煤油换热器的设计方案.doc

化工原理课程设计设计题目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计设计者： 班级： 指导教师： 设计成绩：计算 说明书 图纸 总分 日 期： 设计任务书一、设计题目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计二、设计条件(1)煤油 处理量：16吨/小时 进口温度：130 出口温度：40 压强降：101.3kPa(2)冷却水进口温度：10-20   出口温度：30-40  压强降：101.3kPa 三、设计任务：(1)根据设计条件选择合适的换热器型号，并核算换热面积、压力降是否满足要求，并设计管道与壳体的连接，管板与壳体的连接、折流板等。(2)绘制列管式换热器的装配图。(3)编写课程设计说明书。目 录一、 设计条件4二、设计说明书41、设计原则：4（1）满足工艺和操作的要求4（2）满足经济上的要求4（3）保证安全生产42、设计题目及原始数据53、论述换热器总体结构(换热器型式、主要结构)的选择53.1管束及管壳分程53.2传热管53.3管子布置53.4管板63.5管子与管板的连接63.6管板与壳体的连接63.7折流板63.8壳体直径及厚度73.9管子在管板上的固定方法73.10主要附件73.11材料选用74、换热器加热过程有关计算(物料衡算、热量衡算、传热面积、换热管型号、壳体直径等)；84.1初算传热面积84.2计算换热器的概略尺寸84.3流体定性温度的确定94.4总传热系数K的计算94.5管壁温度114.6压力损失计算115、设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等)136、参考文献147、设计评述14一、 设计条件1处理能力 16吨/小时2.设备型式 列管式换热器3.操作条件（1）煤油：入口温度130，出口温度40（2）冷却介质：自来水，入口温度1020，出口温度3040（3）允许压强降：小于101.3kPa4.设计项目（1）设计方案简介：A选择换热器的类型：两流体温的变化情况：热流体进口温度130 出口温度40；冷流体进口温度10，出口温度为30，该换热器用循环冷却水冷却，初步确定选用列管式换热器。B管程安排：从两物流的操作压力看，应使煤油走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降；又被冷却的流体宜走壳程，便于散热。所以从总体考虑，应使循环水走管程，煤油走壳程。（2）根据设计条件选择合适的换热器型号，并核算换热面积、压力降是否满足要求，并设计管道与壳体的连接，管板与壳体的连接、折流板等。（3）绘制列管式换热器的装配图。二、设计说明书1、 设计原则：（1）满足工艺和操作的要求设计出来的流程和设备首先要保证质量，操作稳定，这就必须配置必要的阀门和计量仪表等，并自确定方案时，考虑到各种流体的流量，温度和压强变化使采取什么措施来调节，而在设备发生故障时，加修应方便。（2）满足经济上的要求在确定某些操作指标和治标和选定设备型式以及仪表配置时，要有经济核算的观点，既能满足工艺和操作要求，又使施工简便，材料来源容易,造价低廉。如果有废热可以利用，要尽量节省热能，充分利用，或者采取适当的措施达到降低成本的目的。（3）保证安全生产在工艺流程和操作中若有爆炸、燃烧、中毒、烫伤等危险性,就要考虑必要的安全措施。又如设备的材料强度的演算，除按规定应有一定的安全系数外，还应考虑防止由于设备中压力突然升高或者造成真空而需要装置安全阀等。以上提到的都是为了保证安全生产所需要的。 设计方案也可能一次定不好，后来需要修改，但各物料流通路线和操作指标的改动都对后面的计算有影响，所以最好第一次确立就考虑周到些。2、 设计题目及原始数据设计一处理量为 16吨/小时煤油的列管式换热器，煤油入口处温度为130，出口温度为40。冷却水的入口处温度为1020，出口温度3040，允许压强降：小于101.3kPa。 煤油流量为3、 论述换热器总体结构(换热器型式、主要结构)的选择换热器的结构设计包括：管子在管板上的固定，是否需要温差补偿装置的设计，管板的强度，管板与壳体的连接结构，折流板与隔板的固定，盖板与法兰的设计，个部件的公差及技术条件等。3.1管束及管壳分程3.1.1管束分程为了解决管束增加引起管内流速及传热系数的降低，可以将管束分程。在换热器的两端的管箱中安置一定数量的隔板，一般每程中管束大致相等。注意温差较大的流体应避免紧邻以免引起较大的温差应力。管束分程应优先考虑偶数管程，因为从制造、安装、操作的角度来考虑，偶数管程有较多的方便之处。但是管程数不宜太多，否则隔板本身占去相当大的布管面积，且在壳程中形成旁路，影响传热。2 13 45 63.1.2壳程分程壳程分程型式可分为E型、F型、G型、H型。他们的不同之处在于壳侧流体进出口的位置不同。同时考虑到制造上的困难，一般的换热器壳程数很少超过2。3.2传热管传热管采用普通钢管或异形管。光滑管常用的规格有19mm×2mm,25mm×2.5mm两种。当换热器的传热系数不是很高时，为了强化传热，可采用异形管，如翅片管、螺纹管，其都可以显著提高传热膜系数，但是制造困难，流体流动的阻力提高。管子的直径与长度的确定与工艺密切相关，长的选择应根据我国现有的管长的规格系列(常有3m 、6m、9m)截取时因考虑管材的合理使用，避免浪费。3.3管子布置管子布置应在换热器的截面上均匀而紧凑的分布，此外还有考虑流体的性质和结构设计及制造等方面的问题管于的排列方式有等边三角形和正方形两种，如图(a)、图(b)所示。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高、表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为适用。如将正方形排列的管束斜转45度安装如图(c)可在一定的程度上提高对流传热系数。3.4管板管板用来固定换热管并起着分隔管程、壳程的作用。管板型有平管板椭圆型管板和双管板，其中最常见的是平管板。当流体有腐蚀性时，管板应采用耐腐蚀材料，工程上多采用轧制成的符合不锈钢，或在碳钢表面堆焊一层厚度不小于5mm的覆盖层。当换热器承受高温高压时，应采用薄型管板，即降低了温差应力，同时也满足了高压对机械应力的要求。薄管板的突出优点是节约管板材料，高压时壳节约90%，且加工方便。所以在中低压换热器中得以推广应用。3.5管子与管板的连接在管壳式换热器的结构设计中，管子与管板的连接是否紧密十分重要。如果连接不紧密，在操作时连接处发生泄露，冷热流体互相混合，会造成物料和热量损失；若物料带有腐蚀性、放射性或者两种流体接触会产生易燃易爆物质，后果将更加严重。在固定管板式换热器的连接方法处还应考虑能承受一定的轴向力，以避免温度变化较大时，产生的热应力使管子从管板脱出。焊接法由于具有很多的优点（加工简单、对管孔的加工要求不高，较强的抗脱能力使之在高温高压下仍能保持连接处的紧密性，同时在压力不太高时还可采用薄型管板），在一些要求较高的场合被广发的应用。3.6管板与壳体的连接浮头式换热器通常是把管板夹在壳体法兰与管箱法兰之间便于管壳程一起清洗。3.7折流板换热器内安装折流挡板是为了提高完程流体的对流传热系数。为了获得良好效果，折流挡板的尺寸和间距必须适当。对于常用的圆缺形挡板，弓形切口太大或太小，都会产生流动“死区”，如图所示，不利于传热，且增加流体阻力。一般切口高度与直径之比为0.150.45，常见的有0.20和0.25两种。a切口过小，板间过大b切口适当c切口过大挡板的间距对壳程的流动有重要的影响，间距太大不能保证流体垂直流过管束，使得管外给热系数降低，间距太小又不方便检修，阻力损失也很大。一般采用间距为壳体的0.2-1.0倍。取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3×500=150mm，可取B为150mm。 而对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要的影响。弓形缺口太大还是太小都有可能造成流体“死区”，既不利于传热也不利于流体的流动。一般来说，弓形缺口的高度可取壳程高度的0.10.4。据以上原理可以选择的缺口高度以及挡板常采用0.2和0.25采用弓形折流板，去弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 h=0.25×600=130mm，故可取h=130mm折流板数目NB3.8壳体直径及厚度 换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。根据计算出的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法等，可用作图法确定壳体的内径。但是，当管数较多又要反复计算时，用作图法就太麻烦。一般在初步设计小，可光分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。待全部设计完成后，仍应用作图法画出管子排列图。为了使管子排列均匀，防止流体走短流”，可以适当增减一些管子。3.9管子在管板上的固定方法管于在管板上的固定方法主要有胀接和焊接两种。其选择原则是必须保证管子与管板连接牢固，连接处不会产生泄漏。实际生产中，高温高压情况下有时采用胀接加焊接的方法，对非金属管和铸铁管也有采用垫塞法的。3.10主要附件 封头 封头有方形和圆形两种，方形用于小直径 (<400mm)的壳体，圆形用于大直径的壳体。 缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。 导流桶 壳程流体的进、出口和管扳问必存在有一段流体不能流动的空间(死角)，为了提高传热效果，常在管束外增设导流简，使流体进、出壳积时必然经过这个空间。 放气孔、排液孔 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝气体和冷凝液等。3.11材料选用 列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少有的。目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氖乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。4、 换热器加热过程有关计算(物料衡算、热量衡算、传热面积、 换热管型号、壳体直径等)；4.1初算传热面积热量衡算查的煤油在平均温度85下的比热容为。水在平均温度35下的比热容为，则热传量 ：冷却水量 1对数平均温差 (以逆流计）假定冷却器为壳层单程，管程6程的1-76型换热器，则 修正系数 所以 假设 总传热系数 则传热面积 4.2计算换热器的概略尺寸传热管采用碳钢材料，管长去6m则需要管子数：为便于布管，一般采取管程的倍数，即。管子布置。管壳内径,。管间距。正方形排列，折流板采用25%的圆缺性折流板，则错流管管排数 中心线或中心线附近管子根数每块折流板上传热空个191，固定拉杆空4个，因此，折流板上圆缺部分管排数，折流板上圆缺部分管子44根数，加上两根固定拉杆,。如是折流板数，则折流板间隔： 4.3流体定性温度的确定流体定性温度可取流体出入口温度的平均值，为更为准确期间，可利用图4-41进行计算： （高温端中总热系数； 低温段总传热系数）对于煤油 高温端温差：低温端温差：所以 查图4-41，温度修正系数，则热流体定性温度：冷流体定性温度：4.4总传热系数K的计算(1) 管侧传热膜系数每程管侧的流道面积 所以管内冷却水的质量流速： 查定性温度时水的物性： 修正系数 又 假定 ，则(2) 壳层传热膜系数热交换器中心线或距中心线最近的灌排上错流动的最大流道面积： 热交换器中心线或距中心线最新管派上错流流动的最小质量流速： 查的定性温度下，煤油的物性： 正方形排列是冠群的当两只经用式（4-7)计算： m 则 带入克恩公式：假设(3) 污垢系数查有关文献可知：管内侧                管外侧另外，管子材质金属导热系数             (4) 总传热系数K与前面假设的K值比较，比较吻合。（5）传热面积裕度传热面积 该换热器实际传热面积为Ap面积裕度4.5管壁温度查下煤油粘度，水的粘度对管程：对壳程：所以计算管侧、壳侧时假定的值是正确的。4.6压力损失计算(1) .壳程(2) 管程修正系数 时的摩擦阻力系数。直管部分的压力损失管箱处压力损失管侧压力损失之和 所以，管侧、壳侧的压力损失均满足要求，该设计可行。5、 设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等)；参数管程壳程流体冷却水煤油进/出口温度/20/30130/40物性定性温度/23.369.7密度/（kg/m3）993800定压比热容/kJ/（kgk）4.1742.0粘度/（Pas）6.47×0.91×热导率（W/mk） 0.620.18设备结构参数形式列管式壳程数1壳体内径/600台数1管径/25×20管心距/32管长/6000管子排列正方形排列管数目/根234折流板数/个28传热面积/181.3折流板间距/150管程数6材质碳钢主要计算结果管程壳程表面传热系数/W/（k）2032479污垢热阻/（k/W）0.000340.00017压力损失/ Pa热流量/Kj/s传热系数/W/（K）302裕度/%20.67% 参考文献1） 兰州石油机械研究所.换热器.北京：烃加工出版社，19982） 大连理工大学化工机械系.化工设备设计.换热器设计，1989，（2）3） 化工工程手册编辑委员会.化学工程手册.北京：化学工业出版社，19914） 上海化学工业设计院医药工程设计组.化工工艺设计手册.北京：化学 工业出版社，19965） 化工设备设计全书编辑委员会.换热器设计.上海：上海科学技术出版社，19986） 中华人民共和国国家标准GB151-89刚管制壳式换热器，国家技术局发布，19897） 大连理工大学.化工原理课程设计.大连：大连理工大学出版社，19948） 时均.化学工程手册.北京：化学工业出版社，1996（上卷）9） 聂海清.化工设备设计.北京：化学工业出版社，19916、 设计评述考虑到实际成产中物料本身的性质及化工生产的经济性等问题，本次设计主要采用列管式换热器，对换热器并联逆流操作。首先，由于列管式换热器具有结垢简单、坚固耐用、适用性强、制造材料广泛等独特有点，因而在换热设备中仍占有重要的地位。特别是在高温、高压和大型换热设备中仍占绝对优势。故本次设计采用列管式换热器；其次，根据逆流的平均温差比并流的大可以节省冷却剂或加热剂的用量，本次设计流程采用并联逆流操作。总的来说，根据所求的数据结果可以看出所确定的实验方法还是可以实行的。课程设计需要学生自己作出决策，自己确定实验方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备的计算，并要对自己的选择作出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是增强工程观念、培养提高学生独立工作能力的有益实践。通过本次的化工设计，我学到了很多知识，不仅把我们以前所学的理论知识好好的整理了一下，同时也增强了我将理论应用于实际创新的能力，培养了我们思考的能努力，即每设计意见东西都要好好地思考，尽量全面地全方位的考虑周全。在做设计的过程中，也培养了团队合作的能力；同时也体会到了共同努力、团队合作的乐趣！ 14