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1、河西学院化学化工学院课程设计 河 西 学 院Hexi University 化工原理课程设计题 目: 煤油冷却器的设计 学 院: 化学化工学院 专 业: 化学工程与工艺 学 号: 2014210043 姓 名: 朱振宇 指导教师: 王兴鹏 2016年11月20日设计任务书一、设计题目煤油冷却器的设计二、设计任务及操作条件1.设计任务生产能力（进料量） 23000 吨/年操作周期 7200 小时/年2.操作条件煤油入口温度 120 ，出口温度 40 冷却介质 自来水 ，入口温度 20 ，出口温度 40 允许压降 105Pa 冷却水温度 20 饱和水蒸汽压力 0.25Mpa(表压) 3.设备型式

2、列管式换热器 4.厂址 自选（压力：1atm ） 三、设计内容1.设计方案的选择及流程说明2.换热器的工艺计算3.换热器的主要尺寸设计4.辅助设备选型5.设计结果汇总6.绘制换热器总装配图：主视图、俯视图、剖面图、两个局部放大图7.设计评述目 录1 概述11.1 换热器的分类11.2 流动空间的选择原则22 设计方案简介32.1 选择换热器的类型32.2 流体空间及流速的确定33 工艺流程草图及说明34 厂址的选择45 列管式换热器的工艺计算45.1 确定物性参数45.2 计算总传热系数55.2.1 热流量55.2.2 平均传热温差55.2.3 冷却水用量55.2.4 总传热系数K55.3 计

3、算传热面积65.4 工艺结构尺寸65.4.1 管径和管内流速65.4.2 管程数和传热管数65.4.3 平均传热温差校正及壳程数65.4.4 传热管排列和分程方程方法75.4.5 壳体内径75.4.6 折流板75.4.7 接管85.5 换热器核算85.5.1 热量核算：85.5.2 管程对流传热系数95.5.3 传热系数K95.5.4 传热面积S105.5.5 换热器内流体的流动阻力106 设计结果一览表117 设计评述128 主要符号说明13参考资料14致谢词15煤油冷却器的设计朱振宇摘要：本文主要介绍了如何设计一台换热性能优良的管壳式换热器,涉及内容较多,包括初始条件确立、换热管尺寸、壳体

4、类型、换热器的选型等信息来确定。通过换热器核算来校正换热器的尺寸、壳体类型等，分析了流体的流动和换热机理等。关键词：煤油冷却器、设计、管壳式、换热管、折流板1 概述1.1 换热器的分类 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。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；另一种流体则温度较低，吸收热量。 换热器的类型多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，在所以的换热器中占着主导的地位。列管式换热器有以下几种：固定管板式固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定在管板上，在外壳上

5、焊有膨胀节，当两流体的温度差较大时，管体和管束热膨胀不同，补偿圈发生缓慢的弹性形变来来补偿因温差引起的热膨胀。特点：结构简单、在相同的壳体直径内，排管最多、比较紧凑；造价低廉、壳程清洗和检修困难（壳程宜用于不易结垢和清洗的流体）。适用：比较适合用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。浮头换热器浮头式换热器的两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则可相对于壳体做某些移动，该端称之为浮头。此类换热器的管束膨胀不受壳体的约束，所以壳体与管束之间不会由于膨胀量的不同而产生热应力。特点：结构复杂、笨重，造价比较高，材料消耗量大，浮头的端盖在操作中无法检查，安装时要密封，管束和管壳的间隙较大。适用：管

6、壳壁间温差较大，易于腐蚀和易于结垢的场合。 U型换热器U型管式换热器每根管子均弯成U型，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。特点：结构简单、质量轻、管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。适用：高温高压的场合1.2 流动空间的选择原则尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。应减小管子和壳体因受热不同而产生的热效应。对于有毒的介质或气相介质，必使其不泄露，应注意密封。应尽量避免使用贵金属，以降低成本。宜于通入管内空间的流体：不清洁的流体：管内流速高

7、，悬浮物不易沉积，且管内空间便于清洗。体积小的流体：管内空间的流动截面往往比管外空间的截面小，流体易于获得必要的理想流速，而且也便于做成程流动。有压力的流体：管子承压能力强，简化了壳体密封的要求。腐蚀性强的流体：只有管子及管箱才需要耐腐蚀的材料，而壳体及管外空间的所有零件均可用普通材料制造，造价可以降低。与外界温差大的流体：可以减少热量的散逸。宜通于管间的流体：两流体温差相差较大：可减少管壁于壳壁间的温度差，因而可减少了管束与壳体间的相对伸长。两流体给热性能相差较大 饱和蒸汽：易于排出冷凝液 粘度大的流体：管间的流动截面和方向都在不断的变化，在低雷诺数下，管外给热系数比管内大泄露后危险性大的流

8、体可减少泄露机会2 设计方案简介2.1 选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度120 ,出口温度40 ；冷流体（循环水）进口温度20，出口温度40.由于该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。2.2 流体空间及流速的确定根据流体流径选择的基本原则，循环冷却水易结垢，而固定管板式换热器的壳程不易清洗，且循环冷却水的推荐流速应大于煤油的推荐流速，故选择循环冷却水为管城流体，煤油为壳程流体。根据流体在直管内常见适宜流速，管内循环冷却水的流速初选为，用的碳钢管（换热管标准：GB8

9、163)。3 工艺流程草图及说明图1 工艺流程图说明：由于循环冷却水较易结垢，为便了水垢的清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。如图：煤油先到达原油储罐，再经原油泵抽上来，经粗管道进入换热器壳程，冷却水经细管道进入换热器管程。两物质在换热器中进行换热，煤油从120冷却至40后再由粗管道流进产品储罐经产品泵流出；循环冷却水则从20加热至40后，再由细管道流出。4 厂址的选择珠海5 列管式换热器的工艺计算5.1 确定物性参数定性温度：可取流体进口温度的平均温度值。壳程油的定性温度为管程流体的定性温度为定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。根据油在80下的有关物性数据如下：密度：定压比热容：

10、导热系数：粘度：循环冷却水在30下的物性数据：密度：定压比热容：导热系数：粘度：5.2 计算总传热系数5.2.1 热流量=（23000）/7200=3194.4kg/h5.2.2 平均传热温差5.2.3 冷却水用量 5.2.4 总传热系数K管程传热系数壳程传热系数假设壳程的传热系数污垢热阻管壁的导热系数 5.3 计算传热面积考虑15%的面积裕度：5.4 工艺结构尺寸5.4.1 管径和管内流速选用252.5传热管（碳钢），取管内流速5.4.2 管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数（根）按单程管计算，所需的传热管长度为按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=4.

11、5m,则该换热管程数为传热管总根数(根）5.4.3 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。查同一直线，可得平均传热温差5.4.4 传热管排列和分程方程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距,则横过管束中心线的管数（根)5.4.5 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为圆整可取=300mm5.4.6 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为故可取取折流板间距，则,可取为。折流板数折流板圆缺面水平装配。5.4.7 接管壳程流体进出口接管：取接管内

12、油品流速为，则接管内径为取标准管径为管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s则接管内径为取标准管径为5.5 换热器核算5.5.1 热量核算：壳程对流传热系数：对圆缺形折流板，可采用克恩公式当量直径，由正三角形排列得 壳程流通截面积壳程流体及雷诺数为普兰特准数 5.5.2 管程对流传热系数管程流通截面积管程流体流速普兰特准数5.5.3 传热系数K查有关文献知管外侧污垢热阻：管内侧污垢热阻：管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为。5.5.4 传热面积S该换热器的实际传热面积该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。5.5.5 换热器内流体的流动阻力管程流

13、动阻力由 传热管相对粗糙度，查莫狄管程流动阻力 管程流动阻力在允许的范围之内。管壳流动阻力壳程阻力 流体流过折流板的阻力取折流板间距 综上所述，该换热器管程与壳程的压力降均小于允许压强100kPa均符合要求，故所设计的换热器符合条件。6 设计结果一览表名称管程壳程物料名称循环水煤油操作压力/Pa82661.61410操作温度/20/40120/40流量/(Kg/h)7144.63194.4物性参数定性温度/3080密度（)995.7781定压比热容/KJ/kg.K4.1742.28粘度/Pa.s0.00080070.000664普朗特数5.410.74设备结构参数形式列管式换热器台数1壳体内径

14、/mm300壳程数1管径/mm252.5管间距/mm32管长/mm4500排列方式正三角形管数52折流板数44传热面积/15.04折流板间距/mm100管程数4材质碳钢主要计算结果管程管壳流速/(m.s)0.2440.1926传热系数/1480695.89污垢热阻/0.0003440.000172阻力/Pa1026.9610130热流量/kw161.94传热温差/35.92传热系数/388.5裕度/%13.94表2 设计结果一览图7 设计评述 本次化工原理课程设计，加深了我对化工原理课本知识的理解，同时使我学会了很多实用的东西，提高了我动手的能力和灵活运用知识的能力，让我受益匪浅。在这次化工原

15、理课程设计中，我的理论运用于实践的能力得到了很到的提升，主要有以下的几个方面：初步掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据（已发表的文献）的能力。树立了既考虑技术上的先进性和可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作过程中的方便性，劳动条件和环保性的正确设计思想，在这种思想的指导下去分析和解决实际问题的能力。培养了迅速准确的进行工程计算的能力，首先必须根据产量和基本的物性数据计算出理论值，在根据国家标准来核算，从而选用合适的配件高效率的完成规定的生产任务。学会用简洁的文字和清晰的图表来表述自己设计思想的能力。在画图中基本是根据基本数据来查阅资料逐一确定的，工作繁杂。从设计结果可看出，若要保持传热系数

16、，温度越大、换热管数越多、折流板数越多、壳径越大、这主要是因为煤油的出口温度升高，总的传热温差下降，所以换热面积增大，才能保证Q和K。因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应的增大，通过这个设计，我们可以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分重要。由于本课程设计属于我的初次设计，而且时间上比较仓促，可查阅的文献有限，本次设计还有很多不完善的地方。8 主要符号说明英文字母 B折流板间距 H面积裕度，C系数，无量纲 希腊字母d _管径，m 对流传热系数；D换热器外壳内径，m 有限差值； 摩擦系数； 导热系数，W/(m.);F系数； 粘度，Pa.s;h圆缺高度，m; 密度,;K总传热

17、系数，； 校正系数；L管长，m; m管程； 下标n指数； c冷流体； 管数； h热流体； 程数； i管内；N管数； m平均； 程数； o管外；折流板数； s污垢。努赛尔特准数；P压力，Pa;因数；普兰特准数； q热通量，；Q传热速率，W; r半径，m;R热阻，； Re雷诺准数；S传热面积，； t冷流体温度，；u流速，m/s; W质量流量，kg/s;r转数；参考资料1夏清, 贾绍义. 化工原理第二版M. 天津: 天津大学出版社, 2015.2马江权, 冷一欣. 化工原理课程设M. 北京: 中国石化出版社, 2011.3潘红良. 过程设备机械基础M. 上海: 华东理工大学出版社, 2013.4刘巍. 冷换设备工艺计算手册M. 北京: 中国石化出版社, 2003.5匡国柱, 史启才. 化工单元过程及设备课程设计M. 北京: 化工工业出版社, 2010.致 谢在这次课程设计中，我