环工原理课程设计完整版.docx

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环工原理课程设计完整版课程设计课程名称：

环境工程原理课程设计设计题目：

烟气回收废热换热器的设计学院：

环境科学与工程学院专业：

环境工程年级：

2008级学生姓名：

指导教师：

日期：

教务处制摘要在大型工厂生产过程当中，烟气中的余热回收利用有着重要的意义，通过一组列管式换热器可将烟气中的余热进行回收利用，以达到环保和经济的两重效益。

本次设计严格按照查阅文献和标准、反复计算和验算、各类校核、结构选型、结果讨论等设计工序的一般步骤进行，最终以确定设计的列管式换热器中的浮头式换热器可作为该烟气的换热设备。

关键词：

烟气换热器列管式浮头式AbstractInthelarge-scalefactoryproductionprocess,fluegasheatrecoveryissignificant,byagroupoftubularheatexchangerinthefluegaswasteheatcanberecycledinordertoachievethedoubleenvironmentalandeconomicbenefits.Theliteraturereviewandinstrictaccordancewithdesignstandards,repeatedcalculationandchecking,allkindsofchecking,structure,selection,andsothedesignprocesstodiscusstheresultsofthegeneralsteps,inordertodeterminethefinaldesignofthetubeheatexchangerinthefloatingheadforThegasheatercanbeusedastheheattransferequipment.Keywords:

fluegas、heat、exchangerandtube、floatinghead课程设计任务书环境科学与工程学院学院环境工程专业2008级学生姓名：

课程设计题目：

烟气回收废热换热器的设计课程设计主要内容：

一、设计任务设计一个列管式换热器，用于回收烟气中余热，完成换热器的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制换热系统的工艺流程图和换热器装置图，编写设计说明书。

二、设计条件1、气体混合物成分：

近似空气；2.设计处理量Q：

100000Nm3/h；3.热物料（废气）温度℃:

（1）换热器入口温度t1:

425

（2）换热器出口温度t2:

1804.冷物料（空气）温度℃:

（1）换热器入口温度θ1:

55

（2）换热器出口温度θ2:

200～250.（换热器出口温度θ2为参考值）（3）冷物料流量L:

100000Nm3/h.5.气体特性参数

（1）平均比热容cp1.35kJ/（kg•K）,

（2）给热系数α:

0.05kW/（m2•K）;6.操作压力（表）P:

0kPa;7.其余条件:

自定。

但需简述理由或依据。

8.工作日：

每年300天，每天24小时计9.厂址：

昆明某地区三、设计内容1.选择换热器类型及流体流程；2.计算换热器的热负荷；3.换热器换热面积及结构尺寸计算；4.传热系数计算及传热面积校核；5.换热器管程、壳程接管尺寸计算；6.附属设备设计或选择，压降核算；7.绘制生产工艺流程图（2号图纸）；8.绘制换热器装置图（1号图纸）；9.对设计过程的评述和有关问题讨论。

设计指导教师（签字）：

教学基层组织负责人（签字）：

年月日目录1.总论72.技术方案的比选82.1换热器类型的选择82.2流体流程83.工艺流程的确定94.主体设备的设计94.1换热器结构设计计算94.1.1物料物性参数的选取94.1.2换热器换热面积的估算104.1.3换热器结构的设计计算114.2换热器结构设计的核算134.2.1传热能力核算134.2.2管壁热阻和污垢热阻154.2.3总传热系数K0154.3设备选型185.附属设备的选型195.1拉杆195.2防冲板205.3管箱205.4浮头法兰和钩圈215.5壳体法兰225.6浮头管板225.7分程隔板225.8圆筒壳体236.设计结果与讨论236.1设计结果236.2结果讨论247.收获体会258.致谢269.参考文献261.总论换热器是在具有不同的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。

在工业生产中，换热器的主要作用是使热量较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要。

换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、航空及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。

在化工厂中，换热器的投资约占总投资的10%—20%；在炼油厂中，该项投资约占总投资的35%—40%。

目前，在换热器中，应用最多的是列管式换热器，列管式换热器在换热设备中占据主导地位，其优点是单位体积所具有的传热面积大，结构紧凑，坚固耐用，传热效果好，而且能用多种材料制造，因此适应性强，尤其在高温高压和大型装置中，多采用列管式换热器。

工厂里所排出的烟气（废气），通常都伴随着较高的温度，这些不经过处理以后排出的高温气体不仅会对大气环境造成污染，而其也造成了大量的能源浪费。

假如将废气中的余热加以回收利用，不但可以节约经济成本、减少能源的浪费，还可以减轻对环境的污染。

为此，本课程设计以设计一个列管式换热器用于冷却工厂里排出的高温烟气，设计处理量为;100000Nm3/h,欲将热物料（高温烟气）的温度从425℃降至180℃，冷物料（空气）的温度从55℃升温至200—250℃左右，经过降温后的烟气经下一步处理，检验达标以后直接排入大气；升温以后的空气可以经过管道输送用于工厂整个工艺流程的其他需要加温、助燃、干燥等环节。

从而达到合理的经济和环境效益。

在该换热器的设计过程当中在指导老师的指导下，参考了大量的文献以及标准手册，也经过了多次的校核。

但始终难免有疏漏之处，敬请读者加以指证，以便改之。

2.技术方案的比选2.1换热器类型的选择总的来说换热器分管式和板式两大类。

管式换热器又分为蛇管式换热器、套管式换热器、列管式换热器等；板式换热器分为夹套式换热器和平板式换热器等。

以该烟气的物性特点（包括温度、操作压力、流量、流速、密度、粘度等）以及烟气中所含物质的特性与每种换热器进行匹配，再通过技术方案对比和经济核算。

最终确定为用列管式换热器作为该种烟气的余热回收装置，该种换热器传热面积大，结构紧凑，坚固耐用，传热效果好，而且能用多种材料制造。

2.2流体流程低温空气（冷物料）高温烟气（热物料）列管式换热器低温烟气高温空气3.工艺流程的确定生产工艺流程详见附图一4.主体设备的设计4.1换热器结构设计计算4.1.1物料物性参数的选取由课程设计任务书可知：

（1）热物料（废气）的进口温度为425，出口温度为180。

（2）组成类似于空气。

因此，废气的平均温度可视为t＝在此温度下，废气的物性参数为：

（1）平均比热容Cp＝1.35kJ/（kg）

（2）粘度μ＝2.97×10－5Pas（3）导热系数λ＝4.605×10－2W/（m）（4）密度ρ＝0.615kg/m3冷物料（空气）的出口温度需要经过计算，因此，选200-250的中间温度225℃时的物性参数。

在该条件下，空气的物性参数为：

（1）平均比热容Cp＝1.013kJ/（kg）

（2）粘度μ＝2.37×10－5Pas（3）导热系数λ＝3.489×10－2W/（m）（4）密度ρ＝0.854kg/m34.1.2换热器换热面积的估算

（1）冷物料（空气）出口温度的计算废气质量流量：

热负荷：

空气质量流量：

根据能量守恒与转换定律，可建立热平衡关系式：

Q1＝Q2，即有：

5.65×106＝85400×1.013×103×（t2－55）空气的出口温度为：

这样，冷热物料的进出口温度T、t和平均温度Δtm为：

（2）换热器换热面积的计算设换热器为单壳程，单管程，经查资料知，空气的传热系数K在10～30之间，这里暂取K＝22根据传热方程，Q＝A×K×Δtm由此可以计算出总换热面积A：

考虑到设备制造、安装、维护、成本等因素，根据实践经验和参考文献，采取“三器并联”方式布局，则每个换热器的面积：

4.1.3换热器结构的设计计算

（1）.管径和管内流速每个换热器废气体积流量为：

。

考虑到废气的体积流量较大，因此，可选择较大管径的管子。

根据有关文献，可选用管径为252.5mm的碳钢管子。

通常，气体管程流速一般为5～30m/s。

此处则取：

管内废气流速为u＝14.6m/s

（2）.传热管数和管长根据有关文献，传热管数ns可按下式计算：

ns＝＝2023根即：

传热管数为2023根若按单管程考虑，则所需传热管长度为：

取整，管长L＝4m（3）.传热管排列方式由于传热管数较多，按照有关文献提供的经验，应采用正三角形排列。

管心距t＝1.25d0＝1.2525＝31.25mm取整，则管心距为t＝32mm根据传热管根数以及相关标准手册查得：

横过管数中心线的管数为49根。

（4）.换热器壳体内径根据有关文献，换热器内径可用下式计算：

D＝t（nc－1）＋d0＋ee的范围取（25~76）＝32×（49－1）＋25＋39＝1600mm根据换热器标准系列，取换热器壳体直径D＝1600mm（5）.折流板根据有关文献，采用弓形折流管，切去的圆缺高度h为：

h＝0.3D＝0.31600＝480mm折流板间距B应介于（0.2～1）D之间，取B＝0.8D＝0.81600＝1280mm折流板数NB为：

取NB＝2块，厚度取20mm。

（6）.换热器壳程流体进出口接管的计算取管内废气流速＝20m/s，则接管内径为管程流体进出口接管：

若管内流速＝30m/s，则接管内径为圆整后，取换热器壳程空气进出口接管规格为：

80010取换热器管程废气进出口接管规格为：

4.2换热器结构设计的核算4.2.1传热能力核算换热器壳程流体（空气）传热膜系数α0可用克恩法计算：

选三角形排列时，当量直径de为：

换热器壳程流通截面积S0为：

换热器壳程流体流速u0为：

Reynolds准数：

管内传热膜系数α1为：

管程流体流通截面积Si为：

管程流体流速uiReynolds准数：

Prandtl准数：

管内传热膜系数α1为：

4.2.2管壁热阻和污垢热阻由于管内的气体组成类似于空气，管外的气体为空气，因此，管内污垢热阻和管外污垢热阻均取为：

3.44管壁热阻，碳钢在该条件下的导热系数50w/m4.2.3总传热系数K0根据有关文献，总传热系数K0可用下式计算：

即：

总传热系数K0为27.4W/（m2·0C）（4）.传热面积裕度单台换热器传热面积A可用下式计算：

而该换热器实际所需的传热面积A0为：

则：

该换热器的传热面积裕度F为：

总传热系数的裕度F’为：

F’＝两者的值均在（0.15～0.25）的范围内，因此，符合一般要求。

（5）.壁温核算和换热器类型选择因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按下式计算：

式中：

传热管平均壁温：

壳体壁温，近似取壳程流体的平均温度：

T＝302.5壳体壁温与传热管壁温之差为：

该温差较大，需温度补偿装置，因此，可选浮头式换热器。

（6）.流动阻力核算管程流体阻力取d＝20mm，查有关资料的图可得：

则导热系数＝0.039.流速u＝14.58m/s，密度＝0.615kg/m3，所以壳程流动阻力，其中，＝1，＝1;代入式子得：

所以：

由上可见总阻力损失：

＝8431.6+988.4＝9420Pa＝9.42kPa总阻力损失小于10kPa，能满足一般要求。

4.3设备选型根据上述设计计算结果，本次设计所选用换热器的类型及主要结构尺寸见表一：

表一换热器主体结构尺寸型式浮头式数量3台壳体内径1600mm壳程数1管径252.5管心距32mm管长4m管子排列管数目（根）2023折流板数2传热面积635折流板距1280mm管程数1材质碳钢5.附属设备的选型以上已经得出该列管式换热器应当选用浮头式换热器，所以其附属设备均按照浮头式换热器的标准来选型。

5.1拉杆按照表二、表三选定所需拉杆的直径和数量表二：

表三：

在保证大于或等于表二所给定的拉杆总截面积的前提下，拉杆直径和数量可以变动，但其直径不得小于10mm，数量不少于4根。

该换热器的换热管外径为25mm,以及壳体直径为1600mm。

综合以上两表得出所选拉杆数20根（前后两段各10根），拉杆直径为16mm。

5.2防冲板当管程采用轴向入口接管或热管内流体流速超过3m/s时，应设置防冲板，以减少流体的不均匀分布和对换热管端得冲蚀。

根据以上条件以及计算所得该换热器的壳程流体速度（20.67m/s）得知，该换热器应当加防冲板。

防冲板外表面到圆通内壁的距离，应不小于外径的1/4。

此处与换热器壳程空气进出口接管处的距离取250mm，与换热器管程废气进出口接管处的距离取200mm;防冲板的直径或边长，应大于接管外径50mm。

此处在换热器壳程空气进出口接管处防冲板的直径取850mm，在换热器管程废气进出口接管处的直径取700mm；该防冲板的材料为碳钢，因此厚度可取5mm；固定方式:

将防冲板焊在圆筒上。

5.3管箱根据有关文献介绍，当DN≥900mm时应选用封头管箱，所以该换热器的管箱为封头管箱。

采用椭圆形封头（JB/T4737-95）查阅相关标准得出该封头的相关数据如表四所示：

表四：

公称直径（DN）/mm曲面高度（h1）/mm直边高度（h2）/mm壁厚（δ）/mm（碳钢）内表面积（F）/m2容积（V）/m3160040040182.970.6175.4浮头法兰和钩圈根据相关文献得知：

浮头法兰和钩圈的外直径Df0=Di+80,mm其中Di是换热器圆筒内经为1600mm。

则：

Df0=1600+80=1680mm浮头法兰和钩圈的内直径Df0=Di-2（b1+bn）,mm其中Di是换热器圆筒内经为1600mm,b1、bn与Di的关系见表五：

表五：

mm则:

Df0=1600-2（12+3）=1570mm根据相关文献及根据其他物性参数得知取浮头法兰厚度为20，钩圈厚度为20。

5.5壳体法兰壳体公称直径为1600mm，根据相关标准得：

壳体法兰选用平焊法兰甲型（JB/T4701—2000）公称压力为0.25PN/MPa，共4个。

5.6浮头管板5.6.1管板厚度管板与换热管采用焊连接，根据相关文献介绍，此处管板厚度取20mm。

5.6.2管板直径因管板是与浮头法兰连接，所以管板直径应与浮头法兰直径相同，取1680mm。

5.6.3管孔该热管为Ⅰ级管束，因此钢换热管的管板孔直径以及允许偏差见下表六：

表六：

mm即：

管孔直径取25.25mm，允许偏差+0.015mm。

管孔数共2023，采用正三角形排列，管心距为32mm，横过中心线的管数为49根。

5.7分程隔板5.7.1隔板厚度根据相关标准规定，分程隔板的最小厚度应不小于表七的规定：

表七mm因所选材料为碳钢，即隔板厚度取15mm。

5.7.2分程隔板槽a）槽深宜不小于4mm；b）分程隔板槽的宽度为：

碳钢12mm。

5.8圆筒壳体壳体直径在前面已经的出为1600mm，厚度则按照相关标准，详见表八：

表八mm根据操作温度以及压强综合考虑得，圆筒壳体的厚度取20mm。

6.设计结果与讨论6.1设计结果如下图所示:

该烟气回收废热换热器的最终设计结果装配图详见附图二。

6.2结果讨论经过广泛的查阅相关文献和标准，再经反复的计算与检验。

理论上该换热器能够达到将100000Nm3/h的高温烟气,将热物料（高温烟气）的温度从425℃降至180℃，冷物料（空气）的温度从55℃升温至200—250℃左右。

在加工和装配的时候按照相关行业标准进行加工和装配，方可达到最终设计任务。

在本次课程设计过程当中需注意以下几点：

a）在设计之前一定要查阅大量的相关文献以及标准手册；b）在计算的时候往往不能一步到位，需经过多次的假设和反复的计算和检验方可得出理想数据；c）在材料和设备结构选型的时候一定要根据相关行业标准来选择；d）设计过程当中需全面考虑到产品的技术可行性和经济效益；e）在利用CAD作图的时候需严格按照作图标准来作图；f）在课程设计过程当中小组成员一定要互相交流与讨论，积极的向指导老师请教。

7.收获体会时间如流水，转眼之间我们为期两个周的课程设计即将结束。

本次设计是大学以来的第一次自主课程设计，极为重要，同时这次课程设计也让我受益匪浅。

首先，这次课程设计对培养我的实际工程能力具有重要意义。

通过课程设计，我在所学的专业课程中所获得的理论知识在实际的设计工作中综合地加以动用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产实践密切地结合起来。

其次，这次课程设计凝聚了我们小组成员每一个人的智慧与力量。

在设计前期，我们共同查找相关资料、手册，在一起讨论，一起向指导老师请教，共同的出了自己所要的正确结果。

这些都是团队的力量。

这次设计，初步培养了我对压力容器设计的工作能力；树立正确的设计的思想；掌握一些容器设计有基本方法和步骤，为以后进行设计工作打下了良好的基础。

另外还我在查阅有关参考资料、行业标准、手册等方面也得到了训练。

最后，我想说：

通过这次设计，使我的各方面的能力得到提高和增强，不仅在画图和计算机能力得到提高，还有增强了我的独立思考和创新能力。

但是由于水平的有限，在设计过程中一定存在许多疏漏和不够合理之处，恳请各位老师和同学批评指正。

8.致谢在学院领导和老师的重视和关心以及指导老师的精心指导下，此次课程设计得以圆满完成。

在此期间，感谢我的指导老师的细心讲解和精心指导。

9.参考文献

（1）《化工原理》上册，夏清、陈常贵主编，天津大学出版社，2005.1,204—288.

（2）《环境工程原理》，胡洪营、张旭、黄霞、王伟合编，高等教育出版社，2005.8,167—174.（3）《化工设备机械基础》，刁玉玮、王立业、喻健良编著，大连理工大学出版社，2006.12第六版，157、201—193。

（4）《石油化工设备设计选用手册换热器》，中国石化集团上海工程有限公司组织编写，化学工业出版社，2008.12，3—195.（5）《中华人民共和国行业标准，浮头式换热器和冷凝器形式与基本参数》JB/T4714—92，中华人民共和国机械电子工业部、化学工业部、劳动部、中国石油化工总公司1992.05.07批准，1992.10.01。

（6）《中华人民共和国国家标准，管壳式换热器》GB151—1999，国家质量技术监督局，2000.01.01。

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