标准化工原理课程设计

1、 化工原理课程设计说明书 煤油冷却器的设计题 目： 煤油冷却器的设计 学 院： 化工学院 专 业： 化学工程与工艺 姓 名： 学 号： 指导老师： 同组人员 完成时间： 4 目 录1设计题目.(5)2流程示意图.(5)3流程和方案的说明和论证3.1流程的说明.(5)3.2选择设计方案 3.2.1选择换热器的类型.(6) 3.2.2流程安排.(7) 3.2.3加热剂或冷却剂的选择.(8) 3.2.4选择换热器材质.(8) 3.2.5流速的选择.(9) 3.2.6折流板形式的确定.(9)4.设计结果概要4.1主要设备尺寸设计 4.1.1管子的规格和排列方法.(10) 4.1.2确定流体的定性温度、

2、物性数据，并选择列管式换热器的形式.(11) 4.1.3计算热负荷Q.(12) 4.1.4计算两流体的平均温度差，并确定壳程数.(12) 4.1.5初步选择换热器规格.(13) 4.1.6选取管长确定管程数和总管数.(13)4.2计算压强降 4.2.1计算管程压强降.(15) 4.2.2计算壳程压强降.(16)4.3核算总传热系数K0 4.3.1计算管程对流传热系数.(17) 4.3.2计算壳程对流传热系数.(18) 4.3.3确定污垢热阻.(19) 4.3.4壁温的检验.(19) 4.3.5计算总传热系数.(19) 5. 详细结构设计及强度核算5.1壳体计算.(20)5.2封头计算.(20)

3、5.3法兰计算.(20)5.4接管 5.4.1接管的一般要求.(21) 5.4.2接管直径的确定.(21) 5.4.3管箱接管.(23) 5.4.4接管法兰.(23)5.5折流板计算.(24)5.6防冲板计算.(24)5.7管板计算.(24)5.8拉杆计算.(24)5.9强度核算(壳体核算.管板核算).(27)6.工艺设计计算结果.(28)参考文献.(29)心得体会.(30) 一、 设计题目 煤油冷却器的设计设计背景： 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。换热器的作用:使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体（或反之），使流体温度达到工艺流程规定的指标;回收余热、废热

4、，提高热能总利用率.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。随着我国工业的不断发展，对能源利用、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。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。 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缺点，性能各异。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，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式

5、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）。设计任务： 试设计一煤油冷却器，已知煤油的流量G1=15T/h，其入口温度T1=160，出口温度T2=60，冷却水入口温度t1=20，出口温度t2=40，设煤油和冷却水的运行表压分别为：1bar和3bar（0.1MPa和0.3MPa）二、 流程示意图见附录图2-1(CAD版)。三、流程和方案的说明和论证3.1流程的说明 图一 管壳式换热器示意图管壳式换热器属于间壁式换热器，其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两个不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热能量传递给温度较低的流体，温

6、度较高的流体被冷却、温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。3.2选择设计方案 选择设计方案的原则是要保证达到工艺要求的热流量,操作上要安全可靠,结构上要简单,可维护性要好,尽可能节省操作费用和设备投资.选择设计方案主要包括以下几点: 3.2.1选择换热器的类型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。管壳式换热器根据其结构的不同，可以分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器等。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

7、，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.当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。 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。 d9 |/ b M 图二 固定管板式换热器 + l2 t2 I+ u& c% 5 V- m1 组成：管箱、管板、换热管、壳体、折流板或支撑板、拉杆、定距管等。, F( x9 + I( F结构特点：管板与壳体之间采用焊接

8、连接。两端管板均固定，可以是单管程或多管箱，1 ch v7 w( y6 Oc8 _& H# g$ y! i, y# K$ o: z* R1 BG管束不可拆，管板可延长兼作法。优点：结构简单，制造方便，在相同管束情况下其壳体内径最小，管程分程较方便。1 d T& Q* 2 D H缺点：壳程无法进行机械清洗，壳程检查困难，壳体与管子之间无温差补偿元件时会产生较大的温差应力，即温差较大时需采用膨胀节或波纹管等补偿元件以减小温差应力。 本设计出于以上考虑，本设计的换热器选择列管换热器中带补偿圈的固定管板式换热器。93.2.2流程安排在列管换热器设计中，冷热流的流程安排一般采取如下原则：(1)不洁净和易

9、结垢的流体宜走管程,因管内清洗方便;(2)腐蚀性流体宜走管程,以免管束和壳体同时受腐蚀,且清洗,检修 方便;(3)压强高的流体宜走管程,以免壳体同时受压;(4)有毒流体宜走管程,使泄漏机会减少;(5)被冷却的流体宜走壳程,便于散热,增强冷却效果;(6)饱和蒸汽宜走壳程,便于排出冷凝液和不凝气,且蒸汽洁净不污染;(7)流量小或粘度大的流体宜走壳程,因折流档板的作用可使在低雷诺数(Re100)下即可达到湍流,但也可在管内采用多管程;(8)若两流体温差较大,宜使大的流体走壳程,使管壁和壳壁温差减小.在具体选择时,上述原则经常不能同时兼顾,会互相矛盾,这时要根据实际情况,抓住主要问题,作为选择的依据。

10、 本设计从两物流的操作压力看，应使煤油走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，对流传热系数比较大，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，煤油走壳程。3.2.3加热剂或冷却剂的选择在换热过程中，用作加热剂或冷却剂的流体应根据实际情况确定。除应满足加热和冷却温度外还应考虑来源方便，价格低廉，使用安全。在化工生产中，水是常用的冷却剂，饱和水蒸气是常用的加热剂。冷却器是换热设备的一类，用以冷却流体。通常用水或空气为冷却剂以除去热量。以水和空气比较，水的比热高，传热膜系数也很高，但空气的取得和使用比水方便，应因地制宜加以选用。水和空气作为

11、冷却剂变到当地气温的限制，一般冷却温度为1025。如果要冷却到较低的温度，则需应用低温剂，常用的低温剂有冷冻盐水(Cacl2,Nacl及其它溶液)。 本方案以水作为冷却剂。3.2.4选择换热器材质 在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造

12、工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。 一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。 （1）碳钢 价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。 （2）不锈钢 奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。 按照常用换热管规格，常用换热管规格有192 mm、252 mm(1Crl8Ni9Ti)、252.5 mm(碳钢10)。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排

13、列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。所以，在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用19mm2mm直径的管子更为合理。如果管程走的是易结垢的流体，则应常用较大直径的管子，有时采用38mm2.5mm或更大直径的管子。 考虑到流体的流速，本方案选用25mm2.5mm (10号碳钢)规格的管子。3.2.5流速的选择 表2-2 换热器常用流速的范围 介质流速 循环水 新鲜水 一般液体 易结垢液体 低粘度油 高粘度油 气体 管程流速，m/s1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530壳程流速，m/s0.51.50.51.50.21.50.

14、50.41.00.30.8215由于增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。3.2.6折流板形式的确定折流挡板的主要作用是引导壳程流体反复的改变方向做错流流动，以加大壳程流体流速和湍动速度，致使壳程对流传热系数提高,支撑换热管。折流板有横向折流板和纵向折流板两类。 横向折流板同时兼有支撑传热管，防止产生震动的作用。常用的形式有弓形折流板和圆盘-圆环形折流板。弓形折流板结构简单，性能优良，在实际中最常用。 图三 本方案选择水平圆缺形折流板，切去的

15、弓形高度为外壳内径的25.0%（圆缺率的范围一般为15%45%），即为：50025%=125mm。折流板的间距，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5（为96mm）或者不小于50mm（取两者中最大值）。最大间距不得大于传热管最大无支撑跨距。所以折流板间距取h=150mm。 折流板的最大无支撑间距如表所示：换热管外径（mm）141619253238最大无支撑间距(mm)110013001500185022002500 折流板的厚度可由下表得出1：公称直径DN（mm）换热管无支撑跨距3003006006009009001200120015001500折流板的最

16、小厚度(mm)10000，充分湍流） 15 Ft结垢矫正系数，无量纲，对于252.5mm的管子Ft=1.4； Np管程数； NS串联的壳程数。取不锈钢管壁的粗糙度，则由摩擦系数图查得5图五 摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系所以对于的管子，有Ft=1.5,且Np=4,Ns=1 4.2.2计算壳程压强降FS壳程结垢矫正系数，对液体可取FS=1.15；F管子排列方式对压强将的校正系数，正三角形排列F=0.5；f0壳程流体摩擦系数，当ReO500时，f=5.0Re-0.228 ；NTC水平管束在垂直列上的管数，三角形排列时，NTC=1.1NT（NT为换热器总管数，此处NT=144）；h折流板间距，m

17、；故此时： (取0.7正三角形排列4管程=0.60.8)折流挡板间距=0.3D （参照本设计3.2.6）折流板数 所以 从上面计算可知，0.1MPa、0.3MPa，该换热器管程与壳程的压强降均满足题设要求，故所选换热器合适。4.3核算总传热系数K0 4.3.1计算管程对流传热系数以上计算已知所以： （P设计=0.3MPa，因此壳体厚度满足强度核算。(b)管板核算 有管板厚度计算知， 当量压力组合 按，查图，得=12.5 Gwc=12.5 管子应力，对于固定管板式 拉托力 由于t=9.92MPa107Mpa t= t 且 q=56.78MPa535Mpa=q ， 因此管板厚度满足强度核算。 六、

18、工艺设计计算结果 工艺设计计算结果汇总表 参数 数据 煤油流量kg/h15000自来水流量/kg/h4190.4实际传热面积S/66.69要求过程的总传热系数/W/（）335.13总传热系数/W/（）407.68管程压强降/Pa4.117104壳程压强降/Pa1.345104管程对流传热系数i/W/（）4707.3壳程对流传热系数o/W/（）631.57 参数 数据壳径D/mm500公称压强/Mp4.00公称面积S/66.7管程数Np4管子尺寸/mm252.5管长L/m6管子总数NT144管子排列方法正三角形管心距l/mm32折流板数NB39板间距h/mm150弓高/mm125拉杆直径/mm16拉杆数量4参考文献1朱有庭，曲文海主编；化工设备设计手册.2陈敏恒等编；化工原理（上册），化学工业出版社，1985，P261附录2.3付家新等编；化工原理课程设计，化学工业出版社，2010.4陈敏恒等编；化工原理（上册），化学工业出版社，1985，P300附表.5陈敏恒等编；化工原理（上册），化学工业出版社，1985，P29图1-32.6匡国柱等编；化工单元过程及设备课程设计，化学工业出版社2002，P5767，P91，P131,P141.7朱贫冠编；换热器原理及计算，清华大学出版社，1987.