化工原理課程設(shè)計——煤油換熱器的設(shè)計

1、<p><b>　　化工原理課程設(shè)計</b></p><p>　　2012年 06 月</p><p>　題 目 名 稱：煤油冷卻器的設(shè)計 </p><p>　學 院（部）：包裝與材料工程學院 </p&

2、gt;<p>　專 業(yè)：應(yīng)用化學 </p><p>　學 生 姓 名：</p><p>　班 級：學號 </p><p>　指導教師姓名：職稱 副教授 </p>

3、<p>　最終評定成績：</p><p><b>　　目錄 </b></p><p>　　前言 ………………………………………………………… 1</p><p><b>　　設(shè)計題目及原始數(shù)據(jù)</b></p><p>　　2.1設(shè)計任務(wù)及操作條件</p><p>

4、;　　第三章 換熱器總體結(jié)構(gòu)的選擇 ……………………………………………… 1</p><p>　　3.1 換熱器的選型……………………………………………………………… 1</p><p>　　3.1.1 換熱器的分類………………………………………………………… 1</p><p>　　2.1.4 換熱器的選型………………………………………………………… 2<

5、/p><p>　　2.2 材質(zhì)的選擇………………………………………………………………… 2</p><p>　　2.3 換熱器其他結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………… 3</p><p>　　2.3.1 管程機構(gòu)………………………………………………………… 3</p><p>　　2.3.2 殼程結(jié)構(gòu)……………………………………………

6、…………… 3</p><p>　　2.3.3換熱器材質(zhì)的選擇…………………………………………………… 3</p><p>　　第三章 列管式換熱器的設(shè)計計算 ……………………………………4</p><p>　　3.1 確定設(shè)計方案………………………………………………………………4</p><p>　　3.1.1 選擇換熱器類型 ………………

7、……………………………………4</p><p>　　3.3.2 流動空間及流蘇確定 ………………………………………………4</p><p>　　3.2 確定物性參數(shù) ……………………………………………………………4</p><p>　　3.3 計算總傳熱系數(shù) ………………………………………………………5</p><p>　　3.3.1 熱流量

8、………………………………………………………………5</p><p>　　3.3.2 平均傳熱溫差…………………………………………………………5</p><p>　　3.3.3 冷卻水用量……………………………………………………………5</p><p>　　3.3.4 總傳熱系數(shù)……………………………………………………………5</p><p>

9、　　3.4 計算傳熱面積………………………………………………………………6</p><p>　　3.5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸………………………………………………………………6</p><p>　　3.5.1 管徑和管內(nèi)流速………………………………………………………6</p><p>　　3.5.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)……………………………………………………6</p>

10、;<p>　　3.5.3 平均傳熱溫差校正及殼程……………………………………………7</p><p>　　3.5.4 傳熱管排列和分程方法……………………………………………7</p><p>　　3.5.5 殼體內(nèi)徑……………………………………………………………7</p><p>　　3.6.6 折流板………………………………………………………………8

11、</p><p>　　3.5.7 接管………………………………………………………………8</p><p>　　3.6 換熱器核算………………………………………………………………8</p><p>　　3.6.1 熱量核算………………………………………………………………8</p><p>　　3.6.2 換熱器內(nèi)流體的流動阻力……………………

12、……………………10</p><p>　　第四章 計算結(jié)果一覽表 ……………………………………………12</p><p>　　結(jié) 論……………………………………………………………………13</p><p>　　參 文 文 獻……………………………………………………………14</p><p>　　附錄1 油冷卻器的設(shè)計任務(wù)書 ……………………

13、…………………15</p><p>　　附錄2 符號說明 ………………………………………………………16</p><p><b>　　第1章 前言</b></p><p>　　化工原理課程設(shè)計，是將所學的化工原理理論知識聯(lián)系實際生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。一方面，它要求綜合運用物理，化學，化工原理，工程制圖的理論知識，確定生產(chǎn)工藝流程和計算設(shè)備的尺寸；另一

14、方面，又要求根據(jù)設(shè)計對象的具體特征，憑借設(shè)計者的經(jīng)驗（或借鑒前人的經(jīng)驗），靈活運用設(shè)計的訣竅，對所選設(shè)備，工藝過程以及各種參數(shù)進行合理的篩選，校正和優(yōu)化，達到經(jīng)濟合理的生產(chǎn)要求。</p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)過程，兩種物料之間的熱交換一般是通過熱交換器完成的，所以換熱器的設(shè)計就顯的尤為重要。換熱器的設(shè)計，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求確定換熱系統(tǒng)的流程方案并選用適當類型的換熱器，確定所選換熱器中流體的流動空間及流速等參數(shù)，同

15、時計算完成給定生產(chǎn)任務(wù)所在地需的傳熱面積，并確定換熱器的工藝尺寸且根據(jù)實際流體的腐蝕性確定換熱器的材料，根據(jù)換熱器內(nèi)的壓力來確定其壁厚。</p><p>　　第二章 設(shè)計任務(wù)及操作條件</p><p>　　1：處理能力 10200Kg/h 煤油</p><p>　　2：設(shè)備形式 列管式換熱器</p><p><b>

16、　　3：操作條件</b></p><p>　　煤油： 入口溫度150℃，出口溫度40℃</p><p>　　冷卻介質(zhì)：自來水 入口溫度30℃，出口溫度40℃</p><p>　　允許壓強降：不大于100Kpa</p><p>　　煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：ρ=825Kg/m3，µ=7.15×10-4Pa

17、·s</p><p>　　Cp=2.22KJ/(Kg·℃)，λ=0.14W/(m·℃)</p><p>　　每年按330天計，每天24h連續(xù)運行</p><p><b>　　4： 設(shè)計項目</b></p><p>　　設(shè)計方案簡介：對確定的工藝流程及換熱器型式進行簡要論述。</p>

18、;<p>　　換熱器的工藝計算：確定換熱器的傳熱面積。</p><p>　　換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。</p><p><b>　　主要輔助設(shè)備選型。</b></p><p>　　繪制換熱器總裝配圖。</p><p>　　第2章 設(shè)計方案說明</p><p>　　2.1 換熱器型式

19、的選擇</p><p>　　2.1.1換熱器的分類</p><p>　　換熱器是化工，煉油工業(yè)中普遍應(yīng)用的工藝設(shè)備，用來實現(xiàn)熱量的傳遞，使熱量由高溫流體傳給低溫流體。根據(jù)傳熱方式可分為混合式換熱器，蓄熱式換熱器，和間壁式換熱器，其中間壁式換熱器是工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的一類。其主要特點為：冷熱流體被一固體間壁隔開，通過壁面進行轉(zhuǎn)熱。考慮到間壁式換熱器設(shè)計技術(shù)比較成熟，而且國家在該類換熱器的設(shè)計

20、，制造，檢驗和驗收等方面已有較為完善的設(shè)設(shè)計資料和系列化標準，因此選擇間壁式換熱器。</p><p>　　2.1.2換熱器的選型</p><p>　　本次生產(chǎn)設(shè)計要求中，兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度150℃，出口溫度40℃；冷流體（循環(huán)水）進口溫度30℃，出口溫度40℃。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初

21、步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。</p><p>　　固定管板式換熱器兩端管板與殼體連在一起，這類換熱器結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、管子里面易清洗。</p><p><b>　　2.2材質(zhì)的選擇</b></p><p>　　換熱器的設(shè)計時，換熱器的各種零件，部件的材料應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力，操作溫度，流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝要求來選取。換

22、熱器的常用材料有：碳鋼和不銹鋼。</p><p>　　據(jù)生產(chǎn)要求，冷熱流體分別為水合煤油，均無腐蝕性化學性質(zhì)比較穩(wěn)定，以及生產(chǎn)經(jīng)濟合理，選擇碳鋼作為換熱器的材料。</p><p>　　第三章 列管式換熱器設(shè)計</p><p><b>　　3.1確定計算方案</b></p><p>　　3.1.1選擇換熱器的類型<

23、/p><p>　　兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度150℃，出口溫度40℃；冷流體（循環(huán)水）進口溫度30℃，出口溫度40℃。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。</p><p>　　3.1.2流動空間及流速的確定</p><p>　　由于冷卻循環(huán)水較易結(jié)

24、垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，油品走殼程。選用φ252.5mm的碳鋼管，管內(nèi)流速取 。</p><p>　　3.2 確定物性數(shù)據(jù)</p><p>　　定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。</p><p><b>　　殼程油的定性溫度為</b></p><p>　　T=150+40\2=95℃</p>

25、<p>　　管程流體的定性溫度為</p><p>　　根據(jù)第二章所提供的數(shù)據(jù)，可知：</p><p>　　煤油在95℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　密度：ρ=825Kg/m3</p><p>　　定壓比熱容： Cp0=2.22KJ/(Kg·℃)</p><p>　　導熱系數(shù)：λ0=

26、0.14W/(m·℃)</p><p>　　粘度：µ0=7.15×10-4Pa·s</p><p>　　循環(huán)冷卻水在35℃下的物性數(shù)據(jù)：</p><p><b>　　密度： </b></p><p><b>　　定壓比熱容：</b></p>&

27、lt;p><b>　　導熱系數(shù)：</b></p><p><b>　　粘度： </b></p><p>　　3.3 計算總傳熱系數(shù)</p><p><b>　　3.3.1熱流量</b></p><p><b>　　=691900W</b></

28、p><p>　　推出 qm.c=1.6576×10^4kg/h</p><p>　　3.3.2 平均傳熱溫差</p><p>　　3.3.3 冷卻水用量</p><p>　　3.3.4 總傳熱系數(shù)K</p><p><b>　　管程傳熱系數(shù)</b></p><p>

29、;<b>　　殼程傳熱系數(shù)</b></p><p>　　假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)：</p><p><b>　　污垢熱阻</b></p><p><b>　　管壁的導熱系數(shù)</b></p><p><b>　　=223.55 </b></p>&l

30、t;p>　　3.4 計算傳熱面積</p><p>　　3.5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸</p><p>　　3.5.1管徑和管內(nèi)流速</p><p>　　選用傳熱管，取管內(nèi)流速。</p><p>　　3.5.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)</p><p>　　依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p>

31、;　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為</p><p>　　按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長L=6m，則該換熱管管程數(shù)為</p><p><b>　　（管程）</b></p><p><b>　　傳熱管總根數(shù)</b></p><p><b>　?。ǜ?lt;/b&

32、gt;</p><p>　　3.5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)</p><p>　　平均傳熱溫差校正系數(shù)</p><p>　　按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表。但R= 10的點在圖上難以讀出，因而相應(yīng)以1／R代替R，PR代替P，查同一圖線，可得</p><p><b>　　平均傳熱溫差</b></p&

33、gt;<p>　　3.5.4 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。取管心距，則</p><p>　　橫過管束中心線的管數(shù)</p><p><b>　　（根）</b></p><p>　　3.5.5.殼體內(nèi)徑</p><

34、p>　　采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率，則殼體內(nèi)徑為</p><p><b>　　圓整可取: </b></p><p>　　3.5.6 .折流板</p><p>　　采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為 ，故可取h=230(mm)</p><p>　　取折流板間距B=0.3D，則

35、</p><p>　　，可取B=300mm</p><p><b>　　折流板數(shù) </b></p><p>　　=傳熱管長/折流板間距-1=（根）</p><p>　　折流板圓缺面水平裝配。</p><p><b>　　3.5.7 接管</b></p><

36、p>　　殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)油品流速為 ，則接管內(nèi)徑為</p><p>　　取標準管徑為100 mm。</p><p>　　管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速為 ，則接管內(nèi)徑為</p><p>　　取標準管徑為180mm。</p><p><b>　　3.6 換熱器核算</b></p>&

37、lt;p><b>　　3.6.1熱量核算</b></p><p>　　（1）殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板，可采用克恩公式</p><p>　　當量直徑，由正三角形排列得</p><p><b>　　殼程流通截面積</b></p><p>　　殼程流體流速及雷諾數(shù)分別為</p>

38、<p><b>　　普蘭特準數(shù)</b></p><p><b>　　粘度校正: </b></p><p>　　（2）管程對流傳熱系數(shù)</p><p><b>　　管程流通截面積</b></p><p><b>　　管程流體流速</b><

39、/p><p><b>　　普蘭特準數(shù)</b></p><p><b>　　（3）熱系數(shù)K</b></p><p><b>　　（4）傳熱面積S</b></p><p>　　該換熱器的實際傳熱面積</p><p>　　該換熱器的面積裕度為</p>

40、<p>　　傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。</p><p>　　3.6.2.換熱器內(nèi)流體的流動阻力</p><p><b>　　管程流動阻力</b></p><p>　　由，傳熱管相對粗糙度0.01/20=0.005，查莫狄圖得 ，流速 ，所以</p><p>　　管程流動阻力在允許范圍內(nèi)

41、。</p><p><b>　　殼程阻力</b></p><p><b>　　流體流經(jīng)管束的阻力</b></p><p>　　流體流過折流板缺口的阻力 </p><p>　　B=0.27m，D=0.90m </p><p><b>　　總阻力</b>&

42、lt;/p><p>　　殼程流動阻力也比較適宜</p><p>　　第四章 計算結(jié)果一覽表</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　化工原理課程設(shè)計是培養(yǎng)化工能力的的重要教學環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計使我們初步掌握了化工設(shè)計的基礎(chǔ)知識、設(shè)計原則及方法；學會各種手冊的使用方法及物理性質(zhì)、化學性質(zhì)的查找方法和

43、技巧；能畫出工藝流程、塔板結(jié)構(gòu)等圖。在設(shè)計中要考慮理論的可行性，還要考慮生產(chǎn)的經(jīng)濟性和安全性。</p><p>　　這是第一次我們真正的接觸到與我們專業(yè)實際相聯(lián)系的事物，我呢吧都懷著十分期待的心情面對此次課程設(shè)計。</p><p>　　在短短的兩周內(nèi)，我們剛開始意識到任務(wù)的艱難，開始討論、計算，再到各種材料的選取，我們深切的感受到理論要與實際結(jié)合的重要性。 </p><

44、p>　　化工原理本來是很難學的一門課程，而且課程設(shè)計帶有大量的計算，畫圖過程對于細節(jié)的處理要求也很高，所以剛開始的時候，我們都感覺很困難，甚至還有點畏懼和抵觸情緒，但是當我們開始畫起開的時候，卻在期中找到了樂趣，還有很高的成就感，真的應(yīng)了那句古話，“萬事開頭難”。</p><p>　　在設(shè)計中，我們學到了很多平時學不到的東西。首先，我們充分地認識到我們所學的知識的重要性，深刻地體驗到理論知識在實際生產(chǎn)中發(fā)揮

45、的舉足輕重的作用，一方面鞏固了已有的知識，另一方面也拓展了新的視野。</p><p>　　另外，我們也學會了“活到老學到老”的道理，設(shè)計過程相當于一個探索過程，在這個過程中，我們接觸到許多課本中沒有的知識，對于自身的不足也有了充分的了解，并做了幾十的改正。但是，對實際應(yīng)用還是義一無所知，還需要大量的學習與實踐。同時，諸多步驟的繁瑣的計算中，充分地培養(yǎng)了嚴謹?shù)膶W習態(tài)度，做事必須細致認真，尤其在工程設(shè)計中，一個小小的

46、錯誤可能導致不堪設(shè)想的后果。另外，通過本次課程設(shè)計，我們也充分認識到在實際生產(chǎn)中，更多的藥考慮設(shè)備的合理性，經(jīng)濟性</p><p>　　對于此次課程設(shè)計，歷時兩周，雖然有些繁雜卻不乏樂趣，在設(shè)計的過程中，我們組員之間團結(jié)相互合作，有什么問題大家共同討論，共同分享快樂和學習過程中的艱辛，共同進步。讓我們加強了退隊合作精神。也加強了我們的專業(yè)知識。讓問更進一步的加強了以后面對社會的資本。</p><

47、;p>　　我還要感謝指導老師：劉敏老師和羅婕老師，感謝她們對我們的教導與幫助，感謝同學們的相互支持。</p><p>　　限于我們的水平，設(shè)計中難免有不足與謬誤之處，懇請老師們批評指正。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 賈紹義，柴誠敬．化工原理課程設(shè)計．天津大學出版社[M] ，2002：16-19

48、.</p><p>　　[2] 陳聲宗．化工設(shè)計．化學工業(yè)出版社[M] ，2002：75-81.</p><p>　　[3] 柴誠敬．化工原理第二版上冊．高等教育出版社[M] ，2009：208-264.</p><p>　　[4] 楊樹才．化工制圖．化學工業(yè)出版社[M] ，2005：36-59.</p><p>　　[5] 韓冬冰，李敘鳳．

49、化工工程設(shè)計．學苑出版社[M] ，2005：46-69.</p><p>　　[6] 聶清德．化工設(shè)備設(shè)計．化學工業(yè)出版社[M] ，2002：36-42.</p><p>　　附錄1 煤油冷卻器的設(shè)計任務(wù)書</p><p>　　1．設(shè)計題目 煤油冷卻器的設(shè)計。 2．設(shè)計任務(wù)及操作條件 （1）處理能力　6000 kg/h煤油

50、0;（2）設(shè)備型式　 列管式換熱器 （3）操作條件 ①煤油：入口溫度125℃，出口溫度40℃ ②冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度30℃，出口溫度40℃ ，循環(huán)冷卻水的壓力為0.4MPa（4）設(shè)計項目 ①設(shè)計方案簡介：對確定的工藝流程及換熱器型式進行簡要論述。 ②換熱器的工藝計算：確定換熱器的傳熱面積。 ③換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。 ④主要輔助設(shè)備

51、選型。 ⑤繪制換熱器設(shè)備圖。 3．設(shè)計說明書的內(nèi)容 （1）目錄； （2）設(shè)計題目及原始數(shù)據(jù)(任務(wù)書)； （3）論述換熱器總體結(jié)構(gòu)(換熱器型式、主要結(jié)構(gòu))的選擇； （4）換熱器加熱過程有關(guān)計算(物料衡算、熱量衡算、傳熱面積、換熱管型號、殼體直徑等)； （5）設(shè)計結(jié)果概要(主要設(shè)備尺寸、衡算結(jié)果等)； （6）主體設(shè)備設(shè)計計算及說明； 

52、（7）參考文獻； （8）后記及其它。</p><p><b>　　4．設(shè)計圖要求</b></p><p>　　繪制換熱器設(shè)備圖一張(手繪，A2)：一主視圖，一剖面圖。 </p><p><b>　　附錄2 符號說明</b></p><p>　　T—熱流體溫度，℃；</p&

53、gt;<p>　　t—冷流體溫度，℃；</p><p>　　Cp—比定壓熱容，KJ/（Kg.℃）；</p><p>　　λ—導熱系數(shù)，W/（ｍ.℃）；</p><p>　　Q—傳熱速率，Kｗ；</p><p>　　qｍ,h_—熱流體質(zhì)量流量，Kg/h ；</p><p>　　qｍ,c—冷流體質(zhì)量流量，Kg

54、/h；</p><p>　　Δtm—平均傳熱溫度，℃；</p><p><b>　　Re—雷諾數(shù)；</b></p><p><b>　　d—管徑，mm ；</b></p><p>　　u—流速 ，m/s；</p><p>　　µ—黏度，Pa.s；</p>

55、<p>　　α—對流傳熱系數(shù)，W/(m2.℃)；</p><p>　　R—導熱熱阻，m2.℃/W；</p><p>　　K—總傳熱系數(shù)，W/(m2.℃)；</p><p>　　b—平壁厚度，mm；</p><p>　　S—傳熱面積，m2；</p><p><b>　　n—管數(shù)；</b>

56、;</p><p>　　V—體積流量，m3/s；</p><p>　　L—傳熱管長度，m；</p><p><b>　　l—特性尺寸，m；</b></p><p><b>　　N—程數(shù)；</b></p><p><b>　　R,P—因數(shù)；</b><

57、/p><p>　　øΔt —平均溫度校正系數(shù)，量綱為一；</p><p><b>　　t—管心距，mm；</b></p><p>　　D—殼體內(nèi)徑，mm；</p><p><b>　　η—利用率；</b></p><p>　　h—圓缺高度，mm；</p>

58、<p>　　B—折流板間距，mm；</p><p><b>　　NB—折流板數(shù)；</b></p><p>　　de—當量直徑，mm； </p><p><b>　　Pr—普蘭特準數(shù)；</b></p><p><b>　　H—面積裕度；</b></p>&

59、lt;p><b>　　p—壓力，Pa；</b></p><p>　　Ft—結(jié)垢校正系數(shù)；</p><p><b>　　Ns—串聯(lián)殼程數(shù)；</b></p><p><b>　　ξ—局部阻力系數(shù)；</b></p><p>　　F—管子排列方式對壓力降的校正系數(shù)；</p&

60、gt;<p>　　f0—殼程流體摩擦系數(shù)；</p><p><b>　　下標</b></p><p><b>　　h—熱流體的；</b></p><p><b>　　c—冷流體的；</b></p><p><b>　　e—當量的；</b>&l

61、t;/p><p><b>　　i—管內(nèi)的；</b></p><p><b>　　o—管外的；</b></p><p><b>　　m—平均的；</b></p><p><b>　　s—污垢；</b></p><p><b>