化工原理课程设计说明书 煤油冷却器的设计

1、课程设计任务一. 设计要求:1.处理能力：(19.8 X 104)吨/年煤油2.设备型式：列管式换热器二. 操作条件:煤油入口温度140C，出口温度40C;冷却介质循环水，入口温度 30C，出口温度40C;允许压强降不大于100 KPa;煤油定性温度下的物性数据;3密度为825kg/m ;粘度为：7.5 X 10-4 Pa.S;比热容为：2.22kJ/(kg. C)；导热系数为：0.14W/ (m. C);每年按300天计，每天24小时连续运行。学生应完成的工作:1.选择适宜的列管换热器并进行核算。2.画出工艺设备图及列管布置设计题目煤油冷却器的设计任务下达日期:2010年 11月08日任务完

2、成日期:2010年 11月22日指导教师:学生:课程设计任务管板、摘要换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在换热器中，至少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。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行 业的通用设备，占有十分重要的地位。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，对换热器的要求也日益增强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究 十分活跃，一些新型高效换热器相继问世

3、。根据不同的目的，换热器可以是热交换器、加热器、 冷却器、蒸发器、冷凝器等。由于使用条件的不同，换热器可以有各种各样的形式和结构。在 生产中，换热器有时是一个单独的设备，有时则是某一工艺设备的组成部分。衡量一台换热器好的标准是传热效率高、流体阻力小、强度足够、结构合理、安全可靠、 节省材料、成本低，制造、安装、检修方便、节省材料和空间、节省动力。关键字封头煤油换热器列管式换热器膨胀节固定管板式一、概述 二、工艺流程草图及设计标准2.1 工艺流程草图2.2 设计标准 三、换热器设计计算3.1 确定设计方案3.1.1选择换热器的类型 3.1.2 流体溜径流速的选择3.2 确定物性的参数3.3 估算

4、传热面积3.3.1 热流量3.3.2 平均传热温差3.3.3 传热面积3.3.4 冷却水用量33.4 工艺结构尺寸3.4.1管径和管内流速3.4.2管程数和传热管数3.4.3平均传热温差校正及壳程数3.4.4传热管排列和分程方法3.4.5 壳体内径3.4.6 折流板3.4.7 接管3.5 换热器核算3.5.1 热流量核算3.5.1.1壳程表面传热系数3.5.1.2 管内表面传热系数3.5.1.3污垢热阻和管壁热阻3.5.1.4 计算传热系数 KC3.5.1.5换热器的面积裕度3.5.2 换热器内流体的流动阻力3.5.2.1管程流体阻力3.5.2.2壳程阻力四、设计结果设计一览表10五、设计自我

5、评价11六、参考资料12七、主要符号说明13一、概述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。在化工、石油、动力、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。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：1、固定管板

6、式 固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适 当位置上焊上一个补偿圈， （或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时， 补偿圈发生缓慢的弹性 变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点：结构简单，造价低廉， 壳程清洗和检修困难， 壳程必须是洁净不易结垢的物料。2、U形管式U 形管式换热器每根管子均弯成 U 形，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，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和 不易结垢的物料。3、浮头式 换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头

7、。管子受热时，管束连同浮头可以沿 轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。 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。二、 工艺流程草图及设计标准2.1 工艺流程草图-b(1)JB1145-73列管式固定管板热交换器JB1146-73立式热虹吸式重沸器中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布,1989钢制石油化工压力容器设计规定(5)JBT4715-1992固定管板式换热器型式与基本参数(6)HGT20701.8-2000容器、换热器专业设备简图设计规定(7)HG20519-92全套化工工艺设计施工图内容和深度统一规定(8)中华人民共和国国家

8、标准JB4732-95钢制压力容器一分析设计标准(9)中华人民共和国国家标准JB4710-92 钢制塔式容器(10)中华人民共和国国家标准GB16749-1997压力容器波形膨胀节由于循环冷却水易结垢，为便于水垢的清洗，选择循环水做管程流体，煤油做壳程流体。管程与壳程流体的进出方向为上图所示， 并选择逆流传热。图中水由泵1经过管程沿所示方向 流动，煤油由泵1经过壳程沿所示方向流动。冷却循环水与煤油在设计的换热器中进行热交换，煤油由初温140C降温至，40C冷却循环水由初温升30C温至40C。2.2设计标准-d;泵1-b三、换热器设计计算3.1确定设计方案3.1.1选择换热器的类型本次设计为煤油

9、冷却器的工艺设计，工艺要求煤油（热流体）的入口温度140C，出口温度40C。采用循环冷却水作为冷却剂降低热的没有温度，冷却水的入口温度30C,根据经验结合选厂地址的水资源现状况，选定冷却水的出口温度40C。根据间壁式换热器的分类与特性表，结合上述工艺要求，最大使用温差小于120C,选用固定管板式换热器，又因为管壳两流体温差大于60C，故因选用带膨胀节的固定管板式换热器。3.1.2流体流径流速的选择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大于煤油的推荐流速， 故选择循环冷却水为管程流体，煤油为壳程流体。根据流体在直管内常见适宜流速，管

10、内循环冷却水的流速初选为ui=1.0m/s,管子选用25 2.5mm的较好级冷拔换热管（换热管标准:GB8163。3.2确定物性参数定性温度：可取流体进口温度的平均值。管程流体的定性温度为:T 叮 90。煤油90 r下的物性数据：T 罟 35（C）煤油在90C下的有关物性数据循环冷却水在35r下的物性数据密度3P 0=825 kg/m密度P i=994 kg/m3定压比热容Cp=2.22kJ/(kg K)定压比热容Cp =4.08kJ/(kg K)导热系数入 o=0.140 W/(m K)导热系数入 i=0.626 W/(m K)粘度卩 o=0.000715 Pa - s粘度卩 i =0.00

11、0725 Pa - s根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。I t mlnt1丄t2(14040) (40 30)39(C),14040In -40303.3.3传热面积假设壳程传热系数：a0=400 w（ ra?c）,管壁导热系数 入=45 w（m?c）2则K=298.7W/(m K),则估算面积为：S =Q/(K XAtm)=1.696 X 106/(298.7 X 39)=145.86(m2)考虑 15%勺面积裕度则：S=1.15X 145.86=167.74(m2)3.3.4冷却水用量wi丘i CPi tj6. 105 106149632. 4 (kg/h )4. 08

12、103(4030)3.4、工艺结构尺寸3.4.1管径和管内流速选用巾25X 2.5较高级冷拔传热管（碳钢10），取管内流速Ui= 1.5m/s3.4.2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3.3、估算传热面积 3.3.1热流量m=空型27500 (kg/h )30024Q=m0Cpo t=27500X 2.22 X (140-40)=6.15 X 106kJ/h=1695.8 kW3.3.2平均传热温差n亠S-d.2u.4 i idons149632. 4 / 3600994=88.78 89 (根)0.7850. 0221.5按单程管计算，所需的传热管长度为:-67-=24(

13、 m3. 140. 02589按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，根据本设计实际情况，采用标准设计,现取传热管长为l=6m，则该换热器的管程数为:NP=L/I=24/6=4传热管总根数:NT=89X 4=356 (根)343平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数:R=(140-40)/(40-30)=10;P=(40-30”(140-30)=0.091按单壳程，4管程结构，温差校正系数应查有关图表可得0A t=0. 82平均传热温差Atm=A t Atm =0.82 X3 9=32C)由于平均传热温差校正系数大于 0.8，同时壳程流体流量较大，故取単壳程合适。3.4.4传热管排列

14、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=1.25d0，则t=1.25 X 25=31.25 32(mn)横过管束中心线的管数nc 1.19UN 1.19V356 2( 根)3.4.5壳体内径(ND=1.05t 1.05 汽駕二757.7（mm）壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为U= 1.0m/s，则接管内径为:27500/彳 3600825)13. 141.0.10 （m,取管内径为110mm管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u = 1.5 m/s，则接管内径为采用多管程结构，取管板利用率 n= 0.7，贝U壳体内径为按卷制壳体的进级挡，

15、圆整可取 D=800m。346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 X 800=200 (mm折流板间距B=0.3D,则B=0.3X 800=240mr取 250mm折流板数N B=折传热管间距-1= 650-1=23 （块）折流板间距250347接管4149632 4/-彳3600 994)193 mm3.141.5圆整可取D2 =200mm。3.5换热器核算3.5.1热流量核算3.5.1.1壳程表面传热系数0. 140de擇2汽2) d。4 (O.0322 O.785 0. 0252) 0.020 (m3. 14 0. 025壳

16、程流通截面积:S0BD1 p)0. 80.25“0. 025 c c一 / 2、(1隔)=0.044 (m)壳程流体流速及其雷诺数分别为:27500/U0=彳 3600825)0.210. 044(m/s)Re/02O.21825 =48460.000715普朗特准数Pr= 2.22 103715 1060. 14011. 34 ；0.14粘度校正a=0.36 A0. 024846. 5511.34/3 =1013.57W/(m2 K)3.5.1.2管内表面传热系数a 0.023 -RM8Rr0“管程流体流通截面积:S =0.785 X 0.022 X 356/4=0.028 (m)管程流体流

17、速及其雷诺数分别为:可采用克恩公式:0.551300. 36 Re0 PL3de当量直径，由正三角排列得:0. 0279a=0.023 X40939.1 0.80 424.73 =6560.4 W/ (m - K)管外侧污垢热阻 R0=0.000172 m2 K/W管内侧污垢热阻Ri=0.000344m2 K/WO.。250.00034 06560. 4 0. 0200. 02010. 0025 0. 025c wc 1-0. 000172-0. 0225 451013. 57doidiRsoUi=149632-4/( 3600994)=1.499 (m/s)Re=0.0299994=4093

18、9.10. 000725普朗特准数Pr/ 08 10372510 64.730. 6263.5.1.3污垢热阻和管壁热阻查有关文献知可取:管壁热阻查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为入=45 W/(m K)。3.5.1.4计算传热系数1R do bdoSi N=436.9 W/ (m- C)计算传热面积S:S=- = 1695.8103 =121.3( m)K t m 436. 932X (356-23)=155.27 (ni)该换热器的实际传热面积:Sp = cLUNnc) =3.14 X 0.025 x (6-0.06)2流速 u=1.499m/s,3P =994kg/m，所以 P1=0.

19、 038859941. 2682蚯2=10643.7 (Pa)；3 994=3130.5 (Pa)2 R= (10643.7+3130.5 ) X 1.4 X 1X 4=77135.5 (Pa) 100 KPa管程流体阻力在允许范围之内。3.5.2.2壳程阻力2 P0= ( R+A F2)FsNs P1= Ff0nc(NB+1)2Uo3.5.1.5换热器的面积裕度H= 一S X 100%一I2虫 X 100%=28.01%S121.3传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。3.5.2换热器内流体的流动阻力 3.5.2.1管程流体阻力计算公式如下:2 Pi= ( P!+ P2) NSNpF;

20、Ns=1, Np=4, Fs=1.4;l2 PcT 子,际二由Re=41103.6,传热管相对粗糙度0.01/20=0.05，查莫狄图得i =0.034（W/ （m2C ）,Fs=1.15 Ns=1F=0.5f 0=5X 41103.6-0.228=0.722nc=23N=23,Uo=O.21m/s P1=0.5 X 0.722 X 23X( 23+1)X 825X 0.212/2 3625 (Pa)流体流过折流板缺口的阻力2U0 P2 =NB (3.5-2B/D )0B=0.25m; D=0.8m ;故 R=23X( 3.5-2 X 0.25/0.8 ) X 825 X 0.22/2 120

21、2 (Pa),则总阻力： Po=3625+12O2=4827( Pa) 100 KPa故壳程流体的阻力也适宜。四、设计结果设计一览表换热器型式：带膨胀节的固定管板式换热器管口表换热面积：155.27m2符号尺寸用途连接形式工艺参数a 200X6冷却循环水入口平面名称管程1壳程b 200X6冷却循环水出口平面五、设计自我评价作为、专业的学生，我深知化工原理是一门非常重要的专业基础课程，进行适当的设计训练对于加深我对课程的理解是非常重要和有意义的。这是第一次做化工原理课程设计, 通过本次设计，我认为自己已经初步掌握化工设计的一些基本知识了。 本次设计的是煤油冷却 器，根据温差和物性确定本设计的换热

22、器为带膨胀节的固定管板式换热器或浮头式换热器， 鉴于浮头式换热器的造价一般比固定管板式换热器的造价高出二十多个百分点， 以降低投资成 本为目的，选择带膨胀节的固定管板式换热器。通过设计不但巩固了对主通过本次设计， 我学会了如何根据工艺过程的条件查找相关资料， 并从各种资料中筛选出 较适合的资料， 根据资料确定主要工艺流程， 主要设备， 及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。 了解到了工艺设计计算过程中要进行工艺参数的计算。体设备图的了解， 还学习到了工艺流程图的制法。 通过本次设计不但熟悉了化工原理课程设计 的流程， 加深了对冷却器设备的了解， 而且学会了更深入的利用图书馆及网上资源，

23、对前面所 学课程有了更深的了解。 但由于时间较为仓促， 查阅的文献有限， 本次设计还有很多不完善的 地方。本次设计非常感谢。老师的指导，有了他的指导使得我们更快的进入课程设计的状态，使我们少走弯路。同时非常感谢我的同学，正是有他们在一起讨论，才使我较快及顺利地 在较短时间内完成本设计。六、参考文献 1 贾绍义、柴诚敬主编化工原理课程设计 天津：天津大学出版社， 2002 2 柴诚敬、张国亮主编 化工流体流动与传热 北京：化学工业出版社， 20083 中国石化集团上海工程有限公司 石油化工设备设计选用手册换热器 北京: 化学工 业出版社, 20094李国庭等编著化工设计概论北京:化学工业出版社, 20085杨世铭、陶文铨编著 传热学北京:高等教育出版社, 20066上海医药设计院化工工艺设计手册 北京：化学工业出版社， 19968李国庭等编著化工设计概论北京：化学工业出版社，20089社,刁玉玮,王立业,喻健良 .化工设备机械基础 （第六版）M. 大连：大连理工大学出版2006:1-232.10柴诚敬.化工原理（上册） M. 北京：高等教育出版社，2