化工原理课程设计

1、任务书化工原理课程设计 学 院： 化学与环境工程学院 班 级： K0414411 姓 名： 汪桐 学 号： K041441103 指导教师： 谭志伟 2017年 化工原理课程设计列管式换热器设计任务书 班级 k041441103 姓名 汪桐 一、设计题目：列管式柴油冷却器的工艺设计二、设计任务及操作条件（1）设计任务非标准系列列管式柴油冷却器的工艺设计。说明：对于非标准系列列管式换热器的设计，因是非标，显然不能按照标准系列列管式换热器在标准系列规格中进行选型设计，而应按照非标准系列列管式换热器的设计程序进行。（2）操作条件处理能力 3.3×104t/a柴油设备型式 列管式换热器（或立

2、式、或卧式）。操作条件柴油入口温度： 114 ，出口温度： 39 冷却介质：自来水，入口温度： 29 ，出口温度： 49 允许压降：不大于105Pa每年按330天计，每天24h连续运行已知柴油的有关物性数据：密度1=994kg/m3；定压热比容cp，1=2.22kJ/(kg·)；热导率1=0.14W/(m·)；黏度1=7.15×10-4 Pa·s三、设计项目(说明书格式) 1、封面、任务书、目录。2、设计方案简介：对确定的换热器类型进行简要论述。 3、换热器的工艺计算：1) 确定物性数据2) 估算传热面积3) 工艺结构尺寸4) 换热器核算：包括传热面积核

3、算和换热器压降核算4、换热器的机械设计 5、绘制列管式换热器结构图（CAD）。 6、对本设计进行评述。 7、参考文献成绩评定 指导教师 2016年 月 日课程设计内容1 设计方案简介1.1 选择换热器类型1.2 冷热流体流动通道的选择2 工艺设计计算2.1 确定物性数据2.2估算传热面积2.3 工艺结构尺寸2.3.1 管径和管内流速2.3.2 管程数和传热管数2.3.3 管子排列方式和分程方法2.3.4 平均传热温差校正及壳程数2.3.5 壳体内径2.3.6 折流板2.4 换热器核算2.4.1 传热面积校核2.4.2 换热器内流体流动阻力2.5 换热器主要结构尺寸和计算结果3 换热器机械设计3

4、.1 壳体壁厚3.2 管板尺寸3.3 接管尺寸3.4 换热器封头选择3.5 膨胀节选择（根据设计可选可不选）3.6 其他部件4 评述4.1 可靠性评价4.2 个人感想5 参考文献附表 换热器主要结构尺寸和计算结果附录 换热器结构图时间安排：2016-11-16发任务书，设计指导2016-12-06完成计算目录 目 录1 引 言62系统设计72.1 传统模式研究的现状分析82.2 课题研究的目的及意义83 系统方案介绍及比较93.1系统方案论证93.1.1设计9其总传热系数10管径和管内流速11管程数和传热管数11平均传热温差校正及壳程数12传热管排列和分程方法12壳体内径12折流板13接管13

5、换热器内流体的流动阻力154设计结果汇总表175设计评述196 心得体会20化工原理与课程设计1 引 言在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各换热器，且它们是这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。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。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，并确定换热器大的机构尺寸。列管式换热器

6、的应用已有很悠久的历史。在化工、石油、能源设备等部门，列管式换热器仍是主要的换热设备。列管换热器的设计资料已较为完善，已有系列化标准。目前我国列管换热器的设计、制造、检验、验收按“钢制管壳式（即列管式）换热器”（GB151）标准执行。列管式换热器主要有固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管换热器和填料函式换热器等。固定管板式换热器有结构简单、排管多等优点。但由于结构紧凑，固定管板式换热器的壳侧不易清洗，而且当管束和壳体之间的温差太大时，管子和管板易发生脱离，故不适用与温差大的场合。浮头式换热器针对固定管板式换热器的缺陷进行了改进。两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端可相对与壳体移动。故这种换

7、热器的管束膨胀不受壳体的约束，而且易于清洗和检修，所以能适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和易于结垢的场合。但其结构复杂、笨重、造价高限制了它的使用。U型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。这类换热器的特点有：管束可以自由伸缩，热补偿性能好；双管程，流程长，流速高，传热性能好；承压能力强；管束可以从壳体中抽出，且结构简单，造价低。但其管数少且易短流。故仅适用于管壳壁温差较大，或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。填料函式换热器也只有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封。它的管束也可自由膨胀，结构比浮头式简单，造价较低。但填料函易泄露，故壳程压力不宜过高，

8、也不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒的场合。列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及前度设计。其中以热力设计最为重要。不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投入使用的换热器在检验它是否满足使用要求，均需进行这方面的工作。热力设计是指，根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。流动设计主要是计算压降，其目的就是为换热器的辅助设备。结构计算指的是根据传热面积的大小计算器主要零部件的尺寸，例如管子的直径、长度、根数、壳体的直径、折流板的长度和数目及布置以及连接管的尺寸，等等。列管式换热器的工艺设计主要包括以下内

9、容：1. 根据换热任务和有关要求确定设计方案；2. 初步确定换热器的结构和尺寸；3. 核算换热器的传热面积和流体阻力；4. 确定换热器的工艺结构。2系统设计工艺流程图及说明换热器-循环冷却水煤油泵泵加热器 工艺流程图主要说明：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，煤油走壳程。如图，煤油经泵抽上来，经加热器加热后，再经管道从接管C进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管A进入换热器管程。两物质在换热器中进行换热，煤油从140被冷却至40之后，由接管D流出；循环冷却水则从30变为40，由接管B流出。2.1 传统模式研究的现状分析2.2 课题研究的目的及意义锻炼学生的综合能

10、力：资料查阅、知识综合应用、理论计算、设备选型、绘制图形、编写说明书。 培养工程观念：理论小试放大。 3 系统方案介绍及比较3.1 系统方案论证 3.1.1 设计1设计方案简介 根据两流体的温度变化：热流体进口温度114 ，出口温度为 39 ，冷流体入口温度29，出口温度49 ，该换热器用循环冷却水冷却，冬季时其进口温度会降低，考虑到这一因素，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结的固定板管式换热器。从两流体的操作压力看。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。式换热器的热流量下降，所以从总体考虑，应使冷却

11、水走管程，煤油走壳程。流向选用逆流。实际生产中，冷却水一般为循环水，而循环水易结垢，为便于清洗，应采用冷却水走管程，煤油走壳程。选用20×2.5的碳钢管，管内流速设为ui=0.5m/s2工艺设计计算2.1 确定物性数据 管程冷却水的定性温度为：t=（29+49）/2=39 壳程煤油的定性温度为：T=(114+39) /2=76.5 根据定性温度下流体的物性，见下表图表：定性温度下流体的物性密度。kg/m3定压热比容cp。kJ/(kg·)热导率。W/(m·)黏度/ Pa·s煤油9942.220.140.000715冷却水992.54.1740.620.00

12、06682.2估算传热面积 先计算热负荷和冷却水流量qm1=3.3×107/(330×24)=4166.67kg/h热负荷量：Q= qm1cp1(T1-T2)=4166.67×2.22×（114-39） =6.938×105kg/h=19.272kw冷却水量：qm2=Q/cp2（T1-T2）=6.938×105/4.174×（49-29）=8310.38kg/h计算两流体的平均温差 ()其总传热系数管层传热系数 Re= = 壳程传热系数 假设壳程传热系数 污垢热阻 管壁的导热系数 计算传热面积考虑15%的面积裕度，管径和管内

13、流速选用20×2.5传热管（碳钢），取管内流速 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，所需的传热管长度按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。取传热管长LO=6m,则该换热器管程数为（管程）传热管总根数 (根)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，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 0.8平均传热温差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，则横过管束中心线的管数（根）壳体内径采用多管程结构，

14、取管板利用率，则壳体内径取整D=430mm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，则切去的圆缺高度为。,取h=90mm。取折流板间距，则 取板间距B=150mm折流板数块(快)折流板圆缺水平装配。接管壳程流体进出口接管：取接管内循环油品流速为，则接管内径为取标准管径为。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为，则接管内径为取标准管径为。换热器核算热量核算 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采取克恩公式当量直径，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普兰特准数粘度校正 管程对流传热系数管程流通截面积管程流体流速及其雷诺数分别为普兰特准数 传热系数查有关文献知

15、可取：管外侧污垢热阻 Rs0=0.000172 m2*0C /W管内侧污垢热阻 Rs1=0.000344 m2*0C /W碳钢在该条件下的热导率 =45W/(m*0C)传热面积 该换热器的实际传热面积 该换热器的面积裕度传热面积裕度不合适，该换热器不能够完成生产任务。换热器内流体的流动阻力 管程流动阻力 ，由，传热管相对粗糙度，查莫狄图得 ，流速，所以，管程流动阻力在允许范围之内。壳程阻力其中，P1,流体横过管束的压强降，PaP2,流体通过折流板缺口的压强降，PaFS压强降的结垢校正因数,FS=1 , 流体流经管束的阻力 P1,=Ffonc(NB+1)其中，F-管子排列方法对压强降的校正因数，

16、对三角形排列取F=0.5 fo-壳程流体的摩擦系数，Reo>500时，取fo=5.0×Reo-0.228 nc-横过管束中心线的管子数 NB-折流挡板数故 fo=5×1731-0.228=0.7962流体流过折流板缺口的阻力，总阻力壳程流动阻力也比较合适。4设计结果汇总表 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。参数管 程壳 程流量/（kg/h）8310.38进/出温度/29/49114/39物性定性温度/3976.5密度/（kg/m3）992.5994定压比热容/（kJ（kg×K）4.1742.22粘度/（Pa×s）0.0006680.000715热

17、导率/w/（m×K）0.6260.140普朗特数4.7711.34设备结构参数形式固定版式台数1壳体内径mm430壳程数1管径/mm20×2.5管心距/mm25管长/mm6000管子排列管数目/根189折流板数/块39传热面积/m264.7折流板间距/mm150管程数7材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.1390.078表面传热系数/w/（m2×OC）4800.52225.78污垢阻力/（w/m2×OC）0.0003440.000172阻力/Pa12054.9866.8热流量/kW693.8传热温差/oC15传热系数/w/（m2×o

18、C）314.5裕度/%167.95设计评述我们设计的是煤油冷却器，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。列管式换热器有固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式等类型。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。由于两流体的温差大于50 ，故选用带补偿圈的固定管板式换热器。这类换热器结构简单、价格低廉，但管外清洗困难，宜处理壳方流体较清洁及不易结垢的物料。因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，煤油走壳程6 心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.经过近一周的努力，我的课程设计终于完成了。在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。 在这次课程设计中