課程設計--換熱器-煤油

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

2、>　　學 號： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　設計日期： </p><p><b>　　目 錄</b></p

3、><p>　　前言……………………..............…..…..…………………….………...…….4</p><p>　　任務書……………………............……..……………….……………...…….5</p><p>　　目的與要求………………............……..…….………………………...…….6</p><

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

5、;　　工藝結構尺寸………………………………………………………….10</p><p>　　換熱器核算…………………………………………………………….12</p><p>　　六、設計結果概要一覽表…………………………………………………...17</p><p>　　七、參考文獻………………………………………………………………...19</p><

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

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

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

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

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

11、lt;/p><p><b>　　設計一臺換熱器</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：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計；</p><p>　　3.設計結果概要或設計結果一覽表；</p>

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

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

16、對學生進行化工工程設計的基本訓練，使學生了解一般化工工程設計的基本內容與要求；</p><p>　　5、通過設計說明書，提高學生文字表達能力，掌握撰寫技術文件的有關要求；</p><p><b>　　二、課程的基本要求</b></p><p>　　設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計，能按《化工原理課程基本要求》中有關課

17、程設計的基本要求規(guī)定，對學生進行一次較為完整的化工設計基本訓練。</p><p>　　生產(chǎn)規(guī)模，工藝操作條件、設備、物性等都要以實際生產(chǎn)條件為背景，使學生在兼顧技術上先進性、可行性，經(jīng)濟上合理性的前提下，綜合分析設計任務要求，確定化工工藝流程，進行設備選型，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計時間符合課程設計教學大綱之規(guī)定。</p>&

18、lt;p>　　化工原理課程設計考核要求：</p><p>　?。?）設計說明書完成的情況：按照課程設計教學大綱規(guī)定及設計任務要求，做到設計內容完整，設計合理，計算正確，敘述層次分明，條理清楚。</p><p>　　（2）圖面質量：工藝流程圖正確，主要設備總裝圖結構基本合理，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，流體的物性和化學性質。</p><p><b>　　一、工藝設計</b></p><p><b>　　一、 設計目的</b></p><p>　　課程設計是化工原理課程教學中綜合性和實際性較強的教學環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是使學生體察工

20、程實際問題復雜性的初次嘗試。通過化工原理課程設計，要求學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)定的時間內完成指定的化工設計任務，從而得到化工設計的主要程序和方法，培養(yǎng)學生分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設計，還可以培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想，培養(yǎng)實事求是，嚴肅認真，高度負責的工作作風。</p><p>　　二、 該設備的作用及在生產(chǎn)中的應用</p><

21、p>　　換熱器是實現(xiàn)傳熱過程的基本設備。而此設備是比較典型的傳熱設備，它在工業(yè)中的應用十分廣泛。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，結構簡單、緊湊。在同樣的殼體直徑內，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、可供選用的結構材料廣闊、適應性強、可用于調溫調壓場合等優(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、應用。</p><p><b>　　五、設備的結構特點</b></p><p>　　該結構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)來適應外殼和管束不同的膨脹程度。</p><p>　　六、在設

24、計中遇到的問題的處理</p><p>　　在設計中，在工藝計算過程中，由于選取K0不當或其他條件選取不當，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期的目的。</p><p><b>　　七、設計方案的確定</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構材料，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備，在工業(yè)中應用已有悠久歷史，具有易制造、成本低、處理能力大、換熱表面情況較方便、可供選用的結構材料廣闊、適應性強、可用于調溫調壓場合等優(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，結構簡單緊湊，在同樣的殼體直徑內排管最多。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物性數(shù)據(jù)煤油87°C下的有關物性數(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、工藝結構計算</b></p><p><b>　　1管徑和管內流速</b></p><p>　　選用ф25×2.5碳鋼管，取管內流速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管程結構，溫差校正系數(shù)應查有關圖表可得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殼體內徑</b></p><p>　　采用多管程結構，取管板利用率η＝0.7，則殼體內徑為</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：取接管內煤油流速為u＝1.0m/s，則接管內徑為：</p><p>　　d1=，圓整后可取管內徑為20mm。</p><p>　　管程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速 u＝1.5 m/s，則接管內徑為</p><p>　　，圓整后可取管內徑為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 查有關文獻知可?。?lt;/p><p>　　管外側污垢熱阻 R0=0.00017 （m2·℃）/W</p><p>　　管內側污垢熱阻 Ri=0.0002 （m2·℃)/W</p&g

45、t;<p>　　管壁熱阻 查有關文獻知碳鋼在該條件下的熱導率為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。</p><p>　　換熱器內流體的流動阻力</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。</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、設計計算結果一覽表</p><p>　　換熱器主要結構尺寸和計算結果見下表。&

53、lt;/p><p><b>　　七、心得體會</b></p><p>　　化工原理課程設計是培養(yǎng)個人綜合運用本門課程及有關選修課程的基本知識去解決某一設計任務的一次訓練，也起著培養(yǎng)學生獨立工作能力的重要作用。</p><p>　　在換熱器的設計過程中,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)境保護的正確設計思想，在這種設計思想的指導下去分析和解決實際問題的能力；</p><p>　　(3)培養(yǎng)了迅速準確的進行工程計算的能力；</p><p>　

55、　(4)學會了用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己設計思想的能力。</p><p>　　從設計結果可看出，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增大.通過這個設計，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經(jīng)濟投入，設計參數(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：天津大學出版社，2005</p><p>　　黃璐、王保國.化工設計.北京：化學工業(yè)出版社，2001</p><p>　　王非、林英.化工設備用鋼.北京：化學工業(yè)出版社，2003</p><p>　　秦叔經(jīng)、葉文邦.換熱器.北