化工原理課程設(shè)計(jì).

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1、 目 錄 1 前言 .............................................................. 2 1.1 固定管板式換熱器 ............................................ 2 1.2 浮頭式換熱器 ................................................ 2 1.3 U 型管式換熱器 ...............................................

2、 3 2 列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì) ............................................ 3 2.1 試算和初選換熱器的規(guī)格 ....................................... 3 2.1.1 計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水的流量 ............................... 3 2.1.2 計(jì)算兩流體的平均溫度差 ................................. 4 2.1.3 初選換熱器規(guī)格 ................................

3、......... 4 2.2 核算壓強(qiáng)降 ................................................... 5 2.2.1 管程壓強(qiáng)降 ............................................. 5 2.3 核算總傳熱系數(shù) ............................................... 8 2.3.1 管程對(duì)流傳熱系數(shù) αi .................................... 8 2.3.2 殼程對(duì)流傳熱系數(shù) αo....

4、................................ 8 2.3.3 污垢熱阻 .............................................. 10 2.3.4 總傳熱系數(shù) K O.......................................... 10 2.4 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表 .............................................. 11 3. 參考文獻(xiàn) .........................................................

5、 12 4. 設(shè)計(jì)自評(píng) ......................................................... 12 列管式換熱器設(shè)計(jì) 摘要：本次課程設(shè)計(jì)是列管式換熱器的設(shè)計(jì)。 列管式換熱器的設(shè)計(jì)和分析包括熱 力設(shè)計(jì)、流動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)，其中以熱力設(shè)計(jì)最為重要。列管式 的換熱器的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)方案， 試算和初 選換熱器的規(guī)格 （包括計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量， 計(jì)算兩流體的平均溫度差， 初 選換熱器規(guī)格）；核算管程、殼程壓強(qiáng)降；核算總傳熱系數(shù)。本組選擇的換熱

6、器 為 FB 800 168.5 16 2 型換熱器， 計(jì)算結(jié)果為 :K 的估計(jì)值為 145，K o 的計(jì)算值 是 169， K o 169 1.17 ，在 1.15-1.25 范圍內(nèi)，所選換熱器合適。 K 145 關(guān)鍵詞： 列管式換熱器；設(shè)計(jì)；計(jì)算；結(jié)論

7、 1 1 前言 換熱設(shè)備是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備， 是在化工、石油、輕工、食品、動(dòng)力、制藥、冶金等許多工業(yè)部門中廣泛應(yīng)用的一種工藝設(shè)備。在煉油、 化工裝置中，換熱器占設(shè)備數(shù)量的 40%左右，占總投資的 30%-45%。隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高，近年來(lái)，加氫裝置的要求越來(lái)越多，如加氫裂化，煤油加氫，汽油、柴油加氫和潤(rùn)滑油加氫等，所需的高溫、高壓的換熱設(shè)備的數(shù)量隨之加大， 在這些場(chǎng)合，換熱設(shè)備通常占總投資的 50%以上。換熱設(shè)備也是回收余熱、 廢熱，特別是地位熱能的有效裝置。 列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣

8、的一種換熱器。 它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì)可分別采用普通碳鋼、紫 銅或不銹剛制作。在進(jìn)行換熱時(shí)，一種流體由封頭的連接管處進(jìn)入， 在管內(nèi)流動(dòng)，從封頭另一端的出口管流出， 這稱為管程； 另一種流體由殼體的接管進(jìn)入， 從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。 列管式換熱器種類很多， 目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來(lái)分， 主要有以下幾種。 1.1 固定管板式換熱器 這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)便宜，但管外不能機(jī)械清洗。此類 換熱器管束連接在管板上， 管板分別焊在外殼兩邊， 并在其上連接有頂蓋， 頂蓋 和殼體裝有流體進(jìn)出口接

9、管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時(shí)， 管子和管板于外殼的連接都是剛性的， 而管內(nèi)、管外是兩種不同溫度的流體。 因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)， 由于兩者的熱膨脹不同， 產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。 為了克服溫差應(yīng)力， 必須有溫差補(bǔ)償裝置。 一般在管壁與殼壁溫度相差 50℃ 以上時(shí)，為了安全起見(jiàn)，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)償裝置（膨脹節(jié)）只能 用在殼壁與管壁溫差低于 60-70 ℃和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。 一般殼程壓強(qiáng)超 過(guò) 0.6Mpa 時(shí)，由于補(bǔ)償圈過(guò)厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。

10、1.2 浮頭式換熱器 2 換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接， 另一塊管板不與外殼連接， 以使管 子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮， 但在這塊管板上連接一個(gè)頂蓋， 稱之為“浮頭”， 所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點(diǎn)是：管束可以拉出，以便清洗，但是 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價(jià)比固定管板式的高 20%左右。 1.3 U 型管式換熱器 U型管式換熱器，每根管子都彎成 U型，兩端固定在同一塊管板上，每根管 子皆可自由伸縮，從而解決熱補(bǔ)償問(wèn)題。管程至少為 2 程，管束可以抽出清洗， 管子可以自由膨脹。其缺點(diǎn)是：

11、管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列 的管子少。優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、適用于高溫高壓條件。 2 列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì) 第五小組 設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件 流量為 30kg/s 的某油品從 150℃降到 110℃，將原油從 25℃加熱到 60℃，已知定性溫度下兩流體的物性如下表： 物料 RS ，㎡ ?℃ ， kg/m3 Cp ，kJ/（ kg ，W/（m ，Pa?s /W ?℃） ?℃） 原油 0.0001 815 1.986 0.136 0.0029 油品 0.0005 715

12、2.20 0.119 0.0052 試選用合適型號(hào)的換熱器。 2.1 試算和初選換熱器的規(guī)格 本題為兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過(guò)程， 根據(jù)兩流體的情況， 因原油的對(duì)流 傳熱系數(shù)一般較大，且易結(jié)垢，故選擇原油走換熱器的管程，油品走殼程。 2.1.1 計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水的流量 Q Wh Cph (t1 t 2 ) 30 2.2 103 (150 110) 2640000 W 3 Q W c t 1 ) Cp c ( t 2 2640000 1.

13、986 103 (60 25) 38 kg/s 2.1.2 計(jì)算兩流體的平均溫度差 暫按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算。逆流時(shí)平均溫度差為 t m t2 t1 ln t 2 t1 (150 60) (110 25) ln 150 60 110 25 87.5 ℃ 而 t 2 t1 P t1 T1 R  60 25 150 25 0.28 T1 T2 t1 t 2 150 1

14、10 60 25 1.14 由圖 3-24 查得  t 0.98 所以 tm t t m 0.98 87.5 85.75 ℃ 2.1.3 初選換熱器規(guī)格 4 根據(jù)兩流體的情況，假設(shè) K 145 W/( ㎡℃ ) 故 Q S K t m 2640000 145 85.75 212.3 2 m 由于 Tm t m 150 11

15、0 60 25 87.5 ℃﹥ 50 ℃，因此需考慮熱補(bǔ)償。據(jù) 2 2 此，由換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)（參見(jiàn)附錄中選定的 FB 800 168.5 16 2型換熱器）。 有關(guān)參數(shù)如下： 殼徑 /mm 900 管子尺寸 /mm Φ252.5 公稱壓強(qiáng) /at m 16 管長(zhǎng) /m 6 公稱面積 / ㎡ 216.8 管子總數(shù) 472 管程數(shù) 2 管子排列方法 正方形斜轉(zhuǎn) 45 實(shí)際傳熱面積 So n

16、do L 472 3.14 0.025 (6 0.1) 218.6 ㎡ 若采用此傳熱面積的換熱器， 則要求過(guò)程中的總傳熱系數(shù)為 K 145 W/( ㎡℃) 。 2.2 核算壓強(qiáng)降 2.2.1 管程壓強(qiáng)降 pi ( p1 p2 )Ft N p 式中 Ft 1.4, N p 2 管程流通面積 Ai di ? n 2 4 N p 0.022 472 4 2 0.07 ㎡ ui Vs ms Ai Ai

17、 5 38 815 0.07 0.67 m/s Rei  di ui 0.02 0.67 815 0.0029 3767 ( 湍流 ) 設(shè)管壁粗糙度 0.1 mm, 0.1 0.005 , 由 Re 關(guān)系圖中查得：0.035 di 20 所以 p1 L u 2 di 2 0.035 6 815 0.67 2 0.02 2

18、 1921 Pa p2 3  u 2 2 3  815 0.672 2 549 Pa 則 pi ( p1 p2 )Ft N p (1921 549) 1.4 2 6916 Pa 2.2.2 殼程壓強(qiáng)降 po ( p 1 p 2 )Fs N s 2 其中 Fs 1.15, N s 1 , p 1Ff o nc (N B 1) uO 2 管子為正方形斜轉(zhuǎn) 45排列， F 0.4

19、 6 nc 1.19 n 1.19 472 26 取折流擋板間距 h 0.6 m N B L 1 h 6 1 0.6 9 殼程流通面積 Ao h(D ncdo ) 0.6 (0.9 26 0.025) 0.15 ㎡ Vs ms uo Ao Ao 30 715 0.15 0.28 m/s Re o  d euo 0.027 0.28 715 0.0052 1040 ＞ 500

20、0 ,228 f O 5.0 Reo 5.0 1040 0,228 1.03 所以 p 1 Ff o nc (N B 1) uO 2 2 0.4 1.03 26 (9 1)  715 0.282 2 7 3002 Pa N B (3.5 2h uO 2 p 2 ) 2 D 9 (3

21、.5 2 0.6 ) 715 0.282 0.9 2 547 Pa po ( p 1 p 2 )Fs N s (3002 547) 1.15 4081 Pa 計(jì)算表明，殼程和殼程壓強(qiáng)降都能滿足要求。 2.3 核算總傳熱系數(shù) 2.3.1 管程對(duì)流傳熱系數(shù) αi Rei 3767 ( 湍流 ) Cp Pri 1.986 10 3 0.0029 0.136 42.35 i 0.023 Re 0.8 Pr 0.4 d i

22、 0.023 0.136 37670 .8 42.350.4 0.02 508 W/( ㎡℃ ) 2.3.2 殼程對(duì)流傳熱系數(shù) αo 即 0.36()( d euo )0. 55 (Cp 1 o ) 3 ( )0.14 d e w 取換熱器列管之中心距 t 32 mm。流體通過(guò)管間最大截面積為 8 A hD (1 do ) t 0.6 0.9 (1 0.025) 0.032 0.12 ㎡ Vs ms uo

23、A A 30 715 0.12 0.35 ｍ/ ｓ 4(t 2 do 2 ) d e 4 d o 4 ( 0.0322 0.0252 ) 4 0.025 0.027 ｍ Re o  d euo 0.027 0.35 715 0.052 1299 Pro  Cp 2.2 10 3 0.0052 0.119 96.13 殼程中油品被冷卻，取 ( ) 0.14 0.95。 w

24、 所以 d euo 1 o 0.36( ) 0. 55 ( Cp ) 0.14 )( ) 3 ( d e w 1 0.36 ( 0.119)(1299)0.55 (96.13) 3 0.95 0.027 9 351 W/ ﹙㎡℃﹚ 2.3.3 污垢熱阻 參見(jiàn)表 3-16 ，管內(nèi)、外測(cè)污垢熱阻分別取為 Rsi 0.0001 ㎡℃ /W Rso 0.0005

25、 ㎡℃ /W 2.3.4 總傳熱系數(shù) K O 管壁熱阻可忽略時(shí)，總傳熱系數(shù) Ko 為 K o 1 1 do d o Rso Rsi o di i di 1 1 0.0005 0.0001 0.025 0.025 351 0.02 508 0.02 169 W/ ﹙㎡℃﹚ K o 169 K 1.17 145 由前面的計(jì)算可知，選用該型號(hào)換熱器時(shí)要

26、的總傳熱系數(shù)為 145 W/ ﹙㎡℃﹚，在規(guī)定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出的 K o 為 169 W/ ﹙㎡℃﹚，故 選擇的換熱器是合適的。安全系數(shù)為 169 145 145  100% 17% 10 2.4 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表 油品的熱負(fù)荷 / 2640000 殼程流通面積 / 0.15 W m2 原油流量 / 38 殼程流速 / 0.28 (kg/s) (m/s)

27、 平均溫度差 / 85.75 殼程雷諾數(shù) 1040 ℃ 總傳熱系數(shù)估計(jì) 145 殼程壓強(qiáng)降 / 4081 值 pa 傳熱面積估計(jì)值 / 212.3 管程傳熱系數(shù) / 508 2 [ W ／﹙㎡℃﹚ ] m 傳熱面積實(shí)際值 / 218.6 殼程傳熱系數(shù) / 351 2 [ W ／﹙㎡℃﹚ ] m 管程流通面積 / 0.07 總傳熱系數(shù)計(jì)算 169 2 值 m 管程流速 / 0.67 K o 1.17 (m/s) K 管程雷諾數(shù) 3767

28、 安全系數(shù) 17% 管程壓強(qiáng)降 / 6916 pa 11 3. 參考文獻(xiàn) [1] 陳敏恒，叢德滋，方圖南，齊鳴齋． 《化工原理》上冊(cè)，第二版，北京，化學(xué)工業(yè)出版社， 1999. [2] 楊祖榮主編．《化工原理》，第一版，北京，高等教育出版社， 2004. 4. 設(shè)計(jì)自評(píng) 經(jīng)過(guò)一個(gè)星期的設(shè)計(jì)，讓我受益匪淺。通過(guò)一個(gè)星期的大量計(jì)算和查閱資料，大體

29、上將換熱器的設(shè)計(jì)成功完成。 雖然當(dāng)中還存在少量問(wèn)題， 但這次設(shè)計(jì)對(duì)我來(lái)說(shuō)還是比較成功的。在這次設(shè)計(jì)過(guò)程中，我學(xué)到了很多東西，感受也很深刻。 這次的設(shè)計(jì)讓我明白了很多關(guān)于換熱器方面的知識(shí)， 同時(shí)也讓我學(xué)會(huì)了怎樣 去克服困難，能夠讓我更加全面的去思考問(wèn)題。 在這次的設(shè)計(jì)過(guò)程中我遇到了不 少困難，但通過(guò)詢問(wèn)老師及和同組人的共同探討下，問(wèn)題一一化解。與此同時(shí)， 我學(xué)會(huì)了如何通過(guò)調(diào)節(jié)流速來(lái)改變流體湍動(dòng)程度， 使校正值符合要求， 也學(xué)會(huì)了 如何去確定管程、殼程以及怎樣核算、怎樣用公式等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我更是加 強(qiáng)了計(jì)算機(jī)的操作技術(shù)，特別是對(duì)公式編輯器的使用。 總而言之，通過(guò)這次的設(shè)計(jì)， 我收獲了很多。 這真的是一次很好的鍛煉自己的機(jī)會(huì)，我學(xué)會(huì)了在問(wèn)題面前，如何更深入、獨(dú)立、全面的思考問(wèn)題。同時(shí)，還學(xué)會(huì)了做事要仔細(xì)、細(xì)心，特別是要有耐心。另外，重視團(tuán)隊(duì)合作也相當(dāng)重要。只有這樣，你才能更圓滿的完成任務(wù)；只有這樣，才能真正體現(xiàn)出個(gè)人的價(jià)值！相信這次的設(shè)計(jì)， 將會(huì)是我人生道路上的一筆很大財(cái)富。 謝謝老師在這次設(shè)計(jì)中對(duì)我們團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)，謝謝團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)人，相信這會(huì)是一份比較完美的答卷！ 12