化工单元操作课程设计.doc

课程设计说明书题目名称： 列管式换热器设计 系 部： 化学与环境工程系 专业班级： 石化12-7（2）班 学生姓名： 张剑锋 学 号： 2012230854 指导教师： 周 肖 完成日期： 2014.1.14 新疆工程学院课程设计评定意见设计题目 列管式换热器设计 系 部 化学与环境工程系 专业班级 石化12-7（2）班 学生姓名 张剑锋 学生学号 2012230854 评定意见：评定成绩： 指导教师（签名）： 年 月 日（此页背书）评定意见参考提纲：1、学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。2、学生的勤勉态度。3、设计或说明书的优缺点，包括：学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。新疆工程学院 化学与环境工程 系(部)课程设计任务书专业石油化工生产技术班级12-7（2）课程名称化工单元操作课程设计设计题目列管式换热器设计指导教师 周肖起止时间14.1.13-14.1.19周数1周设计地点化工系机房设计目的： 化工单元操作作为本专业的专业基础课，其课程设计是煤化专业学生对专业课综合学习与运用的基础，为学生今后进行毕业设计工作奠定基础，是煤化工专业技术人员必要的基础训练。设计任务或主要技术指标：1.已知条件（1）处理能力：15000 kg/h的煤油（2）油品：入口温度145oC，出口温度40 oC（3）冷却介质：循环水，入口温度25 oC，出口温度40 oC（4）允许压强降：不大于30kPa（5）油在定性温度下的物性参数数据：密度为810kg/m3,粘度为0.91×10-3Pas,比热容为2.30kJ/(kg oC),导热系数为0.13W/(m oC)2.合理的参数选择和结构设计3.传热计算和压降计算：设计计算和校核计算设计进度与要求：1.13 查资料整理思路1.14-1.16 根据设计任务进行工艺计算1.17 整理数据并编辑成电子档1.18-1.19 设计答辩主要参考书及参考资料：贾绍义，柴诚敬. 化工原理课程设计. 天津大学出版社，2003年.陆美娟,张浩勤. 化工原理 . 高等教育出版社，2012年.2013-2014学年 上 学期 2014 年 1月10 日教研室主任（签名） 系（部）主任（签名） 摘 要 换热器英语翻译heat exchanger是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备又称热交换器换热器是化工石油动力食品及其它许多工业部门的通用设备在生产中占有重要地位在化工生产中换热器可作为加热器冷却器冷凝器蒸发器和再沸器等应用更加广泛换热器种类很多但根据冷热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即间壁式混合式和蓄热式在三类换热器中间壁式换热器应用最多 关键词：传热系数，压降，传热面积，列管换热器目录1.概述11.1 换热器11.2 换热器的选择11.2.1固定管板式换热器21.2.2.浮头式换热器21.2.3 U型管换热器31.3 流动空间的选择31.4 流速的确定41.5 管程结构41.6 壳程结构52.设计题目73.确定设计方案73.1 初选换热器的型号规格73.2 选定流体的流动空间74.估算换热面积84.1计算热负荷84.3计算逆流温度差85.计算值86. 换热器核算96.1 管程传热系数和压降核算96.2壳程传热系数和压降核算107.计算传热面积118. 结束语111. 概述1.1 换热器在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器，但它的基本原理与上述情形并无本质上的差别。在食品、化工、石油、动力、制冷等行业中广泛使用各种换热器，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要地位。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。1.2 换热器的选择换热器的种类很多，根据其热量传递的方法的不同，可以分为3种形式：坚壁式、直接接触式和蓄热式。列管式换热器的应用已有很悠久的历史，现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在石油、化工、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。虽然列管式换热器在传热效率、紧凑性和金属耗量等方面不及某些新型换热器，但它具有结构简单、坚固耐用、适应性强、制造材料广泛等独特的优点，因而在换热设备中仍处于主导地位。同时板式换热器也已成为高效、紧凑的换热设备，大量应用于工业中。列管换热器主要特点：(1) 耐腐蚀性：聚丙烯具有优良的耐化学品性，对于无机化合物，不论酸，碱、盐溶液，除强氧化性物料外，几乎直到100都对其无破坏作用，对几乎所有溶剂在室温下均不溶解，一般烷、径、醇、酚、醛、酮类等介质上均可使用。(2) 耐温性：聚丙烯塑料熔点为164-174，一般使用温度可达110-125。(3) 无毒性：不结垢，不污染介质，也可用于食品工业。(4) 重量轻：对设备安装维修极为方便。列管式换热器主要分为以下四种：固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器 。1.2.1固定管板式换热器结构特点：两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构的壳侧清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，会使管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。适用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。固定管板式换热器1封头；2法兰；3排气口；4壳体；5换热管；6波形膨胀节；7折流板（或支持板）；8防冲板；9壳程接管；10管板；11管程接管；12隔板；13封头；14管箱；15排液口；16定距管；17拉杆；18支座；19垫片；20、21螺栓、螺母 1.2.2.浮头式换热器结构特点：两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是当换热管与壳体间有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。缺点：结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。适用于管壁间温差较大或易于腐蚀和易于结垢的场合。浮头式换热器1防冲板；2折流板；3浮头管板；4钩圈；5支耳1.2.3 U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。缺点：管内清洗困难；由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束内程管间距大，壳程易短路；内程管子损坏不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。 U形管式换热器1中间挡板；2U形换热管；3排气口；4防冲板；5分程隔板1.3 流动空间的选择 在管壳式换热器的计算中，首先需决定何种流体走管程，何种流体走壳程，这需遵循一些一般原则： 应尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。 在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置， 应尽量减少其冷量损失。 管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。 所以在具体设计时应综合考虑，决定哪一种流体走管程，哪一种流体走壳程。 1.4 流速的确定 表2-2 换热器常用流速的范围介质流速循环水新鲜水一般液体易结垢液体低粘度油高粘度油气体管程流速，m/s1.0-2.00.8-1.50.5-3>1.00.8-1.80.5-1.55-30壳程流速，m/s0.5-1.50.5-1.50.2-1.5>0.50.4-1.00.3-0.82-151.5 管程结构介质流经传热管内的通道部分称为管程。 1.5.1换热管布置和排列问距 常用换热管规格有19×2 mm、25×2 mm、25×2.5 mm。标准管子的长度常用的有1500mm，2000mm，3000mm，6000mm等。当选用其他尺寸的管长时，应根据管长的规格，合理裁用，避免材料的浪费。 换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如下图所示。 (a) 正方形直列     （b）正方形错列    (c) 三角形直列  （d）三角形错列  （e）同心圆排列正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。 对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。 1.5.2 管板 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。 管板与管子的连接可胀接或焊接。1.6 壳程结构介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。 壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程内对各种元件的设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类：一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板，如折流板、纵向挡板。旁路挡板等；另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。 1.6.1 壳体 壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进人和排出之用。直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，大于400mrn的可用钢板卷焊而成。壳体材料根据工作温度选择，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。 介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。用两个换热器串联也可得到同样的效果。为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。 壳体内径D取决于传热管数N、排列方式和管心距t。计算式如下： 单管程 式中 t管心距，mm； d0换热管外径，mm； nc横过管束中心线的管数，该值与管子排列方式有关。 正三角形排列： 正方形排列： 多管程 式中 N排列管子数目； 管板利用率。 正角形排列：2管程 =0.70.85 >4管程 =0.60.8 正方形排列：2管程 =0.550.7 >4管程 =0.450.65壳体内径D的计算值最终应圆整到标准值。 1.6.2 折流板 在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。 折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。 圆缺形折流板又称弓形折流板，是常用的折流板，有水平圆缺和垂直圆缺两种。切缺率(切掉圆弧的高度与壳内径之比)通常为2050。垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器等。垂直圆缺时，不凝气不能在折流板顶部积存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部积存。弓形折流板有单弓形和双弓形，双弓形折流板多用于大直径的换热器中。 折流板的间隔，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50 mm，最大值决定于支持管所必要的最大间隔。 1.6.3 壳程接管 壳程流体进出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。当加热蒸汽或高速流体流入壳程时，对换热管会造成很大的冲刷，所以常将壳程接管在入口处加以扩大，即将接管做成喇叭形，以起缓冲的作用；或者在换热器进口处设置挡板。 2.设计题目欲用井水将15000 kg/h的煤油从145 冷却到40 ，冷水进出口温度分别为25和40 ，要求通过管程与壳程的压力降不大于30kPa. 试选用一台适当型号的列管式换热器。物料比热 kJ/kg. oC 密 度 kg/m3 导热系数 W/m.oC 粘度 Pa.s 煤油2.38100.130.91×10-3水4.1879940.6260.727×10-33.确定设计方案3.1 初选换热器的型号规格 两流体温度变化情况：热流体入口温度为145，出口温度变为40。设流体入口温度为25，出口温度为40。 两流体的定性温度如下：煤油的定性温变：水的定性温变：两流体的温度差变为：因为60>50所有选择浮头式换热器3.2 选定流体的流动空间 由于煤油粘度比水大，井水硬度高，受热易结垢，因此井水走管程，煤油走壳程。另外，这种选择可以使煤油通过壳体壁面向空气散热提高冷却效果，同时，在此选逆流4.估算换热面积4.1计算热负荷 4.2计算冷却水用量 kg/h4.3计算逆流温度差 逆流平均温度差： 5.计算值 查表得：=0.82则 初步估计传热系数W(·则由于两流体温差较大，同时为了便于清洗。参照附录的换热气系列标准，初步选定BES-600-1.6-90-6/25-4I型浮头式内导流换热器。外壳直径D/mm600管程数4公称面积/90管数188公称压强/MPa1.6管子排列方式正方形错列管子尺寸/mm25×2.5管中心距/mm32管长/m6计算换热面积/86.96. 换热器核算6.1 管程传热系数和压降核算 管程流通面积核算： 管内煤油流速： 雷诺数的计算： 传热系数的计算 管程柴油被冷却： 管程压降： 取管壁粗糙度为=0.15mm，查表可知摩擦系数： =0.034 则计算得管程压降3625.56Pa<30kPa满足要求。6.2壳程传热系数和压降核算 选用缺口高度为25%的弓型挡板取折流板间距h为300mm。故折流挡板数目：壳程流道面积：壳程中水的流速：正方形排列的当量直径为：管程中水的传热系数壳程中水被加热，取壳程压降：计算得壳程压降10235Pa<30kPa满足要求。7.计算传热面积 传热系数： 取 忽略管壁热阻，则则与原估值相符，由表得该型换热器面积为86.9 故：即传热面有14%的裕度。核算表明所选用换热器的规格是可用的。8. 结束语经过了为期三个星期的课程设计，今天终于基本完成了，期间参考了网上相关资料，上届师兄师姐的课程设计论文，以及查阅了相关设计工艺图，这期间最大的感受，就是做好课程设计，不仅要细心，更要有耐心，而且富有责任心。细心能避免自己因错误，而需要大量重新计算，浪费精力和时间。耐心就是得坚持做下去，一步一步做下去，虽然还有好些问题不大懂，理解不透，但是自己坚持下来了，就是最大的胜利而在课程设计期间，我们也学了很多东西，这也为我们以后毕业设计打下基础。在设计中，对于其中过程的步骤该如何进行的考虑，锻炼我们处理事情的能力。同时在这次设计，我也学到了做事情要一步一个脚印，细心处理每个数据，这样才可以顺利地完成设计。 作为一名石油专业的学生，希望多学点这方面的知识，或许设计方面不是很在行，但原理，设计方向有一定的认识对将来还是比较好的。 总之，通过这次课程设计，自己还是有收获的，希望自己以后做任何事都要有这态度. 参考文献1、推荐教材ISBN 978-7-5618-1632-5 贾绍义， 柴诚敬. 化工原理课程设计,天津， 天津大学出版社，2003年。2、教学参考书ISBN 978-7-122-14791-2陆美娟,张浩勤. 化工原理 , 第三版，北京，化学工业出版社，2012年。