換熱器的設(shè)計[共23頁]

化工原理課程設(shè)計2-1說明書題 目：芳烴冷卻器設(shè)計學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 2015年 7月10日中國石油大學(xué)（華東）化工原理課程設(shè)計（2-1） 化工原理課程設(shè)計（2-1）任務(wù)書 題目芳烴冷卻器的設(shè)計設(shè)計任務(wù)及操作條件工藝流體熱流體（甲苯44%+乙苯56%）冷流體（Water）總質(zhì)量流率/(kgg-1)2427入口溫度/9028出口溫度/51入口壓力（絕壓）/kPa550450允許壓力降/kPa9060污垢熱阻/(m2kw-1)0.000150.00016選擇合適的列管式換熱器并進(jìn)行核算1 選擇合適的換熱器；2 計算熱負(fù)荷；3 計算溫差和估計傳熱系數(shù)；4 估算換熱面積；5 計算管程壓降和給熱系數(shù)；6 計算殼程壓降和給熱系數(shù)；7 計算傳熱系數(shù)；8 校核傳熱面積。設(shè)計要求 1. 手工計算完成換熱器設(shè)計與校核；2. 用EDR軟件完成換熱器的設(shè)計、校核；3. 提交電子版及紙板：設(shè)計說明書、計算源程序。 23目 錄第1章 前言2第2章 設(shè)計計算4第3章 校核計算8第4章 換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和計算結(jié)果一覽表9第5章 EDR設(shè)計與校核10致 謝16參考文獻(xiàn)17第1章 前言第1章 前言化工原理課程設(shè)計是培養(yǎng)我們化工設(shè)計能力的重要的環(huán)節(jié)，是化工原理課程教學(xué)中綜合性和實踐性較強(qiáng)的教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是偵查工程實際問題復(fù)雜性的初次嘗試。通過化工原理課程設(shè)計，要學(xué)會應(yīng)用相關(guān)課程設(shè)計基礎(chǔ)只是，進(jìn)行融會貫通的獨立思考，在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的換熱器任務(wù)，得到化工工程設(shè)計的初步訓(xùn)練。在此之前，我們對化工這個專業(yè)的理解是抽象的，不具體的，局限于書本上的。通過化工原理課程設(shè)計，使我們初步掌握化工設(shè)計基礎(chǔ)知識，設(shè)計原則及方法，學(xué)會各種標(biāo)準(zhǔn)的使用以及物質(zhì)物理性質(zhì)的查找方法，掌握了校核方法，包括筆算校核以及EDR校核，考慮的因素會很多，極大的調(diào)動我們的動手能力，會使我們能力得到提高。課程設(shè)計將訓(xùn)練分析問題和獨立工作的能力，綜合運用所學(xué)知識進(jìn)行化工工藝設(shè)計的能力，培養(yǎng)實事求是的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工作作風(fēng)，還能提高工程繪圖及寫作能力。換熱器是石油化工中最基本的設(shè)備，它掌控著熱量在化工當(dāng)中的使用，在能源利用方面也起著至關(guān)重要的作用。換熱設(shè)備在石油化工各個設(shè)置中的投資以及鋼材消耗所占比重中不斷上升，其在降低能耗與生產(chǎn)成本中的作用也日益顯著。本次設(shè)計所用的是固定管板式換熱器，它屬于管殼式換熱器。管殼式換熱器由管束跟殼體組成，一種流體在管內(nèi)流動，稱為管程；另一種流體在管外殼內(nèi)流動，稱為殼程。兩種流體通過管壁進(jìn)行換熱。固定管板式換熱器加折流擋板進(jìn)行調(diào)整結(jié)構(gòu)架單，造價低廉，在工藝條件許可時應(yīng)優(yōu)先考慮。本課程設(shè)計要考慮到安全性以及經(jīng)濟(jì)型，設(shè)計的主要內(nèi)容有設(shè)計計算，校核計算，EDR軟件模擬以及校核。第2章 設(shè)計計算第2章 設(shè)計計算2.1 確定設(shè)計方案 2.1.1選定換熱器類型兩流體溫度變化情況：熱流體入口溫度90，出口溫度51；冷流體（自來水）入口溫度28。選水的出口溫度為43.兩流體定性溫度如下：熱流體的定性溫度 （90+51）/ 2 =70.5水的定性溫度 （28+43）/2=35.5 2,1.2選定流體流動空間及流速因循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于污垢清洗，故選定冷卻水走管程，甲苯乙苯混合物走殼程。同時選用 的碳鋼管，管內(nèi)流速取,2.2確定物性數(shù)據(jù)查取冷熱流體的物性數(shù)據(jù)可得：在定性溫度下，存在如下數(shù)據(jù)：屬性熱流體水密度/（kgm3）821995.95粘度/(mPas)0.36910.7124導(dǎo)熱系數(shù)/(wm-1k-1)0.12060.6142比熱容/(kJkg-1k-1)1.824.1892.3計算總傳熱系數(shù) 2.3.1計算熱負(fù)荷（熱流量）按熱流體計算，即（2-1） 2.3.2計算逆流平均溫度差（2-2） 2.3.3總傳熱系數(shù)K 2.3.3.1管程給熱系數(shù)（2-3）故采用下式計算（2-4） 2.3.3.2管壁的導(dǎo)熱系數(shù) 2.3.3.3假設(shè)總傳熱系數(shù)K=7102.4計算傳熱面積（2-5）考慮15%的傳熱面積裕度（2-6）2.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸 2.5.1管徑和管內(nèi)流速選用的碳鋼換熱管為，管內(nèi)流速為0.6m/s. 2.5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)（2-7）按單管程計算所需換熱管長度（2-8）選6m的管長，單管程.傳熱管根數(shù)N=256（根）. 2.5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)（2-9）按單殼程單管程結(jié)構(gòu) 2.5.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列，即每層內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)按正方形排列。取管心距 t=1.25d0=1.25*19=24mm（2-10）橫過管束中心線的管數(shù)（2-11） 2.5.5殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，則殼體內(nèi)徑（2-12）圓整取D=500mm 2.5.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為取折流板間距為B=0.3D=150mm，取為200mm，折流板取11塊。 2.5.7接管 2.5.7.1 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為1.0m/s，則接管內(nèi)徑（2-13） 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為200mm。 2.5.7.2管程流體（循環(huán)水）進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)循環(huán)水的流速為1.5m/s，則接管內(nèi)徑（2-14）取標(biāo)準(zhǔn)管徑為200mm。 第3章 校核計算 第3章 校核計算3.1熱量核算 3.1.1殼程對流給熱系數(shù) 對于圓缺形折流板，可采用克恩公式（3-1）當(dāng)量直徑由正三角形排列得（3-2） 殼程流通截面積（3-3）殼程流體流速、雷諾數(shù)及普蘭德數(shù)分別為（3-4）（3-5）（3-6）（3-7） 3.1.2管程對流給熱系數(shù)（3-8）管程流通截面積（3-9）管程流體流速、雷諾數(shù)及普蘭德數(shù)分別為（3-10）（3-11）（3-12） 3.1.3傳熱系數(shù)K（3-13）（3-14）K值符合要求. 3.1.4傳熱面積（3-15）實際傳熱面積（3-16）面積裕度（3-17）換熱面積裕度合適，滿足設(shè)計要求.3.2換熱器內(nèi)流體流動阻力 3.2.1管程流動阻力（3-18）（Ft 結(jié)垢校正系數(shù)，Np 管程數(shù)，Ns 殼程數(shù)）取換熱管的管壁粗糙度為0.01mm，則/d=0.0005，Rei=12578，查圖得i=0.036.（3-19）壓降符合標(biāo)準(zhǔn)即管程阻力在允許范圍之內(nèi)。 3.2.2殼程流動阻力工程計算中常采用Esso法，該法的計算公式如下：（3-20）（Fs 為結(jié)垢校正系數(shù)，對液體 Fs=1.15，Ns 為殼程數(shù)）流體流經(jīng)管束的阻力（3-21）F為管子排列方式對壓強(qiáng)降的校正系數(shù)，正三角形排列F=0.5，正方形直列 F=0.3，正方形錯列時，F(xiàn)=0.4。fo為殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)（3-22）nc為橫過管束中心線的管數(shù)，nc=20折流板間距B=0.2m，折流板數(shù)NB=11（3-23）流體流經(jīng)折流板缺口的阻力（3-24）以上管程壓降和殼程壓降都符合要求。 第4章 換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和計算結(jié)果一覽表第4章 換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和計算結(jié)果一覽表換熱器型式：帶熱補(bǔ)償非標(biāo)準(zhǔn)的管板式換熱器換熱面積：84.48工藝參數(shù)設(shè)備名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水甲苯44%+乙苯56%操作壓力，kPa450550操作溫度，28/4390/51質(zhì)量流量，kg/s2427密度，kg/m995.95821流速，m/s0.59981.392傳熱量，kW1703.52總傳熱系數(shù)，W/(K)771.3對流傳熱系數(shù)，W/(K)3374.81927.26污垢熱阻，K/W0.000160.00015阻力降，Pa872874914程數(shù)11推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格192mm管數(shù)256根管長6m管間距，mm25排列方式正三角形折流板型式上下間距200mm切口25%殼體內(nèi)徑500mm保溫層厚度無需保溫接管表序號尺寸用途連接形式1DN159循環(huán)水入口平面2DN159循環(huán)水出口平面3DN219熱流體入口凹凸面4DN219熱流體出口凹凸面5DN20排氣口凹凸面6DN50放凈口凹凸面第5章 EDR設(shè)計與校核第5章 EDR設(shè)計與校核5.1 初步規(guī)定 5.1.1流體空間選擇熱流體走殼程，冷流體走管程。 5.1.2殼體和封頭換熱流體為甲苯與乙苯組成的混合物和自來水，選擇平蓋管箱A。冷熱流體進(jìn)口溫差小于110，且污垢熱阻小于0.00035，換熱器的冷熱流體均為較清潔流體，因此選擇固定管板式換熱器，前封頭采用B型，后封頭采用M型，殼體為E型。因此，TEMA type 選擇BME。 5.1.3換熱管選用管外徑19mm，壁厚2mm的碳鋼換熱管。 換熱管排列角度為30o，管間距為25mm。 5.1.4折流板選單弓形折流板。 5.1.5換熱器方位換熱器水平放置，折流板切口方向為水平方向。 5.2 設(shè)計結(jié)果與分析圖5-1圖5-2圖5-3 5.2.1結(jié)構(gòu)參數(shù)換熱器形式為單臺1管程AES換熱器，殼體內(nèi)徑387mm，管長5100mm，管子180，管外徑19.05mm，管壁厚2.11mm管子排列方式為錯列正三角形，管間距23.81mm，單弓形折流板，切確率34.84%。 5.2.2面積余量為零，需在校核模式中調(diào)整。 5.2.3壓降殼側(cè)壓降0.53565bar，管側(cè)壓降0.28991bar，小于允許壓降。 5.2.4流速殼側(cè)最高流速1.91m/s，管側(cè)最高流速1.75m/s，管側(cè)流速偏高，殼側(cè)偏高，在校核模式調(diào)節(jié)。 5.2.5傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)為10326.2W/(m2)，大于經(jīng)驗值。 5.2.6傳熱溫差為30.45，無矯正。5.3校核模式根據(jù)設(shè)計結(jié)果，在浮頭式換熱器和冷凝器形式與基本參數(shù)(GB/T 28712.1-2014)中選擇最為接近的規(guī)格進(jìn)行圓整，殼體內(nèi)徑430mm，管長6000mm，管子237，管外徑19mm管壁厚2.0mm，管子排列方式為錯列正三角方形，管間距25mm，單弓形折流板，切缺率25%。參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，殼側(cè)、管側(cè)進(jìn)出口內(nèi)、外徑為159mm、168mm。5.4校核結(jié)果分析圖5-4圖5-5圖5-6 5.4.1面積余量為26%，符合生產(chǎn)要求。 5.4.2壓降殼側(cè)壓降0.32802bar，管側(cè)壓降0.04254bar，小于允許壓降。 5.4.3流速殼側(cè)最高流速1.6m/s，管側(cè)最高流速0.7m/s. 5.4.4傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)為762.4W/(m2)，在經(jīng)驗值范圍之內(nèi)。 5.4.5傳熱溫差為33.72，溫差校正系數(shù)0.996。 5.4.6熱阻分布熱阻集中分布在殼側(cè)，符合甲苯乙苯混合物實際情況，對于浮頭式殼側(cè)亦容易清洗。 5.4.7壓降分布錯流窗口流壓降分別3.1%和56.54%，殼側(cè)和進(jìn)出口管嘴壓降分別為5.07%、5.11%，管側(cè)和進(jìn)出口管嘴壓降分別為24.75%、12.21%，壓降分布合理 5.5 EDR設(shè)計結(jié)果換熱器型號為，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為：公稱直徑450mm；管子為的碳鋼管，長度為6m，管心距25mm，管子數(shù)237，管程數(shù)為1，管子排列方式為正三角形錯列，單弓形折流板，切缺率25%，間距200mm。中國石油大學(xué)（華東）化工原理課程設(shè)計（2-1）致 謝感謝老師給了我一次機(jī)會來獨立完成課程設(shè)計，在這個過程中，老師不斷的給與我們方便，在兩年的大學(xué)生活將滿之際，終于能體會到專業(yè)的實際操作性內(nèi)容也讓我很是興奮與欣慰，增強(qiáng)了我們的實踐能力與動手應(yīng)用能力，并且提高了我們的獨立思考能力。同時也要感謝同學(xué)們在過程中給予我的幫助，當(dāng)我遇到困難的時候沒有他們就沒有我的繼續(xù)，風(fēng)雨與共患難同行，互幫互助才是學(xué)習(xí)的本源，這讓我了解到了更多。通過這次設(shè)計我學(xué)習(xí)到了更多的知識以及能夠把化工專業(yè)立體化形象化，極大地開闊了我的視野，提高了我的學(xué)習(xí)能力，獨立完成能力，應(yīng)用實踐能力，為我以后的道路奠定了堅定的基礎(chǔ)。最后，再一次感謝幫助過我的老師和同學(xué)們！參考文獻(xiàn)1 化工單元操作課程設(shè)計 賈紹義、柴誠敬主編，天津大學(xué)出版社,2011,82 換熱器工藝設(shè)計 孫蘭義、馬占華主編，中國石化出版社，2015.33化工原理課程設(shè)計 石大膠印化工原理課程設(shè)計2-1成績匯總表項 目考查要點占比成 績平時表現(xiàn)工作態(tài)度、作風(fēng)，獨立工作的能力、考勤等20%階段考核對基本知識的掌握情況20%設(shè)計軟件文件完整性、面積余量、壓降、流速、傳熱系數(shù)等主要指標(biāo)是否在適宜范圍20%說明書工作量、說明書的規(guī)范性、設(shè)計的正確性40%總成績100%指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日