毕业设计报告书

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毕业设计答辩委员会

毕业设计成绩评定书

专业班级： 姓名：

毕业设计题目：

经毕业设计答辩，评定________________同学的毕业设计成绩为_______________。

毕业设计答辩委员会

主任委员：_________

年 月 日

陕西能源职业技术学院 毕业设计任务书

地质测量 系 应用化工技术 专业 112 班级 学生：潘伟强 (楷体_GB2312)

题目：化产车间粗苯冷却器设计 毕业设计从 2013 年 11 月 26 日起到 2014 年 1 月 6 日 （数字采用Times New Roman，4号） 设计所需收集的原始数据与资料：

已知(1)：粗苯产品冷凝器：年产：15万吨 操作温度：80℃ - 35℃；

按300工作日每年，每天24小时 冷却介质：水，20℃ （进口）；出口自定 (2)换热器允许损失（按冷流体吸热计算）：≤3.5% (3)操作弹性：60～120% (4)有关换热器设计的相关资料、国家标准; 设计的主要任务：

（1）查阅相关文献资料，确定工艺路线； (楷体_GB2312) （2）工段工艺流程设计，物料衡算、热量衡算； （3）进行主要设备的计算与选型，以及设备校核，编制结果一览表； （4）绘制带冷凝器装配图A2及零件图A2；

（5）编写设计说明书：对工段概况的说明，流程叙述，设计特点，主要设备选型或计算说明。

（进度安排由教师根据实际情况适当调整）

学生签名： 日期： 指导教师： 日期： 教研室主任： 日期：

注：任务书要求学生双面打印

目录

第一章 前 言 2.1 设计方案: 4 2.2 换热器示例图: 4 2.3 设计换热器

5

第三章 标准列管换热器的选择 6 3.1 计算并初选择换热器规格 6

3

第二章 设计方案及工艺流程说明 4

3.1.1 物性参数的确定 6 3.1.2 热负荷的计算 3.1.3 平均温差确定 3.2 核算总传热系数

6 7 8

8 9 10

3.1.4 初选换热器规格 7

3.2.1 管程对流传热系数3.2.2 壳程对流热系数3.2.3 污垢热阻的确定. 3.3 核算压强降

11

3.2.4 总传热系数的计算 10 3.3.1 管程压强降 11 3.3.2 壳程压强降 11 3.4 设计结果一览表

13

第四章 非标准列管换热器的设计 14 4.1 换热器工艺结构尺寸 14 4.1.1 管径及管内流速的确定 14 4.1.2 管程数和总管数的确定 14 4.1.3 列管排列方式和壳体内径的确定 15 4.1.4 折流板间距和折流板数的确定 4.2 换热器的核算 15 4.2.1 管程对流传热系数 15 4.2.2 壳程对流传热系数 16 4.2.3 总传热系数的计算 16 4.3 压强降的计算 17 4.3.1 管程压强降 17 4.3.2 壳程压强降 18 4.4 设计结果一览表

19

4.4.1 换热器规格尺寸一览表 19 4.4.2 主要设计结果一览表 19 4.4.2.1 标准换热器设计结果一览表 4.4.2.2 非标准换热器设计结果一览 第五章 结束语 23 第六章 主要符号说明 24

15

20 21

第七章 参考文献 26

第一章 前 言

换热器,也称热交换器,用以不同温度流体间进行换热的设备

在石油，化工工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体，这些过程均可通过换热设备来完成。

换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要工艺设备之一。其正确的设备，性能的改善关系各部门有关工艺的合理性，经济性以及能源的有效利用与节约，对国民经济有十分重要的影响。换热器的名称由于其作用、特征及工业部门的习惯不同，而多种多样。例如，以其作用命名的如蒸气过热器，是把蒸气加热到一定的过热状态的换热器，水冷却塔，是用空气冷却热水的换热器等，以其结构特征命名的如套管式换热器，板翅式换热器等；同时反映其结构和作用的如管壳式油水换热器，管式空气预热器等。进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。

列管式换热器在工业上的应用已有较长的历史了。目前仍作为一种传统的典型换热器设备在各工业部门中被大量采用，并占据主要地区。由于列管式换热器容易制造，可供选择的材料范围较广，换热表面清洗方便，适应性强，处理能力大，特别是能应用在高温、高压下工作，所以它能在近代出现的各种新型、高效和紧凑换热器的竞相发展中，得以继续存在。它在长期使用中得到不断改进，其结构已比较完善。目前国内外在加速研究和发展各种新型换热器的同时，仍在大量生产和使用列管式换热器，并对其继续进行研究。因此可以预料，今后它仍将是各工业部门中重要的换热设备，并且是高温、高压和大量换热器的主要形式。

本设计是从列管式换热器中选取一种的实现粗苯的冷却,因此必须了解此换热器的特点,根据工艺需要及计算数据选用合适的类型,运用传热的基础原理,合理确定换热器的管程,确定换热器的传播面积,结构尺寸及校核压力降,而对于已有系列化标准的换热器,则需通过必要计算来选用.

在化工生产中所使用的换热器种类和形式很多，但完善的换热设备至少应满足下列因素：1、保证达到工艺所规定的换热条件，要考虑到传热量、操作参数（如温度、压力和流量等）、流体的物理化学性质（如密度、粘度、导热系数、比热和物态等）以及

流体的腐蚀性等。2、强度足够及结构可靠，对设备在机械强度和刚度上，需要从操作压力及温度进行设计计算，有时还需考虑是否需要采用温度差的补偿装置。3、便于制造、安装和检修。4、经济上合理。

本设计目的是设计实现粗笨冷却繁荣列管式换热器，因此必须在了解粗笨物理及化学性质的基础上，充分考虑以上换热器设计的影响因素，运用传热的基础原理，合理确定换热器的管程、传热面积、结构尺寸并对总传热系数、压力降进行校核，从而达到本课程设计的目的。

第二章 概述

一、 粗苯简介

(一) 主要成分

(二) 基本简介 1．定义

粗苯是煤热解生成的粗煤气中的产物之一,经脱氨后的焦炉煤气中回收的苯系化合物，其中以苯含量为主，称之为粗苯。

2．性状

粗苯为淡黄色透明液体，比水轻，不溶于水。储存时由于不饱和化合物，氧化和聚合形成树脂物质溶于粗苯中，色泽变暗。

3．加工情况

自煤气回收粗苯最常用的方法是洗油吸收法。为达到90%～96%的回收率，采用多段逆流吸收法。吸收温度不高于20～23℃。

终冷后的煤气含粗苯25～40g/m3， 进入洗苯塔，塔上喷淋洗油，煤气自下而上流动，煤气与洗油逆流接触，洗油吸收粗苯成为富油，富油脱掉吸收的粗苯，称为贫油，贫油在洗苯塔吸收粗苯又成为富油。富油含苯2～3%，贫油含苯不大于0.5%。富油脱苯合适的方法是采用水蒸气蒸馏法。富油预热到130～140℃再入脱苯塔，塔底通入水蒸气，常用压力为0.5～0.7Mpa。也可采用管式炉加热富油到170----180℃再入脱苯塔。塔顶回流量2.5----3.5m3/h,塔顶温度为90----100℃。贫油温度比终冷后煤气温度高2---7℃，一般为25----27℃。

从脱苯塔出来的粗苯蒸汽，自上而下通过粗苯冷凝冷却器，先与富油换热、冷凝，再被制冷水冷却至30℃，进入粗苯油水分离器，分离出的粗苯进入粗苯回流槽，部分粗苯经粗苯回流泵送至脱苯塔顶打回流，余下的粗苯则作为产品流至粗苯贮槽外售。分离水则自流入控制分离器，进一步进行油水分离，油自流入地下放空槽，由液下泵送入贫油贮槽，分离水则自流入冷凝液贮槽. 脱苯后的热贫油，从脱苯塔底自流入贫富油换器，与富油换热，初步降温至100℃左右的热贫油自流入贫油贮槽，再由贫油泵抽出加压后经一段、二段贫油冷却器冷却降温至30℃，送洗苯塔洗苯。管式炉用经过滤器过滤后的煤气加热，除加热洗油外，还把部分饱和蒸汽加热为400℃的过热蒸汽供脱苯塔和再生器热源。为保证循环洗油质量，将部分脱苯塔底出来的热贫油引入再生器，用过热蒸汽加热蒸出洗油馏分被送入脱苯塔，再生残渣排入残油池，定期送往煤场。终冷塔冷凝下来的煤气冷凝水，自流入冷凝液贮槽，由冷凝液输送泵，送冷鼓氨水澄清槽。

二、 粗苯用途

(一) 使用简介 产品用途

粗苯主要用于深加工制苯、甲苯、二甲苯等产品，苯、甲苯、二甲苯都是宝贵的基本有机化工原料。

1 精苯

1.1 精苯生产区域宜设高度不低于2.2m的围墙，其出入口不得少于两个，且正门应设门岗。

1.2 禁止穿带钉鞋或携带火种者以及无有效防火措施的机动车辆进入围墙内。 1.3 精苯生产区域，不得布置化验室、维修间、办公室和生活室等辅助建筑。 1.4 金属平台和设备管道应用螺栓连接。 1.5 洗涤泵与其他泵宜分开布置，周围应有围堰。

1.6 洗涤操作室宜单独布置，洗涤酸、碱和水的玻璃转子流量计，应布置在洗涤操作室的密闭玻璃窗外。

1.7 封闭式厂房内应通风良好，设备和贮槽上的放散管应引出室外，并设阻火器。 1.8 苯类贮槽和设备上的放散管应集中设洗涤吸收处理装置、惰性气体封槽装置或其他排气控制设施。

1.9 苯类管道宜采用铜质盲板。

1.10 禁止同时启动两台泵往一个贮槽内输送苯类液体。 1.11 苯类贮槽宜设淋水冷却装置。

1.12 各塔空冷器强制通风机的传动皮带，宜采用导电橡胶皮带。

1.13 初馏分贮槽应布置在库区的边缘，其四周应设防火堤，堤内地面与堤脚应做防水层。

1.14 初馏分贮槽上应设加水管，槽内液面上应保持0.2~0.3m水层。露天存放时，应有防止日晒措施。

1.15 禁止往大气中排放初馏分。

1.16 送往管式炉的初馏分管道，应设气化器和阻火器。

1.17 处理苯类的跑冒事故时，必须戴隔离式防毒面具，并应穿防静电鞋或布底鞋，且宜穿防静电服。

2 古马隆

2.1 古马隆蒸馏釜宜采用蒸汽加热，若采用明火加热，其距精苯厂房和室外设备应不小于30m。

2.2 用氯化铝聚合重苯的室内，禁止无关人员逗留。

2.3 热包装仓库应设机械通风装置，热包装出口处应设局部排风设施。 3 苯加氢

3.1 反应器的主要高温法兰，应设蒸汽喷射环。

3.2 主要设备及高温高压重要部位，应设有固定式可燃性气体检测仪。 3.3 莱托尔反应器器壁应涂变色漆，以便发现局部过热。

3.4 制氢还原态催化剂，严禁接触空气及氧气，停工时应处于氮封状态。 3.5 取样时应装好静电消除器。

3.6 加热炉和改质炉烟道废气取样，应用防爆的真空泵。 3.7 加热炉操作时，炉膛内应保持负压。

3.8 二硫化碳泵与其电气开关的距离，应大于10m。

3.9 各系统必须用氮气置换，经氮气保压气密性试验合格，其含氧量小于0.5%，方可开工。

第三章 设计方案及工艺流程说明

设计任务:

题目：化产车间粗苯冷却器设计

已知(1)：粗苯产品冷凝器：年产：15万吨 操作温度：80℃ - 35℃；

按300工作日每年，每天24小时 冷却介质：水，20℃ （进口）；出口自定 (2)换热器允许损失（按冷流体吸热计算）：≤3.5% (3)操作弹性：60～120% (4)有关换热器设计的相关资料、国家标准;

换热器示例图

第四章 标准列管换热器的选择

1 计算并初选择换热器规格

物性参数的确定

由于苯是被冷却的流体，走壳程易于散热，循环水易结垢走管程使换热器易清洗。

纯苯液体 进口温度：T1=80℃ 出口温度：T2=35℃ 冷却水 进口温度： t1=20℃ 出口温度：t2=30℃

1. 对于逆流或并流换热过程，其平均温差可按式（2－1）进行计算：

式中，

、

（2—1）

分别为大端温差与小端温差。当

。

时，可用算术平均值

(1) 确定定性温度

Tm,h=

=tm,c==

(3-1) =57.5℃

(3-2) =25℃

(2) 确定温度差选择换热器

两流体温度差Δt=Tm,h－tm,c=57.5-25=22.5℃＜50℃ 不需补偿

故选用固定管板式换热器.

表3-1、苯和水在定性温度下物性数据一览表

热负荷的计算 Q=

(3-3)

=

若忽略换热器的热损失,由热量恒算 Q=WCCP.C(t2-t1)，则

平均温差确定

(3-4)

R= =

(3-5)

P= =

(3-6)

查“对数平均温差校正系数故采用单壳程

值”,得

=0.89＞0.22

初选换热器规格

参考下表及“管壳式换热器用作冷热器”时的k值范围取

=420w.m-2℃-1

(3-7)

=

S = A估×1.2 =36.684×1.2=44.021m2

表3-2、初选换热器规格

管子的排列方式及管间距的确定。

管子在管板上排列的原则是：管子在整个换热器的截面上均匀分布，排列紧凑，结构设计合理，方便制造并适合流体的特性。其排列方式通常为等边三角形与正方形两种，也有采用同心圆排列法和组合排列法。

在一些多程的列管式换热器中，一般在程内为正三角形排列，但程与程之间常用正方形排列，这对于隔板的安装是很有利的，此时，整个管板上的排列称为组合排列。 对于多管程的换热器，分程的纵向隔板占据了管板上的一部分面积，实际排管数比理论要少，设计时实际的管数应通过管板布置图而得。

在排列管子时，应先决定好管间距。决定管间距时应先考虑管板的强度和清理管子外表时所需的方法，其大小还与管子在管板上的固定方式有关。大量的实践证明，最小管间距的经验值为： 焊接法 胀接法

，一般取(1.3～1.5)

。

管束最外层管子中心距壳体内表面距离不小于

换热器的实际传热面积

=nπd○(L-0.1) (3-8) =

1. 核算总传热系数

3.2.1 管程对流传热系数

(3-9)

(3-10)

(3-11)

(3-12)

(3-13)

3.2.2 壳程对流热系数

流体流通截面积为:

A0=hD（1－） (3-14)

=0.3

=0.0288

(3-15)

由正三角形排列,得

=

(3-16)

(3-17)

=

3.2.3 污垢热阻的确定.

由据参考文献[1]

取污垢热阻 粗苯

=1.72×10-4㎡·℃/w 循环水

1.72×10-4㎡·℃/w

碳钢的导热系数 λ=51.1

3.2.4 总传热系数的计算

总传热系数

(3-18)

=

=408.018W/㎡.℃

则

2. 核算压强降

表2－2列出了换热器不同操作条件压力下合理压降的经验数据，供设计参考。

3.3.1 管程压强降

(3-19)

当

查得λ=0.045

取碳钢钢管壁粗糙度ε=0.2

则 ΔP1= =

(3-20)

=2285.74 Pa

ΔP2=

=

(3-21)

=507.94 Pa

φ19×2mm的管子,Ft=1.5, Np=2, Ns=1,所以

3.3.2 壳程压强降

=(ΔP/1＋ΔP/2)FsNs (3-22)

其中

Fs=1.15 Ns=1

(3-23)

管子为正三角形排列,取F=0.5

(3-24)

折流板间距 h=0.3m

折流板数 (3-25)

(3-26)

(3-27)

所以

(3-28)

=(593.01+227.83)×1.15=943.97Pa

计算表明,管程与壳程压强降都能满足题设的要求.因此所设计的换热器合理. 3. 设计结果一览表

表3-3选型计算结果

第五章 非标准列管换热器的设计

1. 换热器工艺结构尺寸

1.1.1. 管径及管内流速的确定

1、管子的选用。

选用较小直径的管子，可以提高流体的对流给热系数，并使单位体积设备中的传热面积增大，设备较紧凑，单位传热面积的金属耗量少，但制造麻烦，小管子易结垢，不易清洗，可用于较清洁流体。大管径的管子用于粘性较大或易结垢的流体。

我国列管式换热器常采用无缝钢管，规格为外径×壁厚，常用的换热管的规格：φ19×2，φ25×2.5，φ38×3。

管子的选择要考虑清洗工作的方便及合理使用管材，同时还应考虑管长与管径的配合。国内管材生产规格，长度一般为：1.5，2，2.5，3，4.5，5，6，7.5，9，12ｍ等。换热器的换热管长度与壳径之比一般在6－10，对于立式换热器，其比值以4－6为宜。 壳程和壳程压力降，流体在换热器内的压降大小主要决定于系统的运行压力，而系统的运行压力是靠输送设备提供的。换热器内流体阻力损失（压力降）越大，要求输送设备的功率就越大，能耗就越高。对于无相变的换热，流体流速越高，换热强度越大，可使换热面积减小，设备紧凑，制作费低，而且有利于抑制污垢的生成，但流速过高，

也有不利的一面，压力降增大，泵功率增加，对传热管的冲蚀加剧。因此，在换热器的设计中有个适宜流速的选取和合理压力降的控制问题。

一般经验，对于液体，在压力降控制在0.01～0.1MPa之间，对于气体，控制在0.001～0.01MPa之间。

粗苯仍走壳程,循环水走管程. 选用

φ

mm的管子

mm t=32mm

取管内流速 u=0.9m/s

4.1.2 管程数和总管数的确定

(4-1)

采用单壳程列管式换热器.所需管长

(3-7)

=

(4-2)

取传热管长

则

传热管总根数

4.1.3 列管排列方式和壳体内径的确定

选正三角形排列正三角形错列，

(4-3)

取D=450mm

4.1.4 折流板间距和折流板数的确定

采用圆缺形折流挡板

折流板间距h=（0.2～1.0）D=300mm

折流板数

4.2 换热器的核算

4.2.1 管程对流传热系数

4.2.2 壳程对流传热系数

壳程流通截面积 A=hD(1－do

/t)=壳程流速

当量直径

=

=

4.2.3 总传热系数的计算

据参考文献[1]

-4

选取 粗苯Rsi=1.72×10㎡·℃/w

循环水Rso=1.72×10-4㎡·℃/w

碳钢的导热系数λ=50.28 W/m·℃

k=

=

=413.3 W/㎡·

k

=

裕度=

4.3 压强降的计算

4.3.1 管程压强降

当

所以

=（4933.8+1203.37）=6137.17Pa

对于φ19×2的管子,Ft=1.5, Np=4. N

=1

=6137.17×1.5×4

4.3.2 壳程压强降

=3.68×104

Pa Pa

取钢管粗糙程度 ε=0.2mm

查得 λ=0.041

Pa

=(ΔP/1＋ΔP2/)FsNs

其中 Fs=1.15 Ns=1.0 , 管子为正三角形排列

. F=0.5

壳程流通面积

=

=19

〈0.1

计算表明,管程和壳程压强降均满足设计要求. 因此所设计换热器合理.

4.4 设计结果一览表

4.4.1 换热器规格尺寸一览表

4.4.2 主要设计结果一览表

4.4.2.1 标准换热器设计结果一览表

4.4.2.2 非标准换热器设计结果一览

第六章 结束语

课程设计是>课程教学中重要教学环节,它具有较强的综合性和实践性,是与理论联系的桥梁.通过本次的课程设计使我们更深一步的了解了工程上的实际问题的复杂性和综合性,增加了对它的兴趣,也提高了自身的动手动脑能力,为以后的毕业设计,打下了基础.

通过一周的翻阅资料,查找公式,设计计算,使我对换热器有了进一步的了解,对传热的具体过程有了深刻的认识.尤其是从最初的无从下手到现在的可根据传热的不同而选择不同的换热器.尽管过程是艰苦的，但前途是光明的。勤奋是成功的基础，有了勤奋，我们最终是会成功的。另外,我对于换热器的用途也有了更多的认识.

同时在这次课程设计中每当有疑问时我们都会相互讨论,同学间的相互协作也体现了学习环境的和谐融洽,让我从中明白团结就是力量.

最后对给我帮助极大的李老师和相关同学表示衷心的感谢。李老师对我的课程设计有了很大的帮助和指导，她不仅教会了我的理论知识，而且也教会了我的实践能力，使我明白了动手动脑的重要性。这是我做的第一份课程设计，我会格外的珍惜。此外，我还要感谢给我帮助的相关同学，正是有了他们的帮助，我才得以顺利的完成设计。由于时间有限，难免在设计中有些不妥之处，望老师见谅。

第七章 主要符号说明

希腊字母

第八章 参考文献

1. 《化工流体流动与传热》 ——化学工业出版社 柴成敬、张国亮主编 2. 《化工原理上册》 ——天津科学技术出版社 姚玉英 黄凤廉等遍 3. 《化工原理》 ——大连理工大学出版社 李凤华、于士君主编

4. 《化工单元过程及设备课程设计》 ——化学工业出版社 匡国柱、史启才主编 5. 《石油化工设备及制造概论 》 ——哈尔滨船舶工程学院出版社 刘积文主编 6. 《工程焊接手册》 ——原子能出版社 杜礼辰主编