化工原理課程設計--年處理7萬噸乙醇的換熱器設計

1、<p>　　化工原理課程設計說明書</p><p>　　課題名稱：年處理7萬噸乙醇的換熱器設計</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　Abstract2</p><p>　　第一章 設計

2、內(nèi)容3</p><p><b>　　1.1概述3</b></p><p>　　1.2固定管板式換熱器的優(yōu)缺點4</p><p>　　1.3固定管板式換熱器的構成及結構特點4</p><p>　　1.4固定管板式換熱器的結構原理4</p><p>　　第二章 設計計算5</p&g

3、t;<p>　　2.1確定設計方案5</p><p>　　2.2確定物性數(shù)據(jù)5</p><p>　　2.3初選總傳熱系數(shù)7</p><p>　　2.4計算傳熱面積8</p><p>　　2.5工藝結構尺寸8</p><p>　　第三章 換熱器核算14</p><p>　

4、　3.1面積核算14</p><p>　　3.2壓降核算16</p><p>　　附表及符號說明20</p><p>　　設計小結與致謝21</p><p><b>　　參考文獻22</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p

5、>　　換熱器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。換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常用作把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。根據(jù)統(tǒng)計，熱交換器的噸位約占整個工藝設備的20%有的甚至高達30%，其重要性可想而知。</p><p>　　我們這次課程設計的任務是設計一套固定管板式換熱器。乙醇為

6、熱流體,水為冷流體。乙醇進口溫度為,出口溫度為在這次設計過程包括設計方案的確定，設計計算（總傳熱系數(shù)選擇 傳熱面積及其工藝尺寸的計算），然后進行面積與壓降核算經(jīng)過反復核算最終確定出了換熱器的各個參數(shù)。面積裕度為24.7%符合面積裕度范圍（15%-25%）,管程壓降為2028.6pa<105pa,殼程壓降為5722pa<105pa符合設計要求。緊接著我們開始編寫說明書，用CAD畫換熱器裝配圖。最終完成滿足要求的設計方案。<

7、;/p><p>　　關鍵詞：固定管板式換熱器 設計</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The heat exchanger is part of thermal fluid heat transfer to the cold fluid equip

8、ment, also called heat exchanger. Heat exchanger is the realization of chemical processes of heat exchange and transmission of essential equipment the petroleum, chemical industry,

9、 light industry, pharmaceuticals, energy and other industrial production, often used for the cryogenic fluid heating or cooling the high temperature fluid, the

10、liquid vaporized into steam or the steam is condensed into liquid. According to</p><p>　　We this course design task is to design a set of fixed tube plate heat exchanger Ethanol as the hot flu

11、id, water as cooling fluid. Ethanol inlet temperature, outlet temperature in determining this design process including design, design calculation (calculation of heat transfer area and the process of selection of size of

12、 the total heat transfer coefficient and pressure drop), and then the area of accounting after repeated accounting Area of margin of 24.7% compliance area margin range (15%-25%)</p><p>　　Keywords: fixed tube

13、 sheet heat exchanger design</p><p><b>　　第一章 設計內(nèi)容</b></p><p><b>　　1.1概述</b></p><p>　　目前固定管板式換熱器產(chǎn)品達到了一個成熟階段,憑借其高效、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢,在各行業(yè)領域中被頻繁使用, 并被用以替換原有管殼式和翅片式

14、換熱器,取得了很好的效果。</p><p>　　1-殼體 2-管束 3-折流板 4-接管 5-封頭</p><p>　　1.2固定管板式換熱器的優(yōu)缺點</p><p><b>　　1.2.1優(yōu)點</b></p><p><b>　　旁路滲流較小 　　</b></p>

15、;<p>　　鍛件使用較少，造價低； 　　</p><p><b>　　無內(nèi)漏； 　　</b></p><p>　　傳熱面積比浮頭式換熱器大20%～30%。</p><p>　　5、污垢系數(shù)低，檢修、清洗方便，產(chǎn)品適用面廣。</p><p><b>　　1.2.2 缺點</b><

16、/p><p>　　1、殼體和管壁的溫差較大，殼體和管子壁溫差t≤50℃,當t≥50℃時必須在殼體上 設置膨脹節(jié)； 　　</p><p>　　易產(chǎn)生溫差力，管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應力而損壞； 　　</p><p>　　殼程無法機械清洗； 　　</p><p>　　4、管子腐蝕后連同殼體報廢，設備壽命較低；</p><p>

17、;　　1.3固定管板式換熱器的構成及結構特點</p><p>　　固定管板式換熱器由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成，其結構較緊湊，排管較多，在相同直徑下面積較大，制造較簡單。 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，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，管束內(nèi)根據(jù)換熱管

18、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>　　1.4固定管板式換熱器的結構原理</p><p>　　結構原理：固定管板式換熱器管程和殼程中，流過不同溫度的流體，通過熱交換完成換熱。當兩流體的溫度差較大時，為了避免較高的溫差應力，通常在殼程的適當位置上，增加一個補償圈（膨脹節(jié)）。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱

19、膨脹</p><p><b>　　第二章 設計計算</b></p><p><b>　　2.1確定設計方案</b></p><p>　　2.1.1選擇換熱器的類型</p><p>　　兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度,出口溫度；冷流體(循環(huán)水)進口溫度，出口溫度。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操

20、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>　　2.1.2流動空間的確定</p><p>　　由于熱流體走殼程便與散熱，所以循環(huán)水走管程，乙醇走殼程。</p><p>　　2.1.3流速的確定</p><p>　　表2-1 換熱器常用流速的范圍&l

21、t;/p><p><b>　　故選用管內(nèi)流速。 </b></p><p>　　表2-2 列管式換熱器易燃、易爆液體和氣體允許的安全流速</p><p><b>　　2.2確定物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。</p><p>　　殼程油的

22、定性溫度為:</p><p>　　管程流體的定性溫度為: </p><p>　　根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。</p><p>　　乙醇. 在下的有關物性數(shù)據(jù)如下:</p><p><b>　　密度 </b></p><p><b>　　定壓比熱容</b>

23、;</p><p><b>　　導熱系數(shù) </b></p><p><b>　　粘度 </b></p><p>　　循環(huán)冷卻水在下的物性數(shù)據(jù)如下:</p><p><b>　　密度 </b></p><p><b>　　定壓比熱容 &l

24、t;/b></p><p><b>　　導熱系數(shù) </b></p><p><b>　　粘度 </b></p><p>　　2.3初選總傳熱系數(shù)</p><p><b>　　2.3.1熱流量</b></p><p>　　

25、 （2-1） </p><p>　　2.3.2平均傳熱溫差</p><p><b>　?。?-2） </b></p><p>　　2.3.3冷卻水用量</p><p><b>　?。?-3）</b></p><

26、;p>　　2.3.4總傳熱系數(shù)k</p><p>　　表2-2流體的污垢熱阻</p><p>　　表2-3流體的傳熱系數(shù)（經(jīng)驗值）</p><p>　　由于污垢熱阻為控制熱阻 所以選取</p><p>　　2.4計算傳熱面積</p><p><b>　?。?-7）</b></p&g

27、t;<p>　　考慮的面積和裕度：。</p><p><b>　　2.5工藝結構尺寸</b></p><p>　　2.5.1管徑結構尺寸表</p><p>　　表 2-4 換熱器的規(guī)格</p><p><b>　　選用傳熱管（碳鋼）</b></p><p>　

28、　2.5.2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><b>　?。?-8）</b></p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　按單管程設計，傳熱

29、管過長，宜采用多管程機構?，F(xiàn)取傳熱管長,則該換熱器管程為</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　傳熱管總根數(shù) N=。</p><p>　　2.5.3平均傳熱溫差校正系數(shù)及殼程數(shù)</p><p>　　平均傳熱溫差校正系數(shù)</p><p><b>　?。?-1

30、1）</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　圖2-1 對數(shù)平均溫差校正系數(shù)</p><p><b>　　溫度校正系數(shù)表查得</b></p><p><b>　　平均傳熱溫差</b></p><p>　　

31、2.5.4傳熱管排列和方程方法</p><p>　　采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正方形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距,則：</p><p>　　橫過管束中心線的管數(shù)</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　2.5.5 殼體內(nèi)徑</p><p>　　采用多管程結

32、構，取管板利用率，則殼體內(nèi)徑為</p><p><b>　　（2-14）</b></p><p><b>　　圓整后取</b></p><p><b>　　2.5.6折流板</b></p><p>　　采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)的；</p>&l

33、t;p>　　則切去的圓缺高度為,取折流板間距則</p><p><b>　　故可取 </b></p><p><b>　　折流板數(shù) </b></p><p>　　折流板圓整面水平裝配。</p><p><b>　　2.5.7接管</b></p><p&

34、gt;　　殼程流體進出口接管：乙醇流量為,則按管內(nèi)徑為</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　取標準管徑為。 壁厚為。</p><p>　　管程流體進出口接管：水流量為u=0.34m/s,則接管內(nèi)徑為</p><p>　　取標準管徑為190mm。 壁厚為10mm。</p>&

35、lt;p><b>　　2.5.8殼體壁厚</b></p><p><b>　?、伲x;</b></p><p>　?、冢?（2-16）</p><p>　　式中 _____殼體的計算厚度； mm</p><p>　　___

36、_殼體的計算壓力；MPa</p><p>　　____殼體的內(nèi)直徑；mm</p><p>　　____殼體材料在設計溫度下的許用應力MPa; Mpa;</p><p>　　_____殼體的焊接接頭系數(shù); ;</p><p><b>　　則</b></p><p>　　考慮腐蝕及偏差向上圓整取

37、</p><p><b>　　2.5.9殼體封頭</b></p><p>　　表2-5 常用封頭數(shù)據(jù)</p><p>　　故選用公稱直徑， 直邊高度的封頭</p><p><b>　　第三章 換熱器核算</b></p><p><b>　　3.1面積核算</

38、b></p><p>　?、艢こ虒α鱾鳠嵯禂?shù)對圓缺形折流板；采用克思公式</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　當量直徑，由正方形排列得</p><p><b>　　（3-2）</b></p><p><b>　　殼程流體截面積&

39、lt;/b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為</p><p>　　（3-4） </p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　普蘭特準數(shù)</b&

40、gt;</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　粘度校正 </b></p><p><b>　?、乒艹虒α鱾鳠嵯禂?shù)</b></p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>&

41、lt;b>　　管程流通截面積</b></p><p><b>　　管程流體流速</b></p><p><b>　　普蘭特準數(shù)</b></p><p><b>　?、莻鳠嵯禂?shù)</b></p><p><b>　?、葌鳠崦娣e</b><

42、/p><p>　　該換熱器的實際傳熱面積</p><p><b>　　（2-24）</b></p><p>　　該換熱器的面積裕度為</p><p><b>　?。?-25）</b></p><p>　　傳熱面積合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。</p><p&

43、gt;　　3.2換熱器內(nèi)流體的流動阻力</p><p><b>　?、殴艹塘鲃幼枇?lt;/b></p><p>　　圖3-1 管程流動阻力表</p><p>　　（2-26） </p><p><b>　　上式中：</b></p><p>　　—直管中因摩擦阻力引起的壓

44、力降，Pa;</p><p>　　—回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa;可由經(jīng)驗公式估算；</p><p>　　—結垢校正系數(shù)，無因次，的換熱器取1.5；</p><p><b>　　—串聯(lián)的殼程數(shù)；</b></p><p><b>　　—管程數(shù)；</b></p><p>

45、　?。?-27） （2-28）</p><p>　　由Re=11008，傳熱管相對粗糙度為，查莫狄圖得 。流速 ， ，所以</p><p>　　故管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p><b>　　⑵殼程阻力</b></p><p><b&

46、gt;　?。?-29）</b></p><p>　　上式中：—流體管束的阻力，Pa；</p><p>　　—流體流經(jīng)折流板口的阻力，Pa;</p><p>　　—結垢校正系數(shù)，無因次，對液體=1.15,對氣體=1.0；</p><p><b>　?。?-30）</b></p><p>

47、<b>　?。?-31）</b></p><p><b>　　上式中：</b></p><p>　　—管子排列方式對壓力降的校正系數(shù)；三角形排列=0.5，正方形直列=0.3，正方形錯列=0.4；</p><p>　　—殼程流體的摩擦系數(shù)，；</p><p>　　—橫過管束中心線的管數(shù)；</p&

48、gt;<p><b>　　—折流板間距，m;</b></p><p><b>　　—殼體直徑，m；</b></p><p><b>　　—折流板數(shù)目；</b></p><p>　　—按殼程流通截面積計算的流速，m/s;</p><p><b>　　總阻力

49、</b></p><p>　　故課程流動阻力也比較適宜。</p><p>　　綜上所述，該換熱器管程與殼程的壓力降均小于允許壓強0.1MPa，均符合要求，所以所設計的換熱器符合條件。</p><p>　　表3-1 換熱器主要結構尺寸和計算結果</p><p><b>　　符號說明</b></p>

50、<p><b>　　英文字母</b></p><p>　　B—折流板間距，m； C—系數(shù)，無量綱；</p><p>　　d—管徑，m; D—換熱器外殼內(nèi)徑，m；</p><p>　　f—摩擦因數(shù)； F—系數(shù)；</p

51、><p>　　h—圓缺高度，m； K—總傳熱系數(shù)，W/（㎡﹒℃）</p><p>　　L—管長，m; m—程數(shù)；</p><p>　　n—指數(shù)；管數(shù)； 程數(shù); N—管數(shù)； 程數(shù);</p><p>　　—折流板數(shù)；

52、 —努賽爾特準數(shù)；</p><p>　　P—壓力，Pa;因數(shù)； Pr—普朗特準數(shù)；</p><p>　　h—熱流體； i—管內(nèi)；</p><p>　　m—平均； o—管外；</p><p>　　s—污垢。

53、 q—熱通量，W/㎡；</p><p>　　Q—傳熱速率，W; r—半徑，m;氣化潛熱，kJ/kg;</p><p>　　R—熱阻，㎡﹒℃/ W； 因數(shù)； Re—雷諾準數(shù)；</p><p>　　S—傳熱面積，㎡； t—冷流體溫度，℃；管心距，m;</

54、p><p>　　T—熱流體溫度，℃； u—流速，m/s;</p><p>　　W—質量流量，kg/s; </p><p><b>　　希臘字母</b></p><p>　　—對流傳熱系數(shù)，W/（㎡﹒℃）； —有限差值；</p&

55、gt;<p>　　—導熱系數(shù)，W/（m﹒℃）； —粘度，Pa﹒s；</p><p>　　—密度，㎏/； —校正系數(shù)；下標</p><p><b>　　c—冷流體； </b></p><p><b>　　附表：</b></p&

56、gt;<p>　　表3-3 合理壓力降的選取</p><p><b>　　設計小結與致謝</b></p><p>　　在剛開始做設計作業(yè)時，覺得好難，沒有一點頭緒，不知道從哪里下手，就按照設計書上的例子一部部計算，其中比熱容、粘度、熱導率等等都要查表，感覺很復雜，很煩！修改重算過很多次，結果一直都不怎么讓人滿意。在熟悉整個計算過程后理清了思路，發(fā)現(xiàn)計算簡

57、單了。我想開始是由于過于盲目，沒有科學地規(guī)劃，以至于一直處在在盲目的計算、改數(shù)字、再次計算這個階段。 </p><p>　　這次化工原理課程設計給我留下了極深的印象，也讓我有很大的收獲。化工原理課程設計是旨在學生的工程設計能力，對所學知識進行一次綜合性訓練。這次我們對換熱器進行了設計。課程設計與計算機使用相結合。設計中要求我們根據(jù)設計任務，用計算機進行輔助設計，獨立自編程序對設計中的一些重要參數(shù)進行優(yōu)化

58、，這種用計算機對工程經(jīng)濟性的優(yōu)化設計訓練，給我們以很大的興趣；其次設計計算與 CAD 設計相結合，應用CAD繪制符合工程設計制圖的要求的圖紙，在設計過程中采用 AutoCAD 輔助設計、繪圖。 </p><p>　　在這次課程設計中充分運用了個人努力與團隊協(xié)作，通過分工合作，培養(yǎng)了我們從事設計工作的協(xié)作精神、團隊精神，也增進了朋友之間的友誼。在設計完成后，通過老師

59、的檢查和指導，使我們的設計更符合各種規(guī)定、指標。通過這次設計使我們對所學知識的綜合應用能力、分析和解決工程實際問題能力和計算機的應用能力等方面都得到了提高，為今后的工作做了必要的準備，對我們很有幫助.</p><p>　　本次課程設計的順利完成少不了老師的悉心指導，也少不了團隊小伙伴的刻苦努力，在這里向艾老師說一聲謝謝！也感謝一路一起努力的小伙伴！</p><p><b>　　參

60、考文獻</b></p><p>　　[1]陳敏恒．化工原理[M]．北京：化學工業(yè)出版社(第三版)，2003</p><p>　　[2]賈紹義，柴誠敬．化工原理課程設計[M]．天津：天津大學出版社，2002</p><p>　　[3]馬江權，冷一欣．化工原理課程設計[M]．北京：中國石化出版社，2009</p><p>　　[4]譚

61、天恩，麥本熙化工原理[M]．北京：化學工業(yè)出版社（第二版），1998 </p><p>　　[5]王漢松．石油化工設計手冊（第1卷），石油化工基礎數(shù)據(jù)．北京：化學</p><p>　　工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[6]中石化集團上海工程有限公司．化工工藝設計手冊（上冊）．北京：化學</p><p>　　工業(yè)出版社，2003<