化工原理課程設計---列管式換熱器設計

1、<p>　　化 工 原 理 課 程 設 計</p><p>　　課程設計題目： 列管式換熱器設計 </p><p>　　學 院 名 稱： 化學工程學院 </p><p>　　專 業(yè)： 化學工程與工藝

2、 </p><p>　　班 級： 化工10- </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號：

3、 </p><p>　　指 導 教 師： </p><p>　　1 列管換熱器設計任務書</p><p>　　1.1 設計題目：列管式換熱器設計</p><p>　　1.2 操作條件及設計任務</p><p>　　1.2.1 處

4、理能力 26500噸/年；操作時間 8000 小時/年</p><p>　　1.2.2 設備型式 列管式換熱器</p><p>　　1.2.3 操作條件</p><p>　　柴油處理能力：（進料量）26500噸/年</p><p>　　操作時間：       

5、 8000      小時/年</p><p>　　進出口溫度：原油；入口溫度65℃，出口溫度100℃；</p><p>　　柴油：入口溫度170℃，出口溫度130℃。</p><p>　　兩側壓力降都不應超過0.3at</p><p><b>　　廠址：寧波地區(qū)。</b>

6、;</p><p><b>　　1.3 設計任務：</b></p><p>　?。?）選擇適宜的列管式換熱器：流程的選擇、流速的選擇、流體阻力的計算。</p><p>　?。?）工藝計算：有效平均溫度差、傳熱系數K、傳熱面積A。</p><p>　?。?）管子及其管板的連接</p><p>　　（

7、4）管數、管程數和管子的排列；</p><p>　?。?）殼體直徑及殼體厚度的計算；</p><p>　?。?）折流板、支撐板的機構；</p><p>　?。?）溫差應力及其補償方法； </p><p>　?。?）在A3圖紙中繪制換熱器結構圖、管板結構圖、折流結構圖，設計說明書一份、A3圖紙一張； </p><

8、p>　　成績評定 指導教師 田小寧、楊春風 </p><p>　　2012年 6月 1 日 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 列管換熱器設計任務書2</p><p>　　1.1 設計題目：列管式換熱器設

9、計2</p><p>　　1.2 操作條件及設計任務2</p><p>　　1.2.1 處理能力 26500噸/年；操作時間 8000 小時/年2</p><p>　　1.2.2 設備型式 列管式換熱器2</p><p>　　1.2.3 操作條件2</p><p>　　1.3 設計任務：2&

10、lt;/p><p>　　2 確定設計方案4</p><p>　　2.1 列管換熱器的型式4</p><p>　　2.2 流程的選擇4</p><p>　　2.3 流速的選擇4</p><p>　　2.4 流體阻力的計算4</p><p>　　3. 確定流體的定性溫度、物性數據并選擇列管

11、換熱器的型式4</p><p>　　3.1 定性溫度4</p><p>　　3.2 物性參數5</p><p>　　4 換熱器的工藝計算5</p><p>　　4.1有效平均溫度差5</p><p>　　4.2 傳熱系數K5</p><p>　　4.2.1 熱流量5</p&g

12、t;<p>　　4.3計算傳熱面積A6</p><p>　　4.4初選換熱器規(guī)格6</p><p>　　5換熱器的工藝結構尺寸6</p><p>　　5.1管子及其管板的連接6</p><p>　　5.2管數、管程數和管子的排列；6</p><p>　　5.3殼體直徑及殼體厚度的計算；7<

13、;/p><p>　　5.4 折流板、支撐板的機構；7</p><p>　　5.4.1折流板7</p><p>　　5.4.2支承板的機構7</p><p>　　5.5 溫差應力及其補償方法；7</p><p>　　5.4.1 溫差應力：僅由管壁與殼壁溫差引起的應力。7</p><p>　

14、　5.4.2 溫差應力補償方法7</p><p>　　5.5 表 換熱器的主要結構尺寸和計算結果：8</p><p><b>　　6 換熱器核算9</b></p><p>　　6.1.1 核算總傳熱系數9</p><p>　　6. 1. 2 對流傳熱系數9</p><p>　　6. 1

15、. 3 污垢熱阻9</p><p>　　6. 1. 4 計算總傳熱系數10</p><p>　　6. 1. 5 核算總傳熱系數10</p><p>　　6. 1. 6 傳熱面積10</p><p>　　6. 2 計算壓力降10</p><p>　　6. 2. 1 殼程阻力損失10</p>&

16、lt;p>　　6. 2. 2管程流動阻力11</p><p>　　7 繪制原油冷卻柴油的列管式換熱器設計的換熱器裝配簡圖。11</p><p>　　7.1 工藝流程圖11</p><p>　　7.2 主體設備工藝圖 （詳細參照CAD）11</p><p><b>　　8、設計評述12</b></p

17、><p><b>　　9、參考文獻12</b></p><p><b>　　2 確定設計方案</b></p><p>　　2.1 列管換熱器的型式</p><p>　　此次設計的換熱器是根據任務說明書中的條件得到到，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，且換熱介質為易結垢物質故我選用了浮頭式換熱

18、器。</p><p>　　浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應力。 </p><p>　　柴油溫度高走管程減少熱損失，原油粘度大，流體在有折流擋板的殼程由于流速和流向的不斷改變，在較低的雷諾數下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數。且原油易結垢，走殼程容易清垢。</p><p>　　圖1 浮頭

19、式列管換熱器</p><p>　　1—管程隔板；2—殼程隔板；3—浮頭</p><p><b>　　2.2 流程的選擇</b></p><p>　　冷流體為原油，熱流體為柴油。柴油的溫度高，走管程可以減少熱損失，原油的粘度比較大，當裝有折流板時，走管程可在較低的雷諾數下即能達到湍流，有利于提高殼程一側的對流傳熱系數。</p>&l

20、t;p><b>　　2.3 流速的選擇</b></p><p>　　柴油走管程、原油走殼程，選用的碳鋼管假設uc=1.0m/s</p><p>　　2.4 流體阻力的計算 </p><p>　　由Re=23038，傳熱管相對粗糙度，查圖得摩擦系數</p><p>　　3. 確定流體的定性溫度、物性數據并選擇列管換熱

21、器的型式</p><p><b>　　3.1 定性溫度</b></p><p>　　定性溫度：可取流體進出口溫度的平均值。</p><p>　　管程的定性溫度為： T=（170+130）/2=150℃ 殼程的定性溫度為： T=（65+100）/2=82.5℃</p><p><b>　　

22、3.2 物性參數</b></p><p>　　根據在定性溫度，分別查詢殼程和管程流體的有關物性數據。</p><p>　　原油及柴油在定性溫下的的物性參數</p><p>　　4 換熱器的工藝計算</p><p>　　4.1有效平均溫度差</p><p>　　計算兩流體有效平均溫差 暫按單殼程、多管程計算（

23、忽略熱損失）</p><p><b>　　逆流時平均溫度差為</b></p><p>　　Δtm’=（Δt2-Δt1）/ln（Δt2/Δt1）=[（170-130）-（100-65）]/ln（40/35）=37.444℃</p><p><b>　　而</b></p><p>　　P=（t2-t1）

24、/（T1-t1）=（100-65）/（170-65）=0.3333 ，</p><p>　　R=（T1-T2）/（t2-t1）=（170-130）/（100-65）=1.143</p><p>　　由R和P查“度差修正系數圖”得ΦΔt=0.95</p><p>　　Δtm= ΦΔt Δtm’=0.95×37.444=35.5718℃</p>

25、<p><b>　　4.2 傳熱系數K</b></p><p><b>　　4.2.1 熱流量</b></p><p>　　熱流量（忽略熱損失）</p><p>　　Q=WhCph（T1-T2）=（10000+33×500）×103÷8000×2480×（170

26、-130）÷3600=91277.778W </p><p>　　4.2.2 冷卻劑原油的用量 </p><p>　　Wc=Q/[Cpc（t2-t1）]=91277.778×3600/[2200×（100-65）]=4267.532kg/h</p><p>　　4.2.3 估算殼程傳熱系數</p><p>

27、　　選取K值，估算總傳熱系數</p><p>　　=1047W/（㎡.℃）</p><p>　　殼程傳熱系數： 假設殼程的傳熱系數 </p><p>　　污垢熱阻： </p><p><b>　　管壁的導熱系數：</b></p><p>　　4.3計算傳

28、熱面積A</p><p>　　考慮15%的換熱面積裕度，A’=10.8×1.15=12.5m2</p><p>　　4.4初選換熱器規(guī)格</p><p>　　采用浮頭式換熱器，管子初選為是適用黏性大的規(guī)格尺寸。</p><p>　　5換熱器的工藝結構尺寸</p><p>　　5.1管子及其管板的連接</

29、p><p>　　換熱器設計壓力低于4Mpa、設計溫度低于300℃、操作中無劇烈振動、無過大的溫度變化、無明顯的應力腐蝕，可采用碳素鋼做管子，脹接的方式連接管板和管板孔</p><p>　　管子與管板的連接是管殼式換熱器制造中最主要的問題。對于固定管板換熱器，除要求連接處保證良好的密封性外，還要求接合處能承受一定的軸向力，避免管子從管板中拉脫。</p><p>　　管子與

30、管板的連接方法主要是脹接和焊接。脹接是靠管子的變形來達到密封和壓緊的一種機械連接方法，如圖1-13所示。當溫度升高時，材料的剛性下降，熱膨脹應力增大，可能引起接頭的脫落或松動，發(fā)生泄露。一般認為焊接比脹接更能保證嚴密性。對于碳鋼或低合金鋼，溫度在300℃以上，蠕變會造成脹接殘余應力減小，一般采用焊接。</p><p>　　脹接和焊接方法各有優(yōu)缺點，在有些情況下，如對高溫高壓換熱器，管子與管板的連接處，在操作時受到

31、反復熱變形、熱沖擊、腐蝕與流體壓力的作用，很容易遭到破壞，僅單獨采用脹接或焊接都難以解決問題，如果采用脹焊結合的方法，不僅能提高連接處的抗疲勞性能，還可消除應力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。目前脹焊結合的方法已得到比較廣泛的應用。</p><p>　　5.2管數、管程數和管子的排列；</p><p>　　管子規(guī)格采用φ25×2.5</p><p>　　管程

32、數：4，排列采用正方形錯列的排列。采用組合排列法，每程內均按正三角形排列，而在各程之間，為了便于安裝隔板，則采用正方形排列方法，取管心距為</p><p>　　橫過管束中心線的管數</p><p>　　5.3殼體直徑及殼體厚度的計算；</p><p>　　根據GB151-99P21表8，選定圓筒厚度為8mm；</p><p>　　殼體直徑:

33、故殼體直徑Di=325mm；</p><p>　　5.4 折流板、支撐板的機構；</p><p><b>　　5.4.1折流板</b></p><p>　　安裝折流板的目的是為了加大殼程流體的湍流速度，使湍流速度加劇，提高殼程流體的對流傳熱系數。在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以流體橫向穿過管束，增加流體速度，以增強傳熱，同時用以支撐管束

34、、防止管束震動和管子彎曲的作用。弓形折流板簡單，性能優(yōu)良，在實際中最常用。本次設計采用弓型折流板。</p><p><b>　?、賵A缺高度</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%，則圓缺高度為：</p><p>　　h=0.25×325=81.25mm，可取h=80mm</p>

35、<p><b>　　②折流板間距</b></p><p>　　折流板間距B=0.3D，則：</p><p>　　B=0.3×325=97.5mm，可取B=100mm</p><p><b>　?、壅哿靼鍞?lt;/b></p><p><b>　　折流板數 </b&

36、gt;</p><p>　　5.4.2支承板的機構</p><p>　　通過定距管來固定板間的距離</p><p>　　5.5 溫差應力及其補償方法；</p><p>　　5.4.1 溫差應力：僅由管壁與殼壁溫差引起的應力。</p><p><b>　　產生原因</b></p>&

37、lt;p>　　1)結構因素：即換熱器的管束與殼體是剛性連接;</p><p>　　2)溫差因素：即換熱器的管壁溫度與殼壁溫度差;</p><p>　　3)材質因素：即換熱器的管束與殼體材料的線膨脹系數大小的影響.</p><p><b>　　產生后果： </b></p><p>　　1)管子的彎曲變形;</p

38、><p>　　2)造成管子與管板連接部分泄漏;</p><p>　　3)使管子從管板上拉脫.</p><p>　　5.4.2 溫差應力補償方法 </p><p>　　設計要求中的設計壓力小于 2.5 MPa, 設計溫度范圍在-20 ℃-200 ℃，所以可以采用U形膨脹</p><p>　　5.5 表 換熱器的主要結構尺

39、寸和計算結果：</p><p><b>　　6 換熱器核算</b></p><p>　　6.1 傳熱系數的校核</p><p>　　6.1.1 核算總傳熱系數</p><p><b>　　殼體對流傳熱系數</b></p><p>　　對圓缺形折流板，可用Kern公式：<

40、/p><p><b>　　普朗特準數：</b></p><p>　　粘度校正：≈1.05，則</p><p>　　6. 1. 2 對流傳熱系數</p><p><b>　　普朗特準數：</b></p><p>　　則管程對流傳熱系數為：</p><p>　

41、　6. 1. 3 污垢熱阻</p><p>　　6. 1. 4 計算總傳熱系數</p><p>　　以表面為基準計算總傳熱系數，由下式可得：</p><p>　　6. 1. 5 核算總傳熱系數</p><p>　　6. 1. 6 傳熱面積</p><p>　　該換換熱器的實際傳熱面積：</p><p

42、>　　該換熱器的面積裕度為：</p><p>　　傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。</p><p>　　6. 2 計算壓力降</p><p>　　6. 2. 1 殼程阻力損失</p><p>　　因Re>500,故 </p><p>　　前面計算所得擋板數為：</p>

43、<p><b>　　取污垢校正系數,則</b></p><p>　　殼程流動阻力在允許的范圍內。</p><p>　　6. 2. 2管程流動阻力</p><p>　　由Re=23038，傳熱管相對粗糙度，查圖得摩擦系數</p><p>　　管程流動阻力在允許的范圍內。</p><p>

44、　　7 繪制原油冷卻柴油的列管式換熱器設計的換熱器裝配簡圖。</p><p><b>　　7.1 工藝流程圖</b></p><p>　　7.2 主體設備工藝圖 （詳細參照CAD）</p><p><b>　　8、設計評述</b></p><p>　　課程設計不同于平時的作業(yè)，在設計過程中需要我們

45、自己做出決策，即自己確定方案，選擇工藝參數和條件，查取資料，進行過程和設備計算，并要對做出的選擇進行論證和核算，經過反復的分析比較，擇優(yōu)選擇最理想的方案和最合理的設計。所以這對培養(yǎng)獨立工作的能力有很大幫助。在“列管換熱器的工藝設計和選用”的設計過程中，感覺到理論和實踐能力都有一定的提升。主要有以下幾點：（1）查找資料，選用公式和收集數據的能力。設計任務給出后，有許多數據需要由我們自己取收集，有些物性參數要查找或估算，計算公式也要求我們自

46、己選擇，這就需要我們運用各方面的知識，通過詳細全面的考慮才能選定。（2）準確、迅速地進行工程計算的能力。設計計算是一個反復試算的過程，計算工作量大，這就要求我們需要有準確迅速的能力。（3）綜合分析問題的能力。課程設計不僅要求計算正確，還要求從各方面考慮各種因素，分析設計方案的可行性、合理性、從總體上得到最佳結果。</p><p><b>　　9、參考文獻</b></p><

47、;p>　　【1】任曉光 化工原理課程設計指導 化學工業(yè)出版社</p><p>　　【2】劉兵 化工單元操作課程設計化學工業(yè)出版社</p><p>　　【3】申迎華 化工原理課程設計化學工業(yè)出版社</p><p>　　【4】錢頌文 換熱器設計手冊 </p><p>　　【5】《化工原理（上）》 柴誠敬 主編