化工原理課程設計

1、 課程設計說明書 化工原理課程設計 課程名稱： 化工原理課程設計 課 題： 列管式換熱器設計 學 院： 化學與生物工程學院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 班 級： 2013級 1班 姓 名： 劉威 學 號： 201307719 指導老師： 雷 洋 目 錄摘 要2概 述3化工原理課程設計任務書5一、 設計題目5二、設計條件5三、設計步驟6四、設計要求6五、設計成果6六、設計考核71.1變換器水冷器設計81.1.1確定設計方案81.1.2確定物性數(shù)據(jù)81.1.3估算傳熱面積81.1.4 工藝結構尺寸91.1.5 換熱器核算112.1換熱器主要尺寸和計算結果153.1流程圖18參考文獻19附 錄20

2、附 圖21第 20 頁 共 22 頁摘 要 換熱器是進行熱量傳遞的通用工藝設備，它在煉油、化工及其他工業(yè)中廣泛應用。按用途可分為加熱器、冷卻器、冷凝器和蒸發(fā)器等。由于生產的規(guī)模，傳熱的要求各不相同，換熱器的類型也是多種多樣的。換熱器按照其傳熱特征可分為直接接觸式，蓄熱式和間壁式三大類。在換熱器中至少有兩種溫度不同的流體;一種流體溫度較高，放出熱量;另一種流體則溫度較低，吸收熱量。傳熱過程是化工、石油、動力、食品、國防等各工業(yè)部門重要的單元操作之一。在建設費方面，換熱設備在化工煉油裝置中所占的比例，一般可達20%50%。因此，無論從能源的利用，還是從工廠的投資來看，合理的選擇和設計換熱器，都具有

3、重要的意義?！娟P鍵詞】 換熱器；固定板式換熱器；傳熱面積；核算；校正；概 述 傳熱設備也簡稱換熱器，是化工、石油、動力、輕工等許多工業(yè)部門中應用最為廣泛的設備之一。按用途可分為加熱器、冷卻器、冷凝器和蒸發(fā)器等。由于生產的規(guī)模，傳熱的要求各不相同，換熱器的類型也是多種多樣的。換熱器按照其傳熱特征可分為直接接觸式，蓄熱式和間壁式三大類。（1） 直接接觸式 直接接觸式換熱器中，冷、熱兩流體通過直接混合而實現(xiàn)熱量交換，在工藝上允許兩種流體相互混合的情況下，這是比較方便和有效的，其結構也比較簡單。這類換熱器常用于氣體的冷卻和水蒸氣的冷凝。（2） 蓄熱式 蓄熱式換熱器簡稱蓄熱器，它主要由熱容量大的蓄熱室構

4、成，室中可充填耐火磚或金屬帶等作為填料，如圖所示。當冷，熱兩種流體交替的通過同一蓄熱室時，即可通過填料將得自熱流體的熱量，傳遞給冷流體達到，換熱的目的。為適應連續(xù)操作，至少需要兩個蓄熱器交替使用。這類換熱器的結構較為簡單，且可耐高溫，常用于氣體的余熱或冷量的利用。給缺點是設備體積較大，而且兩種流體交換時難免有一定程度的混合。(3) 間壁式 間壁式換熱器特點是在冷熱兩種流體之間用一金屬壁(或石墨等耐腐蝕且導熱性較好的非金屬壁)隔開，以便兩種流體在互不接觸情況下進行熱量傳遞。下面簡單介紹一下固定管板式換熱器。 如圖所示的管板式換熱器是列管式換熱器中結構較簡單、使用較廣泛的一種。該類型換熱器是通過脹

5、接、焊接法等將管束的兩端固定在殼體兩端的固定板上構成的，由于管板與外殼固定在一起，所以稱為固定管板式列管換熱器。這類換熱器的結構比較簡單、質地較輕，造價便宜，在相同的殼程情況下，可較其他類型的列管式換熱器多一些換熱管，但管外不能機械清洗。 當殼體和管束之間的溫差較大（大于50）而殼體承受壓力不太高時，仍可采用固定管板式，但需在殼體上加上熱補償結構以消除過大的熱應力。可以采用具有溫差補償圈的固定管板式換熱器，它依靠膨脹節(jié)的彈性變形減少溫差應力，但這種裝置只能用在殼壁與管壁溫差低及管程和殼程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

6、結構。列管式換熱器的標準介紹 列管式換熱器的設計、制造、檢驗預驗收必須遵循中華人民共和國國家標準鋼制管殼式（即列管式）換熱器(GB1511999)執(zhí)行。按照此標準，對換熱器的參數(shù)作如下規(guī)定。 公稱直徑（mm）：卷制圓筒，一圓筒內徑作為換熱器的公稱直徑，mm；鋼管制圓筒，以鋼管外徑作為換熱器的公稱直徑。 換熱器的傳熱面積（m2）;計算傳熱面積是以換熱管外徑為基準，扣除深入管板內的換熱管長度后，計算所得到的管束外表面積的總和；公稱傳熱面積指經(jīng)過圓整后的計算傳熱面積。 換熱器的公稱長度（m）：以換熱管長度作為換熱器的公稱長度。換熱管為直管時取直管長度；換熱管為U型管時，取U型管得直管段長度。 該標準

7、還將列管式換熱器的主要組合部件分為前端管箱、殼體和后端結構（包括管束）三部分。該標準將換熱器分為、兩級，級采用較高級冷拔換熱管，適用于無相變和易產生震動的場合。級采用普通冷拔換熱管，適用于再沸、冷凝和無震動的一般場合。 化工原理課程設計任務書1、 設計題目：設計中型氮肥廠用變換氣水冷立式列管換熱器二、設計條件1.熱流體：變換氣，工作壓力為1.4MPa，進口溫度為65，要求降到38，變換氣流量為95780 kg/h。2.冷流體：水，進口溫度為32，出口溫度為42，操作壓力為0.3MPa。3.已知變換氣及冷卻水在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度（kg/m3）黏度(mPas)比熱容(kJ/kg)導熱系數(shù)（

8、W/(m)）變換氣12.830.01582.4950.0806冷卻水9930.7184.1780.6224.兩流體均無相變。5.建廠地址：蘭州地區(qū)6.要求管程和殼程的阻力都不大于50kPa三、設計步驟1.掌握換熱器設計概況、設計原則（以概論綜述形式體現(xiàn)在說明書中）2.確定設計方案 （1）選擇列管換熱器的類型 （2）確定冷熱流體流動空間及流速 （3）確定冷熱流體的定性溫度及相關物性數(shù)據(jù)3.初步估算換熱器的傳熱面積。4.初選換熱器的規(guī)格5.校核 （1）核算換熱器的傳熱能力及傳熱面積，要求設計裕度不小于10%，不大于20%。 （2）核算管程和殼程的流體阻力損失。如果不符合上述要求重新進行以上計算。5

9、.將換熱器主要結構尺寸和計算結果列表。6.總結設計過程，繪制列管式換熱器設計流程圖。四、設計要求1.說明書采用統(tǒng)一封面和紙張；2.方案和流程的選擇要闡明理由；3設計過程思路清晰，內容完全；五、設計成果1.設計說明書（A4紙，不少于20頁） （1）內容包括封面、摘要、目錄及頁碼、任務書、正文、小結、參考文獻、附錄或符號說明。 （2）格式必須嚴格按照蘭州交通大學畢業(yè)設計要求打印。2. 變換氣水冷立式列管換熱器裝配圖（A1圖紙手繪）六、設計考核1.設計是否獨立完成，是否存在抄襲行為；2.設計說明書的編寫是否規(guī)范；3.結構尺寸計算與圖紙是否規(guī)范和正確；4.答辯七、參考資料1.化工原理及設備課程設計李芳

10、 化學工業(yè)出版社2.化工原理譚天恩（第四版） 化學工業(yè)出版社3. 化工原理課程設計賈紹義 天津大學出版社1.1變換器水冷器設計1.1.1確定設計方案（1） 選擇換熱器的類型 由設計任務確定選擇固定管板式換熱器。（2）流程安排 壓力高的流體流經(jīng)管內，因為管直徑小，承受高壓能力好，同時避免了采用高壓外殼和高壓密封。選擇熱流體走管程。1.1.2確定物性數(shù)據(jù) 冷流體定性溫度37，熱流體定性溫度51.5，定性溫度下的冷、熱流體的物性數(shù)據(jù)見下表：密度（kg/m3）黏度(mPas)比熱容(kJ/kg)導熱系數(shù)（W/(m)）變換氣12.830.01582.4950.0806冷卻水9930.7184.1780.

11、6221.1.3估算傳熱面積（1） 熱流量 (2)平均傳熱溫差（3） 計算傳熱面積。假設則，則 （4） 冷卻水用量 1.1.4 工藝結構尺寸（1） 換熱管管徑和管內流速選用25mm2.5mm較高級冷拔傳熱管（不銹鋼），取管內流速ui=5m/s。（2） 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 按單程管計算，所需的傳熱管長度為 長度合適可以按照單管城計算。（3） 換熱管排列采用正三角形排列法，根據(jù)換熱管直徑查表可知管中心距為32mm。（4） 殼體內徑 按單管程結構，殼體內徑按如下圖確定。參考卷制殼體的公稱直徑，可取D=1300mm。(5) 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內經(jīng)的22%，則切去的圓缺高度為

12、260mm；取折流板間距B=350mm。（6） 接管直徑計算 取殼程流體進出口接管按圓整后取接管公稱直徑為250mm。取u2=13m/s,則按圓整后接管公稱直徑為450mm。1.1.5 換熱器核算 （1）熱流量核算管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變換氣被冷卻，n取0.3，管程流通面積故殼程表面換熱系數(shù)殼程當量直徑de和流速u0為 注：粘度校正系數(shù)為1。污垢熱阻和管壁熱阻 查表選取污垢熱阻 Rd0=0.0008598。式中 Tm熱流體的平均溫度； tm冷流體的平均溫度管材料選用不銹鋼304，然后查表，利用內插法得到。傳熱系數(shù)K計算 得傳熱面積裕度實際傳熱面積10%14.5%20% ，所以在合理范圍內（2） 換熱

13、器內流體阻力核算管程流體阻力 Ns=1, Np=1, Ft= 1.4,由Re=85774.2查得絕對粗糙度為0.1，傳熱管相對粗糙度，查莫迪圖i=0.03。則則， 管程流動阻力在允許范圍內。殼程阻力Ns =1 Ft =1.15，流體流經(jīng)管束的阻力其中，F(xiàn)= 0.5，則流體通過折流板缺口的阻力總阻力，殼程阻力也較適宜。2.1換熱器主要尺寸和計算結果。換熱器主要尺寸和計算結果參數(shù)管程（熱流體）殼程（冷流體） 流量95780154433 平均相對分子質量18 溫度（進口/出口）/65/3832/42 壓力/MPa1.40.3物性定性溫度/密度/12.83993定壓比熱容/2.4954.178粘度/1

14、.5810-57.1810-5熱導率/0.08060.622普朗特數(shù)設備結構參數(shù)形式固定管板式臺數(shù)1殼體內徑/mm1300殼程數(shù)1管長/mm4550管心距/mm32管徑/mm252.5管子排列三角形管數(shù)目/根1321折流板數(shù)/個12傳熱面積/m2471.8折流板間距/m0.35管程數(shù)1材質 流速/5.050.434 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/639.43300 污垢熱阻/0.00017190.0008598 阻力236417968 熱流量1792.28 傳熱溫差/12.65 傳熱系數(shù)/351.1 裕度/%14.5%3.1流程圖確定設計方案根據(jù)物性數(shù)據(jù)，估算傳熱面積 確定結構尺寸10%裕度20%pi50kP

15、ap050kPa 換熱器核算 換熱器符合要求結束 參考文獻1 王元文.管殼式換熱器的優(yōu)化設計J.廣東化工,2005,3:43-44.2 董寶春. 管殼式換熱器的工藝設計J.甘肅石油和化工,2009,9(3):34-38.3 解小鑾.管殼式換熱器設計的幾個問題J.石油和化工設備,2011,11:22-24.4 中國石化集團上海工程有限公司 化工工藝設計手冊(第三版)上冊 M 北京:化學工業(yè)出版社,2003,264-331.5 劉巍 等 冷換設備工藝計算手冊(第二版)M 北京:中國石化出版社,2008.6 陸恩錫,張慧娟.化工過程模擬原理與應用 M 北京:化學工業(yè)出版設,2011.37 JB/T4

16、715-92,固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)S.8 JB/T4714-92,浮頭式換熱器型式與基本參數(shù)S.9 JB/T4717-92,U 型管式換熱器型式與基本參數(shù)S.10 王新,張湘鳳.管殼式換熱器的設計計算J.小氮肥設計技術,2006,27(2):6-8.11 夏清,陳常貴等.化工原理上冊 M 天津:天津大學出版社,2005.12 錢頌文,廖景娛等譯 換熱器設計手冊 M 北京:中國石化出版社,2004.13 祁玉紅.三種換熱器的比較 J.青海大學學報(自然科學版),2006,24(6).14 董其伍,劉敏珊,蘇立建.管殼式換熱器的研究進展 J.化工設備與管道,2006,43(6).15 秦叔經(jīng),葉文邦等.換熱器M. 北京:化學工業(yè)出版社,2003.附 錄熱流體質量流量，； 冷流體質量流量，；體積流量，； 熱流體定壓比熱容，；冷流體定壓比熱容，；熱流體進出口溫差，；熱負荷，； 熱損失；對數(shù)平均傳熱溫差，； 平均傳熱溫差，；P、R因數(shù)； 溫度校正系數(shù)；K總傳熱系數(shù)，； 估算傳熱面積，；傳熱面積，； 管徑，mm；管內徑，mm 管外徑，mm；管內流