化工原理課程設計--冷卻器的設計

1、<p><b>　　化工原理設計報告</b></p><p><b>　　【摘要】</b></p><p>　　換熱器（英語翻譯：heat exchanger），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設備，在生產中占有重要地位。在化工生產中換熱器可作為加熱器、冷卻器、

2、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應用最多。</p><p>　　隨著經濟的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結構、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應發(fā)展的需要，中國對某些種類的換熱器已經建立了標準，形成了系列。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下基本要求： </p>

3、;<p>　?。?） 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件； </p><p>　?。?） 結構安全可靠； </p><p>　　（3） 便于制造、安裝、操作和維修； </p><p>　?。?） 經濟上合理。</p><p>　　衡量一臺換熱器好的標準是傳熱效率高、流體阻力小、強度足夠、結構合理、安全可靠、節(jié)省材料、成本低、制造安裝檢修

4、方便、節(jié)省材料和空間、動力。</p><p><b>　　【目錄】</b></p><p>　　1.）封面…………………………………1</p><p>　　2.）摘要…………………………………2</p><p>　　3.）目錄…………………………………3</p><p>　　4.）設計任務書………

5、…………………4</p><p>　　5.）緒論…………………………………5</p><p>　　6.）概述…………………………………8</p><p>　　7.）設計方案簡介………………………15</p><p>　　8.）設備的計算…………………………19</p><p>　　9.）主體設備計算及其說明……………3

6、0</p><p>　　10.）設計結果概要表…………………36</p><p>　　11.）設計中使用的符號說明…………37</p><p>　　12.)心得…………………………………38</p><p><b>　　【設計任務書】</b></p><p><b>　　設計題目<

7、/b></p><p><b>　　煤油冷卻器的設計</b></p><p><b>　　設計任務</b></p><p>　　1. 處理能力：1.98×105噸/年煤油</p><p>　　2. 設備形式：列管式換熱器（臥式）</p><p><b

8、>　　操作條件</b></p><p>　　① 煤油：入口溫度140℃，出口溫度40℃ ② 冷卻介質：自來水，入口溫度30℃，出口溫度40℃ ③ 允許壓強降：不大于105Pa④ 每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行</p><p><b>　　四、設計內容</b></p><p>　?、僭O計方案簡介：對確定的工藝流程及

9、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換熱器的主要結構尺寸設計。 ④主要輔助設備選型。 ⑤繪制換熱器總裝配圖。 </p><p><b>　　五、設計日期</b></p><p>　　開始日期：2010年4月26日</p><p>　　結束日期：2010年5月6號 </p><p&

10、gt;<b>　　六、設計評述</b></p><p>　　換熱器是許多工業(yè)生產中常用的設備,尤其是石油、化工生產應用更為廣泛。在化工廠中換熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。換熱器的類型很多，性能各異，個具特點，可以適應絕大多數(shù)工藝過程對換熱器的要求。進行換熱器的設計，首先是根據工藝要求選用適當?shù)念愋?，同時計算完成給定生產任務所需的傳熱面積，并確定換熱器的工藝尺寸。</p>

11、<p>　　換熱器類型雖然很多，但計算傳熱面積所依據的傳熱基本原理相同，不同之處僅是在結構上需根據各自設備特點采用不同的計算方法而已。</p><p><b>　　【緒論】</b></p><p>　　化工原理設計的目的和要求</p><p>　　課程設計是《化工原理》課程的一個總結性教學環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是培養(yǎng)學生綜合

12、運用本門課程及有關選修課程的基本知識去解決某一設計任務的一次訓練，有較強的綜合性和實踐性。它要求綜合運用本課程和前修課程的基礎知識，進行融會貫通的獨立思考，在規(guī)定的時間內完成制定的化工原理設計任務，從而得到化工工程設計的初步訓練。在整個教學計劃中，它也起著培養(yǎng)學生獨立工作能力的重要作用。</p><p>　　課程設計不同于平時的作業(yè)，在設計中需要學生自己做出決策，即自己確定方案，選擇流程，查取資料，進行過程和設備

13、計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經過反復的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設計。所以，課程設計是培養(yǎng)學生獨立工作能力的有益實踐。</p><p>　　通過課程設計,學生應該注重以下幾個能力的訓練和培養(yǎng)：</p><p>　　1. 查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(包括從已發(fā)表的文獻中和從生產現(xiàn)場中搜集)的能力；</p><p>　　2. 樹立既考慮技術上的先

14、進性與可行性，又考慮經濟上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護的正確設計</p><p>　　思想，在這種設計思想的指導下去分析和解決實際問題的能力；</p><p>　　3. 迅速準確的進行工程計算的能力；</p><p>　　4. 用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己設計思想的能力。</p><p>　　化工原理課程設計的內容和步驟

15、</p><p><b>　　內容：</b></p><p>　　1. 設計方案簡介 對給定或選定的工藝流程，主要的設備型式進行簡要的論述；</p><p>　　2. 主要設備的工藝設計計算 包括工藝參數(shù)的選定、物料衡算、熱量衡算、設備的工藝尺寸計算及結構設計；</p><p>　　3. 典型輔助設備的選型和計算 包

16、括典型輔助設備的主要工藝尺寸計算和設備型號規(guī)格的選定；</p><p>　　4. 帶控制點的工藝流程簡圖 以單線圖的形式繪制，標出主體設備和輔助設備的物料流向、物流量、能流量和主要化工參數(shù)測量點；</p><p>　　5. 主體設備工藝條件圖 圖面上應包括設備的主要工藝尺寸，技術特性表和接管表；</p><p>　　完整的課程設計由說明書和圖紙兩部分組成。說明書

17、是設計的書面總結，也是后續(xù)設計工作的主要依據，應包括以下主要內容：</p><p>　?。?）封面（課程設計題目、班級、姓名、指導教師、時間 ）；</p><p><b>　?。?）目錄；</b></p><p><b>　?。?）設計任務書；</b></p><p>　?。?）設計方案簡介；<

18、;/p><p>　?。?）設計條件及主要物性參數(shù)表；</p><p>　?。?）工藝設計計算；</p><p>　?。?）輔助設備的計算及選型；</p><p>　　（8）設計結果匯總表；</p><p>　　（9）設計評述及設計者對本設計有關問題的討論；</p><p>　?。?0）工藝流程圖及設

19、備工藝條件圖；</p><p><b>　　（11）參考資料。</b></p><p><b>　　步驟：</b></p><p>　　1. 動員和布置任務；</p><p>　　2. 閱讀指導書和查閱資料；</p><p><b>　　3. 現(xiàn)場調查；</b

20、></p><p>　　4. 設計計算,繪圖和編寫說明書；</p><p><b>　　5. 考核和答辯。</b></p><p>　　整個設計是由論述、計算和繪圖三部分組成。論述應該條理清晰，觀點明確；計算要求方法正確，誤差小于設計要求，計算公式和所用數(shù)據必須注明出處；圖表應能簡要表達計算的結果。</p><p>

21、;　　設計后期的答辯，及時了解學生設計能力的補充過程，也是提高設計水平，交流心得和擴大收獲的重要過程。答辯通常包括個別答辯和公開答辯兩種形式。個別答辯的目的不僅是對學生進行全面考核，更主要的是促進學生開動腦筋,提高設計水平。所以，在個別答辯后，應允許學生修改補充自己的圖紙和說明書。公開答辯是在個別答辯的基礎上，選出幾個有代表性的學生在全班公開答辯，實際上是以他們的中心發(fā)言來引導全班性的討論，目的是交流心得、探討問題和擴大收獲。</

22、p><p><b>　　【概述】</b></p><p><b>　　1.）換熱器的分類</b></p><p>　　換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，</p><p>　　以實現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實現(xiàn)化工生產過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。</p&g

23、t;<p>　　在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實踐中有時也會存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質上的區(qū)別。</p><p>　　在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業(yè)的通用設備，占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因

24、而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設計制造結構改進以及傳熱機理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。換熱器按照換熱介質不同可分為水-水換熱器和汽-水患熱器；按照工作原理不同可分為間壁式、直接接觸式、蓄熱式和熱管式換熱器。</p><p><b>　　1.表面式換熱器</b></p><p>　　又稱間壁式換熱器。是指通過傳熱表面間接加熱的換熱器。由于表面式換熱

25、器冷熱流體傳熱時被固體壁面所隔開，熱流體和冷流體通過壁面進行熱量傳遞，所以與直接接觸式換熱器相比，換熱效率較低，常用在兩種流體不容滲混的場合。主要有管式、容積式、板式、螺旋板式等形式。</p><p><b>　　2.管式換熱器</b></p><p>　　是指由圓筒形殼體和裝配在殼體內的帶有管板的管束</p><p>　　所組成的管式換熱器。

26、結構簡單、造價低、流通截面較寬、易于清洗水垢;但傳熱系數(shù)低、占地面積大。管殼式換熱器有固</p><p>　　定管板式汽-水換熱器、帶膨脹節(jié)管殼式汽-水換熱器、浮頭式汽-水換熱器、u彩管殼式汽-水換熱器、波節(jié)型管殼式汽-水換熱器、分段式水-水換熱器等兒種類型。</p><p><b>　　3.套管式換熱器</b></p><p>　　是指由管子

27、制成管套管等構件組成的管式換熱器。</p><p><b>　　4.板式換熱器</b></p><p>　　是指不同溫度的流體交錯在多層緊密排列的薄壁金屬板間流動換熱的表面式換熱器。主要由傳熱板片、固定蓋板、活動蓋板、定位螺栓及壓緊螺栓組成，板片之間用墊片進行密封。由于板片表面的特殊結構，能使流體在低流速下發(fā)生強烈湍動，從而強化了傳熱過程。板式換熱器結構緊湊，拆洗方便

28、，傳熱系數(shù)高，適應性大，節(jié)省材料，但板片間流通截面狹窄，易形成水垢和沉積物，造成堵塞，密封墊片耐熱性差時易滲漏。此種換熱器常用于供暖系統(tǒng)。板式換熱器計算時應考慮換熱便面污垢的影響，傳熱系數(shù)計算時應考慮污垢修正系數(shù)。</p><p>　　其中列管式換熱器的應用已經有很悠久的歷史。現(xiàn)在，它作為一種傳統(tǒng)的標準換熱設備在很多工業(yè)部門中大量使用，尤其在化工、石油、能源設備等部門所使用的換熱設備中，列管式換熱器仍處于主導地位

29、。同時，管板式換熱器已成為高效、近臭的換熱設備，大齡的應用于工業(yè)中。列管式換熱器的資料較為完善，已有系列化標準。</p><p>　　列管式換熱器有三種類型，分別為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器和填料函式換熱器。</p><p>　　固定管板式：固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的結構特點是在殼體中設置有管束，管束兩端用焊接或脹接的

30、方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，</p><p>　　殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束</p><p>　　內根據換熱管的長度設置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。</p><p>　　固定管板式換熱器結構簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼

31、程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質不宜采用。當膨脹之差較大時，可在殼體上設置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產生的熱應力。</p><p>　　固定管板式換熱器的特點是：旁路滲流較小；造價低；無內漏。在相同的殼體直徑內，排管較多，比較緊湊；殼側層清洗困難，加上膨脹節(jié)的方法不能照到管子的相對移動。比較適合溫差不大或溫差大而殼層壓力不高的場合。</p>

32、<p>　　固定管板式換熱器的缺點是，殼體和管壁的溫差較大，易產生溫差力，殼程無法清洗，管子腐蝕后連同殼體報廢，設備壽命較低，不適用于殼易結垢場合。</p><p>　　圖1 固定管板式換熱器</p><p>　　2.浮頭式換熱器：其兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端課相對于殼體作某些移動，該端稱之為浮頭。此種換熱器的管束不受殼體的約束，殼體與管束之間不會因為膨脹量的不同而

33、產生熱應力。而且在清洗和檢修時，僅將管束從殼體中抽出即可。</p><p>　　特點：該種換熱器結構復雜、笨重，造價比固定管板式要高出約百分之二十，材料的消耗量太大，浮頭的端蓋在操作中無法</p><p>　　檢查。所以安裝時要特別注意其密封。以免發(fā)生內漏，且管束和殼體間隙較大，設計時避免短路。該種換熱器比較適合管殼</p><p>　　壁間溫差較大，或易于腐蝕和易

34、于結垢的場合。</p><p>　　圖2. 浮頭式換熱器</p><p><b>　　3.U型管式換熱器</b></p><p>　　僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上。</p><p>　　這類換熱器的特點是：管束可以自由伸縮，不會因為管殼之間的溫差而產生熱應力，熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速<

35、/p><p>　　較高，傳熱性能好；承壓能力強；管束課從殼體內抽出，便于檢修和清洗，造價便宜。但是管內清洗不變，管束中間分布的管子難以更換，管板中心部分布管不緊湊，管子數(shù)目不能太多。僅適用于管殼壁溫相差較大，或殼程截止易于結垢而管程介質不易結垢，高溫高壓腐蝕性強的情形</p><p>　　圖3.U型管式換熱器</p><p><b>　　4.填料函式換熱器&l

36、t;/b></p><p>　　此類換熱器的管板也僅有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封。</p><p>　　特點為它的管束也可以自由膨脹，所以管殼間不會產生熱</p><p>　　應力，且管程與殼程都能清洗。造價較低、加工制造簡便，材料消耗較少。填料密封處于泄露，故殼程壓力不能過高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場合。</p><

37、;p>　?。┩晟频膿Q熱器在設計或選型時應滿足以下各項基本要求。 （1）合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 　　傳熱量、流體的熱力學參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物理化學性質（密度、粘度、腐蝕性等）是工藝過程所規(guī)定的條件。設計者應根據這些條件進行熱力學和流體力學的計算，經過反復比較，使所設計的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時間內傳遞盡可能多的熱量。其具體做法如下。 　?、僭龃髠鳠嵯禂?shù)? 在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動

38、的前提下，盡量選擇高的流速。 　?、谔岣咂骄鶞夭? 對于無相變的流體，盡量采用接近逆流的傳熱方式。因為這樣不僅可提高平均溫差，還有助于減少結構中的溫差應力。在允許的條件時，可提高熱流體的進口溫度或降低冷流體的進口溫度。 　?、弁咨撇贾脗鳠崦? 例如在管殼式換熱器中，采用合適的管間距或排列方式，不僅可以加大單位空間內的傳熱面積，還可以改善流體的流動特性。錯列管束的傳熱方式比并列管束的好。如果換熱器中的一側有相變，另一側流體為氣相，可在

39、氣相一側的傳熱面上加翅片以增大傳熱面積，更有利于熱量的傳遞。 （2）安全可靠 　　換熱器是壓力容器，在進行強度、剛度、溫差應力以及疲</p><p>　　設備的安全可靠起著重要的作用。 （3）有利于安裝、操作與維修 　　直立設備的安裝費往往低于水平或傾斜的設備。設備與部件應便于運輸與裝拆，在廠房移動時不會受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設保溫層。 （4）經濟合理 　　評價換

40、熱器的最終指標是：在一定的時間內（通常為1年）固定費用（設備的購置費、安裝費等）與操作費（動力費、清洗費、維修費等）的總和為最小。在設計或選型時，如果有幾種換熱器都能完成生產任務的需要，這一指標尤為重要。 　　動力消耗與流速的平方成正比，而流速的提高又有利于傳熱，因此存在一最適宜的流速。 　　傳熱面上垢層的產生和增厚，使傳熱系數(shù)不斷降低，傳熱量隨之而減少，故有必要停止操作進行清洗。在清洗時不僅無法傳遞熱量，還要支付清洗費，這部分費用

41、必須從清洗后傳熱條件的改善得到補償，因此存在一最適宜的運行周期。 嚴格地講，如果孤立地僅從換熱器本身來進行經濟核算以確定適宜的操作條件與適宜的尺寸是不夠全面的，應以整個系統(tǒng)中全部設備為對象進行經濟核算或設備的優(yōu)化。但要解決這樣的問題難度很大，當影響換熱器的各項因素改變后對整個系統(tǒng)的效益關系影響不大時</p><p>　　3.)管板式換熱器的類型及工作原理</p><p>　　板式換熱器

42、按照組裝方式可以分為可拆式、焊接式、釬焊式等形式;按照換熱板片的波紋可以分為人字波、平直波、球形波等形式; 按照密封墊可以分為粘結式和搭扣式。各種形式進行組合可以滿足不同的工況需求,在使用中更有針對性。比如</p><p>　　同樣是人字形波紋的板片還因采用粘結式還是搭扣式密封墊而有所不同, 采用搭扣式密封墊可以有效的避免膠水中可能含有的氯離子對板片的腐蝕, 并且設備拆裝更加方便。又

43、如焊接式板式換熱器的耐溫耐壓明顯好于可拆式板式換熱器, 可以達到250 ℃、2. 5MPa 。因此同樣是板式換熱器, 因其形式的多樣性,可以應用于較為廣泛的領域,在大多數(shù)熱交換工藝過程都可以使用。 雖然板式換熱器有多種形式, 但其工作原理大致相同。板式換熱器主要是通過外力將換熱板片夾緊組裝在一起, 介質通過換熱板片上的通孔在板片表面進行流動, 在板片

44、波紋的作用下形成激烈的湍流, 猶如用筷子攪動杯中的熱水, 加大了換熱的面積。冷熱介質分別在換熱板片的兩側流動,湍流形成的大量換熱面與板片接觸, 通過板片來進行充分的熱傳遞,達到最終的換熱效果。冷熱介質的隔離主要通過密封墊的分割, 或者通過大量的焊縫來保證, 在換熱板片不開裂穿孔的情況下, 冷熱介質不會發(fā)生混淆。</p><p><b>　　【設

45、計方案簡介】</b></p><p>　　1.）換熱器系統(tǒng)方案的確定</p><p>　　進行換熱器的設計，首先應根據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)，同時計算完成給定生產任務所在地需的傳熱面積，并確定換熱器的工藝尺寸且根據實際流體的腐蝕性確定換熱器的材料，根據換熱器內的壓力來確定其壁厚。</p>&

46、lt;p>　　2.）加熱介質冷卻介質的選擇</p><p>　　在換熱過程中加熱介質和冷卻介質的選用應根據實際情況而定。除應滿足加熱和冷卻溫度外，還應考慮來源方面，價格低廉，使用安全。在化工生產中常用的加熱劑有飽和水蒸氣、導熱油，冷卻劑一般有水和鹽水。綜合考慮，在本次設計中的換熱器加熱介質選擇飽和水蒸氣，冷卻介質選擇水。</p><p>　　3．）換熱器類型的選擇</p>

47、<p>　　本次任務中兩流體的溫度變化：煤油熱流體進口溫度為140℃，</p><p>　　出口溫度為40℃；冷卻介質水的進口溫度為30℃，出口溫度為40℃。</p><p>　　該換熱器用自來水作冷卻介質，受環(huán)境影響，進口溫度會降低，由此可知該換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差較大，有上一步驟中對換熱器形式及特點的陳述，課選用固定管板式換熱器。</p><p

48、>　　4.）流體流動空間的選擇</p><p>　　在管殼式換熱器的計算中，首先要決定何種流體走管程，何種流</p><p>　　體走殼程，這需遵循一些一般原則。</p><p>　?、逡擞谕ㄈ牍軆瓤臻g的流體</p><p>　　不清潔的流體：因為在管內空間得到較高的流速并不困難，而流速高，懸浮物不易沉積，且管內空間便于清洗；</

49、p><p>　　體積小的流體：管內空間的流動截面往往要比管外空間的截面要小，流體易于獲得理想的流速，而且也便于做成多程流動。</p><p>　　有壓力的流體：管子承壓能力強，而且還簡化了殼體密封要求。</p><p>　　與外界溫差大的流體：可以減少熱量的逸散。</p><p>　?、嬉擞谕ㄈ牍荛g的流體</p><p>

50、　　當兩流體溫度相差較大時，α值大的流體走管間，這樣可以減少管壁與殼壁間的溫度差，因而也減少了管束與殼體間的相對伸長，故溫差應力可以降低。</p><p>　　若兩流體給熱性能相差較大時，α值霄的流體走管間，此時可以用翅片管來平衡傳熱面兩側的給熱條件，使之相互接近。</p><p>　　黏度大的流體，管間的截面和方向都在不斷變化，在低雷諾數(shù)下，管外給熱系數(shù)比管內的大。</p>

51、<p>　　泄漏后危險大的流體，可以減少泄露機會，以保安全。</p><p>　　根據所查得的資料，不潔凈或易于結垢的物料應流經易于清洗的</p><p>　　一側，對于直管一般走管內；溫度較高的物料宜走管內一減少熱損失，但要求被冷卻的流體走殼程、黏度大的走殼程，且循環(huán)水易于結垢，所以使水走管程，煤油走殼程。</p><p>　　5．）換熱器材質的選擇&

52、lt;/p><p>　　在進行換熱器設計時，換熱器各種零、部件的材料，應根據設備的操作壓力、操作溫度。流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當然，最后還要考慮材料的經濟合理性。一般為了滿足設備的操作壓力和操作溫度，即從設備的強度或剛度的角度來考慮，是比較容易達到的，但材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復雜的問題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設</p>

53、;<p>　　備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結構有著密切關系。 一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 （1）碳鋼 價格低，強度較高，對堿性介質的化學腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應用是合理的。如一般換熱器用的普通無縫鋼管，其常用的材料為10號和20號碳鋼。 （2）不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti為代表，它是標準的18-8奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定

54、的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。</p><p>　　通過綜合比較，本次設計采用10號碳鋼。</p><p>　　6.)傳熱管排列和分程方法</p><p>　　換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列，正三角形排列結構緊湊，傳熱效果好；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結構更

55、為緊湊。</p><p>　　綜合各種因素選擇正三角形的排列方式。 7.)流體流速的確定</p><p>　　流體的流速對傳熱來說非常的重要，因為在滯留層的傳熱是一熱傳導為主，熱傳導的傳熱速率小于對流傳熱。所以如果流速太小它形成的滯留層會很厚，會大大減小傳熱速率，又因如果流速太小雜質會在壁面沉積也會導致傳熱速率的下降，提高流體在換熱器中的流速，可以增大對流體傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表

56、面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增加，所需要傳熱面積減少，設備費用降低。但是流速增加，流體阻力將相應加大，使操作費用增加。所選擇流速時應</p><p><b>　　該綜合考慮。</b></p><p>　　下表列出工業(yè)一般采用的流體流速范圍。</p><p>　　8.)換熱器壁厚的確定</p><p>

57、　　一般內壓容器厚度由應滿足剛度和壓力的要求，本次設計中所用到的換熱器內部壓降都不太大，都屬于常壓容器，所以換熱器的壁厚只要滿足剛度要求即可。</p><p>　　9.)管子與管板連接方式的選擇</p><p>　　管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。 </p><p>　　管板與管子的連接可脹接，焊接和脹焊并用。脹接法是利用脹管器將管子

58、擴脹，產生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達到密封緊固的目的。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設計壓力不超過4 MPa，設計溫度不超過350℃的場合。 焊接法在高溫高壓條件下更能保證接頭的嚴密性。</p><p>　　這次用到的換熱器內流體溫度不高，壓力不大，所以選擇脹接的方式連接管子和管板。</p><p><b>　　10.)殼程結構</b&g

59、t;</p><p>　　殼程內的結構，主要由折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件組成。由于各種換熱器的工藝性能、使用的場合不同，殼程內對各種元件的設置形式亦不同，以此來滿足設計的要求。如當殼程走的是蒸汽時不安裝折流板。這次設計中的原料預熱器和塔頂全凝器的殼程走的是蒸汽所以不安裝折流板。</p><p>　　介質在殼程的流動方式有多種型式，單殼程型式應用最為普遍。。</p

60、><p><b>　　【設備的計算】</b></p><p>　　1.）換熱器設計步驟</p><p>　　目前，我國已經制訂了管殼式換熱器系列標準，設計中應盡可能選用系列化的標準產品，這樣可簡化設計和加工。但是實際生產條件千變萬化，當系列化產品不能滿足需要時，仍應根據生產的具體要求而自行設計非系列標準的換熱器。兩者的設計計算步驟如下：</p

61、><p>　　1.非系列標準換熱器的一般設計步驟</p><p>　?、×私鈸Q熱流體的物理化學性質和腐蝕性能。</p><p>　?、⒂蔁崞胶庥嬎銈鳠崃康拇笮?，并確定第二種換熱流體的用量。</p><p>　　ⅲ決定立體通入的空間。</p><p>　?、び嬎懔黧w的定性溫度，一確定流體的物性數(shù)據。</p>&

62、lt;p>　?、コ跛阌行骄鶞夭?。一般先按照逆流計算，然后再校核。</p><p>　　ⅵ選取管徑和管內流速。</p><p>　　ⅶ計算傳熱系數(shù)K值，包括管程對流傳熱系數(shù)和殼程對流傳熱系數(shù)的計算。由于殼程對流傳熱系數(shù)與殼頸、管束等結構有關，因此一般先假定一個殼程對流傳熱系數(shù)，以計算K值，然后再校核。</p><p>　?、ǔ豕纻鳠崦娣e。考慮安全系數(shù)和初估性質

63、，因而常取實際傳熱面積是計算值的1.15-1.25倍。</p><p><b>　　ⅸ擇管長L。</b></p><p>　　ⅹ計算管數(shù)N并校核管內流速，確定管程數(shù)。</p><p>　　Xi校核對流傳熱系數(shù)及有效平均溫差；校核傳熱面積，應有一定安全系數(shù)，否則需要重新設計。</p><p>　　Xii計算流體流動阻力。如

64、果阻力超過允許范圍，需要調整設計，直至滿意為止。</p><p>　　2.系列標準換熱器選用的設計步驟</p><p><b>　　ⅰ至ⅴ與1相同。</b></p><p>　?、⑦x取經驗的傳熱系數(shù)K值。</p><p><b>　?、Ｓ嬎銈鳠崦娣e。</b></p><p>

65、　?、び上盗袠藴蔬x取換熱器的基本參數(shù)。</p><p>　?、バ：藗鳠嵯禂?shù)，包括管程、殼程對流傳熱系數(shù)的計算。假如核算的K值與原選擇的經驗值相差不大，就不再進行校核；如果相差較大，則需重新假設K值并重復上述ⅱ一下步驟。</p><p>　?、π：擞行骄鶞夭睢?lt;/p><p>　?、：藗鳠崦娣e，使其有一定的安全系數(shù)，一般安全系數(shù)取1.1-1.25，否則需要重新設計

66、。</p><p>　?、ㄓ嬎懔黧w流動阻力，如果超過允許范圍，需重新選換熱器的基本參數(shù)再行計算。</p><p>　　由此可知，換熱器的傳熱設計，實際上是一個反復試算的過程，有時需要反復試算2-3次。所以換熱器設計計算帶有試差性質。</p><p>　　2）確定流體的定性溫度物性數(shù)據并選擇列管式換熱器的形式： </p><p>

67、;　　被冷卻物質為煤油，入口溫度為140℃,出口溫度為</p><p>　　冷卻介質為自來水，入口溫度為，出口溫度為</p><p><b>　　煤油的定性溫度：</b></p><p><b>　　水的定性溫度：</b></p><p><b>　　兩流體的溫差：</b>&l

68、t;/p><p>　　由于兩流體溫差大于50℃，故選用帶補償圈的固定管板式列管換熱器。</p><p>　　兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據</p><p><b>　　表1</b></p><p>　　3．）計算熱負荷Q和冷卻水用量</p><p><b>　　按管內煤油計算</b>

69、;</p><p>　　若忽略換熱器的熱損失，水的流量可由熱量衡算求得,即</p><p>　　)計算兩流體的平均溫度差，并確定殼程數(shù)。</p><p>　　=(Δt1-Δt2)/ln(Δt1/Δt2)=[(140-40)-(40-30)]/ln[(140-40)/(40-30)]=39.096(°C)</p><p><b&

70、gt;　　注：</b></p><p><b>　　《換熱器</b></p><p><b>　　的設計》</b></p><p><b>　　表一</b></p><p>　　由R和P查圖得溫度校正系數(shù)為</p><p>　　所以，校正后的

71、溫度為℃</p><p>　　又因＞0.8，故可選用單殼程的列管式換熱器。</p><p>　　）初步選擇換熱器規(guī)則及總傳熱系數(shù)K</p><p><b>　　管程傳熱系數(shù)</b></p><p><b>　　殼程傳熱系數(shù)</b></p><p>　　假設殼程傳熱系數(shù)=600

72、</p><p>　　所以污垢熱阻 Rsi=0.000344m2℃/W</p><p>　　Rs0=0.000172 m2℃/W</p><p><b>　　注：</b></p><p><b>　　《化工原</b></p><p><b>　　理》上</

73、b></p><p><b>　　修訂版</b></p><p><b>　　天津大學出</b></p><p>　　管壁碳鋼的導熱系數(shù)λ=45W/（m?℃）</p><p><b>　　S'=</b></p><p>　　考慮15％的面積

74、裕度</p><p>　　S=1.15×S'=1.15×106.62=122.6（)</p><p>　　6.）管徑和管內流速的確定</p><p>　　選用25×2.5傳熱管（碳鋼），取管內流速=0.5.</p><p>　　依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p>

75、<b>　　表三</b></p><p><b>　　注：</b></p><p><b>　　《化工原理》</b></p><p><b>　　第三版</b></p><p><b>　　王志魁主編</b></p>&

76、lt;p><b>　　表三</b></p><p><b>　　管殼式換熱器</b></p><p><b>　　中不同粘度</b></p><p><b>　　液體的常用流</b></p><p><b>　　速</b><

77、;/p><p>　　7.）管程數(shù)和傳熱管數(shù)</p><p><b>　　.）</b></p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為：</p><p>　　按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構，根據本設計實際情況，現(xiàn)取傳熱管長為l=6m,則該換熱器的管程數(shù)為：</p><p><b&

78、gt;　　傳熱管總根數(shù)：</b></p><p>　　由R和P查得溫度校正系數(shù)為大于0.8，同時殼程流量較大，所以采用單殼程列管式比較合適。于是初步確定換熱器為單殼程四管程列管式換熱器。</p><p>　?。﹤鳠峁芘帕泻头殖谭椒?lt;/p><p>　　采用組合排列法，即每程內均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距，則</p>&

79、lt;p><b>　　橫過管中心線數(shù)</b></p><p><b>　　9）殼體內徑</b></p><p>　　采用多管程結構，取管板利用率，則殼體內徑為</p><p>　　按卷制殼體的進級檔，圓整可取D=650mm</p><p><b>　　)折流板</b>&l

80、t;/p><p><b>　　取折流板間距</b></p><p><b>　　折流板數(shù)</b></p><p>　　折流板圓缺面水平裝配</p><p><b>　　接管</b></p><p>　　殼程流體進出口接管：</p><p&

81、gt;　　取接管內煤油流速為u=0.75m/s,則接管內徑為：</p><p>　　圓整后可取管內徑為150mm</p><p>　　管程流體進出口接管：</p><p>　　取接管內循環(huán)水流速u=1.5m/s, 則接管內徑為</p><p>　　取標準管徑為200mm</p><p><b>　　《化工工&

82、lt;/b></p><p><b>　　藝制圖》</b></p><p><b>　　周大軍</b></p><p><b>　　主編</b></p><p><b>　　）〖換熱器核算〗</b></p><p><b

83、>　　核算總傳熱系數(shù)</b></p><p>　　計算管程對流傳熱系數(shù)，因為管中水的質量流量為，則水的體積流量為</p><p><b>　　所以：</b></p><p><b>　?。ㄒ后w被加熱）</b></p><p><b>　　=</b></p

84、><p>　　計算殼程對流傳熱系數(shù)</p><p>　　換熱器中心附近管排中流體流通截面積為：</p><p>　　煤油的質量流量為，則</p><p><b>　　煤油的體積流量為</b></p><p>　　換熱器按單殼程計算，所以煤油的流速為：</p><p>　　由于管

85、為正三角形排列，則有</p><p>　　煤油在殼程中流動的雷諾數(shù)為</p><p>　　因為在范圍內，故可采用凱恩法求算，即</p><p>　　由于液體被冷卻 取，所以</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　確定污垢熱阻</b></p

86、><p>　　Rsi=0.000344m2℃/W（自來水）</p><p>　　Rs0=0.000172 m2℃/W（煤油）</p><p><b>　?、苡嬎憧倐鳠嵯禂?shù)</b></p><p>　　選用換熱器時，要求過程的總傳熱系數(shù)為344.01W/(),在傳熱任務所規(guī)定的流動條件下，計算出的=419.09W/,所選擇的換

87、熱器的安全系數(shù)為：</p><p>　　則該換熱器傳熱面積的裕度符合要求。</p><p><b>　?、輦鳠崦娣eS</b></p><p><b>　　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>

88、<p><b>　　13.）計算壓強降</b></p><p><b>　　計算管程壓強降</b></p><p><b>　　已算得：</b></p><p><b>　?。ㄍ牧鳎?lt;/b></p><p>　　取不銹鋼管壁的粗糙度，則</

89、p><p>　　由摩擦系數(shù)圖查得所以</p><p><b>　　注： </b></p><p><b>　　《化工原理》</b></p><p><b>　　修訂版</b></p><p><b>　　天津大學</b></p&g

90、t;<p><b>　　出版社</b></p><p><b>　　對于的管子，有</b></p><p><b>　　計算殼程壓強降</b></p><p><b>　　由于所以</b></p><p>　　管子為正三角形排列，則取F=0.

91、5</p><p><b>　　已算得：</b></p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　所以</b></p><p>　　=0.5×0.6824×18.93×(29-1)×=5414.23Pa</p&g

92、t;<p>　　=（5414.23+2604.6）×1.15</p><p>　　=9221.6＜Pa</p><p>　　從上面計算可知，﹤105，該換熱器管程與殼程的壓強降均滿足題設要求，故所選換熱器合適。</p><p>　　【主體設備計算及其說明】</p><p><b>　　1.工藝條件</b

93、></p><p><b>　　2.封頭的選擇</b></p><p>　　上下兩封頭均選用標準橢圓形封頭，根據JB/T4737-2002標準，封頭為：。如圖所示，材料選用10R鋼。下封頭常與裙座焊接，h2=50mm，材料選用10R鋼。</p><p><b>　　3.管板尺寸確定</b></p>&l

94、t;p><b>　　管板結構如下：</b></p><p><b>　　注：</b></p><p><b>　　《化工設備</b></p><p><b>　　設計手冊》</b></p><p><b>　　藩國昌</b>&l

95、t;/p><p><b>　　主編</b></p><p><b>　　北京清華</b></p><p>　　由于固定管板式換熱器管板計算十分復雜，需要綜合考慮多種因素，考慮到本次設計時間并不太充裕，故計算從略，僅采用下表選取。</p><p><b>　　4.換熱管的選擇</b>

96、</p><p>　　選用的是φ25×2.5的碳鋼管，通過上述計算定為四管程結構。換熱管排列圖如下：</p><p>　　我們計算所用換熱管數(shù)為296根.</p><p><b>　　5.管板與管子連接</b></p><p>　　管子與管板的連接方式主要有以下三種：a脹接；b焊接；c脹焊接. 由于本

97、換熱器的工作壓力為低壓，且為低溫操作，綜合考慮各種連接工藝的優(yōu)缺點及使用范圍最終確定采用焊接法，在焊接法連接管子與管板時，管板的硬度應該大于管子硬度，以保證在焊接時，管子發(fā)生塑性形變時，管板僅發(fā)生彈性形變。通常管子材料選用10、20優(yōu)質碳鋼，管板采用25、35、Q225或低合金鋼16Mn、Cr5Mo等。結合本次設計，管板采用16MnR。</p><p><b>　　6.定距管</b><

98、/p><p>　　根據GB/T8163-2008流體輸送用無縫鋼管，采用Φ25×2.5的定距管。</p><p>　　常用拉桿有兩種形式，見下圖。</p><p>　　a、拉桿定距管結構，適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束；</p><p>　　b、拉桿與折流板為點焊結構，適用于換熱管外徑小于或等于14mm的管束，l1≥d；<

99、;/p><p>　　c、當官板較薄時，也可采用其他鏈接形式。</p><p>　　本換熱器采用拉桿定距管結構。</p><p>　　7.拉桿的選擇及數(shù)量</p><p>　　常用的拉桿結構有：拉桿定居管結構與拉桿與折流板點焊結構。查換熱器手冊可得下表：</p><p><b>　　拉桿的直徑和數(shù)量</b&g

100、t;</p><p>　　由公稱直徑可以確定拉桿直徑為12。</p><p><b>　　注：</b></p><p><b>　　《化工設備</b></p><p><b>　　設計手冊》</b></p><p><b>　　藩國昌</

101、b></p><p><b>　　主編</b></p><p><b>　　北京清華</b></p><p><b>　　8.支座的選取</b></p><p>　　公稱直徑D≥800mm的換熱器，至少需要兩個支座；公稱直徑D≥900mm的換熱器，需要四個支座。支座在換熱

102、器上的位置，應根據工藝安裝的要求來確定。其位置尺寸，一般按以下原則來確定。</p><p>　　（1）L≤30000mm時，取LA=(0.4-0.6)L;</p><p>　　L＞30000mm時，取LA=(0.5-0.7)L;</p><p><b>　　且LB≈。</b></p><p>　?。?）LB必須滿足殼程接

103、管焊縫與支座焊縫間之距離要求，即</p><p>　　其中各個字母意義如圖所示</p><p>　　式中：的數(shù)值，按JB1167-81中的B型，其值如下表</p><p><b>　　表五 的數(shù)值表 </b></p><p>　　所查手冊按LA≈0.6L，并使LB滿足上式的要求來確定LA和LB。</p>

104、<p>　　9.計算是否需要安裝膨脹節(jié)</p><p>　　膨脹節(jié)是裝在固定板換熱器上的撓性元件，對于管子與殼體的膨脹變形差進行補償，以此來消除或減小不利的溫差應力。</p><p><b>　　管程流通面積</b></p><p>　　換熱器的實際傳熱面積</p><p><b>　　由于</

105、b></p><p>　　因此需要考慮熱補償。</p><p><b>　　【設計結果概要表】</b></p><p>　?。ㄖ饕O備尺寸及衡算結果）</p><p>　　【設計中使用的符號說明】</p><p><b>　　P——壓力，Pa </b></p>

106、;<p>　　R——熱阻，㎡·℃/W；</p><p>　　S——傳熱面積，㎡；</p><p>　　T——熱流體溫度，℃；</p><p>　　——實際傳熱面積， </p><p>　　V——體積流量N——管數(shù)</p><p>　　D——殼體內徑d——管徑</p><p&g

107、t;　　Q——傳熱速率，W；</p><p><b>　　Re——雷諾準數(shù)；</b></p><p>　　t——冷流體溫度，℃；</p><p>　　u——流速，m/s;</p><p>　　m——質量流速，㎏/h;</p><p>　　——對流傳熱系數(shù)W/(㎡·℃);</p>

108、;<p><b>　　——校正系數(shù);</b></p><p>　　——導熱系數(shù)，W/(m·℃)</p><p>　　——粘度，Pa·s；</p><p>　　——密度，㎏/m3;</p><p>　　Pr——普郎特系數(shù)；</p><p><b>　　n—

109、—板數(shù)，塊；</b></p><p><b>　　K——總傳熱系數(shù)，</b></p><p><b>　　【心得】</b></p><p>　　課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程</p><p&

110、gt;　　. 化工原理課程設計是培養(yǎng)個人綜合運用本門課程及有關選修課程的基本知識去解決某一設計任務的一次訓練，也起著培養(yǎng)學生獨立工作能力的重要作用。</p><p>　　在換熱器的設計過程中,我感覺我的理論運用于實際的能力得到了提升，主要有以下幾點： </p><p>　　(1)掌握了查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(包括從已發(fā)表的文獻中和從生產現(xiàn)場中搜集)的能力；</p>&l

111、t;p>　　(2)樹立了既考慮技術上的先進性與可行性，又考慮經濟上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護的正確設計思想，在這種設計思想的指導下去分析和解決實際問題的能力；</p><p>　　(3)培養(yǎng)了迅速準確的進行工程計算的能力；</p><p>　　(4)學會了用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己設計思想的能力。</p><p>　　從設計結果可看出

112、，若要保持總傳熱系數(shù)，溫度越大、換熱管數(shù)越多，折流板數(shù)越多、殼徑越大，這主要是因為煤油的出口溫度增高，總的傳熱溫差下降，所以換熱面積要增大，才能保證Q和K.因此，換熱器尺寸增大，金屬材料消耗量相應增大.通過這個設計，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經濟投入，設計參數(shù)的選擇十分重要.</p><p>　　在此也要感謝我們的指導老師符劍剛老師對我們悉心的指導，感謝老師們給我們的幫助。在設計過程中，我通過查閱大量有關