化工原理课程设计——管壳式换热器课程设计(安全系数为1625%)decs.docx

目录化工原理理课程设设计任务务书设计概述述试算并初初选换热热器规格格1. 流流体流动动途径的的确定2. 物物性参数数及其选选型3. 计计算热负负荷及冷冷却水流流量4. 计计算两流流体的平平均温度度差5. 初初选换热热器的规规格工艺计算算1. 核核算总传传热系数数2. 核核算压强强降经验公式式设备及工工艺流程程图设计结果果一览表表设计评述述参考文献献化工原理理课程设设计任务务书化工原理理课程设设计任务务书一设计计任务用初温为为20的冷却却水，将将流量为为（40000+2000×学号）kkg/hh的95%（体积积分率）的的乙醇水水溶液从从70冷却到到35；设计计压力为为1.66MPa，要求求管程和和壳程的的压降不不大于330kPPa，试选用用适当的的管壳式式换热器器。二设计计要求每个设计计者必须须提交设设计说明明书和装装配图(A2或或A3)。1设计计说明书书必须包包括下述述内容：封面、目目录、设设计任务务书、设设计计算算书、设设计结果果汇总表表、符号号说明、参考文献以及设计自评等。 2设计计计算书书的主要要内容应应包括的的步骤: 1) 计计算热负负荷、收收集物性性常数。根据设计任务求出热流体放热速率或冷流体吸热速率，考虑了热损失后即可确定换热器应达到的传热能力Q；按定性温度确定已知条件中未给出的物性常数。2) 根根据换热热流体的的特性和和操作参参数决定定流体走走向（哪哪个走管管程、哪哪个走壳壳程）；计算平平均温差差。3)初步步估计一个个总传热热速率常常数K估，计算算传热面面积A估。4) 根根据A估初选标准准换热器器；5) 换换热面积积的核算算。分别别按关联联式求出出管内、外外传热膜膜系数，估估计污垢垢热阻，求求出总传传热速率率常数KK核，得出出所需传传热面积积A需，将A需与A实际进行行比较，若若A实际比A需大15%-255%，则则设计成成功；否否则重新新计算。6)管程程和壳程程压力降降的核算算。7) 接管尺寸寸的计算算。3符号号说明的的格式：分为为英文字字母、希希腊字母母，要按按字母排排序，要要写出中中文名称称和单位位；4参考考文献的的格式：按GB777144-877的要求求。一、设计计题目：设计一台台换热器器二、操作作条件：1、乙醇醇水溶液液：入口口温度770，出口口温度335。2、冷却却介质：循环水水，入口口温度220。3、允许许压强降降：不大大于300kPaa。三、设备备型式：管壳式换换热器四、处理理能力：80000Kg/h五、设计计要求：1、选定定管壳式式换热器器的种类类和工艺艺流程。2、管壳壳式换热热器的工工艺计算算和主要要的工艺艺尺寸的的设计。3、设计计结果概概要或设设计结果果一览表表。4、设备备简图。（要要求按比比例画出出主要结结构及尺尺寸）5、对本本设计的的评述及及有关问问题的讨讨论。1.设计计概述1.1热热量传递递的概念念与意义义1.热量量传递的的概念热量传递递是指由由于温度度差引起起的能量量转移，简简称传热热。由热热力学第第二定律律可知，在自然界中凡是有温差存在时，热就必然从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。2.化学学工业与与热传递递的关系系化学工业业与传热热的关系系密切。这这是因为为化工生生产中的的很多过过程和单单元操作作，多需需要进行行加热和和冷却，例例如：化化学反应应通常要要在一定定的温度度进行，为为了达到到并保持持一定温温度，就就需要向向反应器器输入或或输出热热量；又如在在蒸发、蒸蒸馏、干干燥等单单元操作作中，都都要向这这些设备备输入或或输出热热量。此此外，化化工设备备的保温温，生产产过程中中热能的的合理利利用以及及废热的的回收利利用等都都涉及到到传热的的问题，由由此可见见；传热热过程普普遍的存存在于化化工生产产中，且且具有极极其重要要的作用用。总之之，无论论是在能能源，宇宇航，化化工，动动力，冶冶金，机机械，建建筑等工工业部门门，还是是在农业业，环境境等部门门中都涉涉及到许许多有关关传热的的问题。应予指出出，热力力学和传传热学既既有区别别又有联联系。热热力学不不研究引引起传热热的机理理和传热热的快慢慢，它仅仅研究物物质的平平衡状态态，确定定系统由由一个平平衡状态态变成另另一个平平衡状态态所需的的总能量量；而传传热学研研究能量量的传递递速率，因因此可以以认为传传热学士士热力学学的扩展展。3.传热热的基本本方式根据载热热介质的的不同，热热传递有有三种基基本方式式：（1）热热传导（又又称导热热） 物体各各部分之之间不发发生相对对位移，仅仅借分子子、原子子和自由由电子等等微观粒粒子的热热运动而而引起的的热量传传递称为为热传导导。热传传导的条条件是系系统两部部分之间间存在温温度差。（2）热热对流（简简称对流流） 流体各各部分之之间发生生相对位位移所引引起的热热传递过过程称为为热对流流。热对对流仅发发生在流流体中，产产生原因因有二：一是因因流体中中各处温温度不同同而引起起密度的的差别，使使流体质质点产生生相对位位移的自自然对流流；二是是因泵或或搅拌等等外力所所致的质质点强制制运动的的强制对对流。此外，流流体流过过固体表表面时发发生的对对流和热热传导联联合作用用的传热热过程，即即是热由由流体传传到固体体表面（或或反之）的的过程，通通常称为为对流传传热。（3）热热辐射 因热热的原因因而产生生的电磁磁波在空空间的传传递称为为热辐射射。热辐辐射的特特点是：不仅有有能量的的传递，而而且还有有能量的的转移。1.2换换热器的的概念及及意义在化工生生产中为为了实现现物料之之间能量量传递过过程需要要一种传传热设备备。这种种设备统统称为换换热器。在在化工生生产中，为为了工艺艺流程的的需要，往往往进行行着各种种不同的的换热过过程：如如加热、冷冷却、蒸蒸发和冷冷凝。换换热器就就是用来来进行这这些热传传递过程程的设备备，通过过这种设设备，以以便使热热量从温温度较高高的流体体传递到到温度较较低的流体体，以满满足工艺艺上的需需要。它它是化工工炼油，动动力，原原子能和和其他许许多工业业部门广广泛应用用的一种种通用工工艺设备备，对于于迅速发发展的化化工炼油油等工业业生产来来说，换换热器尤尤为重要要。换热热器在化化工生产产中，有有时作为为一个单单独的化化工设备备，有时时作为某某一工艺艺设备的的组成部部分，因因此换热热器在化化工生产产中应用用是十分分广泛的的。任何何化工生生产中，无无论是国国内还是是国外，它它在生产产中都占占有主导导地位。【表】换热器器设计要要求序号特别要求求1对事故工工况的校校核2对管箱隔隔板强度度的校核核3各部件吊吊耳安装装位置的的校核4浮头式和和U形管管束固定定管板外外径延伸伸，使管管板兼作作试压法法兰时的的强度校校核5管板的刚刚度校核核6风载荷和和地震载载荷的校校核7进出口接接管承受受管线载载荷的校校核8叠装换热热器中，底底下那台台换热器器的校核核9鞍式支座座的校核核10外表油漆漆干膜厚厚度的检检测11封头热压压成形时时，终压压温度的的检测12壳体直线线度的检检测13氢工况的的判别及及材料要要求 3、管壳式式换热器器的简介介管壳式换换热器是是目前应应用最为为广泛的的一种换换热器。它包括:固定管板式换热器、U 型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。1）工作作原理：管壳式换换热器和和螺旋板板式换热热器、板式换换热器一一样属于于间壁式式换热器器，其换换热管内内构成的的流体通通道称为为管程，换换热管外外构成的的流体通通道称为为壳程。管管程和壳壳程分别别通过两两不同温温度的流流体时，温温度较高高的流体体通过换换热管壁壁将热量量传递给给温度较较低的流流体，温温度较高高的流体体被冷却却，温度度较低的的流体被被加热，进进而实现现两流体体换热工工艺目的的。2）主要要技术特特性：一般管壳壳式换热热器与其其它类型型的换热热器比较较有以下下主要技技术特性性：1、耐高高温高压压，坚固固可靠耐耐用；2、制造造应用历历史悠久久，制造造工艺及及操作维维检技术术成熟；3、选材材广泛，适适用范围围大。二试算并并初选换换热器规规格1.流体体流动途途径的确确定本换热器器处理的的是两流流体均不不发生相相变的传传热过程程，因水水的对流流传热系系数一般般较大，且且易结垢垢，故选选择冷却却水走换换热器的的管程，乙乙醇水走走换热器器的壳程程，可利利用外壳壳向外的的散热作作用，增增强冷却却效果。2.确定定流体的的定性温温度、物物性数据据，并选选择列管管换热器器的型式式乙醇水的的定性温温度：水的定性性温度： 两流体的的温差： 两流体在在定性温温度下的的物性数数据如下下: 物性流体密度 /mm3比热KJJ/(·oC)粘度 mmPa··s导热系WW/(m·oC)95%乙乙醇8043.2880.7440.1775水9964.17760.85520.61133计算算热负荷荷和冷却却水流量量4计算算两流体体的平均均温度差差暂按单壳壳程、多管程程进行计计算，逆逆流时平平均温度度差为： 而而 由由化工原原理上册页查查图419可可得: 所所以 又又因为00.833>，故故可选用用单壳程程的列管管换热器器。5试算算和初选选换热器器的规格格根据低温温流体为为水，高高温流体体为有机机物（参参见化化工原理理P3355）有有K值的的范围：28007110W/(·oC）,假设设K=300WW/m由于，因因此无需需考虑热热补偿。据此初选选固定管管板式换换热器规规格尺寸寸为：壳 径 D400管 子 尺 寸寸25××2.55mm管 程 数 1管 长LL6 m管子总数数 n98管子排列列方法正三角形形换热器面面积45.44公称压强强/MPPa1.6 实际际传热面面积若采用此此传热面面积的换换热器，则则要求过过程的总总传热系系数为：）三、工艺艺计算 1、核算算压强降降）计算管管程压强强降 其中中，对于于的管子子Ft=1.44 又又Np=1管程流通通面积取不锈钢钢管壁粗粗糙度 则则，由化化工原理理上册册第一章章P544的关系系图中查查得： 所以 则则 ）计算壳壳程压强强降 其中 管子为为正三角角形排列列，取FF=0.5设折流挡挡板间距距 折流挡挡板数： 壳程流流通面积积 所以 计算表明明，该换换热器管管程与壳壳程的压压强均满满足题设设要求2、核算算总传热热系数）计算管管程对流流传热系系数图 壳壳程摩擦擦系数ff与Ree的关系系所以2）计算算壳程对对流传热热系数流体流过过管间最最大截面面积为管中心距距，对，。 由管管子正三三角形排排列得： 壳程程中乙醇醇水被冷冷却，取取 ， 因为为 在范围内内，故可可用下式式计算 所以 ）确定污污垢热阻阻 管内内、外侧侧污垢热热阻分别别取为：）总传热系系数管壁热阻阻可忽略略时，总总传热系系数为：由前面计计算可知知，选用用该型号号换热器器时，要要求过程程的总传传热系数数为，在在传热任任务所规规定的流流动条件件下，计计算出的的为，其安安全系数数为：实际所需需换热面面积四. 设设计结果果一览表表项 目管程（循循环水）壳程（995%乙乙醇）流量，/s4.0222.222温度，（进/出）20/33570/335物性定性温度度，27.5552.55密度，/m33996804比热，kkJ/4.17763.288粘度，PPa·ss0.8552×110-30.744×100-3导热系数数，kJJ/m0.61130.1775普兰特数数5.813.887结构参数壳体外径径，400台数1管径，25××2.55壳程数1管长，mm6管心距，32管数98管子排列列正三角形形排列传热面积积，35.22折流板数数39管程数1折流板距距，m0.155材质不锈钢主要计算算结果管程壳程流速，mm/s0.13330.1775污垢热阻阻,(·)/W1.7××2.0××传热系数数，W/（·）886738五经验验公式1.管程程对流传传热系数数，可用用迪特斯斯和贝尔尔特关联联式： 2.壳程对对流传热热系数，可可用关联联式计算算： 33.管程程压强降降可用： 44.壳程程压强降降可用埃埃索法：六设备备及工艺艺流程图图七设计计评述通过本次次课程设设计，我我对换热热器的结结构、性能都都有了一一定的了了解，同同时，在在设计过过程中，我我也掌握握了一定定的工艺艺计算方方法。换热器是是化工厂厂中重要要的化工工设备之之一，而而且种类类繁多，特特点不一一，因此此，选择择合适的的换热器器是相当当重要的的。在本本次设计计中，我我发现进进行换热热器的选选择和设设计是要要通过反反复计算算，对各各项结果果进行比比较后，从从中确定定出比较较合适的的或最优优的设计计，为此此，设计计时应考考虑很多多方面的的因素。首先要满满足传热热的要求求，本次次设计时时，由于于初选总总传热系系数不合合适，使使规定条条件下的的计算结结果与初初设值的的比值不不在要求求范围内内，因此此，经过过多次计计算，才才选择到到合适的的K值为为，计算算结果为为，安全全系数为为16.8%，满满足要求求。其次，在在满足工工艺条件件的前提提下选择择合适的的换热器器类型，通通过分析析操作要要求及计计算，本本次设计计选用换换热器为为上述计计算结果果。再次，从从压强降降来看，管管程约为为1622Pa，壳壳程约为为39225Paa，都低低于要求求值（330kPPa），因因此，可可适当加加大流速速，从而而加大对对流传热热系数，减减少污垢垢在管子子表面上上沉积的的可能性性，即降降低污垢垢热阻，然然而，流流速增加加，流动动阻力也也会随之之增大，动动力消耗耗就增多多，因此此，作出出经济衡衡算在确确定流速速时是相相当重要要的。此外，其其他因素素（如加加热和冷冷却介质质用量，换换热器的的检修和和操作等等），在在设计时时也是不不可忽略略的。根根据操作作要求。在检修和和操作方方面，固固定管板板式换热热器由于于两端管管板和壳壳体连接接成一体体，因此此不便于于清洗和和检修。本次设计计中，在在满足传传热要求求的前提提下，考考虑了其其他各项项问题，但但它们之之间是相相互矛盾盾的。如如：若设设计换热热器的总总传热系系数较大大，将导导致流体体通过换换热器的的压强降降（阻力力）增大大，相应应地增加加了动力力费用；若增加加换热器器的表面面积，可可能使总总传热系系数或压压强降减减小，但但却又受受到换热热器所能能允许的的尺寸限限制，且且换热器器的造价价也提高高了。因因此，只只能综合合考虑来来选择相相对合适适的换热热器。然而在本本次设计计中由于于经验不不足，知知识有限限，还是是存在着着很多问问题。比比如在设设计中未未考虑对对成本进进行核算算，仅在在满足操操作要求求下进行行设计，在在经济上上是否合合理还有有待分析析。在设设计的过过程中我我发现板板式换热热器采用用同一板板片组成成不同几几何尺寸寸和形状状的流道道（非对对称流道道）解决决了两侧侧水流量量不等的的问题，同同时与对对称结构构相比具具有相同同的耐压压性和使使用寿命命。总之之，通过过本次设设计，我我发现自自己需要要继学习的知知识还很很多，我我将会认认真请教教老师，不不断提高高自己的的知识水水平，扩扩展自己己的知识识面。八 参考文献献1 柴诚诚敬编著著.化工工原理课课程设计计.天津津：天津津科学技技术出版版社，220066.033.0112 夏 清、陈陈常贵主主编.化化工原理理（上册册）.天天津：天天津大学学出版社社，20005.013- 18 -