課程設(shè)計--換熱器-煤油

1、<p>　　《化工過程設(shè)備設(shè)計Ⅰ（一）》</p><p><b>　　說明書</b></p><p>　　設(shè)計題目：換 熱 器 的 設(shè) 計</p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級： </p><p

2、>　　學(xué) 號： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　設(shè)計日期： </p><p><b>　　目 錄</b></p

3、><p>　　前言……………………..............…..…..…………………….………...…….4</p><p>　　任務(wù)書……………………............……..……………….……………...…….5</p><p>　　目的與要求………………............……..…….………………………...…….6</p><

4、p>　　工藝設(shè)計方案…………….......................................................................8</p><p>　　確定物性數(shù)據(jù)……………………………………………..…………….9</p><p>　　估算傳熱面積……………………………………………………..…….9</p><p>

5、;　　工藝結(jié)構(gòu)尺寸………………………………………………………….10</p><p>　　換熱器核算…………………………………………………………….12</p><p>　　六、設(shè)計結(jié)果概要一覽表…………………………………………………...17</p><p>　　七、參考文獻………………………………………………………………...19</p><

6、p><b>　　前 言</b></p><p>　　化工原理課程設(shè)計是化工原理教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)，是綜合應(yīng)用本門課程和有關(guān)先修課程所學(xué)知識，完成以單元操作為主的一次設(shè)計實踐。通過課程設(shè)計使學(xué)生掌握化工設(shè)計的基本程序和方法，并在查閱技術(shù)資料、選用公式和數(shù)據(jù)、用簡潔文字和圖表表達設(shè)計結(jié)果、制圖以及計算機輔助計算等能力方面得到一次基本訓(xùn)練，在設(shè)計過程中能夠培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計思想和實事

7、求是、嚴(yán)肅負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)。</p><p>　　化工原理課程設(shè)計是化工原理課程教學(xué)的一個實踐環(huán)節(jié)，是使學(xué)生得到化工設(shè)計的初步訓(xùn)練，為畢業(yè)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。圍繞以某一典型單元設(shè)備(如板式塔、填料塔、干燥器、蒸發(fā)器、冷卻器等)的設(shè)計為中心，訓(xùn)練學(xué)生非定型設(shè)備的設(shè)計和定型設(shè)備的選型能力。設(shè)計時數(shù)為3周，其基本內(nèi)容為：</p><p>　　(1)設(shè)計方案簡介：對給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的型式進行

8、簡要的論述。</p><p>　　(2)主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算(含計算機輔助計算)：物料衡算，能量衡量，工藝參數(shù)的選定，設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝尺寸的設(shè)計計算。</p><p>　　(3)輔助設(shè)備的選型：典型輔助設(shè)備主要工藝尺寸的計算，設(shè)備的規(guī)格、型號的選定。</p><p>　　(4)工藝流程圖：以單線圖的形式繪制，標(biāo)出主體設(shè)備與輔助設(shè)備的物料方向，物流量、能流量，主

9、要測量點。</p><p>　　(5)主要設(shè)備的工藝條件圖：圖面應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表。</p><p>　　(6)設(shè)計說明書的編寫。設(shè)計說明書的內(nèi)容應(yīng)包括：設(shè)計任務(wù)書，目錄，設(shè)計方案簡介，工藝計算及主要設(shè)備設(shè)計，輔助設(shè)備的計算和選型，設(shè)計結(jié)果匯總，設(shè)計評述，參考文獻。</p><p>　　整個設(shè)計由論述，計算和圖表三個部分組成，論述應(yīng)該條理清

10、晰，觀點明確；計算要求方法正確，誤差小于設(shè)計要求，計算公式和所有數(shù)據(jù)必需注明出處；圖表應(yīng)能簡要表達計算的結(jié)果。</p><p><b>　　設(shè)計者：</b></p><p>　　2015年 月 日</p><p>　　化工原理課程設(shè)計任務(wù)書</p><p><b>　　一、設(shè)計題目：</b>&

11、lt;/p><p><b>　　設(shè)計一臺換熱器</b></p><p><b>　　二、操作條件：</b></p><p>　　1. 煤油：入口溫度140℃，出口溫度 38 ℃；</p><p>　　2.冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度 28 ℃，出口溫度 34 ℃；</p><p>

12、;　　3.允許壓強降：不大于1×105Pa；</p><p>　　4.每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行。</p><p><b>　　三、設(shè)備形式：</b></p><p><b>　　管殼式換熱器</b></p><p><b>　　四、處理能力：</b>&l

13、t;/p><p>　　22.6萬噸/年煤油</p><p><b>　　五、設(shè)計要求：</b></p><p>　　1.選定管殼式換熱器的種類和工藝流程；</p><p>　　2. 管殼式換熱器的工藝計算和主要工藝尺寸的設(shè)計；</p><p>　　3.設(shè)計結(jié)果概要或設(shè)計結(jié)果一覽表；</p>

14、<p>　　4.設(shè)備簡圖（要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）；</p><p>　　5.對本設(shè)計的評述及有關(guān)問題的討論。</p><p><b>　　目的與要求</b></p><p><b>　　課程的目的與任務(wù)</b></p><p>　　化工原理課程設(shè)計以“化工原理課程教學(xué)基本要求”

15、為依據(jù)，通過課程設(shè)計達到以下目的：</p><p>　　1、使學(xué)生掌握化工設(shè)計的基本程序與方法；</p><p>　　2、結(jié)合設(shè)計課題培養(yǎng)學(xué)生查閱有關(guān)技術(shù)資料及物性參數(shù)的能力；</p><p>　　3、通過查閱技術(shù)資料，選用設(shè)計計算公式，搜集數(shù)據(jù)，分析工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸間的相互影響，增強學(xué)生分析問題、解決問題的能力；</p><p>　　4、

16、對學(xué)生進行化工工程設(shè)計的基本訓(xùn)練，使學(xué)生了解一般化工工程設(shè)計的基本內(nèi)容與要求；</p><p>　　5、通過設(shè)計說明書，提高學(xué)生文字表達能力，掌握撰寫技術(shù)文件的有關(guān)要求；</p><p><b>　　二、課程的基本要求</b></p><p>　　設(shè)計題目必須是以某一單元操作為主，完成一個完整的化工過程設(shè)計，能按《化工原理課程基本要求》中有關(guān)課

17、程設(shè)計的基本要求規(guī)定，對學(xué)生進行一次較為完整的化工設(shè)計基本訓(xùn)練。</p><p>　　生產(chǎn)規(guī)模，工藝操作條件、設(shè)備、物性等都要以實際生產(chǎn)條件為背景，使學(xué)生在兼顧技術(shù)上先進性、可行性，經(jīng)濟上合理性的前提下，綜合分析設(shè)計任務(wù)要求，確定化工工藝流程，進行設(shè)備選型，并提出保證過程正常、安全運行所需要的檢測和計量參數(shù)，同時還要考慮改善勞動條件和環(huán)境保護的有效措施設(shè)計時間符合課程設(shè)計教學(xué)大綱之規(guī)定。</p>&

18、lt;p>　　化工原理課程設(shè)計考核要求：</p><p>　?。?）設(shè)計說明書完成的情況：按照課程設(shè)計教學(xué)大綱規(guī)定及設(shè)計任務(wù)要求，做到設(shè)計內(nèi)容完整，設(shè)計合理，計算正確，敘述層次分明，條理清楚。</p><p>　　（2）圖面質(zhì)量：工藝流程圖正確，主要設(shè)備總裝圖結(jié)構(gòu)基本合理，圖面清晰，基本符合規(guī)范化要求。</p><p>　　( 3 )在工藝計算中要考慮到各個方

19、面的問題，比如熱阻，管壁的阻力以及長期下來可能遇到遇到的問題，管壁所能承受最大壓力，流體的物性和化學(xué)性質(zhì)。</p><p><b>　　一、工藝設(shè)計</b></p><p><b>　　一、 設(shè)計目的</b></p><p>　　課程設(shè)計是化工原理課程教學(xué)中綜合性和實際性較強的教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是使學(xué)生體察工

20、程實際問題復(fù)雜性的初次嘗試。通過化工原理課程設(shè)計，要求學(xué)生能綜合運用本課程和前修課程的基本知識，進行融會貫通的獨立思考，在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的化工設(shè)計任務(wù)，從而得到化工設(shè)計的主要程序和方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設(shè)計，還可以培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計思想，培養(yǎng)實事求是，嚴(yán)肅認(rèn)真，高度負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)。</p><p>　　二、 該設(shè)備的作用及在生產(chǎn)中的應(yīng)用</p><

21、p>　　換熱器是實現(xiàn)傳熱過程的基本設(shè)備。而此設(shè)備是比較典型的傳熱設(shè)備，它在工業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛。例如：在煉油廠中作為加熱或冷卻用的換熱器、蒸餾操作中蒸餾釜和冷凝器、化工廠蒸發(fā)設(shè)備的加熱室等。</p><p><b>　　三、工藝流程示意圖</b></p><p>　　飽和水蒸氣應(yīng)從換熱器殼程上方進入，冷凝水由殼程下方排出，冷卻水從換熱器下方的入口進入，上方的出口

22、排除。</p><p>　　四、說明運用該設(shè)備的理由</p><p>　　這種換熱器的特點是殼體和管板直接焊接，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。在同樣的殼體直徑內(nèi)，排管較多。管式換熱器具有易于制造、成本較低、處理能力達、換熱表面清洗比較方便、可供選用的結(jié)構(gòu)材料廣闊、適應(yīng)性強、可用于調(diào)溫調(diào)壓場合等優(yōu)點，由于兩管板之間有管子相互持撐，管板得到加強，故在各種列管換熱器中他的管板最薄，其造價比較低，因此得到了廣泛

23、應(yīng)用。</p><p><b>　　五、設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點</b></p><p>　　該結(jié)構(gòu)能夠快速的降低物料的溫度，工作時熱流體走殼程，冷流體走管程，使接觸面積大大增加，加快了換熱速度。同時，對溫差稍大時可在殼體的適當(dāng)部位焊上補償圈(或稱膨脹節(jié))，通過補償圈發(fā)生彈性變形(拉伸或壓縮)來適應(yīng)外殼和管束不同的膨脹程度。</p><p>　　六、在設(shè)

24、計中遇到的問題的處理</p><p>　　在設(shè)計中，在工藝計算過程中，由于選取K0不當(dāng)或其他條件選取不當(dāng)，造成在校核時K0不符合要求。在重新選取K0的同時，改變了其他的條件，如：n，L等，經(jīng)過二次校核達到了預(yù)期的目的。</p><p><b>　　七、設(shè)計方案的確定</b></p><p>　　（1）對于列管式換熱器，首先根據(jù)換熱流體的腐蝕性或

25、其它特性選項定其結(jié)構(gòu)材料，然后再根據(jù)所選項材料的加工性能，流體的壓強和溫度、換熱的溫度差、換熱器的熱負(fù)荷、安裝檢修和維護清洗的要求以及經(jīng)濟合理性等因素來選項定其型式。</p><p>　　設(shè)計所選用的列管換熱器的類型為固定管板式。列管換熱器是較典型的換熱設(shè)備，在工業(yè)中應(yīng)用已有悠久歷史，具有易制造、成本低、處理能力大、換熱表面情況較方便、可供選用的結(jié)構(gòu)材料廣闊、適應(yīng)性強、可用于調(diào)溫調(diào)壓場合等優(yōu)點，故在大型換熱器中占

26、優(yōu)勢。</p><p>　　固定管板式列管換熱器的特點是，殼體與管板直接焊接，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，在同樣的殼體直徑內(nèi)排管最多。由于兩管板之間有管板的相互支撐，管板得到加強，故各種列管換熱器中它的管板最薄，造價最低且易清洗。缺點是，管外清洗困難，管壁與殼壁之間溫差大于50℃時，需在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，依靠膨脹節(jié)的彈性變形以降低溫差壓力，使用范圍僅限于管、殼壁的溫差不大于70℃和殼程流體壓強小于600kpa的場合，否則因膨脹

27、節(jié)過厚，難以伸縮而失去溫差補償作用。</p><p><b>　　二、確定物性數(shù)據(jù)：</b></p><p><b>　　二、確定物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　定性溫度:可取流體進口溫度的平均值。殼程煤油的定性溫度為</p><p>　　T1=140°C，T2=34°C

28、，t1=30°C，t2=34°CT=(140+34)/2=87(°C)管程水的定性溫度為t=(30+34)/2=32(°C)已知殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)煤油87°C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下:密度 ρo=800 kg/m3 定壓比熱容 Co=2.22 kJ/（kg·℃）導(dǎo)熱系數(shù)

29、 λo=0.140 W/(m·k)粘度 µo=7.15×10-4 N·s/m2水32°C的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下:密度 ρi =995 kg/m3 定壓比熱容 C i =4.174 kJ/（kg·℃）導(dǎo)熱系數(shù) λi =0.626 W/(m

30、3;k)粘度 µi =7.25×10-4 N·s/m2</p><p><b>　　三、估算傳熱面積</b></p><p><b>　　1傳熱量</b></p><p><b>　　Wh=（kg/h）</b></p>

31、<p>　　Q=Whcph（T1-T2）=29000×2.22×(140-34)=6.7×106kJ/h=1865 (kW)</p><p><b>　　2平均傳熱溫差</b></p><p>　　逆流時平均溫度差為：</p><p><b>　　(℃)</b></p>

32、<p><b>　　3傳熱面積 </b></p><p>　　查管殼式換熱器中的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗值，假設(shè)K=500W/(m2·℃),則估算面積為：</p><p>　　S=Q/(K×Δtm)=1865×103/(500×32)≈117(m2) </p><p><b>　　4冷卻

33、水用量</b></p><p><b>　　（kg/h）</b></p><p><b>　　四、工藝結(jié)構(gòu)計算</b></p><p><b>　　1管徑和管內(nèi)流速</b></p><p>　　選用ф25×2.5碳鋼管，取管內(nèi)流速ui= 1.5m/s<

34、;/p><p><b>　　2管程數(shù)和傳熱管數(shù)</b></p><p>　　依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為：</p><p>　　現(xiàn)取傳熱管長為l=4.5m，則該換熱器的管程數(shù)為：NP=L/l=6.3/4.5≈2；傳熱管總根數(shù)： NT=238×2=476（

35、根）</p><p>　　3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)：</p><p>　　平均傳熱溫差校正系數(shù)：</p><p>　　按單殼程，2管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表可得φΔt=0.95</p><p>　　平均傳熱溫差Δtm=φΔtΔtm’=0.95×32=30.4℃</p><p>　　由于平均傳熱溫差校

36、正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取単殼程合適。</p><p><b>　　4傳熱管排列方法</b></p><p>　　采用正三角形排列法，取管心距t=1.25d0，則t=1.25×25=31.25≈32(mm)</p><p>　　隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+6=32/2+6=22（mm）。</p&

37、gt;<p>　　橫過管束中心線的管數(shù)</p><p><b>　　5殼體內(nèi)徑</b></p><p>　　采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η＝0.7，則殼體內(nèi)徑為</p><p><b>　　D=</b></p><p>　　按卷制殼體的進級擋，圓整可取D=900mm。</p>

38、;<p><b>　　4.6折流板</b></p><p>　　采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25％。折流板間距h=0.3D,則h=0.3×900=270mm。取板間距為300mm</p><p>　　折流板數(shù) NB=傳熱管長/折流板間距-1=4500/300-1=14(塊)</p><p><b

39、>　　4.7接管</b></p><p>　　殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為u＝1.0m/s，則接管內(nèi)徑為：</p><p>　　d1=，圓整后可取管內(nèi)徑為20mm。</p><p>　　管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u＝1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為</p><p>　　，圓整后可取管內(nèi)徑為100mm。&l

40、t;/p><p><b>　　五、 換熱器核算</b></p><p><b>　　1總傳熱系數(shù)核算</b></p><p>　　殼程對流傳熱系數(shù)α0</p><p><b>　　用克恩法計算：</b></p><p>　　當(dāng)量直徑，由正三角排列得：<

41、/p><p><b>　　de=（m）</b></p><p><b>　　殼程流通截面積：</b></p><p>　　=0.053（m2）</p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：</p><p><b>　　u0=（m/s）</b></

42、p><p><b>　　Re0==4251</b></p><p>　　普朗特數(shù)：Pr=；粘度校正：</p><p>　　α0==532〔W/(m2·℃) 〕</p><p>　　管程對流傳熱系數(shù)αi：</p><p><b>　　αi</b></p>&

43、lt;p>　　管程流體流通截面積：Si=0.785×0.022×476/2=0.075（m2）</p><p>　　管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：</p><p>　　ui==1.5（m/s）</p><p>　　Rei==41000</p><p><b>　　普朗特數(shù)：Pr=</b><

44、/p><p>　　αi=0.023×=6607〔W/ (m2·℃)〕</p><p>　　污垢熱阻和管壁熱阻 查有關(guān)文獻知可?。?lt;/p><p>　　管外側(cè)污垢熱阻 R0=0.00017 （m2·℃）/W</p><p>　　管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Ri=0.0002 （m2·℃)/W</p&g

45、t;<p>　　管壁熱阻 查有關(guān)文獻知碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為45W/(m·℃)。故</p><p>　　RW=0.0025/45=0.000055（m2·℃/W）</p><p>　　計算總傳熱系數(shù)Ko：</p><p><b>　　K0=</b></p><p>　　≈463〔w

46、/（m2·℃）〕</p><p>　　在規(guī)定的流動條件下，換熱器的安全系數(shù)為：</p><p><b>　　選擇的換熱器適合。</b></p><p><b>　　換熱器的面積裕度：</b></p><p><b>　　計算傳熱面積S0:</b></p>

47、<p>　　S0=Q/(K0×△tm)=1865×103/（463×32）≈126（m2）</p><p>　　該換熱器的實際傳熱面積S：</p><p>　　S==3.14×0.025×（4.5-0.1）×476≈164（m2）</p><p>　　該換熱器的面積裕度為：H=×100

48、%=×100%=24.8%</p><p>　　傳熱面積裕度合適(15%~25%)，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。</p><p>　　換熱器內(nèi)流體的流動阻力</p><p>　?。?）管程流體阻力 計算公式如下：</p><p>　　△Pt=（△Pi+△Pr）NSNpFS; NS=1, Np=2，F(xiàn)S=1.4; △Pi=。由Re=

49、41000，傳熱管相對粗糙度0.1/20=0.005，查莫狄圖得=0.034，流速u=1.5m/s，ρ=995kg/m3，故</p><p>　　△Pi==12000（Pa）；</p><p>　　△Pr==3358（Pa）</p><p>　　△Pt=（12000+3358）×2×1.4=43000（Pa）<105 Pa</p>

50、;<p>　　管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p>　?。?）殼程阻力 </p><p>　　公式有：△PS=（△P0+△Pi）FSNS </p><p>　　△P0= Ff0nC(NB+1) ; 又F=0.5,f0=5×4251-0.228=0.74, NB=15;</p><p>　　△P0=

51、0.5×0.74×24×（14+1）×800×0.192/2≈1923（Pa）</p><p>　　流體流過折流板缺口的阻力</p><p>　　△Pi =NB（3.5-2h/D）,其中 h=0.27m; D=0.9m；故</p><p>　　△Pi=14×（3.5-2×0.27/0.9）&

52、#215;800×0.192/2≈647（Pa），</p><p><b>　　則總阻力：</b></p><p>　　△PS=1923+647=2570（Pa）<105 Pa。故殼程流體的阻力也適宜。</p><p>　　六、設(shè)計計算結(jié)果一覽表</p><p>　　換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表。&

53、lt;/p><p><b>　　七、心得體會</b></p><p>　　化工原理課程設(shè)計是培養(yǎng)個人綜合運用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識去解決某一設(shè)計任務(wù)的一次訓(xùn)練，也起著培養(yǎng)學(xué)生獨立工作能力的重要作用。</p><p>　　在換熱器的設(shè)計過程中,我感覺我的理論運用于實際的能力得到了提升，主要有以下幾點： </p><p&g

54、t;　　(1)掌握了查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集)的能力；</p><p>　　(2)樹立了既考慮技術(shù)上的先進性與可行性，又考慮經(jīng)濟上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護的正確設(shè)計思想，在這種設(shè)計思想的指導(dǎo)下去分析和解決實際問題的能力；</p><p>　　(3)培養(yǎng)了迅速準(zhǔn)確的進行工程計算的能力；</p><p>　

55、　(4)學(xué)會了用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己設(shè)計思想的能力。</p><p>　　從設(shè)計結(jié)果可看出，若要保持總傳熱系數(shù)，溫度越大、換熱管數(shù)越多，折流板數(shù)越多、殼徑越大，這主要是因為煤油的出口溫度增高，總的傳熱溫差下降，所以換熱面積要增大，才能保證Q和K.因此，換熱器尺寸增大，金屬材料消耗量相應(yīng)增大.通過這個設(shè)計，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經(jīng)濟投入，設(shè)計參數(shù)的選擇十分重要.</p><

56、;p><b>　　八、參考文獻</b></p><p>　　夏清、賈紹義.化工原理.天津：天津大學(xué)出版社，2005</p><p>　　黃璐、王保國.化工設(shè)計.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001</p><p>　　王非、林英.化工設(shè)備用鋼.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003</p><p>　　秦叔經(jīng)、葉文邦.換熱器.北