化工原理课程设计用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计.docx
- 文档编号:28693423
- 上传时间:2023-07-19
- 格式:DOCX
- 页数:17
- 大小:192.45KB
化工原理课程设计用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计.docx
《化工原理课程设计用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《化工原理课程设计用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计.docx(17页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
化工原理课程设计用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计
化工原理课程设计
题目:
用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计
系别:
班级:
学号:
姓名:
指导教师:
日期:
2015年6月26日
任务书
一、设计题目:
用水冷却煤油产品的列管式换热器的工艺设计
二、设计任务:
1、处理能力:
45t/年煤油
2、设备型号:
列管式换热器
3、操作条件:
煤油:
入口温度140℃,出口温度40℃
冷却介质:
循环水,入口温度20℃,出口温度30℃
允许压降:
不大于105Pa
每年按330天计
建厂地址:
新乡
三、设计要求
1、选择适宜的列管式换热器并进行核算
2、要进行工艺计算
3、要进行主体设备的设计(主要设备尺寸、横算结果等)
4、编写设计任务书
5、进行设备结构图的绘制(设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏。
)
目录
一、设计方案4
1.1换热器的选择4
1.2流动空间及流速的确定4
二、物性数据5
三、计算总传热系数:
5
3.3、估算传热面积5
3.3.1热流量5
3.3.2平均传热温差5
3.3.3传热面积5
3.3.4冷却水用量5
3.4、工艺结构尺寸6
3.4.1管径和管内流速6
3.4.2管程数和传热管数6
3.4.3平均传热温差校正及壳程数6
3.4.4传热管排列和分程方法7
3.4.5壳体内径7
3.4.6折流板7
3.4.7接管7
3.5换热器核算8
3.5.1热流量核算8
3.5.2换热器内流体的流动阻力10
四、设计结果设计一览表12
五、设计自我评价12
六、参考文献13
七、主要符号说明13
八、主体设备条件图及生产工艺流程图(附图)
13
一、设计方案
1.1换热器类型的选择
列管式换热器有以下几种:
1、固定管板式
固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体,当两流体的温度差较大时,在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈,(或膨胀节)。
当壳体和管束热膨胀不同时,补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。
特点:
结构简单,造价低廉,壳程清洗和检修困难,壳程必须是洁净不易结垢的物料。
2、U形管式
U形管式换热器每根管子均弯成U形,流体进、出口分别安装在同一端的两侧,封头内用隔板分成两室,每根管子可自由伸缩,来解决热补偿问题。
特点:
结构简单,质量轻,适用于高温和高压的场合。
管程清洗困难,管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。
3、浮头式
换热器两端的管板,一端不与壳体相连,该端称浮头。
管子受热时,管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩,完全消除了温差应力。
特点:
结构复杂、造价高,便于清洗和检修,消除温差应力,应用普遍。
在本次设计任务中,两流体温度变化情况:
热流体进口温度140℃,出口温度40℃;冷流体(循环水)进口温度25℃,出口温度40℃。
该换热器用循环冷却水冷却,冬季操作时进口温度会降低,最大使用温差小于120℃,,选用固定管板式换热器,又因为管壳两流体温差大于60℃,因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。
1.2流动空间及流速的确定
在固定管板式式换热器中,对于流体流径的选择一般可以考虑以下几点:
(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内,以便于清洗管子。
(2) 腐蚀性的流体宜走管内,以免壳体和管子同时受腐蚀,而且管子也便于清洗和检修。
(3) 压强高的流体宜走管内,以免壳体受压。
(4) 饱和蒸气宜走管间,以便于及时排除冷凝液,且蒸气较洁净,冷凝传热系数与流速关系不大。
(5) 被冷却的流体宜走管间,可利用外壳向外的散热作用,以增强冷却效果。
(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内,因管程流通面积常小于壳程,且可采用多管程以增大流速。
(7) 粘度大的液体或流量较小的流体,宜走管间,因流体在有折流挡板的壳程流动时,由于流速和流向的不断改变,在低Re(Re>100)下即可达到湍流,以提高对流传热系数。
由于循环冷却水较易结垢,为便于水垢清洗,应使循环水走管程,煤油走壳程。
选用ф25×2.5的碳钢管,管内流速取ui=1.5m/s。
二、确定物性数据
两流体在定性温度下的物性数据如下表
物性
流体
定性温度
℃
密度
kg/m3
粘度
mPa·s
比热容
kJ/(kg·℃)
导热系数
W/(m·℃)
煤油
90
825
0.715
2.22
0.14
冷却水
35
994
0.728
4.174
0.626
三、换热器设计计算
(一)计算热流量
mh=
(kg/h)
Qh=mhcphΔth=27777.78×2.22×(140-40)=6.17×106kJ/h=1712.9kW
(二)平均传热温差
(℃)
(三)传热面积
假设壳程传热系数:
α0=400W(m2•℃),管壁导热系数λ=45W(m2•℃)
则K=298.7W/(m2·℃),则估算面积为:
S’=Qh/(K×Δtm)=1.7139×106/(298.7×39)=147.04(m2)
考虑15%的面积裕度则:
S=1.15×147.04=169.1(m2)
(四)冷却水用量
(kg/h)
3.4、工艺结构尺寸
3.4.1管径和管内流速
选用ф25×2.5mm碳钢管,取管内流速ui=1.5m/s
3.4.2管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数
=88.07≈89(根)
按单程管计算,所需的传热管长度为:
=24(m)
按单管程设计,传热管过长,宜采用多管程结构,根据本设计实际情况,采用标准设计,现取传热管长为l=6m,则该换热器的管程数为:
NP=L/l=24/6=4
传热管总根数:
NT=89×4=356(根)
3.4.3平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数:
R=(140-40)/(30-20)=10;
P=(30-20)/(140-20)=0.083
按单壳程,4管程结构,温差校正系数应查有关图表可得φΔt=0.9
平均传热温差
Δtm=φΔtΔtm=0.9×39=35.1(℃)
由于平均传热温差校正系数大于0.8,同时壳程流体流量较大,故取単壳程合适。
3.4.4传热管排列和分程方法
采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。
取管心距t=1.25dh,则
t=1.25×25=31.25≈32(mm)
横过管束中心线的管数
3.4.5壳体内径
采用多管程结构,取管板利用率η=0.7,则壳体内径为
D=
=757.7(mm)
按卷制壳体的进级挡,圆整可取D=800mm。
3.4.6折流板
采用弓形折流板,取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=0.25×800=200(mm)
折流板间距B=0.3D,则
B=0.3×800=240mm取250mm。
折流板数NB=
-1=
-1=23(块)
3.4.7接管
壳程流体进出口接管:
取接管内煤油流速为u=1.0m/s,则接管内径为:
D1=
(m),取管内径为110mm。
管程流体进出口接管:
取接管内循环水流速u=1.5m/s,则接管内径为
mm
圆整可取
=200mm。
3.5换热器核算
3.5.1热流量核算
3.5.1.1壳程表面传热系数
可采用克恩公式:
当量直径,由正三角排列得:
de=
(m)
壳程流通截面积:
=0.044(m2)
壳程流体流速及其雷诺数分别为:
u0=
(m/s)
Re0=
=4905
普朗特准数
Pr=
;
粘度校正
ɑh=
=606.46W/(m2·K)
3.5.1.2管内表面传热系数
ɑc
管程流体流通截面积:
Sc=0.785×0.022×356/4=0.028(m2)
管程流体流速及其雷诺数分别为:
Uc=
=1.484(m/s)
Rec=
=36919.4
普朗特准数
Pr=
ɑc=0.023×
=6027.7W/(m2·℃)
3.5.1.3污垢热阻和管壁热阻
查有关文献知可取:
管外侧污垢热阻Rh=0.000172m2·K/W
管内侧污垢热阻Rc=0.000344m2·K/W
管壁热阻查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为λ=45W/(m·℃)。
3.5.1.4计算传热系数
K=
=396.8W/(m·℃)
计算传热面积S:
S=
=
=122.985(m2)
该换热器的实际传热面积:
Sр=
=3.14×0.025×(6-0.06)×(356-23)=155.27(m2)
3.5.1.5换热器的面积裕度
H=
×100%=
×100%=19.23%
传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。
3.5.2换热器内流体的流动阻力
3.5.2.1管程流体阻力
计算公式如下:
ΣPi=(△P1+△P2)NSNpFt;
NS=1,Np=4,FS=1.4;
△P1=
△P2=
由Re=41103.6,传热管相对粗糙度0.01/20=0.05,查莫狄图得
=0.034(W/(m2·℃),流速u=1.499m/s,ρ=995.7kg/m3,所以
△P1=
=9508.7(Pa);
△P2=
=3356(Pa)
ΣPt=(11410.43+3356)×1.4×1×4=72042.3(Pa)<100KPa
管程流体阻力在允许范围之内。
3.5.2.2壳程阻力
ΣP0=(△P1+△P2)FSNS
FS=NS=1
△P1=f0Fnc(NB+1)
;
F=0.5
f0=5×4905=0.720
nC=23
NB=23,uh=0.21m/s
△P1=0.5×0.720×23×(23+1)×825×0.212/2≈17472.6(Pa)
流体流过折流板缺口的阻力
△P2=NB(3.5-2B/D)
B=0.25m;D=0.8m;
故△P2=23×(3.5-2×0.25/0.8)×825×0.22/2≈6000(Pa),
则总阻力:
△P0=3625+1202=23473(Pa)<100KPa
故壳程流体的阻力也适宜。
四、设计结果设计一览表
换热器主要结构尺寸及计算结构
换热器型式:
带膨胀节的固定管板式换热器
管口表
换热面积:
155.27m2
符号
尺寸
用途
连接形式
工艺参数
a
Φ200×6
冷却循环水入口
平面
名称
管程
壳程
b
Φ200×6
冷却循环水出口
平面
物料
循环水
煤油
c
Φ100×4
煤油入口
平面
操作压力,MPa
0.4
0.3
d
Φ100×4
煤油出口
平面
操作温度,℃
20/30
140/40
e
Φ57×3.5
排气口
平面
流量,kg/h
148701..9
6.17×106
流体密度,kg/m3
995.7
825
附图
流速,m/s
0.993
0.0784
热负荷,kW
1712.9
总传热系数,W/(m2·℃)
263.9
对流传热系数
4734
350.4
污垢热阻,m2·℃/W
0.000344
0.000172
压降,MPa
0.072
0.023
程数
4
1
推荐使用材料
低碳钢
低碳钢
五、设计的评价
化工原理课程设计已经结束,首先感谢单老师耐心细致的教导和同学们的热心帮助。
通过这次设计课程,使我对上学期的理论知识进一步加深了,并且初步认识到将理论知识运用于实际生产实际的重要性,真正做一个合格的设计并不是那么简单的,需要的是耐心和细心。
在设计过程中,总会遇到这样或是那样的问题,比如由于马虎算错了结果,那么这将会影响下一步计算过程,并且计算过程中忽略一个条件,都会造成设计不当,那么必须重新设计,不断的改进,不断的吸取教训,才能不断的进步,得到最终的设计结果。
在学习理论知识的过程中,对精馏塔只有一个模糊的认识,而通过这次实际的计算设计,使我对精馏塔有了全新的认识。
但我知道的,这次课程设计只是理论转化实践的一小步,以后会有更大的挑战在等待着我,我有信心把它做好。
六、参考文献
[1]贾绍文,柴诚敬.化工原理课程设计.天津:
天津大学出版社,2002.8.
[2]柴诚敬、张国亮主编.《化工流体流动与传热》.北京:
化学工业出版社,2008
[3]中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布,1989
[4]李国庭等编著.《化工设计概论》.北京:
化学工业出版社,2008
[5]周大军.《化工工艺制图》[M].北京:
化学工业出版社,2003.
七、主要符号说明
P——压力,Pa;Q——传热速率,W;
R——热阻,㎡·℃/W;Re——雷诺准数;
S——传热面积,㎡;t——冷流体温度,℃;
T——热流体温度,℃;u——流速,m/s;
m——质量流速,㎏/h;
——对流传热系数W/(㎡·℃);
——导热系数,W/(m·℃)
——校正系数;
——粘度,Pa·s;
——密度,㎏/m3;
——实际传热面积,
Pr——普郎特系数
n——板数,块K——总传热系数,
V——体积流量N——管数
D——壳体内径d——管径
八、主体设备条件图及生产工艺流程图(附图)
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 化工 原理 课程设计 水冷 煤油 产品 列管 换热器 工艺 设计