化工原理课程设计列管换热器

课程设计-1-《化工原理课程设计》报告换热器的设计年级2008级专业化学工程与工艺设计者姓名刘国雄设计单位西北师范大学化学化工学院课程设计-2-完成日期2010年11月25日课程设计-3-概述1.1.换热器设计任务书................................................................................................................-6-1.2换热器的结构形式................................................................................................................-9-2.蛇管式换热器..........................................................................................................................-9-3.套管式换热器..........................................................................................................................-9-1.3换热器材质的选择..............................................................................................................-10-1.4管板式换热器的优点..........................................................................................................-11-1.5列管式换热器的结构..........................................................................................................-12-1.6管板式换热器的类型及工作原理......................................................................................-13-1.7确定设计方案......................................................................................................................-14-2.1设计参数..............................................................................................................................-14-2.2计算总传热系数..................................................................................................................-15-2.3工艺结构尺寸......................................................................................................................-16-2.4换热器核算..........................................................................................................................-18-2.4.1.热流量核算...............................................................................................................-18-2.4.2.壁温计算...................................................................................................................-20-2.4.3．换热器内流体的流动阻力....................................................................................-21-目录课程设计-4-概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。35％～40％。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。换热器按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等），如表2-1所示。表2-1传热器的结构分类类型特点间壁式管壳式列管式固定管板式刚性结构用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管间不能清洗带膨胀节有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函管间容易泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋管式沉浸式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热课程设计-5-喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板面式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋板式可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用作回收低温热能平板式结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式适用于允许换热流体之间直接接触蓄热式换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。（1）合理地实现所规定的工艺条件传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。其具体做法如下。①增大传热系数?在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。②提高平均温差?对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。③妥善布置传热面?例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。（2）安全可靠换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。（3）有利于安装、操作与维修直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装课程设计-6-拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。（4）经济合理评价换热器的最终指标是：在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高又有利于传热，因此存在一最适宜的流速。传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而减少，故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一最适宜的运行周期。严格地讲，如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。1.1.换热器设计任务书1．设计题目煤油冷却器的设计。设计课题工程背景：在石油化工生产过程中，常常需要将各种石油产品（如汽油、煤油、柴油等）进行冷却，本设计以某炼油厂冷却煤油产品为例，让学生熟悉列管式换热器的设计过程。设计的目的：通过对煤油产品冷却的列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构特课程设计-7-点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。2．设计任务及操作条件（1）处理能力(1.584,1.98，2.2176，2.4552，2.6928)×104吨/年煤油（2）设备型式列管式换热器（3）操作条件①煤油：入口温度（140℃、120℃、100℃），出口温度40℃②冷却介质：自来水，入口温度30℃，出口温度50℃③允许压强降：不大于105Pa④每年按330天计，每天24小时连续运行（4）设计项目①设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。②换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。③换热器的主要结构尺寸设计。④主要辅助设备选型。⑤绘制换热器总装配图。3．设计说明书的内容（1）目录；（2）设计题目及原始数据(任务书)；（3）论述换热器总体结构(换热器型式、主要结构)的选择；（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)；（5）设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等)；（6）主体设备设计计算及说明；（7）主要零件的强度计算（选做）；课程设计-8-（8）附属设备的选择（选做）；（9）参考文献；（10）后记及其它。4．设计图要求用594×841图纸绘制换热器一张：一主视图，一俯视图，一剖面图，两个局部放大图。5．设计思考题（1）设计列管式换热器时，通常都应选用标准型号的换热器，为什么？（2）为什么在化工厂使用列管式换热最广泛？（3）在列管式换热器中，壳程有挡板和没有挡板时，其对流传热系数的计算方法有何不同？（4）说明列管式换热器的选型计算步骤？（5）在换热过程中，冷却剂的进出口温度是按什么原则确定的？（6）说明常用换热管的标准规格（批管径和管长）。（7）列管式换热器中，两流体的流动方向是如何确定的？比较其优缺点？6.部分设计问题指导（