化工原理课程设计.docx
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化工原理课程设计
化工原理课程设计
JINGCHUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY 课程设计成果 学院:
化工与药学院 班级:
2014级过程装备与控制工程1班学生姓名:
王维 学号:
2014402020112_____ 设计地点______化工与药学院教学楼__________________设计题目：
年处理量20万吨汽油冷却器的设计 完成日期：
2016年1月2日 指导教师评语_________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 成绩（五级记分制）:
________________ 教师签名:
___________________________ 1 列管式换热器设计说明书 学院课程设计任务书 设计题目：
年处理量20万吨汽油冷却器的设计学生姓名课程名称地 点1、设计内容：
设计方案简介：
对确定的工艺流程及换热器的型式进行简要论述。
换热器的工艺计算：
确定换热器的传热面积。
设计内容及要求换热器主要结构尺寸设计。
换热器的核算。
设计结果汇总。
绘制换热器工艺条件图。
2、设计要求：
设计步骤清晰，内容完全。
选用的公式、图表、数据等注明来源，有些需说明理。
能用计算机软件来辅助设计及绘图。
设计说明书应语言简练、格式规范，文字排版正确，装订成册上交。
1、年处理量：
20万吨煤油；2、设备型式：
列管式换热器； 3、操作条件汽油，入口温度160℃，出口温度60℃； 冷却介质：
循环水，入口温度：
25℃，出口温度：
50℃；设允许压强降：
不大于105Pa；计每年按330天计，每天24h连续运行；参数物料在定性温度下的物性数据：
物料汽油ρ（kg/m3）780μ（）×10-3cp（kJ/kg.℃）λ（W/m.℃） 化工原理课程设计教学楼专业班级起止时间2014级过程装备与控制工程1班~2 列管式换热器设计说明书 资料查阅与收集，确定设计方案 进~完成换热器工艺计算及主要结构尺寸设计度~绘图及编写设计说明书要求 课程设计资料装订。
上交课程设计报告。
《化工原理课程设计》，马江权编，中国石化出版社，2011年.《化工原理》，王志魁编，化学工业出版社，2006.参《化工设备设计》，潘国吕，郭庆丰编著，清华大学出版社，1996.考《化工物性算图手册》，刘光启等编著，化学工业出版社，2002.资《生物工程专业课程设计》，尹亮，黄儒强编.料《石油化工基础数据手册》《化学化工工具书》等.其它说1.本表应在每次实施前一周负责教师填写二份，教研室审批后交学院备案，一份负责教师留用。
2.若填写内容较多可另纸附后。
3.一题多名学生共用的，在明设计内容、参数、要求等方面应有所区别。
教研室主任：
指导师：
穆学玲 2015年12月25号 3 列管式换热器设计说明书 《化工原理课程设计》报告 设计题目：
年处理量20万吨汽油冷却器的设计 设计一个列管式冷却器，冷却器的年处理量为20万吨。
将汽油液体从160℃冷却到60℃。
冷却水的入口温度为25℃，出口温度为50℃。
要求设计的换热器的管程和壳程的压降不大于100kPa。
设计要求 换热器工艺设计计算换热器工艺流程图换热器设备结构图设计说明 4 目录 1概述绪论....................................................................................................................6 换热器的概念..................................................................................6列管式换热器简介..........................................................................72设计方案的论证与说明............................................................................................7 换热器类型的选择..........................................................................................7固定管板式换热器.......................................................................................8浮头式换热器...............................................................................................8填料涵式换热器...........................................................................................8U形管式换热器...........................................................................................8流动空间及流速的选择..................................................................................9流动空间的选择...........................................................................................9流体流速的选择...........................................................................................93换热器的工艺计算.................................................................................................10 确定设计方案...............................................................................................10选择换热器的类型.....................................................................................10流动空间及流速的确定.............................................................................10确定物性数据................................................................................................10计算总传热系数.............................................................................................11热流量..........................................................................................................11平均传热温差..............................................................................................11冷却水用量...............................................................................................11总传热系数k..............................................................................................12计算传热面积................................................................................................124工艺结构尺寸计算..................................................................................................12 管径和管内流速及管长................................................................................12管程数和传热管数........................................................................................12平均传热温差校正及壳程数........................................................................13传热管排列和分程方法................................................................................13壳体内径........................................................................................................13折流板............................................................................................................14接管................................................................................................................145换热器核算..............................................................................................................14 热量核算........................................................................................................14换热器内流体的压力降............................................................................................166换热器主要工艺结构参数一览表..........................................................................187设计过程评述和问题分析讨论..............................................................................19
列管式换热器设计说明书 1概述 换热器的概念 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。
35％～40％。
随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。
换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。
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。
换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。
换热器按传热方式的不同可分为：
混合式、蓄热式和间壁式。
其中间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器，如表2-1所示。
表2-1传热器的结构分类 特点刚性结用于管壳温差较小的情况，管间不构能清洗固定管板式带膨胀有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力节浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难间管列壁壳管外填料管间容易泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较式式式函高的介质填料函式内填料密封性能差，只能用于压差较小的场合函釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反双套管式应器中 6 类型列管式换热器设计说明书 能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器沉浸式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热螺旋管式喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液板式体间换热可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用作回板螺旋板式收低温热能面式结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体平板式干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式适用于允许换热流体之间直接接触换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回蓄热式收热能的场合套管式 列管式换热器简介 列管式换热器是目前化工及酒精生产上？
应用最广的一种换热器。
它主要壳体、 管板、换热管、封头、折流挡板等组成。
所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。
在进行换热时，一种流体封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另一种流体壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。
它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。
2设计方案的论证与说明 换热器类型的选择 本设计任务是利用冷流体给汽油降温。
利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。
下图是工业生产中用到的列管式换热器. 7 列管式换热器设计说明书 选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,复合实际需要等原则。
换热器分为几大类：
夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器等。
不同的换热器适用于不同的场合。
而列管式换热器在生产中被广泛利用。
它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。
尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。
所以首选列管式换热器作为设计基础。
固定管板式换热器 固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50℃且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。
带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70℃且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。
浮头式换热器 浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自伸缩，而与外壳的膨胀无关。
浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。
填料涵式换热器 填料涵式换热器管束一端可以自膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。
U形管式换热器 U形管式换热器的管束可以自伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。
但管内清洗不便，管束中间 8 列管式换热器设计说明书 部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。
此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分需用壁较厚的管子。
这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质清洁及不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。
流动空间及流速的选择 流动空间的选择 在管壳式换热器计算中，首先需决定何种流体走管程，何种流体走壳程，这需要遵循一些一般原则。
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。
④应减少管子和壳体因受热不同而产生的热应力。
从这个角度来说，顺流式就优先于逆流式，因为顺流式进出口端的温度比较均匀，不像逆流式那样，热、冷流体的高温部 分均集中于一端，低温部分集中于另一端，易于因两端胀缩不同而产生热应力。
⑤对于有毒的介质或气相介质，必使其不泄露，应特别注意其密封，密封不仅要可靠，而且还应要求方便及简便。
⑥应尽量避免采用贵金属，以降低成本。
以上这些原则有些是相互矛盾的，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。
流体流速的选择 当流体不发生相变时，介质的流速高，换热强度大，从而可使换热器面积减少、结构紧凑。
成本降低，一般也可抑止污垢的产生。
但流速大也会带来一些不利的影响，诸如压降?
P增加，泵功率增大，且加剧了对流传热面的冲刷。
换热器常用流速的范围见表2-2和表2-3. 表2-2换热器常用流速的范围 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9 列管式换热器设计说明书 管程流速/ >5-30壳程流速/ >2-15 表2-3列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速 液体名称乙醇、二氧化碳，苯甲醇、乙醇、汽油丙酮氢气安全流速/ 3换热器的工艺计算 确定设计方案 选择换热器的类型 某厂在生产过程中，需将汽油液体从160℃冷却到60℃。
冷却器的年处理能力为20 万吨。
冷却水入口温度25℃，出口温度50℃。
要求换热器的管程和壳程的压降不大于100kPa。
试设计能完成上述任务的列管式换热器。
两流体温度变化情况：
热流体进口温度160℃，出口温度60℃冷流体。
冷流体进口温度25℃，出口温度50℃。
该换热器用循环水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和流体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。
流动空间及流速的确定 于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。
另外，这样的选择可以使煤油通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。
同时，在此选择逆流。
选用ф25×的碳钢管，管内流速取ui=/ｓ。
10
列管式换热器设计说明书 确定物性数据 定性温度：
可取流体进口温度的平均值。
壳程汽油的定性温度为：
T＝160?
602＝110℃管程流体的定性温度为：
t＝25＋502＝℃根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
煤油在110℃下的有关物性数据如下：
密度 ρo=780kg/m3定压比热容cpo=/（kg·℃）导热系数λo=W/（m·℃）黏度 μo=·s 冷却水在℃下的物性数据：
密度 ρi=/m3 定压比热容cpi=/（kg·℃）导热系数λi=W/（m·℃）黏度 μi=Pa·s 计算总传热系数 热流量 q20?
104?
103mo?
330?
24?
3600?
/s Qo=qmocpoΔto=××103×（160-60）= 平均传热温差 ?
t’?
tm?
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ln?
t65℃1160?
50?
tln260?
25冷却水用量qQmi?
C?
1542200?
℃pi?
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（50?
25）11 列管式换热器设计说明书 总传热系数K du?
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管程传热系数 Re?
iii?
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）（pii）?
3199[W/（m?
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c）]ii?
i壳程传热系数 假设壳程传热系数αo=350W/m2.oC 污垢热阻Rsi=m2?
℃/W Rso=m2?
℃/W 管壁的导热系数λ=45W/ K?
1d?
255[W/（m?
oc）]o?
Rdobd1?
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o 计算传热面积 S’= Q1542200K?
t?
65?
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若考虑10%的面积裕度 S=×S’= 4工艺结构尺寸 管径和管内流速及管长 选用ф25×传热管（碳钢），取管内流速=/s 管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 ns=/?
?
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79（根）?
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4iui12 列管式换热器设计说明书 按单管程计算，所需传热管长度为L= ?
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（m）?
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79按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构，现取传热管长度L=6m，则该换热器 l的管程数为 Np=?
2（管程） L传热管总根数N=79×2=158（根） 平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正及壳程数 160?
60R?
?
4 50?
25 50?
25P?
?
160?
25按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。
可得平均传热温差 ’?
tm?
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?
t?
?
tm?
?
65?
55℃ 传热管排列和分程方法 采用组合
升级会员 