化工原理課程設計--精餾塔塔底殘油冷卻器的設計

1、<p><b>　　課程設計</b></p><p>　課程名稱：化工原理</p><p>　課程設計題目：精餾塔塔底殘油冷卻器的設計</p><p>　專 業(yè)：環(huán)境工程</p><p>　學 生 姓 名：</p><p>　班 級：學號：</p>

2、;<p>　指導教師姓名：</p><p>　設計完成時間：2014年01月08日</p><p>　　化工原理課程設計任務書</p><p><b>　　一、設計題目：</b></p><p>　　精流塔的塔底殘油冷卻器設計</p><p><b>　　二、設計條件：&l

3、t;/b></p><p>　　1、處理能力：1.9×104 kg（殘油）/h；</p><p>　　2、設備型式：標準列管換熱器；</p><p><b>　　3、操作條件：</b></p><p>　　1)殘油：入口溫度102℃，出口溫度40℃；</p><p>　　2)冷卻介

4、質(zhì)：井水(設井水進口溫度30℃，出口溫度40℃)</p><p>　　3)允許壓強降：管、殼程壓強降小于50kPa；</p><p><b>　　4、物性參數(shù)：</b></p><p><b>　　物性參數(shù)表</b></p><p><b>　　三、設計計算內(nèi)容：</b><

5、;/p><p>　　1、傳熱面積、換熱管根數(shù)；</p><p>　　2、確定管束的排列方式、程數(shù)、折流板的規(guī)格和數(shù)量等；</p><p><b>　　3、殼體的內(nèi)徑；</b></p><p>　　4、冷、熱流體進、出口管徑；</p><p>　　5、核算總傳熱系數(shù)；</p><p&

6、gt;　　6、管殼程流體阻力校核。</p><p><b>　　四、設計成果： </b></p><p><b>　　設計說明書一份。</b></p><p><b>　　五、設計時間</b></p><p><b>　　一周。</b></p>

7、<p><b>　　六、參考文獻</b></p><p>　　[1] 申迎華，郭曉剛．化工原理課程設計［Ｍ］．北京：化學工業(yè)出版社，2009：</p><p>　　[2] 柴城敬．化工原理課程設計指導［Ｍ］．天津：天津大學出版社，1999：</p><p>　　[3] 林大鈞，于傳浩，楊靜．化工制圖［Ｍ］．北京：高等教育出版社，2

8、007：</p><p>　　[4] 中國石化集團．化工工藝設計手冊［Ｍ］．北京：化學工業(yè)出版社，2009：</p><p><b>　　七、設計人：</b></p><p>　　學號：6411111229</p><p><b>　　姓名： 王娜娜</b></p><p>

9、<b>　　八、設計進程：</b></p><p>　　指導教師布置實踐題目 0.5天</p><p>　　設計方案確定 0.5天</p><p>　　工藝計算 2.0天</p><p>　　繪圖 0.5天</p><p&

10、gt;　　編寫實踐說明書 1.0天</p><p>　　答辯 0.5天</p><p><b>　　應用化學教研室</b></p><p>　　2013年12月10日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　

11、　化工原理課程設計任務書I</p><p><b>　　1 概述1</b></p><p><b>　　2 方案設計2</b></p><p>　　2.1選擇換熱器的類型2</p><p>　　2.2流動空間及流向的確定2</p><p>　　2.3確定物性參數(shù)2

12、</p><p>　　2.4計算熱流量及平均溫差2</p><p>　　2.5初算傳熱面積4</p><p>　　2.6工藝結(jié)構(gòu)尺寸4</p><p>　　2.7傳熱管的排列方式5</p><p><b>　　3 換熱核算6</b></p><p>　　4 阻力損

13、失計算7</p><p>　　4.1管程阻力損失計算7</p><p>　　4.2殼程阻力損失計算7</p><p>　　5 核算傳熱系數(shù)9</p><p><b>　　設計結(jié)果匯總10</b></p><p><b>　　設計評述11</b></p>

14、<p><b>　　參考文獻12</b></p><p><b>　　1 概述</b></p><p>　　本次設計為時一周，既加深了我們對所學知識的理解，也鍛煉了我們的實踐運用能力。</p><p>　　列管式換熱器是目前化工上應用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材

15、質(zhì) ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進行換熱時，一種流體由封頭的連結(jié)管處進入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程列管式換熱器。</p><p>　　固定管板換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝

16、置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。</p><p>　　為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50℃以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于60～70℃和殼程

17、流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6Mpa時由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償?shù)淖饔?，就應考慮其他結(jié)構(gòu)。</p><p>　　設計任務就在不知不覺中結(jié)束了，對于換熱器的知識，我們有了更加深入的理解，希望這些知識能在更多的方面幫助我們。</p><p><b>　　2 方案設計</b></p><p>　　本方案需設計標準列管式換熱器的

18、處理能力：1.9×104 kg（殘油）/h；將精餾塔殘油從102℃冷卻到40℃；冷卻介質(zhì)：井水(設井水進口溫度30℃，出口溫度40℃)；允許壓強降：管、殼程壓強降小于50kPa。</p><p>　　2.1選擇換熱器的類型 </p><p>　　兩流體的溫度變化情況： </p><p>　　熱流體（殘油）的進口溫度為102℃，出口溫度為

19、40℃。 </p><p>　　冷流體（冷卻水）的進口溫度為30℃，出口溫度為40℃。</p><p><b>　　<50</b></p><p>　　從兩流體的溫度來看，由于兩流體溫差<50℃，估計換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差不會很大，因此初步確定選用固定管板式換熱器。</p><p>　　2.

20、2流動空間及流向的確定</p><p>　　由于殘油具有腐蝕性，所以確定殘油走管內(nèi)，冷卻水走殼體。這樣可以用普通材料制作殼體，而管束、管板和封頭采用耐腐材料。在此采用φ25mm×2.5mm鋼管，逆流換熱。井水比殘油黏度大，當裝有折流擋板時，走殼程可在較低的Re下達到湍流，有利于提高殼程一側(cè)的折流系數(shù)。</p><p><b>　　2.3確定物性參數(shù)</b>&

21、lt;/p><p><b>　　表2.1物性參數(shù)</b></p><p>　　2.4計算熱流量及平均溫差</p><p>　　按殘油冷卻計算換熱器的熱流量</p><p>　　Q=ms1cp1（t2-t1）=KW</p><p><b>　　由熱量恒算式</b></p>

22、;<p>　　Q=ms1cp1（t2-t1）= Q=ms2cp2（T1-T2）</p><p>　　ms2=105kg/h</p><p>　　計算逆流平均溫差△tm，逆</p><p>　　殘油 102℃→40℃</p><p>　　井水 40℃←30℃</p><p><b>

23、　　62℃ 10℃</b></p><p><b>　　△tm，逆=℃</b></p><p>　　按逆流計算的平均溫差△tm，逆應乘校正系數(shù)，選換熱器的流動類型為符合下圖的1殼程、偶數(shù)管程。計算P、R</p><p>　　由圖2.1可查得;ψ=0.95 ∴　符合設計時ψ的要求。</p><p>　　

24、△tm=28.50×0.95=27.08℃</p><p><b>　　圖2.1溫差校正圖</b></p><p><b>　　2.5初算傳熱面積</b></p><p>　　為求得傳熱面積A，需先求出傳熱系數(shù)K，而K值又與給熱系數(shù)、污垢熱阻等有關。在換熱器的直徑、流速等參數(shù)未確定時，給熱系數(shù)也無法計算，所以只能

25、進行試算。如下表2.2，水和輕油（在此認為精餾塔殘油為輕油）之間進行換熱時的K值大致為340-910 W/(m2·℃)。取K值為880 W/(m2·℃)，由公式 Q=KA△tm，則所需傳熱面積為</p><p>　　A==57.53m2</p><p>　　表2.2列管換熱器中K值的大致范圍</p><p><b>　　2.

26、6工藝結(jié)構(gòu)尺寸</b></p><p>　　在決定管長和管數(shù)時，應先選定管內(nèi)流速u，井水屬于一般液體查表2.3得，管內(nèi)流速范圍為0.5-3.0 m/s。因管長可能較大（管程數(shù)目較多），可先取u=0.5m/s。設所需單程管數(shù)為n，φ 25mm×2.5mm的管內(nèi)徑為0.02m，管內(nèi)的體積流量</p><p>　　Vi=nd2×u×3600=n×

27、;×0.022×0.5×3600=m3/h</p><p>　　可解得n=34根。又有傳熱面積</p><p>　　A=nd0l=57.53m2</p><p><b>　　可求得單程管長</b></p><p><b>　　l，=</b></p><

28、;p>　　若選用6m長的管，4管程，那么一臺換熱器的總管數(shù)為34×4=136根。</p><p>　　管程流體進出口管徑：</p><p>　　取接管內(nèi)流速u1=1m，則進出口內(nèi)徑為</p><p><b>　　D1=m</b></p><p>　　殼程流體進出口管徑：</p><p&

29、gt;　　取接管內(nèi)流速u1=1.5m/s，則進出口內(nèi)徑為</p><p><b>　　D2=m</b></p><p>　　殼體內(nèi)徑選定為600mm。</p><p>　　2.7傳熱管的排列方式</p><p>　　表2.3列管換熱器某些流體常用的流速范圍</p><p>　　表2.4初選固定管板

30、式換熱器的主要參數(shù)</p><p><b>　　3 換熱核算</b></p><p>　　對上表3中的數(shù)據(jù)進行核算：</p><p>　?。?）每程的管數(shù)n1=總管數(shù)/管程數(shù)=222÷4=55，管程流通面積</p><p>　　Si=（π/4）×（0.02）2×55=0.0173m2，比查得

31、的0.0174 m2相符。</p><p>　?。?）傳熱面積A= nd0l=222×3.14×0.025×6=104.6 m2</p><p>　　（3)中心排管數(shù)nc，按正三角形排列時，可計算</p><p>　　nc=1.1=1.1=16.4</p><p>　　取整nc=17，與查得的中心排管數(shù)一致。&l

32、t;/p><p>　　圖3.1管子在管板上的排列</p><p><b>　　4 阻力損失計算</b></p><p>　　4.1管程阻力損失計算 </p><p><b>　　流速</b></p><p><b>　　u=</b></p>

33、<p><b>　　雷諾數(shù) </b></p><p><b>　　Re=</b></p><p>　　摩擦系數(shù) 取鋼管絕對粗糙系數(shù)ε=0.3mm，則相對粗糙度</p><p>　　根據(jù)Re=11233，查圖4.1得，</p><p>　　回彎阻力損失 r=3u2==139Pa</

34、p><p>　　管內(nèi)阻力損失 i= u2=0.30762=629.7Pa</p><p>　　管程總損失t=(r+i)FtNsNp=（139+629.7）×1.4×1×6=6457.8Pa</p><p>　　4.2殼程阻力損失計算</p><p>　　弓形折流板缺口高度應使流體通過缺口時與橫過管束時的流速相近，缺口

35、大小用切去的弓形弦高占圓筒內(nèi)直徑的百分比來確定，缺口弦高h值，宜取0.2-0.45倍的殼體內(nèi)直徑。 切在管排中心線以下，或切于兩排管孔的小橋之間。取折流擋板間距h=0.3m。</p><p><b>　　計算截面積</b></p><p>　　S0=h×（D-ncd0）=0.3×（0.6-17×0.025）=0.0525m2</p&

36、gt;<p><b>　　計算流速 </b></p><p><b>　　u0=</b></p><p><b>　　雷諾數(shù)</b></p><p>　　Re0=（＞500）</p><p><b>　　摩擦系數(shù) </b></p>

37、<p>　　f0=5×0.228=0.52</p><p><b>　　折流擋板數(shù)</b></p><p><b>　　NB=可取30</b></p><p><b>　　管數(shù)損失 </b></p><p>　　p1=Ff0nc（NB+1）002<

38、/p><p>　　=0.5×0.52×17×（29+1）×994×0.632×0.5=26156.6Pa</p><p><b>　　缺口損失</b></p><p>　　p2=NB×(3.5-002</p><p>　　=29×(3.5-2=1

39、4301.3 Pa</p><p><b>　　殼程損失</b></p><p>　　ps=(p1+p2)FSNS=(26156.6+14301.3)×1.15×1=46526.6Pa</p><p>　　經(jīng)核算，管程和殼程的阻力損失均不超過50KPa，適用。</p><p>　　圖4.1摩擦系數(shù)與R

40、e、相對粗糙度的關系曲線</p><p><b>　　5 核算傳熱系數(shù)</b></p><p>　?。?）管程給熱系數(shù)α1。以上已算出Re=11233，現(xiàn)在算Pr1</p><p><b>　　Pr1=</b></p><p>　　Nu1=0.023×112330.8×3.417

41、80.3=57.84</p><p>　　α1= Nu1×W/(m2·K)</p><p>　　（2）殼程給熱系數(shù)α2。Re0=21504.8</p><p><b>　　Pr0=</b></p><p>　　Nu0=0.023×21504.80.8×4.850.3=108.01&

42、lt;/p><p>　　α2=108.01×0.626/0.025=2704.6 W/(m2·K)</p><p>　　（3）傳熱系數(shù)。按管外面積計算，略去管壁熱阻。</p><p>　　=1.83×10-3</p><p>　　所以，Ki=546W/(m2·K)</p><p>&

43、lt;b>　　所需傳熱面積</b></p><p><b>　　A0=m2</b></p><p>　　與換熱器給出的面積102.8m2相比較,裕度接近11%。從阻力損失和傳熱面積的核算看，原選的換熱器適用。</p><p><b>　　設計結(jié)果匯總</b></p><p><

44、;b>　　設計評述</b></p><p>　　在設計計算時，可以靈活的運用書中所給出的公式，在計算方面沒有太大的問題。但是在選擇換熱器還有進行各方面的核算時，就出現(xiàn)了一些曲折。我開始選的換熱器裕度不夠，第二次選的結(jié)果會好一些。但是因為第一次選錯了，所以核算的部分要完全重新開始。從最初的溫度選擇與定性，到相關數(shù)據(jù)的估算與校對，每一步的差錯都直接影響到最后的結(jié)果。</p><p

45、>　　這個設計的優(yōu)點是計算的嚴謹，設計的編寫清楚，一目了然。相關查閱的圖譜都緊附其后，明顯直觀。當然，在選型、選材方面，都做到一絲不茍。最重要的是，認真對待的態(tài)度，讓本設計簡潔而具有意義。</p><p>　　同時，在設計中也存在很多問題。對于選型方面，雖然我們態(tài)度真正，但由于經(jīng)驗不足，就出現(xiàn)了很多曲折。對于選材方面，介于設計沒有基礎，選擇范圍狹小，有可能存在更好的方案。驗證核算之后問題或許能減少一些。通過

46、反復改正，整個換熱器的設計才得以完成，個人比較滿意。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 劉國鈞，王連成．圖書館史研究［Ｍ］．北京：高等教育出版社，1979：15-18，31．（專著：［序號］ 主要責任者．文獻題名［Ｍ］．出版地：出版者，出版年：起止頁碼．）</p><p>　　[2] 孫品一．高

47、校學報編輯工作現(xiàn)代化特征［Ｃ］．中國高等學校自然科學學報研究會．科技編輯學論文集(2)．北京：北京師范大學出版社，1998：10-22．（論文集：[序號］ 主要責任者．文獻題名[Ｃ]∥主編．論文集名．出版地：出版者，出版年：起止頁碼．）</p><p>　　[3] 張和生．地質(zhì)力學系統(tǒng)理論［Ｄ］．太原：太原理工大學，1998．(學位論文:［序號］ 主要責任．文獻題名［Ｄ］．保存地：保存單位，年份．)</p&

48、gt;<p>　　[4] 馮西橋．核反應堆壓力容器的LBB分析［Ｒ］.北京：清華大學核能技術設計研究院，1997．(報告:［序號］  主要責任．文獻題名［Ｒ］．報告地：報告會主辦單位，年份．)</p><p>　　[5] 姜錫洲．一種溫熱外敷藥制備方案［Ｐ］．中國專利：881056078，1983-08-12．(專利文獻:［序號］專利所有者．專利題名［P］．專利國別：專利號，發(fā)布日期．)&