精品年处理量为26万吨花生油换热器的设计毕业论文说明书.docx

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精品年处理量为26万吨花生油换热器的设计毕业论文说明书

吉林化工学院

食品工程原理课程设计

题目年处理量为26万吨花生油换热器的设计

教学院环境与生物工程学院

专业班级食品科学与工程1102

目录

食品工程原理课程设计任务书..........................................1

中文摘要..................................................................3

1.概述与设计方案的选择...................................................4

1.1概述..................................................................4

1.1.1.换热器...........................................................4

1.1.2换热器类型........................................................4

1.1.2.1固定管板式换热器..........................................5

1.1.2.2浮头式换热器..............................................5

1.1.2.3U型管换热器..............................................6

1.1.2.4填料函式换热器............................................6

1.1.3流动空间的选择....................................................7

1.1.4流速的确定........................................................7

1.1.5材质的选择........................................................7

1.1.6管程结构..........................................................8

1.1.7壳程结构.........................................................9

1.2设计方案的选择........................................................10

1.2.1选择换热器的类型..................................................10

1.2.2流动空间及流速的确定..............................................10

2.工艺设计计算.............................................................11

2.1确定物性数据...........................................................11

2.2热负荷及传热面积的确定.................................................11

2.2.1热流量...........................................................11

2.2.2平均传热温差.....................................................11

2.2.3传热面积.........................................................11

2.3换热器主要结构尺寸的确定...............................................12

2.3.1管径和管内流速....................................................12

2.3.2管程数和传热管数..................................................12

2.3.3平均传热温差校正及壳程数..........................................13

2.3.4传热管排列和分程方法..............................................13

2.3.5壳体直径..........................................................13

2.3.6折流板............................................................14

2.3.7接管..............................................................14

2.4换热器核算..............................................................14

2.4.1传热面积校核......................................................14

2.4.2换热器内压降的核算................................................16

3.设计结果汇总表...........................................................18

讨论.......................................................................19

结束语......................................................................21

参考文献...................................................................22

附录........................................................................23

食品工程原理课程设计任务书

1设计题目年处理量为　26　　万吨花生油换热器的设计

2操作条件

（1）花生油：

入口温度100℃，出口温度45℃。

（2）冷却介质：

采用循环水，入口温度15℃，出口温度35℃；井水，入口压强0.3MPa。

（3）每年按330天计，每天24小时连续生产。

（4）花生油定性温度下的物性数据

（5）允许压强降：

不大于30kPa。

（6）换热器热损失：

以总传热量的5%计。

（7）油侧污垢热阻0.000176m2·KW，水侧污垢热阻0.00026m2·KW。

3设计任务

（1）选择适宜的列管式换热器并进行核算。

（2）工艺设计计算

包括选择适宜的换热器并进行核算，主要包括物料衡算和热量衡算、热负荷及传热面积的确定、换热器主要尺寸的确定、总传热系数的校核等。

（注明公式及数据来源）

（3）结构设计计算

选择适宜的结构方案，进行必要的结构设计计算。

主要包括管程和壳程分程、换热管尺寸确定、换热管的布置、折流板的设置等。

（注明公式及数据来源）

（4）绘制工艺流程图

绘制设备工艺条件图一张或设备装配示意图（2号图纸）；CAD绘制。

（5）编写设计说明书

设计说明书的撰写应符合规范与要求。

4参考书

（1）贾绍义，柴诚敬.《化工原理课程设计》，天津大学出版社；

（2）陈敏恒，丛德滋等.《化工原理》上册，化学工业出版社出版；

（3）匡国柱.史启才.《化工单元过程及设备课程设计》；

（4）《化工设计全书》编辑委员会.金国淼等编.《吸收设备》化学工业出版社；

（5）李云飞，葛克山.《食品工程原理》，中国农业大学出版社；

（6）其它参考书。

食品工程教研室

2011年5月

中文摘要

本次课设题目是为年处理量为26万吨花生油换热器的设计。

衡量一台换热器好的标准是传热效率高、流体阻力小、强度足够、结构合理、节省材料、成本低、制造、安装、检修方便、节省材料和空间、节省动力。

由于本次设计需要用冷却介质--循环水与花生油进行换热，进出口温差又较大，因此初步决定选带膨胀节固定管板式换热器。

由于花生油较水有腐蚀性，而管子及管箱用耐腐蚀材料造价低,故应使冷却水走管程，花生油走壳程。

根据公式计算总传热系数和传热面积。

其中包括热流量，平均传热温差，加热水用量及总传热系数的计算。

接着，确定工艺结构尺寸。

包括管径和管内流速，管程数和传热管数，平均传热温差校正及壳程数，传热管排列和分程方法，壳体直径，折流板和接管的确定。

在这之后，就要进行换热器的核算。

包括传热面积校核，换热器内压降的核算。

关键词：

换热器花生油固定板管式

1概述与设计方案的选择

1.1概述

1.1.1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。

1.1.2换热器的类型

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。

（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。

1.1.2.1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。

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。

1.1.2.2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。

1.1.2.3U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。

1.1.2.4填料函式换热器

填料函式换热器的结构如图1-4所示。

其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。

管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。

填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。

缺点：

填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。

1.1.3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：

　　①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。

　　②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。

　　③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。

1.1.4流速的确定

表1-1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，ms

1.0-2.0

0.8-1.5

0.5-3

>1.0

0.8-1.8

0.5-1.5

5-30

壳程流速，ms

0.5-1.5

0.5-1.5

0.2-1.5

>0.5

0.4-1.0

0.3-0.8

2-15

1.1.5材质的选择

一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。

a碳钢

价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。

如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。

b不锈钢

奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。

1.1.6管程结构

介质流经传热管内的通道部分称为管程。

a换热管布置和排列问距

常用换热管规格有ф19×2mm、ф25×2mm、ф25×2.5mm。

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。

图1-5（a）正方形直列图1-5（b）正方形错列图1-5（c）三角形直列 

图1-5（d）三角形错列 图1-5（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。

b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。

1.1.7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。

a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400mm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；

η——管板利用率。

正角形排列：

2管程η=0.7～0.85

>4管程η=0.6～0.8

正方形排列：

2管程η=0.55～0.7

>4管程η=0.45～0.65

壳体内径D的计算值最终应圆整到标准值。

b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20％~50％。

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15或者不小于50mm，最大值决定于支持管所必要的最大间隔。

c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。

1.2设计方案简介

1.2.1选择换热器的类型

因为我们要加热的材料是花生油，流体压力不大，管程与壳层温度差较大，并考虑易清洗性，所以初步确定选用固定管板式换热器。

1.2.2流体流动空间及流速的确定

因为本次所要处理的花生油与冷却水的进出口温差都大于50°C，所以需要焊接膨胀节。

由于花生油较水有腐蚀性，而管子及管箱用耐腐蚀材料造价低,故应使冷却水走管程，花生油走壳程。

考虑到要进行加热的是花生油，所以选用不锈钢材质的管。

综上所述，选用带膨胀节的固定管板式换热器，选用φ25mm×2.5mm的不锈钢管，管内流速取u=1.0ms.

2工艺及设备设计计算

2.1确定物性数据

定性温度：

可取流体进口温度的平均值

壳程花生油的定性温度为：

℃

管程循环水的定性温度为：

t=℃

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据

花生油在72.5℃下的有关物性数据冷却水在25℃下的有关物性数据

密度密度=996.95kg

定压比热容=2.22kJ（kg·℃）定压比热容=4.18kJ（kg·℃）

导热系数=0.41W（m·℃）导热系数=0.6078W（m·℃）

黏度=0.000715Pa·s黏度=0.000903Pa·s

2.2热负荷及传热面积的确定

2.2.1热流量

由《化工原理课程设计指导》查得

且换热器热损失以总热量的5%记可得

2.2.2平均传热温差

先按照纯逆流计算，由《食品工程原理》六十一页查得

2.2.3传热面积

（1）管程传热系数

由《食品工程原理》四十一页查得

（2）壳程传热系数

由《食品工程原理》四十页得

假设壳程的传热系数是

污垢热阻（℃）（℃）

管壁的导热系数（℃）

由《食品工程原理》查得

W（·℃）

考虑15%的面积裕度S=1.15×S′=1.15×60.44=69.506（）

2.3换热器主要结构尺寸的确定

2.3.1管径和管内流速

选用φ25mm×2.5mm的不锈钢管，管内流速取=1.0ms。

2.3.2管程数和传热管数

冷却水用量

由任晓光《化工原理课程设计指导》二十页得：

依据传热管内径和流速确定单程传热管数

==

按单管程计算，所需的传热管长度为：

L==

按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。

现取非标准传热管长=9m，则该换热器的管程数为:

N=（管程）

传热管总根数为：

N=

2.3.3平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数

由《食品工程原理》六十一页查得

R=

P=

按单壳程，二管程结构，《食品工程原理》六十二页温度校正系数查表得：

=0.91

由《食品工程原理》公式2-59得：

平均传热温差=℃

2.3.4传热管排列和分程方法

采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。

由任晓光《化工原理课程设计指导》二十二页查得：

取管心距t=1.25（焊接法），则t=1.2525=31.25mm≈32（mm）

横过管束中心线的管数

2.3.5壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为：

D=1.05t=1.0532

圆整可取D=500mm

2.3.6折流板数

采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25％，则切去的圆缺高度为：

），故可取h=150mm。

取折流板间距B=0.3D,则B=0.3500=150（mm），可取B为200mm。

折流板数N=-1=-1=44（块）

折流板圆缺面水平装配。

2.3.7接管

壳程流体进出口接管:

取接管内流速为u=1.0ms,则接管内径为：

取标准管径为140mm。

管程流体进出口接管:

取接管内流速为u=1.0ms,则接管内径为：

（m）

取标准管径为120mm

2.4换热器核算

2.4.1传热面积校核

（1）壳程对流传热系数对圆缺形折流板,可采用克恩公式：

由王