专业课程设计-换热器设计系列-30×104吨年煤油冷却器的设计

专业课程设计任务书设计题目：换热器设计系列——30×104吨/年煤油冷却器的设计学号：姓名：专业：指导教师：系主任：一、主要内容及基本要求（一）设计原始资料1、设备类型：自选2、操作条件：⑴煤油：入口温度140℃，出口温度40℃；⑵冷却介质：自来水，入口温度20~25℃，水压为0.3MPa；⑶允许压强降：不大于100kPa；⑷换热器损失的热负荷：以总传热量的3%计；⑸生产地区为湖南岳阳，每年按330天计算，每天24小时连续运行。（二）设计任务及要求1、设计方案的选择及流程说明根据设计任务书的要求，确定设计方案和工艺流程。2、工艺设计计算选择适宜的换热器并进行核算。主要包括：物料衡算和热量衡算、热负荷及传热面积的确定、换热器概略尺寸的确定、总传热系数的校核等。（注明公式及数据来源）3、结构设计计算选择适宜的结构方案，进行必要的结构设计计算。主要包括管程和壳程分程、换热管尺寸确定、换热管的布置、管板形式及连接方式、管板与壳体的连接、折流板的设置、封头与壳程接管、壳体直径及厚度等。（注明公式及数据来源）4、辅助设备的选型与计算流体阻力的计算及其输送机械的选择5、绘制工艺流程图、换热器的装配图绘制工艺流程图一张、换热器转配图一张（一主视图、一俯视图、一剖面图及两个局部放大图；设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏）。图纸手工或CAD绘制均可，图号大小视具体情况而定。6、编写设计说明书设计说明书的撰写应符合规范与要求。二、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1设计动员、搜集阅读资料、拟定设计方案10月23日-10月31日2设计计算、绘制设计图纸11月1日-11月15日3撰写设计说明书11月16日-11月23日4设计小结及答辩11月24日三、应收集的资料及主要参考文献⑴上海医药设计院.化工工艺设计手册（上、下）(M).北京：化学工业出版社，1989.⑵刘福华，林慧珠.工程制图(M).北京：石油工业出版社，2009.⑶柴诚敬.化工原理(M).北京：高等教育出版社，2009.⑷陈敏恒，丛德兹，方图南等.化工原理（第三版）(M).北京：化学工业出版社，2006⑸贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计）(M).天津：天津大学出版社，2002.⑹申迎华，郝晓刚.化工原理课程设计(M).北京：化学工业出版社，2006.⑺时钧，汪家鼎，余国琮等.化学工程手册(M).北京：北京工业出版社，1996.⑻钱颂文.热交换设计手册(M).北京：化学工业出版社，2002.⑼卢焕章等.石油化工基础数据手册(M).北京：化学工业出版社，1982.⑽《化工设备图册》编辑委员会.化工设备图册(M).化学工业部设备设计技术中心站，1988.一、设计方案的说明1.1换热器简介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。在化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。换热器的类型很多，性能各异，根据冷、热流体热量交换的原理不同可将换热器分为间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热式换热器和中间载体式换热器四大类。以上四种换热器中以间壁式换热器应用最为广泛，型式也最为多样。按换热器的传热面积形状和结构分类，可分为管式换热器、板式换热器和特殊形式换热器三类。管式换热器通过管子壁面进行传热，按传热管的结构形式可分为管壳式热换器、蛇管式换热器、套管式换热器、翅片管式换热器等几种；板式换热器通过板面进行传热，按传热板的结构形式可分为平板式换热器、螺旋式换热器、热板式换热器、板壳式换热器及板翅式换热器等几种；而特殊型式换热器是指根据工艺特殊要求而设计的，具有特殊结构的换热器。如回旋式换热器、热管换热器、同流式换热器等。其中管壳式换热器，又称为列管式换热器，是一种通用的标准热换设备。它具有结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点，应用最为广泛，而在换热设备中占据主导地位。根据其结构特点又可分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管换热器。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，并确定换热器的结构尺寸。1.2换热器的设计与选型原则1、合理地实现所规定的工艺条件传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，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。其具体做法如下。①增大传热系数：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。②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。因为这样不仅可提高平均温差，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。③妥善布置传热面：例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以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、安全可靠换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，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，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。4、经济合理评价换热器的最终指标是：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、清洗费、维修费等）的总和为最小。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，这一指标尤为重要。动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高又有利于传热，因此存在一最适宜的流速。传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而减少，故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一最适宜的运行周期。严格地讲，如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。1.3换热器的选型1、类型的选择一般要根据物流的性质、流量、腐蚀性、允许压降、操作温度与压力、结垢情况和检修清洗等要素决定选用列管换热器的型式。从经济角度看，只要工艺条件允许，应该优先选用固定管板式换热器。但遇到以下两种情况时，应选用浮头式换热器。①壳壁与管壁的温差超过70℃；壁温相差50-70℃。②而壳程流体压力大于0.6MPa。在本项目中，两流体温度变化情况：热流体（煤油）进口温度140℃，出口温度40℃。冷流体（自来水）进口温度为20~25℃。可知，该换热器传热量较大，因此选择管式换热器。而壳壁与管壁的温差超过70℃，不宜采用有波形膨胀节的固定管板式换热器，因此初步确定选用浮头式换热器。2、流体通道的选择在列管式换热器设计中，哪种流体走管程，哪种流体走壳程，需要合理安排。选择原则：传热效果好、结构简单、检修与清洗方便。因煤油为混合物，易结垢应走易清洗的一侧，且为增加散热需使热流体走壳程，冷却水走管程。3、流体出口温度的确定在换热器的设计中，被处理物料的进出口温度为工艺要求所规定，加热剂或冷却剂的进出口温度一般有来源而定，但它的出口温度应由设计者根据经济核算来确定。在本项目中，冷却水出口温度未知，但是由于在实际生产过程中，一般冷却水两端的温差控制在5~10℃，因此初步假定出口冷却水温度为35℃。4、流体流速的选择提高流体在换热器中的流速，将增大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增加，所需传热面积减少，设备费用降低。但是流速增加，流体阻力将增大，操作费用增加。因此，选择适宜的流速十分重要，适宜的流速应通过经济核算来确定。5、流体方式的选择流向有逆流、并流、错流和折流四种类型。在流体进出口温度相同的情况下，逆流的平均温度差大于其他流向的平均温度差，因此，若无其他工艺要求，一般采用逆流操作。6、材质的选择在进行热换器设计时，热换器各种零部件的材料应根据操作压力、温度和流体的腐蚀性以及对材料的制造工艺以及性能等的要求来选取。最后还要考虑材料的经济合理性。综上所述，本项目初步确定选用浮头式换热器，煤油走壳程，水走管程。二、化工工艺设计的计算2.1确定物性数据2.1.1确定定性温度煤油（热流体）自来水（冷流体）2.1.2查得物性数据表2-SEQ表2-\*ARABIC1物性数据流体温度/℃密度ρ/(kg·m-3)黏度μ/Pa·s定压比热容Cp/[kJ·(kg·℃)-1]热导率λ/[W·(m2·℃)-1]煤油908257.15×10-42.220.14水30995.78.01×10-44.1740.61762.2估算传热面积，初选换热型号2.2.1计算传热热负荷煤油的质量流量煤油所释放的热量损失的热负荷（总传热量的3%）为水冷却的热量水的质量流量2.2.2计算平均传热温差1、当热换器中两流体无相变时，应尽可能从结构上采用逆流或接近逆流的流向以得到较大的传热温差，来强化传热。所以选择逆流热流体（煤油）温度T140℃→40℃冷流体（水）温度t35℃←25℃△t105℃15℃两流体的对数平均传热温差2、平均传热温差校正选换热器为单壳程，双管程结构，但R=10的点在图上难以读出，因而采用下式计算由于温差修正系数>0.8，故选用单壳程可行。两流体的平均温差2.2.3选K值，估算传热面积参考《化工流体与流动（第二版）》附录二十六、管壳式换热器总传热系数K的推荐值，取K=310W/(m2·℃)估算总传热面积取10%的安全系数，2.2.4初选换热器型号根据换热面积，初选换热器型号F1000II-1.0-206.6，主要参数如下：表2-SEQ表2-\*ARABIC2所选换热器参数项目参数项目参数外壳直径D/mm1000管子尺寸/mmΦ25×2.5换热面积/m2206.6管长L/m4.5管程数Np2管子根数n606中心排管数19管中心距t/mm32管子排列方式正方形管程流通面积/m20.09522.4换热器的核算1、管程管内水的流速雷诺数2、壳程流通截面积因为管子为正方形排列，取折流挡板间距z=0.3m，折流挡板数则煤油流速因为管子为正方形排列，当量直径为雷诺数由以上核算看出，所选用的换热器，管程、壳程的流速和雷诺数都是合适的。2.5传热系数的校核2.5.1管程对流传热系数流体在圆形管道内作强制湍流因为煤油属于低黏度（低于两倍常温下的水的黏度）流体，因此可用迪特斯和贝尔特关联式，即流体被加热时，n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。因为管内流体（水）被加热，n取0.4，所以2.5.2壳程的对流传热系数对于壳体是圆筒，管束中各列的管子数目并不相同，而且大都装有折流挡板，使得流体的流向和流速不断变化，因而在Re>100时即可达到湍流。当换热器内装有圆缺形挡板（缺口面积约为25%的壳体内截面积）时，壳程流体的对流传热系数可用凯恩法求得，即式中，是考虑流体方向的校正系数，可用表示。流体被加热时=1.05，流体被冷却时=0.95，对气体无论被加热还是被冷却，=1.0。2.5.3污垢热阻查《化工流体与流动（第二版）》附录二十、壁面污垢热阻，得自来水煤油2.5.4总传热系数K查《化工流体与流动（第二版）》附录十二、某些固体材料的导热率，得碳钢故所选择的换热器是合适的。2.6换热器压力降的核算2.6.1管程压降对于多管程换热器，其总阻力为各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。相比之下，进、出口阻力较小，一般可忽略不计。因此管程总阻力的计算公式为式中，——因直管摩擦阻力引起的压降，Pa，可按一般摩擦阻力公式计算；——因回弯阻力引起的压降，Pa，可由经验公式计算；——管程结垢校正系数，量纲为一，对Φ25mm×2.5mm的管子=1.4；——串联的壳程数，本项目中=1；——管程数，本项目中=2。上文已计算出，流体在圆形管道内作强制湍流，因此可用下式求，即对于碳钢管，取管壁粗糙度=0.1mm则得则2.6.2壳程压降用埃索计算公式其中，式中，——流体横过管束的压降，Pa；——流体通过折流挡板缺口的压降，Pa；——壳程结垢校正系数，量纲为一，对液体=1.15；——串联的壳程数，本项目中=1；——管子排列方式对压降的校正系数，对正方形排列=0.3；——壳程流体的摩擦系数，当>500时，；——折流挡板数；——折流挡板间距，m；——按壳程流通截面积计算的流速，m/s，。上文已计算出：=14，=0.3m，=0.159m/s，=29.3，，则结果表明，管程和壳程的压降均能满足设计条件。三、换热器结构的设计3.1管板结构及尺寸的确定3.1.1管板上管子的排列因为壳程流体——煤油，易结垢，因此为方便进行机械清洗，管板上的排列方式为正方形排列。3.1.2管子中心距的确定管子的中心距t称为管间距，管间距小，有利于提高传热系数，且设备紧凑。但由于制造上的限制，一般t=1.25~1.5do，do为管的外径。查《GB/T151-2014》第17页，可得常用的do与t的关系，表3-SEQ表3-\*ARABIC1管壳式换热器t与do的关系换热管外径do/mm1014192532384557换热管中心距t/mm13~1419253240485772分程隔板槽两侧相邻管中心距tn/mm28323842526068980因为本项目中所选择换热管尺寸为Φ25mm×2.5mm，因此管中心距t=32mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距tn=42mm。3.1.3管子在管板的固定方式因为1、设计压力小于4.0MPa；2、设计温度小于300℃；3、操作中午震动，午过大的温度波动及无明显的盈利腐蚀倾向。因此采用胀接法。3.1.4管板管孔因为本项目中使用的碳素钢换热管为高精度等级钢管，因此按照I级管束标准表3-SEQ表3-\*ARABIC2I级管束管板孔径换热管外径do/mm141519253032353845管孔直径/mm14.2516.2519.2525.2530.3532.4035.4038.4545.50因为本项目中所选择换热管尺寸为Φ25mm×2.5mm，因此管束管板孔径为25.25mm。3.1.5管板尺寸确定查《换热器设计手册》可知，1、未能被换热管支撑的面积在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支撑的面积，当换热管按正方形排列时，式中，——沿隔板槽一侧的排管根数，==29.3；——换热管中心距，本项目中=32mm；——隔板槽两侧相邻管中心距，本项目中=42mm。则2、管板布管区面积对于多管程的浮头式换热器管板，换热管按照正方形排列时，式中，——换热管根数，本项目中=606。则管板布管当量直径管板布管区开孔后的面积5、管束模数对浮头式换热器，可用下式求得，式中，——换热管材料的弹性模量，查《化工设备机械基础》附录1，可得碳素钢的弹性模量为194×103MPa；——一根换热管管壁金属的横截面积，；——换热管的长度，本项目中=4500mm。则6、管束无量纲刚度对于浮头式换热器管束无量纲刚度，可用下式求得，式中，——管板刚度削弱系数，一般可取值，一般可取0.4；