm5.壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率=0.85，则壳体内径为： D=1.05t按卷制壳体的进级档，可取D=300mm6.折流板 采用弓形折流板,取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=0.25300=75m取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3300=90mm 古可取B=100mm 折流板数目：7.其他附件 拉杆数量与直径按表选取，本换热器壳体内径为300mm，故：拉杆直径为12，拉杆数量不得少于4。8.接管壳程流体进出口接管：取接管内流体流速为u1=2m/s，则接管内径为：管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=2.5m/s，则接管内径为：圆整后，取壳程流体进出口接管（热轧无缝钢管）规格为：15010 取管程流体进出口接管（热轧无缝钢管）规格为：15010四、换热器核算1.传热能力核算 （1）壳程流体传热膜系数用克恩法计算：当量直径：= 壳程流通截面积： 壳程流体流速： 雷诺数： 普朗特数： 粘度校正：得：（2）管内传热膜系数 管程流体流通截面积： 管程流体流速： 雷诺数： 普朗特数：得：（3）污垢热阻和管壁热阻管内侧污垢热阻： （井水）管外侧污垢热阻： （有机液）管壁热阻：碳钢在该条件下的热导率为52.34w/(mK) 则（4） 传热系数 （5）传热面积裕度 所计算传热面积为：该换热器的实际传热面积为：该换热器的面积裕度为：传热面积裕度合适（15%20%），该换热器能够完成生产任务。2.壁温计算 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。则： 式中：0.440+0.620=28 0.4140+0.640=80 3520.6w/k709.1/k 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=90。壳体壁温和传热管壁温之差为： 。 该温差较大，故需要设温度补偿装置，选用浮头式换热器较为适宜。3换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力： , ,（252.5）由柏拉修斯公式： 得：流速u=0.75m/s，=995.71kg/，所以 则总阻力：35000Pa管程流体阻力在允许范围之内。（2）壳程阻力： , (液体) 流体流经管束的阻力： 0.50.613(27+1)=3319.7a流体流过折流板缺口的阻力： B=0.2m , D=0.3m则总阻力：（3119.7+2216）11.15=6136.06Pa35000Pa设计结果汇总表壳程流体阻力在允许范围之内。换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：参数壳程管程流量kg/h135666000进/出口温度/20/40140/40压力/Pa11593.26136物性定性温度/3090密度/（kg/m3）995.7950定压比热容/kj/（kgk）4.1742.261粘度/（Pas）0.8010.742热导率（W/mk）0.6180.172普朗特数5.419.754设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/275台数1管径/252.5管心距/32管长/7000管子排列正三角管数目/根40折流板数/个69传热面积/22.07折流板间距/200管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.750.08表面传热系数/W/（k）3520.6709.1污垢热阻/（k/W）0.000580.000176阻力/ Pa9.59kpa6.13kpa热流量/KW356.6传热温差/K49.7传热系数/W/（K）410.5裕度/% 18.6%设计评述在教师下达设计任务后，通过上网和多方查阅资料手册，经过近一个月左右时间紧张有序的设计后，终于完成了浮头式换热器的设计和校核。通过工艺计算，计算出所需要的一些参数，如总换热面积为108.85m2，换热管管数为154根。这些为后续的机械设计和绘制装配图奠定了良好的基础。本次设计是课堂所学知识的全面应用与考查，既涉及到化工工艺方面，又涉及到设备设计及化工制图等方面的内容。正因为如此，这次我能顺利完成任务，离不开老师、同学的支持和帮助，同时在完成此次过程中，我也学到了许多书本以外的知识。通过课程设计，让我对以前学习的各科知识有了更系统的理解。比如化工原理、工程制图等课程。这些专业知识必将为我今后实习、就业奠定良好的基础。总之，此次设计让我受益匪浅。工艺流程图及设备工艺条件图 热流体有机液(140)经泵进入换热器壳程，冷却至40后，进入反应器循环使用。冷流体井水(20)经泵进入换热器管程进行热交换。工艺流程如图所示：有机液井水换热器反应器1