化工原理课程设计-用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计

化工原理课程设计题目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计系别：班级：学号：姓名:指导教师：日期：2015年6月26日任务书设计题目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计二、设计任务：1、处理能力：45t/年煤油2、设备型号：列管式换热器3、操作条件：煤油:入口温度140℃，出口温度冷却介质：循环水，入口温度20℃，出口温度30℃允许压降：不大于105Pa每年按330天计建厂地址：新乡三、设计要求1、选择适宜的列管式换热器并进行核算2、要进行工艺计算3、要进行主体设备的设计（主要设备尺寸、横算结果等）4、编写设计任务书5、进行设备结构图的绘制（设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏。）目录一、设计方案 41.1换热器的选择 41.2流动空间及流速的确定 4二、物性数据 5三、计算总传热系数： 53.3、估算传热面积 53.3.1热流量 53.3.2平均传热温差 53.3.3传热面积 53.3.4冷却水用量 53.4、工艺结构尺寸 63.4.1管径和管内流速 63.4.2管程数和传热管数 63.4.3平均传热温差校正及壳程数 63.4.4传热管排列和分程方法 73.4.5壳体内径 73.4.6折流板 73.4.7接管 73.5换热器核算 83.5.1热流量核算 83.5.2换热器内流体的流动阻力 10四、设计结果设计一览表 12五、设计自我评价 12六、参考文献 13七、主要符号说明 13八、主体设备条件图及生产工艺流程图（附图） 13一、设计方案1.1换热器类型的选择列管式换热器有以下几种： 1、固定管板式 固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。

特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。 2、U形管式 U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。

特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。 3、浮头式

换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。

特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，消除温差应力，应用普遍。在本次设计任务中，两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体(循环水)进口温度25℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，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℃，1.2流动空间及流速的确定在固定管板式式换热器中，对于流体流径的选择一般可以考虑以下几点：(1)

不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。(2)

腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。(3)

压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。(4)

饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。(5)

被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。(6)

需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。(7)

粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。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。选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=1.5m/ｓ。二、确定物性数据两流体在定性温度下的物性数据如下表物性流体定性温度℃密度kg/m3粘度mPa·s比热容kJ/(kg·℃)导热系数W/(m·℃)煤油908250.7152.220.14冷却水359940.7284.1740.626三、换热器设计计算（一）计算热流量mh=（kg/h）Qh=mhcphΔth=27777.78×2.22×(140-40)=6.17×106kJ/h=1712.9kW（二）平均传热温差(℃)（三）传热面积假设壳程传热系数：α0=400W（m2•℃），管壁导热系数λ=45W（m2•℃）则K=298.7W/(m2·℃),则估算面积为：S’=Qh/(K×Δtm)=1.7139×106/(298.7×39)=147.04(m2)考虑15%的面积裕度则：S=1.15×147.04=169.1(m2)（四）冷却水用量（kg/h）3.4、工艺结构尺寸3.4.1管径和管内流速选用ф25×2.5mm碳钢管，取管内流速ui=1.5m/s3.4.2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=88.07≈89（根）按单程管计算，所需的传热管长度为：=24（m）按单管程设计，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=6m，则该换热器的管程数为：NP=L/l=24/6=4传热管总根数：NT=89×4=356（根）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：R=(140-40)/(30-20)=10;P=(30-20)/(140-20)=0.083按单壳程，4管程结构，温差校正系数应查有关图表可得φΔt=0.9平均传热温差Δtm=φΔtΔtm=0.9×39=35.1（℃）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，故取単壳程合适。3.4.4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t=1.25dh，则t=1.25×25=31.25≈32(mm)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η＝0.7，则壳体内径为D==757.7(mm)按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=800mm。3.4.6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25％，则切去的圆缺高度为h＝0.25×800=200（mm）折流板间距B=0.3D,则B=0.3×800=240mm取250mm。折流板数NB=-1=-1=23(块)3.4.7接管壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u＝1.0m/s，则接管内径为：D1=（m），取管内径为110mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u＝1.5m/s，则接管内径为mm圆整可取=200mm。3.5换热器核算3.5.1热流量核算壳程表面传热系数可采用克恩公式：当量直径，由正三角排列得：de=（m）壳程流通截面积：=0.044（m2）壳程流体流速及其雷诺数分别为：u0=（m/s）Re0==4905普朗特准数Pr=；粘度校正ɑh==606.46W/(m2·K)管内表面传热系数ɑc管程流体流通截面积：Sc=0.785×0.022×356/4=0.028（m2）管程流体流速及其雷诺数分别为：Uc==1.484（m/s）Rec==36919.4普朗特准数Pr=ɑc=0.023×=6027.7W/(m2·℃)污垢热阻和管壁热阻查有关文献知可取：管外侧污垢热阻Rh=0.000172m2·管内侧污垢热阻Rc=0.000344m2·管壁热阻查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为λ=45W/(m·℃)。计算传热系数K==396.8W/（m·℃）计算传热面积S:S===122.985（m2）该换热器的实际传热面积：Sр==3.14×0.025×(6-0.06)×(356-23)=155.27（m2）换热器的面积裕度H=×100%=×100%=19.23%传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。3.5.2换热器内流体的流动阻力管程流体阻力计算公式如下：ΣPi=（△P1+△P2）NSNpFt;NS=1,Np=4，FS=1.4;△P1=,△P2=由Re=41103.6，传热管相对粗糙度0.01/20=0.05，查莫狄图得=0.034(W/(m2·℃)，流速u=1.499m/s，ρ=995.7kg/m3，所以△P1==9508.7（Pa）；△P2==3356（Pa）ΣPt=（11410.43+3356）×1.4×1×4=72042.3（Pa）<100KPa管程流体阻力在允许范围之内。壳程阻力ΣP0=（△P1+△P2）FSNSFS=NS=1△P1=f0Fnc(NB+1);F=0.5f0=5×4905=0.720nC=23NB=23,uh=0.21m/s△P1=0.5×0.720×23×（23+1）×825×0.212/2≈17472.6（Pa）流体流过折流板缺口的阻力△P2=NB（3.5-2B/D）,B=0.25m;D=0.8m；故△P2=23×（3.5-2×0.25/0.8）×825×0.22/2≈6000（Pa），则总阻力：△P0=3625+1202=23473（Pa）<100KPa故壳程流体的阻力也适宜。四、设计结果设计一览表换热器主要结构尺寸及计算结构换热器型式：带膨胀节的固定管板式换热器管口表换热面积：155.27符号尺寸用途连接形式工艺参数aΦ200×6冷却循环水入口平面名称管程壳程bΦ200×6冷却循环水出口平面物料循环水煤油cΦ100×4煤油入口平面操作压力，MPa0.40.3dΦ100×4煤油出口平面操作温度，℃20/30140/40eΦ57×3.5排气口平面流量，kg/h148701..96.17×106流体密度，kg/m3995.7825附图流速，m/s0.9930.0784热负荷，kW1712.9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，MPa0.0720.023程数41推荐使用材料低碳钢低碳钢五、设计的评价化工原理课程设计已经结束，首先感谢单老师耐心细致的教导和同学们的热心帮助。通过这次设计课程，使我对上学期的理论知识进一步加深了，并且初步认识到将理论知识运用于实际生产实际的重要性，真正做一个合格的设计并不是那么简单的，需要的是耐心和细心。在设计过程中，总会遇到这样或是那样的问题，比如由于马虎算错了结果，那么这将会影响下一步计算过程，并且计算过程中忽略一个条件，都会造成设计不当，那么必须重新设计，不断的改进，不断的吸取教训，才能不断的进步，得到最终的设计结果。在学习理论知识的过程中，对精馏塔只有一个模糊的认识，而通过这次实际的计算设计，使我对精馏塔有了全新的认识。但我知道的，这次课程设计只是理论转化实践的一小步，以后会有更大的挑战在等待着我，我有信心把它做好。六、参考文献[1]贾绍文，柴诚敬.化工原理课程设计.天津:天津大学出版社,2002.8.[2]柴诚敬、张国亮主编．《化工流体流动与传热》．北京：化学工业出版社，2008[3]中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布，1989[4]李国庭等编著．《化工设计概论》．北京：化学工业出版社，2008[5]周大军.《化工工艺制图》[M].北京：化学工业出版社，2003.七、主要符号说明P——压力，Pa;Q——传热速率，W；R——热阻，㎡·℃/W；Re——雷诺准数；S——传热面积，㎡；t——冷流体温度，℃；T——热流体温度，℃；u——流速，m/s;m——质量流速，㎏/h;——对流传热系数W/(㎡·℃);——导热系数，W/(m·℃)——校正系数;——粘度，Pa·s;——密度，㎏/m3;——实际传热面积，Pr——普郎特系数n——板数，块K——总传热系数，V——体积流量N——管数D——壳体内径d——管径八、主体设备条件图及生产工艺流程图（附图）基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发\t"_bl