化工原理课程设计-传热

1、化工原理课程设计任务书材化学院 专业 班 学生姓名 学号： 设计题目： 列管式换热器设计 设计时间： 200 年 月 日 200 年 月 日指导老师：吴世彪设计任务：某炼油厂用柴油将原油预热。柴油和原油的有关参数如下表, 两侧的污垢热阻均可取1.72×10-4m2·K/W，换热器热损失忽略不计，管程的绝对粗糙度=0.1mm，要求两侧的阻力损失均不超过0.3×105Pa。试设计一台适当的列管式换热器。(y:学号后2位数字) 物料 温 度 质量流量 kg/h 比 热 kJ/(kg·) 密 度 kg/m3 导热系数 W/(m·) 粘度 Pa·

2、;s 工作压力入口 出口 柴油 175 T2 34000+100*y 2.48 715 0.133 0.64×10-3 常压原油 70 110 44000+150*y 2.20 815 0.128 3.0×10-3 常压设计内容： (1) 设计方案的确定及流程说明(2) 换热面积的估算(3) 管子尺寸及数目计算(4) 管子在管板上的排列(5) 壳体内径的确定(6) 附件设计(选型)(7) 换热器校核（包括换热面积、压力降等）(8) 设计结果概要或设计一览表(9) 对本设计的评述或有关问题的分析讨论(10)参考文献图纸要求：1、换热器化工设备图（1图纸） 湖南工程学院化学化工

3、学院化工0901班目录第一章 文献综述第一节 概述一、 换热器的概念二、 换热器的分类三、 列管式换热器的标准简介四、 列管式换热器选型的工艺计算步骤第二节 换热器设备应满足的基本要求一、 合理的实现所规定的工艺条件二、 安全可靠性三、 安装、操作及维护方便四、 经济合理第三节 列管式换热器结构及基本参数一、 管束及壳程分程二、 传热管三、 管的排列及管心距四、 折流板和支撑板五、 旁路挡板和防冲挡板六、 其他主要附件七、 列管式换热器结构基本参数第四节 设计计算的参数选择一、 冷却剂和加热剂的选择二、 冷热流体通道的选择三、 流速的选择四、 流向的选择第二章 列管式换热器的设计计算第一节 换

4、热面积的估算一、计算热负荷二、 估算传热面积第二节 换热器及主要附件的试选一、试选管型号二、换热器结构一些基本参数的选择第三节 换热器校核一、核算总传热系数二、核算压强降第四节 设计结果一览表第五节 设计总结及感想一、设计总结二、感想参考文献第一章 文献综述(略)第二章 列管式换热器的设计计算第一节 换热面积的估算一、计算热负荷(不考虑热损失)由于设计条件所给为无相变过程。由设计任务书可知热负荷为Q = w原油Cp原油(t2-t1) = (50000/3600)×2.20×1000×(110-70)= 1222222W. 由热量守恒可计算柴油出口温度T2Q = w

5、柴油Cp柴油(T1-T2) = (38000/3600)×2.48×1000×(175-T2)=1222222W T2=128.31二、计算平均温度差：t1=175-110=65t2=128.31-70=58.31逆流温度差三确定流体走向由于原油温度低于柴油，为减少热损失和充分利用柴油的热量，选择原油走壳程，柴油走管程。四换热面积估算由化工原理课程设计的表4-6，取K估=200W/(m2·).先假设换热器为单管程、单壳程的，且冷热流体逆流接触。则 A估=Q/(K估×tm逆)=1222222/(200×61.6)=99.2m2.预先估算

6、传热面积为99.2 m2。五、选柴油的流速为u1=1m/s取换热管的规格为25×2.5mm碳素钢管(8.3kg/6m)。估算单管程的管子根数=47.0247根。根据传热面积A估计算管子的长度L,有 式中：d1-换热管的内径，为0.02m d0-换热管的外径，为0.025m五、管程数Nt的确定由于L数值太大，换热器不可使用单管程的形式，必须用多管程。我们选择管程的长度为6m，则Nt=L/6=27/6=4.54.(管程数通常选择偶数)六、校正温度差R=(T1-T2)/(t2-t1)=(175-128.31)/(110-70)=1.167P=(t2-t1)/(T1-t1)=(110-70)

7、/(175-70)=0.381根据R，P的值，查化工原理教材中图4-25(a)，得温度校正系数=0.91 > 0.9,说明换热器采用单壳程，四管程的结构是合适的。tm=×tm逆=0.91*61.6=56.06。七、求实际换热面积A实际换热管数为n ×Nt=47×4=188根。A实际=L×(×d0) ×n=6×(3.14×0.025)×188=88.55m2.实际换热面积为88.55m2.八、选择换热器壳体尺寸选择换热管为三角形排列，换热管的中心距为t=32mm。横过管束中心线的管数：最外层换热管中心

8、线距壳体内壁距离：b'=(11.5)d0 ，此处b取一倍d0，即b'=0.025m壳体内径：圆整后，换热器壳体圆筒内径为D=550mm，壳体厚度选择8mm。长度定为5996mm。壳体的标记：筒体 DN550 =8 L=5910。筒体材料选择为Q235-A，单位长度的筒体重110kg/m,壳体总重为110*(5.910-0.156)= 632.94kg。(波形膨胀节的轴向长度为0.156m，见本设计设备图)九、确定折流挡板形状和尺寸选择折流挡板为有弓形缺口的圆形板，直径为540mm,厚度为6mm。缺口弓形高度为圆形板直径的约1/4，本设计圆整为120mm。折流挡板上换热管孔直径为

9、25.6mm，共有188-22-13/2=159.5个；拉杆管孔直径为16.6mm，每个折流挡板上有4个。折流挡板上的总开孔面积=159.5*514.7185+4*216.4243=82963.2972mm2。折流挡板的实际面积=191126.3264-82963.2972 = 108163.0292 mm2，重量为5.1kg。选择折流挡板间距h=400mm。折流挡板数NB =L/h-1=6000/400-1=14块.换热管排列的横截面如下图所示:图中圆环形的剖切面表示换热器壳体的剖面.换热管分为四个管程,每个管程47根换热管(图中各个小菱形的顶点表示换热管横截面的中心).图中8个”十”字形表

10、示拉杆的开孔,拉杆直径为16mm.十、波形膨胀节冷流体原油为黏度较高的流体，其定性温度为（110*0.4+70*0.6）=86; 热流体柴油的定性温度为（175*0.5+128.31*0.5）=87.5+64.155=151.66. 冷热流体的定性温度差=151.66-86=65.66>50,所以换热器壳体上要安装波形膨胀节。波形膨胀节的壁厚与壳体相同，为8mm。根据换热器壳体的公称直径550mm，可知波形膨胀节的公称直径也是550mm，根据公称直径，查化工设备机械基础(化学工业出版社，2008)书中表16-9的对应条目，获得波形膨胀节的具体尺寸(见换热器设备图)。单个波形膨胀节的质量=

11、4579586.3154mm3×7.8×10-3×10-3kg·mm-3=35.721kg。十一、传热系数K的计算1管程对流传热系数i换热管内柴油流速：雷诺数，普兰德数，柴油的黏度小于常温水黏度的两倍，是低黏度液体，且是被冷却，所以w/(m2·)2壳程对流传热系数o壳程流通截面积：m2壳程流速：换热管为三角形排列，壳程的当量直径为雷诺数，普兰德数，原油被加热，所以w/(m2·)3.污垢热阻根据设计任务书，两侧的污垢热阻Rso=Rsi=1.72×10-4m2·/W。4总传热系数Ko;取管壁w = 45w/(m

12、3;)=287.2w/( m2·) A需要=Q/(Ko×tm)=1222222/(287.2×56.06)=75.91m2.面积裕量：15%符合换热器设计规范的要求。十二、压强降的计算1管程压强降已知管程直管的绝对粗糙度=0.1mm，则/d1=0.1/20=0.005，雷诺准数，查摩擦系数图1-28，得到=0.035，所以，每程直管的压降：.75Pa；柴油在每管程中局部阻力导致的压强降按经验公式计算如下：Pa；一般地，流体流经换热器进出口导致的压强降可以忽略。对于25×2.5的换热管，结垢校正系数Ft=1.4；因为是单壳程、四管程的换热器，所以Ns=1，

13、Np=4；Pa<30000Pa,符合任务书的要求。 2壳程压强降流体横过管束的压强降：管子排列方法对压强降的校正因数F=0.5(正三角形排列)；壳程流体的摩擦系数fo，当Re2500时，fo=5.0×Re2-0.228=5.0×1943-0.228=0.89；横过管束中心线的管子数nc=15；折流板数NB=14；壳程流速u2=0.354m/s；原油=815kg/m3=5113Pa；流体通过折流板缺口的压强降: 折流板间距h=400mm=0.400m； 壳体内径D=550mm=0.550m =1462Pa一般地，流体流经换热器进出口导致的压强降可以忽略。壳程总压降：对于

14、液体壳程压强降的结垢校正系数Fs=1.15； 壳程数Ns=1=7561Pa<30000Pa. 符合任务书的要求。十三、主要附件的选择1接管及法兰的选型1）管口A管口A为柴油出口。 接管管径的确定：流量为38000kg/h，密度为715 kg/m3，相当于q=38000/715/3600=0.01476m3/s。柴油为低粘度流体，在接管中的合理流速u=12m/s。本设计取u=1m/s。则接管的内径=0.1371m=137mm。接管的外径选择为159mm，壁厚选择为4.5mm，材质为20钢，每米管子的重量17.14kg（GB-T 17395-1998 无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差）。

15、接管长度的选择：接管的长度L选择150mm，则重量为2.6kg。接管的标记：接管 159×4.5 L=150 接管法兰的选择： 查大学工程制图（华东理工大学出版社，2005）表14-5，接管外径dH=159mm的板式平焊钢制管法兰的公称通径DN=150mm。选择公称压力PN=0.6MPa的突面法兰，材料为Q235-A，标记为：HG20592 法兰 PL 150(B)-0.6 RF Q235-A。重量为5.14kg。 该法兰有8个均布在外周的螺孔，使用8个M16螺栓、螺母、垫片与工艺管道连接。2）管口B管口B为原油出口。原油的流量为50000kg/h，密度为815 kg/m3，相当于q

16、=50000/815/3600=0.01704m3/s。原油在接管中的合理流速u=12m/s。本设计取u=1m/s。则接管的内径=0.147m=147mm。选择接管的外径、壁厚、材质、长度和接管法兰都与管口A的相同。 3）管口C管口C为排气口。 接管管径的确定：接管的外径选择32mm，壁厚选择为3.5mm，材质为20钢，每米管子的重量2.46kg（GB-T 17395-1998 无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差）。 接管长度的选择：接管的长度L选择150mm，则重量为0.369kg。接管的标记：接管 32×3.5 L=150 接管法兰的选择： 查大学工程制图（华东理工大学出版社，2

17、005）表14-5，接管外径dH=32mm的板式平焊钢制管法兰的公称通径DN=25mm。选择公称压力PN=0.6MPa的突面法兰，材料为Q235-A，标记为：HG20592 法兰 PL 25(B)-0.6 RF Q235-A。 该法兰有4个均布在外周的螺孔，使用4个M10螺栓、螺母、垫片与配套的法兰盖装配。4）管口D管口D为原油进口。接管、法兰与管口A和B的完全相同。5）管口E管口E为排污口。 接管管径的确定：接管的外径选择57mm，壁厚选择为3.5mm，材质为20钢，每米管子的重量4.62kg。 接管长度的选择：接管的长度L选择150mm，则重量为0.693kg。接管的标记：接管 57

18、15;3.5 L=150 接管法兰的选择： 查大学工程制图（华东理工大学出版社，2005）表14-5，接管外径dH=57mm的板式平焊钢制管法兰的公称通径DN=50mm。选择公称压力PN=0.6MPa的突面法兰，材料为Q235-A，标记为：HG20592 法兰 PL 50(B)-0.6 RF Q235-A。重量为1.51kg。 该法兰有4个均布在外周的螺孔，使用4个M12螺栓、螺母、垫片与配套的法兰盖装配。6）管口F管口F为柴油进口。接管、法兰与管口A、B和D的完全相同。2左管板的选型1）管板厚度：化工设备机械基础(化学工业出版社，2008)中有表16-8 管板厚度表。管板的设计压力为管、壳程

19、设计压力中的大者。当设计压力小于1MPa时，取为1MPa；表中的设备壳体内径×壁厚最接近本课程设计值的是600×8；管、壳程的温度差=151.66-86=65.66；根据上述的设计压力、壳体内径×壁厚以及温度差，查表得管板的厚度=42mm。管板材料为16Mn（锻件）。2）管板形状：管板同时起到法兰的作用，密封面为凸面，可以和管箱的法兰(密封面为凹面)连接。管板直径与管箱法兰的相同，为665mm。外周均布24个18螺孔，管板重量约为：=82kg。管板的大致形状如下图.3）管板的开孔 开孔和管程隔板密封槽分布情况：左管板共有188个安装换热管的开孔和8个拉杆安装孔以及

20、2道管程隔板密封槽（见设备图）。 安装换热管的开孔尺寸：为了便于在管板上焊接换热管，开孔的孔径比换热管的外径大0.4 mm,即25.4 mm。开孔形状见设备图。（或者:为了便于在管板上胀接换热管，开孔的孔径比换热管的外径大0.3 mm,即25.3mm。开孔内表面有两道环向的槽，槽深0.5mm。管板开孔形状和内表面环向槽的位置、尺寸见下图：拉杆安装孔和管程隔板密封槽的尺寸见设备图。3换热管的选择：1) 选择20钢材质的无缝钢管，规格：25×2.5。2) 换热管的长度为6000mm。3) 换热管与管板连接采用焊接。(或者:换热管与管板连接采用胀接。)具体见设备图。4左管箱短节的选择：1）

21、左管箱短节的内径与壁厚：左管箱短节为圆柱筒体，内径与壁厚选择与设备壳体相同。2）左管箱短节的长度： 左管箱短节连接A和F管口。选择左管箱短节的长度为管口接管公称直径的两倍，即150×2=300mm。选择Q235-A材料制作，单位长度的短节重110kg/m,总重约为110*0.300=33kg。左管箱短节的标记：筒体 DN550 =8 L=300。3）左管箱短节的材质选择材质选择与换热器壳体相同：Q235-A5左管箱封头的选择：选择公称直径为550mm的标准椭圆封头。壁厚与壳体相同，也是8mm。材质也是Q235-A。重量约24kg。标记：EHA 550×8-Q235-A JB

22、/T 4746-2002。6左管箱隔板的选择：1）材质选择普通的碳素钢：Q235-A。2）管箱隔板厚度的选择：由于管程压强降较小，用公式计算隔板厚度会小于GB151规定的隔板最小厚度（换热器公称直径<=600时，碳钢隔板的最小厚度为8mm），所以直接选择隔板厚度为10mm。3）数量：左管箱需要2块相同的隔板。4）形状：见下图。面积: 217977.2468mm2，厚度：10mm。5）重量：单个左管箱隔板重=（217977.2468mm2×10mm）×7.8×10-3×10-3kg·mm-3=17kg。7左管箱法兰和密封垫片的选型：1)法兰

23、：根据公称直径，查化工设备机械基础(化学工业出版社，2008)书中表10-3。选择甲型平焊容器法兰，公称直径550mm，公称压力0.6MPa，密封面为凹面(FM)，与凸密封面的左管板连接。外周均布24个16螺孔，用M16双头螺柱与左管板连接。标记：法兰FM 5500.6 JB47012000。重量为26.4 kg。2)密封垫片:选择甲型平焊容器法兰用非金属软垫片,公称直径550mm,公称压力0.6MPa。 标记：垫片 5500.6 JB 47042000。重量略。左管箱总重量：33+24+17*2+26.4+(2.6+5.14)*2=132.9kg。8右管板 右管板没有拉杆开孔，只有一道管程隔板密封槽，其他与左管板相同，具体见设备图。9. 右管箱设计：1)右管箱封头：与左管箱封头相同。2）右