化工原理课程设计.docx

1、化工原理课程设计化工原理课程设计JINGCHU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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

2、。 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

3、度下的物性数据： 物料 汽油 (kg/m3) 780 () 10-3 cp (kJ/kg.) (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

4、 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100

5、kPa。 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 . 7 2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 . 8 U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 . 9 3 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 . 1

6、1 冷却水用量 . 11 总传热系数k . 12 计算传热面积 . 12 4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 . 14 5换热器核算 . 14 热量核算 . 14 换热器内流体的压力降 . 16 6换热器主要工艺结构参数一览表 . 18 7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

7、较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。3540。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

8、，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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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。 应尽量提

14、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。 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。 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。 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

15、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

16、 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

17、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25的碳钢管，管内流速取ui=/。 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：T160?602110 管程流体的定性温度为： t25502 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o=780 kg/m3 定压比热容 cpo=/(kg) 导热系数 o= W/(m) 黏度o=s 冷却水在下的物性数据： 密度i=/m3 定压比热容 cpi=/(kg) 导热系数 i= W/(m

18、) 黏度i= Pas 计算总传热系数 热流量 q20?104?103mo?330?24?3600?/s Qo=qmocpoto=103(160-60)= 平均传热温差 ?t?tm?t1?2?ln?t651160?50?tln260?25 冷却水用量 qQmi?C?1542200?pi?103?(50?25) 11 列管式换热器设计说明书 总传热系数K du?管程传热系数Re?iii?10?4?16388 ?idu?c?id(iii?)(pii)?3199W/(m?c)ii?i 壳程传热系数假设壳程传热系数 o=350 W/m2 . oC 污垢热阻 Rsi= m2?/WRso= m2?/W管壁的

19、导热系数 =45 W/ K?1d?255W/(m?oc)o?Rdobd1?si?o?Rso?ididi?dm?o 计算传热面积 S=Q1542200K?t?65? ?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25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=/?79(根)? 4iui 12 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=?(m) ?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=792=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?t?tm?65?55 传热管排列和分程方法 采用组合