1、 化 工 原 理 化 工 设 备课 程 设 计 任 务 书设计题目： 年处理 4.2 万吨柴油浮头式换热器 学生姓名： XXX 专业班级： xxx 学 号： xxxxx 指导教师： xxxxx 宜 宾 学 院化 学 与 化 工 学 院2012 年 12 月 13 日化工原理课程设计任务书列管式换热器列管式换热器设计任务书一、设计目的培养学生综合运用本门课程及有关选修课程基础理论和基本知识去完成换热单元操作设备设计任务的实践能力二、设计目标设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的三、设计题目列管式换热器设计 四、设计任务及操作条件1. 设计任务 设备型式：列
2、管式 处理任务：如下表所示：处理量（万吨/年）物料2426 28 30 32 34 3.6 3840 42 44 46 48原油 1 2 12 13煤油 14 25 26#柴油 27 37# 38 39#2. 操作条件（1）热流体：入口温度 140; 出口温度 40 （2）冷却介质：岷江水（3）允许压降：不大于 0.1MPa（4）物性数据柴油定性温度下的物性数据： CmWkgJcsPakoopo/13.0482.6/753导 热 系 数定 压 比 热 容粘 度密 度岷江水定性温度下的物性数据：密度 1=996.2kg/m3黏度 1=8.439510- 4Pas定压比热容 cp1=4.176kJ
3、/(kg)导热系数 1=0.614W/(m) 化工原理课程设计任务书列管式换热器目录第一章 概 述 11.1 换热器的简单介绍 11.2 本设计的目的和意义 3第二章 设计计算 42.1 确定设计方案 42.2 确定物性数据 42.3 计算总传热系数 42.4 计算传热面积 52.5 工艺结构尺寸 62.6 换热器核算 6第三章 设计结果汇总 10设计图纸（简图） 11心得体会 11参考文献 12评语及成绩 15化工原理课程设计任务书列管式换热器1 第一章 概 述1.1 换热器的简单介绍换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称热交换器。换热器
4、作为传热设备被广泛用于锅炉暖通领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。换 热 器 的 分 类 ：适 用 于 不 同 介 质 、 不 同 工 况 、 不 同 温 度 、 不 同 压 力 的 换 热 器 ， 结 构 型 式 也 不 同 ， 换热 器 的 具 体 分 类 如 下 ： 一 、 换 热 器 按 传 热 原 理 分 类 1、 表 面 式 换 热 器 表 面 式 换 热 器 是 温 度 不 同 的 两 种 流 体 在 被 壁 面 分 开 的 空 间 里 流 动 ， 通 过壁 面 的 导 热 和 流 体 在 壁 表 面 对 流 ， 两 种 流 体 之 间 进 行 换 热 。 表 面
5、 式 换 热 器 有管 壳 式 、 套 管 式 和 其 他 型 式 的 换 热 器 。 2、 蓄 热 式 换 热 器 蓄 热 式 换 热 器 通 过 固 体 物 质 构 成 的 蓄 热 体 ， 把 热 量 从 高 温 流 体 传 递 给 低温 流 体 ， 热 介 质 先 通 过 加 热 固 体 物 质 达 到 一 定 温 度 后 ， 冷 介 质 再 通 过 固 体 物质 被 加 热 ， 使 之 达 到 热 量 传 递 的 目 的 。 蓄 热 式 换 热 器 有 旋 转 式 、 阀 门 切 换 式等 。 3、 流 体 连 接 间 接 式 换 热 器 流 体 连 接 间 接 式 换 热 器 ， 是
6、 把 两 个 表 面 式 换 热 器 由 在 其 中 循 环 的 热 载 体连 接 起 来 的 换 热 器 ， 热 载 体 在 高 温 流 体 换 热 器 和 低 温 流 体 之 间 循 环 ， 在 高 温流 体 接 受 热 量 ， 在 低 温 流 体 换 热 器 把 热 量 释 放 给 低 温 流 体 。 4、 直 接 接 触 式 换 热 器 直 接 接 触 式 换 热 器 是 两 种 流 体 直 接 接 触 进 行 换 热 的 设 备 ， 例 如 ， 冷 水塔 、 气 体 冷 凝 器 等 。二 、 换 热 器 按 用 途 分 类 1、 加 热 器 加 热 器 是 把 流 体 加 热 到 必
7、 要 的 温 度 ， 但 加 热 流 体 没 有 发 生 相 的 变 化 。 2、 预 热 器 预 热 器 预 先 加 热 流 体 ， 为 工 序 操 作 提 供 标 准 的 工 艺 参 数 。 3、 过 热 器 过 热 器 用 于 把 流 体 （ 工 艺 气 或 蒸 汽 ） 加 热 到 过 热 状 态 。 4、 蒸 发 器 化工原理课程设计任务书列管式换热器2 蒸 发 器 用 于 加 热 流 体 ， 达 到 沸 点 以 上 温 度 ， 使 其 流 体 蒸 发 ， 一 般 有 相 的变 化 。 三 、 按 换 热 器 的 结 构 分 类 可 分 为 ： 浮 头 式 换 热 器 、 固 定 管
8、板 式 换 热 器 、 U 形 管 板 换 热 器 、 板式 换 热 器 等 。化工原理课程设计任务书列管式换热器3 1.2 本设计的目的和意义通过本次课程设计，培养学生多方位、综合地分析考察工程问题并独立解决工程实际问题的能力。主要体现在以下几个方面：（1）资料、文献、数据的查阅、收集、整理和分析能力。要科学、合理、有创新地完成一项工程设计，往往需要各种数据和相关资料。因此，资料、文献和数据的查找、收集是工程设计必不可少的基础工作。（2）工程的设计计算能力和综合评价的能力。为了使设计合理要进行大量的工艺计算和设备设计计算。本设计包括热工计算和冷却器设备的结构计算。（3）工程设计表达能力。工程
9、设计完成后，往往要交付他人实施或与他人交流，因此，在工程设计和完成过程中，都必须将设计理念、理想、设计过程和结果用文字、图纸和表格的形式表达出来。只有完整、流畅、正确地表达出来的工程设计的内容，才可能被他人理解、接受，顺利付诸实施。通过本设计不仅可以进一步巩固学生所学的相关啊知识，提高学生学以致用的综合能力，尤其对传热学、流体力学等课程更加熟悉，同时还可以培养学生尊重科学、注重实践和学习严禁、作风踏实的品格。化工原理课程设计任务书列管式换热器4 第二章 设计计算2.1 确定设计方案两流体温度变化情况：柴油 入口温度：140 出口温度：40岷江水 入口温度：20 出口温度：20本次设计任务为柴油
10、冷却器的设计，两流体在传热过程中无相变，换热器用岷江水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器；固定管板式换热器结构比较简单，制造简单，制造成本低，管程可用多种结构，规格范围广泛，在生产中广泛应用。因壳程不易清洗，故不适宜较脏或有腐蚀性的物流的换热，适用壳壁与管壁温差小于 70、壳程压力不高并可用化学方法清洗的场合。故此最终选择浮头式换热器。由于岷江水较易结垢，为便于水垢清洗，应使岷江水走管程，柴油走壳程。管径选用 25mm2.5mm 的碳钢管，取管内流速 u1=0.5m/s。2.2 确定物性数据柴油定性
11、温度下的物性数据： CmWkgJcsPakoopo/13.0482.6/753导 热 系 数定 压 比 热 容粘 度密 度岷江水定性温度下的物性数据：密度 1=996.2kg/m3黏度 1=8.439510- 4Pas定压比热容 cp1=4.176kJ/(kg)2.3 计算总传热系数柴油单位时间处理量 qm= =4.794510 kg/h24365710.化工原理课程设计任务书列管式换热器5 热流量 Q=q mcpot m=4.7945102.48140401189036kJ=330.29kw冷却水用量 W= = =11795.678 kg/h21tcpQ20367.4189对数平均温度差 t
12、m= = =50.950521lnt4ln平均传热温度校正系数 R= = =6.2512chT2036P= = =0.1331ch4查表可得修正系数 8935.950.6.0t管程传热系数 1= mWdu 2 4.038.044.8.11/730.25 614.09871.64.23.壳程传热系数假设壳程传热系数 2=540W/(m2)污垢热阻 柴油 Rs1=3.410-4河水 Rs2=5.010-4管壁的导热系数 =48W/(m)总传热系数 20110 1smsRdbRdK= 5401.0241.85.04.302.7.25 =301.096化工原理课程设计任务书列管式换热器6 2.4 计算
13、传热面积 259.190.521.30 mtKQSm考虑 15%的裕度 S=1.15S=1.1521.5299=24.7594m22.5 工艺结构尺寸列管的计算选择管径为 25mm2.5mm 的标准管取管内流速 1=0.5m/s单程管速 （ 根 ）325.02.78.06965421 udVns按单程管束算，所需换热管长度 mndSLs 85.90.14.750 采用多管程结构，取标准管 L=3m，材料为 20 号的无缝钢管管程 Np= 4L传热管总根数 N=nNp=324=128采用组合排列法，每程采用正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列管心距 t=1.25d=1.2525=31.25mm横
14、过管束中心的管数 nc=1.1 =1.1 =12.445 13 根N128采用多管程结构，取管板利用率 =0.6，则壳体内径 DiDi=1.0531.25 =479.26500mm6.0/128采用弓形折流板，切去圆缺高度 h=0.2Di=0.2500=100mm折流板间距 B=0.3Di=0.3500=150mm折流板数 （ 块 ）折 流 板 间 距传 热 管 长 195031BN壳程流体进出口接管内径 muVd 031.5.0437624故取壳程流体进出口标准管径 d=50mm m=4.0mm管程流体进出口接管内径 8512.9.故取标准管程流体进出口接管内径 d=100mm m=6.0m
15、m化工原理课程设计任务书列管式换热器7 根据标准，接管公称外径89mm，可不再另行补强，因此管程接口需另行补强。接管的高度 h=150mm壳体的设计 由于所设计的换热器属于常规容器，考虑到生产成本和使用条件，选择材料为 20R。壳体与封头采用法兰连接。已知壳体内径 Di=500mm 为壳体工作温度下的许用应力，已知壳程设计温度为 90，设计压力t为 1.6MP，查表得 =133, 为焊缝系数，取 =0.9 ，c2=1mm =245ts则壳体壁厚=1.6500/(21330.91.6)=3.37Pcit2C1=0.437.41.dC1=0.660n6e进行水压试验：=1.25P =1.251.6
16、1=2PttMpat= 0.9 =198.45e2504.1.6atDis所以：水压强度满足要求，所以取壳体壁厚 m6长度 L=3000mm浮头盖短节、封头计算浮头盖短节壁厚因为浮头盖的内径为 500+100=600mm ， 其余参数同壳体所以化工原理课程设计任务书列管式换热器8 1.6600/(21330.91.6)=4.037PcDt2C1=0.5037.51.4dC1=0.66n4e曲面高度 H=125mm 直边高度 h=25mm封头均选用标准椭圆封头，因其便于冲压，应力分析比较均匀，制作简单。1.6600/(21330.90.51.6)=4.023PcDt5.02最后取 6n进行水压试
17、验，方法同上，且都符合要求。内径=600mm管箱的设计已知管程设计温度为 28，设计压力为 0.6MPa , 材料为 20R，查表得=133, =245，取 =0.8 ，c2=1mmts则箱壳厚度为=0.6500/(21330.80.6)=1.14PcDit2C1=0.241d考虑到壳体壁厚，所以箱体壁厚取 6mm01n压力校核同上，是符合的。管箱采用 B 型（封头管箱）内径 D=500mm长度 L=200mm 固定管板和浮头管板固定板厚：b=46mm 浮头板厚：b=50mm 管板选用 Q235-A管子与管板的连接必须牢固、不泄漏，不产生大的应力变形，最常见的连接方法为胀接，由于本设计中工作压
18、力和温度都不是特别高，而且管子的间距比较化工原理课程设计任务书列管式换热器9 大，所以管板和管子的连接采用胀接，管板与壳体采用可拆卸连接，如法兰连接。折流板的设计采用弓形折流板，排列方式采用水平切口，且切口部分不装管子,第一块或最后一块折流板尽可能靠近壳程进出口接管。切口尺寸：h=20%Di=100mm挡板间距 B:B=Di/3=167mm,取 200mm板数：n=19 块板厚：12mm折流板管孔径：26mm管心距：32mm 各程相邻管的管心距为 44mm拉杆采用定距螺栓拉杆，均匀布置在管束的外边缘，用于安装折流板数量 6 根，直径 16mm2.6 换热器核算1.壳程对流传热系数对弓形折流板，
19、采用克恩公式 14.02315.022PrRe36. wd当量直径：由正三角形排列得 mdtde 0189.025.143.78.24234 202 壳程流通截面积 tdBDSo 2.310 壳程流体流速： )/(152.2.73654792 smu化工原理课程设计任务书列管式换热器10 壳程雷诺系数 Re2= = =3137.02620ude 410.675289普兰特准数 Pr= = =11.9340pC3.4.黏度校正系数 .18.w2.管程对流传热系数 3.08.11PrRe023.d管程流通截面积 S= =0.7850.02 =0.010048PN2144128管程流体流速 u1=
20、=0.4938m/s089636795管程雷诺系数 Re= = =11657.651d4105.2.32普兰特准数 Pr= = =11657.651pC439.8764mW 23.0.01 /18.275)(02.63.传热系数 K 20110 1smsRdbd 675.01.0241.50.34.02.8.2375 =282.4859W/(m)管子传热面积 S= =mtKQ 98.50.48.2实际面积 SP=d 0L(NNp)=3.14 0.0253（12864）=27.0825m 2面积裕度 H= %1.948.27符合 15%25%的范围，该换热器能完成生产任务。化工原理课程设计任务书
21、列管式换热器11 3.换热器流动阻力管程流动阻力： pStNFP21Ns=2 NP=4 Ft=1.5Pa985.243.096.03.2131 udlP(由于 Re=23317.16，绝对粗糙度 =0.01 查表，得 3=0.01， )05.21.dPauP37.64298.063212 0.1MPaNFpSt .121管程流动阻力在允许范围之内壳程流动阻力： stP210sN5.tF流体流经管束的阻力：Pa93.6125.0719135.021021 unfPBcF=0.5 NB=19 nc=9f2=5Re-0.228=511657.65-0.228=0.5813流体经过折流板缺口阻力： P
22、auDPB 93085.4215.07)4.0152.3(1925.302 总阻力 MPa.9.)8.4.6(2 壳程流动阻力也较适宜。化工原理课程设计任务书列管式换热器12 第三章 设计结果汇总参数 管程（水） 壳程（柴油）流量/ hkg17795.678 4794.50进/出口温度/ C36/20 140/40定性温度/ 28 90密度/ mkg3996.2 715定压比热容/ )(CJ4.176 2.48粘度/ sPa0.00084395 0.00064热导率/ )(mW0.614 0.133普朗克数 5.74 11.934形式 浮头式 台数 1壳程内径/mm 500 壳程数 2管径/m
23、m 252.5 管心距/mm 31.25管长/mm 3 管子排列 正三角形管数目/根 128 折流板数/块 19传热面积/m 24.7594 材质 碳钢流速/ m/s 0.9877 0.1552阻力/Pa 18.364.08 2557.2799热流量/kw 33029传热系数/ W/(m)2137.118 506.675化工原理课程设计任务书列管式换热器13 设计图纸（简图）心得体会课程设计是我们专业课程知识的综合实践应用的实践训练。通过本次课程设计，让我深深体会到了“千里之行始于足下”这句话的含义，在我认真设计进行课程设计的这段时间，让我学会做事要脚踏实地、一丝不苟，只有这样才不会这在忙中出
24、错。说实话，课程设计真的很累。但是当我开始整理自己的设计成果时，慢慢回想这两周的设计历程，心里出现一种少有的成就感。虽然这是化工设计迈出的第一步，也让我获得不少收获。其中最为深刻的体会是：1.看似简单的事情，最后都会变的复杂；而复杂的事情，最后很可能会变得不可收拾。2.做事情的时候一定要专注、耐心，只有这样才不会重复犯一些不必要低级的错误。在手工绘图期间，刚开始画图时感觉自己应该已经是把要用到的数据都查好或者计算好了的，但是动手画的时候发现自己很多地方的尺寸按比例缩放后画出来很难看。而且还有一部分结构的尺寸在国标和行标中也没有找到详细参数，化工原理课程设计任务书列管式换热器14 本来打算对于这
25、部分结构的尺寸按照一些经验数据进行绘制，但是查阅了大量资料后仍然没什么收获。最后只有为了让图纸美观，有些小尺寸就只能自己估计着尺寸画。课程设计过程中，大量的计算有时不免令人心烦意乱，任何一步不小心的计算出错，就只能从头再来。但一想起的平时两位老师的耐心教导，以及今后自己应当承担的社会责任，想到那些因某些细节失误而造成的大事故，我就会不禁提醒自己，一定要养成一种高度负责，认真对待手中的任务的态度。这次的课程设计使我在工作作风得到了一次难得的磨练，短短两周的时间，使我发现了自己所掌握的知识是如此的匮乏，对专业知识的综合应用是如此的不足。想到这里自己觉得很是惭愧。虽然这次课程设计让我觉得这两周的生活
26、过的很黑暗，但设计还是在自己的努力下顺利完成了，尽管这个设计还存在着一些不足之处。敬请老师多多指正。也希望通过这次老师的指点和同学的讨论，让我在以后的设计上能得到提高。最后感谢徐慎颖老师、张燕老师一学期以来对我们的辛勤教导，耐心辅助，以及和我一起讨论设计的同组成员的相互协作，你们是让我较为顺利圆满的完成了本次课程设计的力量源泉。你们也使我在学习生活中顺利受益匪浅。非常感谢大家！参考文献1.汪镇安 化工工艺设计手册(上).化学工业出版社，20032.谭蔚 聂清德，化工设备设计基础，天津大学出版社，20003.时钧，汪家鼎等.化学工程手册，化学工业出版社，19964.匡国柱 史启才，化工单元过程及
27、设备课程设计，化学工业出版社，20015.潘永亮 刘玉良，化工设备机械设计基础，科学出版社，19996.大连理工大学化工原理教研室.化工原理课程设计.大连理工大学出版 社，20087.柴诚敬，刘国维，李阿娜.化工原理课程设计.天津科学技术出版社，19958.董其伍 张逵，换热器，化学工业出版社，2008化工原理课程设计任务书列管式换热器15 9.秦叔劲 叶文邦等 换热器 化学工业出版社 200210.朱有庭 曲文海 于浦义 化学设备设计手册（上） 化学工业出版社 200511.李功样 陈兰英 崔英德 化学单元设备设计 华南理工大学出版社 200312 .谭蔚 聂清德 化学设备设计基础 天津大学
28、出版社 200613 .胡洪营 张旭 黄霞 王伟 环境工程原理 高等教育出版社 201114. 陈志平 曹志易 潘浓芬 过程设备设计与选型基础 浙江大学出版社 2005主要符号说明：B-折流板间距 md-管径 mf-摩擦系数h-圆缺高度 mL-管长 mn- 指数，管数，程数NB-折流板数P-压力 Pa 因数qm-热通量 W2/r-半径 mRe-雷诺数t-冷流体温度 Cu-流速，m/sc-系数D-换热器外壳内径 mF-压力降的校正系数K-滤传热系数 )2/(Wm-程数N-管数，程数Nu-努赛尔准数Pr-普兰特准数Q-传热速率 WR-热阻 Cm/2S-传热面积 T-热流体温度 W-质量流量 sKg/化工原理课程设计任务书列管式换热器16 希腊字母 校 正 系 数密 度 ，粘 度 ，导 热 系 数 ，有 限 差 值对 流 传 热 系 数 ，m3/kgPa)2(W/sC化工原理课程设计任务书列管式换热器17 评语及成绩题 目 列管式换热器 成 绩系（分院） 化学与化工学院年级学号10 级 4 班100704046学生姓名 熊佳妮评语指导教师签名：2012 年 12 月 30 日
