化工单元操作 课程设计.docx
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化工单元操作课程设计
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:
15000kg/h的煤油
(2)油品:
入口温度145oC,出口温度40oC
(3)冷却介质:
循环水,入口温度25oC,出口温度40oC
(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0.91×10-3Pa•s,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
heatexchanger
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
1.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。
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。
1.2.3U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。
1.3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。
1.4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/s
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,m/s
0.5-1.5
0.5-1.5
0.2-1.5
>0.5
0.4-1.0
0.3-0.8
2-15
1.5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。
(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;
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。
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1/5或者不小于50mm,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