课程设计——煤油冷却器教材

1、化工原理课程设计题目煤油冷却器学院名称化学化工学院指导教师职称教授班级学号学生姓名2015年9月8日目录目录目录 I I前言 I II概述 1第二章 设计任务与条件 3第三章 工艺设计 43.1 生产条件的确定 43.2 换热器的设计计算 43.2.1 确定设计方案. 43.2.2 确定物性数据. 43.2.3 计算总传热系数 53.2.4 计算传热面积. 63.2.5 工艺结构尺寸. 63.2.6 换热器核算 8第四章 设计结果列表 124.1 换热器主要结构尺寸和计算结果 124.2 设计结果的讨论 13结束语 14参考文献 15符号说明 16附 录 17前言煤油一般是通过对石油进行分馏而

2、制得，刚刚分馏得到的煤油温度会比较 高，不利于保存和运输等， 需要进行冷却。 在工业大生产过程中自然冷却远远达 不到煤油冷却的时间要求， 选用低温水进行冷却是比较好的冷却方式。 设计性能 优良的冷却器就十分的必要了， 本文通过大量数据运算得到的理论冷却器比较接 近现实生产要求，有待于进一步的实践证实和运用。 关键词：煤油；水；换热器概述在化工、石油、能源、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器 , 它们也是 这些行业的通用设备 , 并占有十分重要的地位。 ; $ m: s0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， 不同类型的换热器也各有优缺点， 性能各异。 列管式换热器是

3、最典型的管壳式换 热器，它在工业上的应用有着悠久的历史， 而且至今仍在所有换热器中占据主导 地位。列管式换热器有以下几种： 4P# r& ; a. dC9 q4 P* r k C7 r1、浮头式 换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连 同浮头可以沿轴向自由伸缩，完佺消除了温差应力。特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，消除温差应力，应用普遍。 设计评述：1. 在换热器选型的时候，考虑各种常用的换热器优缺点：固定板式换热器： 结构简单， 在相同的壳体直径内， 排管最多，比较紧凑， 使壳侧清洗困难。当管子与壳体壁温相差大于 50C时，应在壳体上设置温差补 偿 - 膨胀

4、节，依靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应力。 但是当壳体与管子的温 差大于 60C及壳程压力超过 6 105Pa 时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去 温差补偿作用，就应考虑其他结构。U型管式换热器：其结构特点是只有一个管板。换热管为 U 形，管束可 以自由伸缩，当壳体与 U 型换热管有温差时，不会产生温差应力。密封面少，运 行可靠，造价较低，管间清洗较方便。但是由于管子需要一定的弯曲半径，故管 板的利用率低；管束最内层管间距较大，壳程易短路；内层管子坏了不能更换， 因而报废率较高。 一般用于管、 壳壁温差较大或壳程介质易结垢而管程介质清洁 以及高温高压、腐蚀性强的场合。浮头式换热器：当换热管与壳

5、体有温差存在时，壳体与换热管膨胀，互 不约束，不会产生温差应力，管内与管间的清洗均方便。但是由于结构复杂、笨 重，造价较高，适用于壳体与管束间温差较大，或壳程介质易结垢的场合。在综合各方面因素，该设计任务的管束与壳体的平均温度差 40 C ，同时壳 程压力为 3.86 104Pa ，都不是很大，因此选择造价较低的带膨胀圈的固定管 板是换热器，在经济的情况下能达到生产任务需求。2. 冷却过程中最好采用容积较大的贮槽或者直接采用小型水库， 这样可以充 分使循环水冷却。3. 泵的选型，由于泵所提供的流量 Q与扬程 H均稍大于管路系统要求值， 所以应减小标准阀的开度，藉此增大管路长度当量，从而使轴功率

6、N 增大。设计总评：对于该生产任务，这个设计还有诸多不足需要弥补。例如， 循环水为以结垢的流体， 最好选择大管径 25mm 2.5mm的换热管， 但是考虑 到流速，选择了小管径 19mm 2mm的换热管； 所设计的换热器不在固定管板 式换热器的系列标准之内，制造比较麻烦；泵的吹入管等管路有点短，若是直接以水库中的水作为循环水，则设备距离不 够。等等。此次设计是以理论作为指导，难免会有以上疏漏，希望在老师的指导 下，能以实践作为基础，进一步完善有关化工知识。第二章 设计任务与条件原料：煤油，水 处理量： 25万吨年原料温度：入口温度 145oC，出口温度 40oC冷却介质：循环水，入口温度 30

7、oC，出口温度 40oC生产时间：300天年，每天 24h 连续运行允许压降不大于 105Pa第三章 工艺设计3.1 生产条件的确定设计一列管式煤油换热器，完成年冷却 17wt 煤油的任务，具体要求如下： 煤油进口温度 145，出口温度 40；冷流体进口温度 30，出口温度 40； 每年按 300天计， 24小时/ 天连续进行。3.2 换热器的设计计算3.2.1 确定设计方案(1)选择换热器类型两流体温度变化情况： 热流体进口温度 145，出口温度 40；冷流体进口 温度 30，出口温度 40。由于该换热器的管壁温度和壳体温度有较大温差， 选用浮头式换热器。(2) 流动空间及流速的确定 实际生

8、产中，冷却水一般为循环水，而循环水易结垢，为便于清洗，应采用 冷却水走管程，煤油走壳程。选用 252.5 的碳钢管，管内流速设为 ui =0.5m/s3.2.2 确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程煤油的定性温度：145 40T=145 40 =92.5 ()2管程流体的定性温度：t= 30 40 =35( )2根据定性温度，分别插取壳程和管程流体的有关物性数据。煤油在 92.5 的有关物性数据如下：密度30=825kg/m3定压比热容Cpo=2.22 kJ/(kg )导热系数o=0.140W/(m )粘度o=0.000715Pas冷却水在 35的有关物性数据如下：密度3i =

9、994kg/m3定压比热容C pi=4.08kJ/(kg )导热系数i =0.626 W/(m )粘度i =0.000725Pas3.2.3 计算总传热系数1）煤油传热 热量和流量43mo25 104 103 300 24 34722kg / hQo=moCpoto3=4722 2.22 145 40 80. 9 105kj / h =2248KW2）平均传热温差tmt1 t 2ln(145 40) (40 30)145 40 ln40 3040.4 ( )3）冷却水用量wiQocpi t i580.9 1054.08 ( 40 30)198284 (kg/h )4）总传热系数1）管程传热系数

10、Redi ui i0.023 i di0.0230. 02 0. 5 9940. 000725di ui ii137100. 626(13710)0.8(40800. 000725 ) 0. 40. 020 ( 13710) ( 0. 626 )2733. 20W /( m2 C)2）壳程传热系数2假设壳程的传热系数 0 300 W/（m2）污垢热阻Rsi =0.000344m2 /WRso=0.000172m2 /W管壁的导热系数bdkd0. 0250. 0003440.025 0. 00250. 0252733. 2 0. 0200.020 45 0.0225225 .1W /( m2C)

11、ididimo10. 00013.2.4 计算传热面积Ktm2248000225. 1 40. 4247. 2( m2 )考虑 15%的面积裕度， S=1.15 S=1.15 247.2=284.3 ( m2 )3.2.5 工艺结构尺寸（1）管径和管内流速选用252.5 传热管（碳钢），取管内流速 ui 0.5m / s（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nsV 198284 /( 3600 994)2 353 (根)0. 785 0. 022 0. 5 diu4按单程管计算，所需的传热管长度Sdons284. 33. 14 0.025 35310. 26(m)603根S

12、 284. 3 doL3.14 0. 025 6L=6m,则该换按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。取传热管长 热器管程数为Np10. 2662（管程）传热管总根数6032302(根)3）平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数145 4040 3010.540 30145 300.0869按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表可得t 0.82（ C） 平均传热温差t m tt m 0. 82 40. 4 33. 1（ C）（4）传热管排列和分程方法 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 t 1.25do ，则t 1.25 25 31.

13、25 32（ mm） 横过管束中心线的管数nc 1. 19 N 32 （根）（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D 1.05t N /1. 05 32 706/ 0. 7 1067（ mm）圆整可取 D 1100mm（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 h 0.25 900 225mm 。取折流板间距 B 0.3D ，则B 0.3 1100 330mm B 取 330mm折流板数 NB L 1 6000 1 18 块B B 330折流板圆缺水平装配。（7）接管 壳程流体进出口接管：取接管内循环油品流速为 u 1

14、.0m/ s ，则接管内径为 d4V4 34722 /（ 3600 825） 0.1220mu 3. 14 1. 0 取标准管径为 30mm 。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为 u 1.5m / s ，则接管内径为d4V4 198284/（ 3600 994） 0. 2169mu 3.14 1.53.2.6 换热器核算（1）热量核算1） 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采取克恩公式80.14o 0.55 1/ 3o 0.36 o Reo0.55 Pr1/ 3d当量直径，由正三角形排列得de壳程流通截面积SoBD1 dto1.1 0.33 10.0250.0320. 079(4 m)

15、壳程流体流速及其雷诺数分别为uo34722 /( 3600 825) 0. 147m/0. 07940. 020 0. 147 8250. 0007153392. 3普兰特准数Pr2. 22 103 0. 0007150. 1411. 340.14粘度校正o 0. 36 0. 140 3392 0. 55o 0.0211. 341/ 3495.10W/( m2 C)2）管程对流传热系数diui i0.8cpi i 0 pi iiii 0.023 i di管程流通截面积Si0. 785 0. 02270620. 11084( m2 )管程流体流速及其雷诺数分别为uo198284 /( 3600

16、994)0. 4999m / s0. 11084Reo 0.020 0.4999 994 13708 o 0.000725普兰特准数30.626Pr 4.08 103 0.000725 4.7252732.8W /(m2 C)i 0.02300.062260 (13708)0.8(4.725)0.43) 传热系数 KdoRsi doididibdoRso1dm0.0252732. 8 0.0200. 000344 0.0250. 0200. 0025 0.025 0.00017245 0. 0201495. 1317. 6W/(C)4) 传热面积2248000317. 6 33.1213. 8

17、4( m2 )该换热器的实际传热面积 Sp2SpdoL(N nc) 3. 14 0.025 6 (603 18) 275. 5( m2 )该换热器的面积裕度H Sp S 100% 275.5 213. 84 100% 28.83%S 213. 84传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务2)换热器内流体的流动阻力1)管程流动阻力Pi ( P1P2)FtNsN PNs 1， NP 1， Ft 1.410由 Re 13708 ，传热管相对粗糙度02.001 0.005 ，查莫狄图得i 0.03W /(m* C) ，流速 ui 0.4999m/ s，994kg / m3 ，所以P10.0346.0

18、 994 0.4999 20.02 21266.8(Pa)，P2 3994 0.499922372.6(Pa)，Pi(1266. 8 372. 6) 1. 5 24918. 2(Pa)100000Pa管程流动阻力在允许范围之内2)壳程阻力Po ( P1 P2)Ft NsNs 1， Ft 1流体流经管束的阻力P1Ffonc( NB1)F 0. 5fo5 3392 0. 2280. 7834nc32NB18, uo0.147m/ sP10. 5 0. 7988 32 (18 1) 825 0. 1472164. 56( Pa)流体流过折流板缺口的阻力P2 NB(3.5 2DB) u2o ，D2B0

19、.33m, D1.1m2 0. 33P2 18 (3. 5 )2 1. 12825 0. 1472465. 3( Pa) ，总阻力P2 ( 2164. 56 465. 3) 11 2629. 86( Pa)壳程流动阻力也比较合适11第四章 设计结果列表4.1 换热器主要结构尺寸和计算结果表 1 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器型式：浮头式列管换热器换热器面积（ ）： 284.3工艺参数名称管程壳程物料名称循环水煤油操作压力， MPa0.10.03操作温度，30/4040/145流量， kg/h5501160198284流体密度， kg/ m3994825流速， m/s0.4990.147传热

20、量， kw108总传热系数， w/ k308对流传热系数， w/ k2732.8470.6污垢系数， k/w0.0003440.000172阻力将， Pa4918.22629.86程数21使用材料碳钢碳钢管子规格25 2.5管数 603管长， mm6000管间距， mm32排列方式正三角形折流挡板型式上下间距，mm 100切口高度 25%壳体内径， mm330保温层厚度， mm124.2 设计结果的讨论换热器的种类繁多，不同的换热器由其各自的优点和使用局限。本课程设计中选用浮头式换热器，这种换热器相比其他换热器有以下几点明显的优势：1. 管束可抽出，以方便清洗管、壳程；2. 介质间温差不受限制

21、；3. 可在高温、高压下工作；可用于结垢比较严重的场合；4. 可用于管程易腐蚀的场合。但同时也有一些缺点，例如，造价高、结构复杂等等。13结束语经过几天的努力终于完成了本次课程设计。 课程设计不只是对这几年来所学知 识的单纯总结， 同时也是对前面所学知识的一种检验， 而且也是对自己能力的一 种提高。通过这次的设计，发现我们要学的东西还很多，不能眼高手低。在以后 的学习生活中也要像这样不断在实践中提高自己的综合素质。 本次设计在遇到困 难时总是我们四个组员一起讨论和查看参考文献， 既而进行攻坚， 所以在此感谢 我的团队，感谢帮助我的同学们。在这次的课程设计过程中我感觉我理论运用于实际的能力得到了提高， 主要有 以下几点：（1）掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据的能力；（2）树立了既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注 意到了操作时的劳动条件和各方面的因素的正确的设计思想， 在这种思想的指导 下去分析和