化工原理课程设计腐蚀性釜残液冷却器的设计.docx
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化工原理课程设计腐蚀性釜残液冷却器的设计
化工原理课程设计报告
(2011—2012年度第二学期)
腐蚀性釜残液冷却器的设计
院系:
环境科学与工程学院
班级:
学号:
学生姓名:
指导教师:
设计周数:
1
完成日期:
日期:
2012年6月
概述
1.1腐蚀性釜残液冷却器的设计任务书............................................4
1.2换热器的机构形式..........................................................5
1.3换热器材质的选择..........................................................6
1.4管壳式换热器的优点........................................................7
1.5列管式换热器的机构........................................................8
1.6管壳式换热器的类型及工作原理..............................................9
2.1确定流体通入空间.........................................................10
2.2计算热负荷...............................................................11
2.3计算平均温差.............................................................11
2.4初选换热器规格...........................................................11
3.1计算管程传热系数.........................................................12
3.2计算壳程传热系数.........................................................13
3.3确定污垢热阻.............................................................13
3.4总传热系数...............................................................13
4.1计算管程压强降...........................................................15
4.2计算壳程压强降...........................................................15
4.3固定管板式换热器工艺图...................................................17
概述
在不同温度的流体间传热能的装置称为热交换器。
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;另一种流体温度较低,吸收热量。
随着我国工业的不断发展,对能源的利用,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。
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,并确定换热器机构尺寸。
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,按照传热面的形式和形状和机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。
类型
特点
间
壁
式
管
壳式
列管式
固定管板式
刚性结
构
用于管壳温度较小的情况(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。
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、冷凝或管外流体加热
喷淋式
只用于管内流体冷却或冷凝
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,可用于回收低温热能
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,适用于从高温炉中回收热能场所
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
一、目的与要求
1.要求学生能综合运用本课程和前修课程的基本知识,进行融会贯通的独立思考,在规定的时间内完成列管换热器设计任务。
2.使学生了解工程设计的基本内容,掌握化工设计的主要程序和方法,培养学生分析和解决工程实际问题的能力。
3.熟悉和掌握查阅技术资料、国家技术标准,正确地选用公式和数据。
二、主要内容
1.设计方案简介对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。
2.主要设备的工艺设计计算包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计。
3.设计任务及操作条件:
3.1处理能力:
2.16×104kg/h釜残液
3.2设备型式:
列管换热器
3.3操作条件:
3.3.1釜残液:
入口温度:
102℃出口温度:
40℃
3.3.2冷却介质:
井水入口温度:
30℃出口温度:
40℃
3.3.3允许压强降:
不大于50kPa
3.3.4釜残液定性温度下的物性参数:
密度986kg/m3粘度5.4×10-4Pa·s
比热容4.19kJ/kg·℃导热系数0.662W/m·℃
2.3.5井水定性温度下的物性参数:
密度994kg/m2粘度7.28×10-4Pa·s
比热容4.174kJ/kg·℃导热系数0.662W/m·℃
4.主体设备工艺条件图。
三、进度计划
序号
设计(实验)内容
完成时间
备注
1
学习与课程设计相关的知识
2012.5.10
2
布置课程设计题目
2012.5.15
3
学生自主进行所选题目的设计工作
2012.6.15
4
按要求提交课程设计报告
2012.6.16
四、设计成果要求
1.标题页;
2.设计任务书;
3.目录;
4.设计方案简介;
5.工艺计算及主体设备设计;
6.辅助设备的计算及选型;
7.设计结果一览表;
8.对本设计的评述;
9.主体设备的工艺条件图;
10.参考文献。
五、考核方式
根据课程设计报告评定成绩。
1.2、换热器的结构形式
1.管壳式换热器
管壳式换热器又称列管式换热器,是一种通用的标准换热设备,它具有结构简单,坚固耐用,造价低廉,用材广泛,清洗方便,适应性强等优点,应用最为广泛。
管壳式换热器根据结构特点分为以下几种:
(1)固定管板式换热器
固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起,这类换热器结构简单,价格低廉,但管外清洗困难,宜处理两流体温差小于50℃且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。
带有膨胀节的固定管板式换热器,其膨胀节的弹性变形可减小温差应力,这种补偿方法适用于两流体温差小于70℃且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。
(2)浮头式换热器
浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接,该端被称为浮头,管束连同浮头可以自由伸缩,而与外壳的膨胀无关。
浮头式换热器的管束可以拉出,便于清洗和检修,适用于两流体温差较大的各种物料的换热,应用极为普遍,但结构复杂,造价高。
(3)填料涵式换热器
填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀,与浮头式换热器相比,结构简单,造价低,但壳程流体有外漏的可能性,因此壳程不能处理易燃,易爆的流体。
2.蛇管式换热器
蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单,操作最方便的一种换热设备,通常按照换热方式不同,将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。
3.套管式换热器
套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管,其内管用U型时管顺次连接,外管与外管互相连接而成,其优点是结构简单,能耐高压,传热面积可根据需要增减,适当
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