化工原理課程設計2-1說明書題 目：芳烴冷卻器設計學生姓名： 學 號： 專業(yè)班級： 指導教師： 2015年 7月10日中國石油大學（華東）化工原理課程設計（2-1） 化工原理課程設計（2-1）任務書 題目芳烴冷卻器的設計設計任務及操作條件工藝流體熱流體（甲苯44%+乙苯56%）冷流體（Water）總質量流率/(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行核算1 選擇合適的換熱器；2 計算熱負荷；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。設計要求 1. 手工計算完成換熱器設計與校核；2. 用EDR軟件完成換熱器的設計、校核；3. 提交電子版及紙板：設計說明書、計算源程序。 23目 錄第1章 前言2第2章 設計計算4第3章 校核計算8第4章 換熱器主要工藝結構參數(shù)和計算結果一覽表9第5章 EDR設計與校核10致 謝16參考文獻17第1章 前言第1章 前言化工原理課程設計是培養(yǎng)我們化工設計能力的重要的環(huán)節(jié)，是化工原理課程教學中綜合性和實踐性較強的教學環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是偵查工程實際問題復雜性的初次嘗試。通過化工原理課程設計，要學會應用相關課程設計基礎只是，進行融會貫通的獨立思考，在規(guī)定的時間內完成指定的換熱器任務，得到化工工程設計的初步訓練。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計，使我們初步掌握化工設計基礎知識，設計原則及方法，學會各種標準的使用以及物質物理性質的查找方法，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，極大的調動我們的動手能力，會使我們能力得到提高。課程設計將訓練分析問題和獨立工作的能力，綜合運用所學知識進行化工工藝設計的能力，培養(yǎng)實事求是的科學態(tài)度和嚴謹認真的工作作風，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備，它掌控著熱量在化工當中的使用，在能源利用方面也起著至關重要的作用。換熱設備在石油化工各個設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成本中的作用也日益顯著。本次設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，一種流體在管內流動，稱為管程；另一種流體在管外殼內流動，稱為殼程。兩種流體通過管壁進行換熱。固定管板式換熱器加折流擋板進行調整結構架單，造價低廉，在工藝條件許可時應優(yōu)先考慮。本課程設計要考慮到安全性以及經濟型，設計的主要內容有設計計算，校核計算，EDR軟件模擬以及校核。第2章 設計計算第2章 設計計算2.1 確定設計方案 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管壁的導熱系數(shù) 2.3.3.3假設總傳熱系數(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工藝結構尺寸 2.5.1管徑和管內流速選用的碳鋼換熱管為，管內流速為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）按單殼程單管程結構 2.5.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列，即每層內按正三角形排列，隔板兩側按正方形排列。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殼體內徑采用多管程結構，取管板利用率=0.7，則殼體內徑（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 殼程流體進出口接管：取接管內煤油流速為1.0m/s，則接管內徑（2-13） 取標準管徑為200mm。 2.5.7.2管程流體（循環(huán)水）進出口接管，取接管內循環(huán)水的流速為1.5m/s，則接管內徑（2-14）取標準管徑為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，滿足設計要求.3.2換熱器內流體流動阻力 3.2.1管程流動阻力（3-18）（Ft 結垢校正系數(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）壓降符合標準即管程阻力在允許范圍之內。 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 為結垢校正系數(shù)，對液體 Fs=1.15，Ns 為殼程數(shù)）流體流經管束的阻力（3-21）F為管子排列方式對壓強降的校正系數(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（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 換熱器主要工藝結構參數(shù)和計算結果一覽表第4章 換熱器主要工藝結構參數(shù)和計算結果一覽表換熱器型式：帶熱補償非標準的管板式換熱器換熱面積：84.48工藝參數(shù)設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設計與校核第5章 EDR設計與校核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 設計結果與分析圖5-1圖5-2圖5-3 5.2.1結構參數(shù)換熱器形式為單臺1管程AES換熱器，殼體內徑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，需在校核模式中調整。 5.2.3壓降殼側壓降0.53565bar，管側壓降0.28991bar，小于允許壓降。 5.2.4流速殼側最高流速1.91m/s，管側最高流速1.75m/s，管側流速偏高，殼側偏高，在校核模式調節(jié)。 5.2.5傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)為10326.2W/(m2)，大于經驗值。 5.2.6傳熱溫差為30.45，無矯正。5.3校核模式根據(jù)設計結果，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)格進行圓整，殼體內徑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%。參照相關標準，殼側、管側進出口內、外徑為159mm、168mm。5.4校核結果分析圖5-4圖5-5圖5-6 5.4.1面積余量為26%，符合生產要求。 5.4.2壓降殼側壓降0.32802bar，管側壓降0.04254bar，小于允許壓降。 5.4.3流速殼側最高流速1.6m/s，管側最高流速0.7m/s. 5.4.4傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)為762.4W/(m2)，在經驗值范圍之內。 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，符合甲苯乙苯混合物實際情況，對于浮頭式殼側亦容易清洗。 5.4.7壓降分布錯流窗口流壓降分別3.1%和56.54%，殼側和進出口管嘴壓降分別為5.07%、5.11%，管側和進出口管嘴壓降分別為24.75%、12.21%，壓降分布合理 5.5 EDR設計結果換熱器型號為，具體結構參數(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（華東）化工原理課程設計（2-1）致 謝感謝老師給了我一次機會來獨立完成課程設計，在這個過程中，老師不斷的給與我們方便，在兩年的大學生活將滿之際，終于能體會到專業(yè)的實際操作性內容也讓我很是興奮與欣慰，增強了我們的實踐能力與動手應用能力，并且提高了我們的獨立思考能力。同時也要感謝同學們在過程中給予我的幫助，當我遇到困難的時候沒有他們就沒有我的繼續(xù)，風雨與共患難同行，互幫互助才是學習的本源，這讓我了解到了更多。通過這次設計我學習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，提高了我的學習能力，獨立完成能力，應用實踐能力，為我以后的道路奠定了堅定的基礎。最后，再一次感謝幫助過我的老師和同學們！參考文獻1 化工單元操作課程設計 賈紹義、柴誠敬主編，天津大學出版社,2011,82 換熱器工藝設計 孫蘭義、馬占華主編，中國石化出版社，2015.33化工原理課程設計 石大膠印化工原理課程設計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，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)等主要指標是否在適宜范圍20%說明書工作量、說明書的規(guī)范性、設計的正確性40%總成績100%指導教師簽字： 年 月 日