化工原理課程設(shè)計(jì)——水冷卻煤油列管式換熱器的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　XX大學(xué)</b></p><p><b>　　XX學(xué)院</b></p><p><b>　　化 工 原 理</b></p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì)</p><p>　　班 級(jí) </p><p>　　姓

2、 名 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 ____</p><p><b>　　二零一X年X月X日</b></p><p>　　化工原理 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p>　　皖西學(xué)院生物與制藥工程學(xué)院</p><p

3、>　　課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書</p><p>　　題 目： 水冷卻煤油列管式換熱器的設(shè)計(jì)</p><p>　　課 程： 化工原理</p><p>　　系 （部）： </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班

4、 級(jí)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　完成日期： </p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 目 錄</p>&

5、lt;p>　　第一章 設(shè)計(jì)資料</p><p>　　一、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介……………………………………………………………5</p><p>　　二、設(shè)計(jì)任務(wù)、參數(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)………………………………………7</p><p>　　第二章 工藝設(shè)計(jì)與說(shuō)明</p><p>　　一、工藝流程圖…………………………………………………………8<

6、;/p><p>　　二、工藝說(shuō)明……………………………………………………………8</p><p>　　第三章 物料衡算、能量衡算與設(shè)備選型</p><p>　　一、物料衡算……………………………………………………………9</p><p>　　二、能量衡算…………………………………………………………11</p><p>

7、;　　三、主要設(shè)備選型………………………………………………………13</p><p>　　第四章 結(jié)論與分析</p><p>　　結(jié)論與分析……………………………………………………………15</p><p>　　第五章 設(shè)計(jì)總結(jié)</p><p>　　設(shè)計(jì)總結(jié)………………………………………………………………17</p>

8、<p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………………17</p><p><b>　　第一章 設(shè)計(jì)資料</b></p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介</b></p><p>　　換熱器是許多工業(yè)生產(chǎn)部門的通用工藝設(shè)備，尤其是石油、化工生產(chǎn)應(yīng)用更為廣泛。在化工廠中換熱器可用作加熱器、冷卻器、冷

9、凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。</p><p>　　進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)，首先是根據(jù)工藝要求選用適當(dāng)?shù)念愋?，同時(shí)計(jì)算完成給定生產(chǎn)任務(wù)所需的傳熱面積，并確定換熱器的工藝尺寸。</p><p>　　根據(jù)操作條件設(shè)計(jì)出符合條件的換熱器，設(shè)計(jì)方案的確定包括換熱器形式的選擇，加熱劑或冷卻劑的選擇，流體流入換熱器的空間以及流體速度的選擇。</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)是根據(jù)任務(wù)給出的操

10、作目的及條件、任務(wù)，合理設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膿Q熱器類型，以滿足生產(chǎn)要求。</p><p>　　1、固定板式換熱器（代號(hào)G）</p><p>　　設(shè)備型號(hào)內(nèi)容有：殼體公稱直徑（mm），管程數(shù)，公稱壓力(×9.81×104 Pa)，公稱換熱面積（m2），如G800I-6-100型換熱器，G表示固定板式列管換熱器，殼體公稱直徑為800mm，管程數(shù)為1，公稱壓力為6×9.81&

11、#215;104 Pa，換熱面積為100m2</p><p>　　2、浮頭式列管換熱器（代號(hào)F）</p><p>　　設(shè)備型號(hào)內(nèi)容有：殼體公稱直徑（mm），傳熱面積（m2），承受壓力（×9.81×104 Pa），管程數(shù)，如FA600-13-16-2型換熱器，F(xiàn)代表浮頭是列管換熱器，B表示換熱器為管徑 \* MERGEFORMAT Ø25mm×2.5

12、mm，正方排列，殼體直徑為600mm，公稱傳熱面積為130m2，公稱壓力為16×9.81×104，管程數(shù)位2。</p><p>　　3、U型管式列管換熱器（代號(hào)Y）</p><p>　　設(shè)備型號(hào)內(nèi)容有：公稱直徑（mm），公稱換熱面積（m2），管程壓力（×9.81×10pa）/殼程壓力（×9.81×10pa），管程數(shù)，如YB600-

13、90-40/16-4型換熱器，Y代表U型管式列管換熱器，B表示換熱器為管徑 \* MERGEFORMAT 25mm×2.5mm，正方形排列，殼體直徑為600mm，公稱傳熱面積為90m2，殼體公稱壓力為16×9.81×10Pa，管程公稱壓力為16×9.81×10Pa，管程數(shù)位4。</p><p>　　設(shè)計(jì)任務(wù)、參數(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)</p><p>

14、;<b>　　1、設(shè)計(jì)任務(wù)： </b></p><p>　?。?）、處理能力：1.5*105 噸/年煤油 </p><p>　　、設(shè)備形式：列管式換熱器</p><p>　　2、參數(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：</p><p>　　（1）、煤油：入口溫度140℃，出口溫度40℃ </p><p>　?。?/p>

15、2）、冷卻介質(zhì)：自來(lái)水，入口溫度20℃，出口溫度40℃</p><p>　?。?）、允許壓強(qiáng)降：不大于1.1*105 Pa </p><p>　?。?）、煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度825kg/m3，黏度7.15*10-4 Pa.s，比熱容2.22kJ/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)0.14W/(m·℃) </p><p>　?。?

16、）、每年按320天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行</p><p>　　第二章 工藝設(shè)計(jì)與說(shuō)明</p><p><b>　　一、工藝流程簡(jiǎn)圖</b></p><p><b>　　熱水泵</b></p><p><b>　　離心泵</b></p><p><

17、b>　　二、說(shuō)明</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)要求，煤油的進(jìn)口溫度140攝氏度，出口40攝氏度，因此要用冷水，冷卻煤油。本實(shí)驗(yàn)用的是循環(huán)水冷卻法，節(jié)約用水。</p><p>　　物料衡算、能量衡算與設(shè)備選型</p><p><b>　　物料衡算</b></p><p>　　1、試算并選換熱器規(guī)格&l

18、t;/p><p>　?。?）、 定流體通入空間 </p><p>　　兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過(guò)程，因水的對(duì)流傳熱系數(shù)較大，</p><p>　　并易結(jié)垢，故選擇冷卻水走換熱器的管程，煤油走殼程。</p><p>　?。?）、確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)，并選擇列管式換熱器的形式</p><p>　　被冷卻物

19、質(zhì)為煤油，入口溫度為140℃,出口溫度為 40℃</p><p>　　冷卻介質(zhì)為自來(lái)水，入口溫度為 20℃，出口溫度為40℃</p><p>　　煤油的定性溫度：Tm=（140+40）/2=90℃</p><p>　　水的定性溫度：tm=(20+40)/2=30℃</p><p><b>　　、計(jì)算熱負(fù)荷</b><

20、;/p><p>　　Q=qm1cp1（T1—T2)=(1.5×105×103)／(320×24×3600)×2.22×103×(140﹣40)≒1.204×106W</p><p>　　②、計(jì)算平均傳熱溫差</p><p>　　Δtm逆＝（Δt2﹣Δt1）／（lnΔt2/Δt1）＝49.70

21、6℃</p><p>　　R＝(T1﹣T2)／(t2－t1）＝5，P＝(t2－t1）／（T1﹣t1）＝0.1667，查表得ψ＝0.945校正后Δtm1＝ψΔtm逆＝ 46.97℃</p><p><b>　?、?、冷卻水用量</b></p><p>　　qm2＝Q／Cp2·Δt＝51749kg／h</p><p>

22、;　?。?）、(取流速u=1.2m／s）管徑：φ25*2.5mm</p><p>　　其中 （內(nèi)徑）di=0.02m</p><p>　?。ㄍ鈴剑ヾo=0.025m</p><p>　?。ㄆ骄睆剑ヾm=0.025m</p><p>　　傳熱器壁厚=0.0025m</p><p>　　假設(shè)K=450W/(m2&#

23、183;℃）</p><p>　　傳熱面積S＝Q／K·Δt＝1.204×106／450×46.97＝56.95m2</p><p>　　管子根數(shù)N＝4qm1／πdi u≈93根</p><p>　　按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度L＝S／πdoN＝56.95／3.14×0.025×93＝7.8m</p>

24、<p>　　取管長(zhǎng)為4.5m，則Np＝7.8／4.5≈2，則傳熱管總根數(shù)n＝93×2＝186（根）</p><p>　?。?）、傳熱管排列和分程方法</p><p>　　采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。</p><p>　　因?yàn)闅こ塘黧w壓力較大，故采用焊接法連接管子與管板。取管心距t =1.25do</p&

25、gt;<p>　　則：t = 1.25×25≈32(mm)</p><p>　　隔板中心到離其最近一個(gè)排管中心距離=t/2+6=32/2+6=22mm </p><p>　　則分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距Sn = 44mm。</p><p>　　殼體內(nèi)徑：采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η= 0.7，則殼體內(nèi)徑為：D= 1.05t√n／η＝1.05

26、×32√186／0.7=547mm </p><p>　　故可取D＝600mm</p><p><b>　?。?）、折流板</b></p><p>　　采用單弓形折流板，取折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為</p><p>　　h = 0.25D = 0.25×600 = 150(m

27、m)</p><p>　　取折流板間距B = 0.5D = 0.5×600 = 300(mm)</p><p>　　折流板數(shù)NB = 列管長(zhǎng)度/折流板間距－1 = 4500/300－1 = 14(塊)</p><p>　　接管：殼程流體進(jìn)，出口接管：取煤油流速為3.0m／s，則接管內(nèi)徑為D＝√4qv／πd＝0.0146m，圓整后可取管內(nèi)徑為15mm<

28、/p><p>　　管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體流速為 ，則接管內(nèi)徑為</p><p>　　D＝√4qv／πd=0.075mm=75mm，圓整后可取管內(nèi)徑75mm</p><p><b>　　能量衡算</b></p><p>　?。?）、計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù)</p><p>　　因?yàn)椋汗苤兴馁|(zhì)

29、量流量Wc=14.37kg／s</p><p>　　水的體積流量為Vc=Wc／ρ=14.37／995.7＝0.014437m3／s</p><p>　　Ai=nπ di2/8＝186×3.14×0.022/8＝0.0292m2</p><p>　　Ui=Vc／Ai＝0.4944m／s</p><p>　　Rei＝diuiρ

30、／μ＝0.02×0.989×995.7／0.801×10﹣3＝24588</p><p>　　所以αi＝0.023×(λ／di)×(Rei)0.8×（Pri）0.4＝2128.04W／（m2·℃）</p><p>　　(2)、計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù)</p><p>　　換熱器中心附近管排中流體流通截

31、面積為</p><p>　　Ao=hD(1﹣do／t）＝0.3×0.6（1－0.025÷0.032）＝0.0394m2</p><p>　　煤油的質(zhì)量流量為Wh=5.42kg／s</p><p>　　煤油的體積流量為Vh＝Wh／ρ＝5.42÷825＝0.006576m3／s</p><p>　　由于換熱器為兩殼程

32、，所以煤油的流速為uo＝Vh Ao＝0.16m／s 煤油在殼程中流動(dòng)的雷諾數(shù)為Reo=duoρ／μ＝0.0202×0.16×825／0.715×10-3= 3729</p><p>　　Pr＝Cpμ／λ＝（2.22×103×0.715×10-3 ）/0.14＝11.33

33、 </p><p>　　因?yàn)樵诜秶鷥?nèi)，故可采用凱恩(Kern)法求算，即=0.36×（0.14／0.0202）37290.55（11.331／3）×0.95＝490.39W/(m2·℃）</p><p>　?。?）、確定污垢熱阻</p><p>　?。?）、計(jì)算總傳熱系數(shù)Ko</p><

34、p>　　Ko=1／＜1／αo＋Rso﹢Rsi（do／di）﹢do／aidi＞=303 W／（m2·℃）</p><p><b>　　（5）、計(jì)算壓強(qiáng)降</b></p><p><b>　?、?、計(jì)算管程壓強(qiáng)降</b></p><p>　　前已算出：ui=0.382m/s Rei＝9500</p&

35、gt;<p>　　取不銹鋼管壁的粗糙度ε＝0.1mm，則ε／di＝0.1／20＝0.005</p><p>　　由摩擦系數(shù)表查的λ＝0.038</p><p>　　所以ΔP1＝λLρUi2／2di＝0.038·4.5·995.7·0.49442／0.04＝1040.45pa</p><p>　　ΔP2＝3ρui2／2＝3&

36、#215;995.7×0.49442／2＝365.07pa</p><p>　　對(duì)于φ25×2.5mm的管子，有Ft＝1.4，且Np＝2，Ns＝1</p><p>　　∑Δpi＝（ΔP1＋ΔP2Ft）FtNpNs＝﹙1040.45＋365.07﹚×1.4×2×1＝3935Pa</p><p><b>　?、?/p>

37、、計(jì)算殼程壓強(qiáng)降</b></p><p>　　Fs＝1.15，Ns＝1</p><p>　　管子為正三角形排列，則取F＝0.5</p><p>　　nc＝1.1√n＝1.1√186＝15.00</p><p>　　折流板間距h＝0.3m</p><p><b>　　折流板數(shù)NB＝14</b&

38、gt;</p><p>　　Ao＝h﹙D－ncdo﹚＝0.3×﹙0.6﹣15×0.025﹚＝0.067m2</p><p>　　uo＝Vs／Ao＝＝0.006576／0.0675＝0.0974m／s</p><p>　　Reo＝douoρ／μ＝0.025×0.0974×825／0.715＝2.8×103</p&

39、gt;<p>　　fo＝5Reo-0.228＝5×﹙2.8×103﹚－0.028＝0.817</p><p>　　所以 ΔP1，＝Ffonc﹙NB﹢1﹚ρuo2／2＝0.5×0.817×15.00×﹙14﹢1﹚﹙825×0.09742﹚／2＝3.59×104</p><p>　　ΔP2，＝NB﹙3.5﹣2h

40、／D﹚ρuo2＝14﹙3.5﹣2×0.3／0.6﹚×825×0.09742／2＝136.96pa</p><p>　　∑po＝﹙ΔP1，＋ΔP2，﹚FsNs＝﹙3.59×104＋136.96﹚×1.5×1＝4.144×104</p><p>　　從上面計(jì)算可知，、﹤1.1×105，該換熱器管程與殼程的壓強(qiáng)降均滿

41、足題設(shè)要求，故所選換熱器合適。</p><p><b>　　三、設(shè)備選型</b></p><p><b>　　注：</b></p><p>　　B——折流板間距，m；</p><p>　　C——系數(shù)，無(wú)量綱；</p><p><b>　　d——管徑，m；</b

42、></p><p>　　D——換熱器外殼內(nèi)徑，m；</p><p><b>　　f——摩擦系數(shù)；</b></p><p><b>　　F——系數(shù)；</b></p><p>　　h——圓缺高度，m；</p><p>　　K——總傳熱系數(shù)， W/(m2?℃)；</p&

43、gt;<p><b>　　L——管長(zhǎng)，m；</b></p><p><b>　　m——程數(shù)；</b></p><p>　　n——指數(shù)、管數(shù)、程數(shù)；</p><p><b>　　N——管數(shù)、程數(shù)；</b></p><p><b>　　NB——折流板數(shù)；&l

44、t;/b></p><p>　　Nu——努塞爾特準(zhǔn)數(shù)；</p><p><b>　　P——壓力，Pa；</b></p><p><b>　　因數(shù)；</b></p><p>　　Pr——普蘭特準(zhǔn)數(shù)；</p><p>　　q——熱通量，W/m2；</p>&l

45、t;p>　　Q——傳熱速率，W；</p><p><b>　　r——半徑，m；</b></p><p>　　汽化潛熱，kJ/kg；</p><p>　　R——熱阻，m2?℃/W；</p><p><b>　　因數(shù)；</b></p><p><b>　　Re——

46、雷諾準(zhǔn)數(shù)；</b></p><p>　　S（或A）——傳熱面積，m2；</p><p>　　t——冷流體溫度，℃；</p><p>　　a(或t)——管心距，m；</p><p>　　T——熱流體溫度，℃；</p><p>　　u——流速，m/s；</p><p><b>

47、　　W——質(zhì)量流</b></p><p><b>　　第四章 結(jié)論與分析</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用浮頭式設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩端管板之一不與殼體固定連接,可以在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮,此種換熱器的優(yōu)點(diǎn)是消除熱應(yīng)力,管束可以從殼體抽出,便于清洗,缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要大量金屬材料,造價(jià)高。但因其使用于殼體與管束溫差較大或殼程流體容易結(jié)垢的場(chǎng)合及優(yōu)良的

48、性能,以此在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。 浮頭換熱器的浮頭部分結(jié)構(gòu)，按不同的要求可設(shè)計(jì)成各種形式，除必須考慮管束能在設(shè)備內(nèi)自由移動(dòng)外，還必須考慮到浮頭部分的檢修、安裝和清洗的方便。 在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮浮頭管板的外徑Do。該外徑應(yīng)小于殼體內(nèi)徑Di，一般推薦浮頭管板與殼體內(nèi)壁的間隙b1=3~5mm。這樣，當(dāng)浮頭出的鉤圈拆除后，即可將管束從殼體內(nèi)抽出。以便于進(jìn)行檢修、清洗。浮頭蓋在管束裝入后才能進(jìn)行裝配，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮保證浮頭蓋在裝

49、配時(shí)的必要空間。 鉤圈對(duì)保證浮頭端的密封、防止介質(zhì)間的串漏起著重要作用。隨著幞頭式換熱器的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展，以及長(zhǎng)期以來(lái)使用經(jīng)驗(yàn)的積累，鉤圈的結(jié)構(gòu)形式也得到了不段的改進(jìn)和完善。 鉤圈一般都為對(duì)開式結(jié)構(gòu)，要求密封可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、便于制造和拆裝方便。 浮頭式換熱器以其高度的可</p><p><b>　　第五章 設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p&

50、gt;　　在本課程設(shè)計(jì)中，一定要注意計(jì)算準(zhǔn)確,往往是開始某個(gè)結(jié)果算錯(cuò)了，導(dǎo)致后面所有公式都要重新計(jì)算。雖然換熱器的設(shè)計(jì)相對(duì)與精餾塔的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是也要清楚的明白每一步的含義。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，我不僅學(xué)會(huì)了許多關(guān)于換熱器的知識(shí)，而且明白了許多做人的道理，無(wú)論做什么事情，一定要弄懂它的本質(zhì)，要細(xì)心和耐心的去做每一件事情，知難而上；同時(shí)我還要感謝老師和同學(xué)對(duì)我的幫助。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)&l

51、t;/b></p><p>　　【1】、《化工原理》（第四版） 王志魁、劉麗英、劉偉主編 化學(xué)工業(yè)出版社</p><p>　　【2】、《化工原理實(shí)驗(yàn)》 吳洪特主編 化學(xué)工業(yè)出版社</p><p>　　【3】、《化工設(shè)備》 李健主編 化工工業(yè)出版社</p><p>　　【4】、GB4557.1——84機(jī)械制圖圖紙幅面及格式&l