齐齐哈尔大学化工学院化工原理课程设计

1、齐 齐 哈 尔 大 学化工原理课程设计题 目 煤油冷却器设计 学 院 化学与化学工程 专业班级 学生姓名 指导教师 成 绩 2014年06月9号化工原理课程设计任务书专业：化学工程与工艺班级： 姓名： 设计日期：2014年6月9日至2014年6月23日设计题目：煤油冷却器设计设计条件：1. 设备处理量 16000Kg/h2. 煤油：入口温度 140，出口温度 503. 冷却水：入口温度 30，出口温度 404. 热损失可忽略5. 壳程压降不大于30KPa设计要求：1. 设计满足以上条件的换热器并写出设计说明书及草稿。2. 根据所选换热器画出设备装配图（1号图）及草稿。指导教师： 2013年6月

2、8日目 录0 前言50.1固定管板式换热器50.2浮头式换热器50.3U型管式换热器60.4填料式换热器61设计任务72设计条件72.1处理能力72.2设备型式73设计方案73.1流径的选择73.2材质的选择83.3管程结构选择83.4流速空间及流速确定83.5确定物性参数84工艺计算94.1估算换热面积94.2管径和管内流速104.3管程和传热管数104.4 平均传热温差校正及壳程数104.5传热管的排列和分程方法114.6壳内径114.7折流板114.8接管114.9换热器核算124.9.1校核传热面积124.9.2流动阻力校核134.9.3换热器基本参数表145换热器机械设计155.1换

3、热器壁厚设计与液压实验155.2封头155.3管板165.4容器法兰165.5接管尺寸165.6接管法兰165.7折流板165.8拉杆17参考文献18附录191 主要符号说明19前 言换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。且具有换热效率高、端部温差小、压降低、节省占地面积、节约工程及设备安装费用、节省装置操作费用等优点,经济效益显著。根据列管式换热器的结构特点，主要分为四种: 固定管板式换热器管板式换热器 浮头

4、式换热器 U型管换热器填料涵式换热器1.固定管板式换热器这类换热器操作简单、便宜。最大的缺点是管外侧清洗困难，因而多用于壳侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。当壳壁与壳壁温度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏整个换热器，因此，一般管壁与壳壁温度相差50以上时，换热器应有温差补偿装置，图为具有温差补偿圈（或称膨胀节）的固定管板式换热器。一般这种装置只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。壳程压强超过6×105Pa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿作用，就应考虑采用其他结构。2.浮头式换

5、热器用法兰把管束一侧的管板固定到壳体的一端，另一侧的管板不与外壳连接，以便管子受热或冷却时可以自由伸缩。这种形式的优点是当前两侧传热介质温差较大时，不会因膨胀产生温差压力，且管束可以自由拉出，便于清洗。缺点是结构复杂，造价高。3.U型管式换热器 此类换热器只有一个管板，管程至少为两程。由于管束可以取出，管外侧清洗方便，另外，管子可以自由膨胀。缺点是U型管的更换及管内清洗困难。4.填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造

6、方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。由于本任务流体温差大于50，考虑采用浮头式换热器作为换热器类型。一、设计任务1.处理能力：16000Kg/h2.设备型式：浮头式换热器二、设计条件1.煤 油：入口温度 140出口温度 502.冷却水：入口温度 30出口温度 403.壳程压降：不大于30KPa4.忽略热损失三、设计方案1.流径的选择 在具体设计时考虑到尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧传热系数接近；在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失

7、，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失；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。参考标准：（1） 不洁净和易结垢的流体走便于清洗的管子，浮头式换热器壳程便于清洗。（2） 腐蚀性的流体走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。（3） 压强搞得流体走管内，以免壳体受压，其中冷却介质循环水操作压力高，宜走管程。（4） 饱和蒸汽宜走管间，以便于及时排出冷凝液。（5） 被冷却流体走壳程，便于散热，增强冷却效果。（6） 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。（7） 黏度大的液体或流量较小的流体，宜走壳程，因

8、流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和六项的不断改变，在低下即可达到湍流，以提高对流传热系数。（8） 若两流体温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。综合考虑以上标准，设定煤油走壳程，水走管程。2.材质选择列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一班材料机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的金属材料中可选用Q235-A碳钢材料。3.管程结构的选择换热管管板上的排列方式有正方形排列、转交正方形排列、正三角形排列、转角正三角形排列，如下图所示。结合本任务实际情况，选用正三角形和正

9、方形错列排列。3.流动空间及流速确定由于循环冷却水较易结垢，为方便清洗，水走管程，煤油走壳程的碳钢管，选用的碳钢管，流速4.确定物性参数9煤油：水：四、工艺计算1.估算换热面积1.1计算总传热系数煤油的质量流量：0热流量：平均传热温差：冷却水用量：总传热系数K：其中，内径外径平均直径换热器壁厚设管内流速管程对流传热系数：根据进料类型及相关物性参数，通过查表，估取碳钢的导热系数污垢热阻：内侧外侧1.2计算换热面积考虑15%的面积裕度2.管径和管内流速选用的碳钢管，管内流速取3.管程和传热管数（根）按单管程设计，需传热管长度为：按单管程设计，传热管过长，现取管长为6m，则（管程）则传热管数总根数（

10、根）4.平均传热温差校正及壳程数平均温差校正系数计算如下：按单壳程，双管程，查表可知：平均传热温差5.传热管的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，隔板两侧用正方形排列。取中心管距=1.25d，则t=1.25隔板中心到离其最近一排管心距各程相邻的管心距为管数分程方法每程各有管（根）横过管束中心线管数（根）6. 壳体内径4管程，壳体内径7.折流板采用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折流板间距可取折流板数目（块）8.接管壳程流体进出口接管，取接管内流速为 接管内径接管内径9.换热器核算9.1校核传热面积9.1.1壳程对流体传热系数管路按正三角形排列，传热当

11、量直径为壳程流通截面积：壳体流体流速及其雷诺数分别为：普朗特数黏度校正则壳程传热膜系数：9.1.2管程对流传热系数管程流通截面积壳体流体流速及其雷诺数分别为：普朗特数9.1.3总传热系数K9.1.4传热面积校核实际传热面积换热器的裕度面积为：传热面积裕度合适，该换热器能完成生产任务。9.2流动阻力校核9.2.1管程流动阻力（Ft结垢校正系数，Np管程数，Nq壳程数）取换热管的管壁相对粗糙度为0.005mm，而，得管程对的管子有9.2.2壳程流动阻力（Fs为结垢校正系数，对液体Fs=1.15，Nq为壳程数）流体流经管束的阻力F为管子排列方式对压强降的校正系数，正三角形排列F=0.5为壳程流体的摩

12、擦系数，当为横过管束中心线的管数，折流板间距，折流板数流体流经折流板缺口的阻力该换热器的管程与壳程压降均满足要求，故所设计的换热器合适。9.3换热器基本参数换热器基本参数表管程壳程流率/(Kg/h)79101.9816000温度进/出/30/40140/50密度/（Kg/m3）994810热容/（kJ/（Kg·）4.1872.3黏度/(Pa·s)0.727×10-30.91×10-3导热系数/(W/(m·)0.6260.13普兰特数4.8616.1设备结构参数型式浮头式台数1壳体内径/mm600壳程数1管径/mm25×2.5管心距/m

13、m44管长/mm6000管子排列正三角形四边形组合排列管数目/根160折流板数/个32传热面积/m268折流板间距/mm180管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s)5.03.0传热膜系数/(W/(m2·)7606.36569.3污垢热阻/(m2·)/W)0.0003440.000172阻力损失/kW90988.753933.65传热系数/(W/(m2·)7686.7386.9裕度/%17.69%五、换热器机械设计1.换热器壁厚设计与液压实验筒体选择碳钢Q235-A，则，采用双面焊缝则，圆取后常温下的屈服强度为235MPa，故校核成功。2.封头封头材料

14、选用Q235-A采用标准椭圆形封头（a/b=2），K=1，圆取后取封头总高（）根据JB/T4746-2002选取，直边高度，曲面高度，厚度3.管板壳体与管板采用焊接形式，管板兼做法兰。管板材料选用16Mn4.容器法兰选用甲型平焊法兰（JB/T4701-2000）PN=1.6Mpa，DN=600，t=32mm法兰强度校核：甲型法兰最大允许工作压力表在温度小于200时16MnR工作压力是1.6MPa符合要求，故选择16MnR采用耐油石棉橡胶垫板，JB/T5395.接管尺寸5.1壳程接管壳程接管内径，取公称直径，公称压力，查表（YB231-70）接管伸长度，接管尺寸为5.2管程接管管程接管内径，取公

15、称直径，公称压力，查表（YB231-70）接管伸长度，接管尺寸为6.接管法兰 参数管程接管DN=80壳程接管DN=65法兰外径100100螺栓孔中心圆直径7070螺孔（18mm）M16M16法兰厚度C18mm18mm法兰内经48487.折流板 折流板厚度 mm切口尺寸 mm板间距 mm折流板个数1015018032采用圆缺型挡板，取折流板间距，折流板数为32块，切口尺寸h为，查表得折流板尺寸，材料为Q235-A碳钢8.拉杆 公称直径 mm拉杆直径 mm最小拉杆数600 mm12 mm8拉杆选用，共8根，材料为Q235-A·F钢拉杆示意图参考文献：1夏清 ,陈常贵.化工原理（上、下）M

16、.天津：天津大学出版社，20052化工原理教研室选编.化工原理课程设计.齐市：齐大，20083中华人民共和国国家标准，管壳式换热器，GB151-19994中华人民共和国行业标准，压力容器法兰，JB/T47004707-20005中华人民共和国国家标准，钢制压力容器，GB150-19986柴诚敬等.化工原理课程设计.天津：天津科学技术出版社，19957样祖荣.化工原理.北京：化学工业出版社，2004附录1：主要符号说明- 18 -英文字母S0传热面积，m2 ；S换热器的实际传热面积，m2 ；CPh煤油热容，kJ/kg· ；CPc冷却水比热容，kJ/kg· ； de壳程当量直径

17、，mm ；di管子内径，mm ； do管子外径，mm ；Di换热器内径，m ；h折流挡板间距，m ；K传热系数， W/m2· ； Ko总传热系数，W/m2·；L管长，m ；l单程管长， m ；ns单程管子数目 ；NB折流板数 ；Np单壳程的管程数 ；Ns壳程数 ；P,R因数 ；Pri管程普兰特准数 ；Pro壳程普兰特准数 ；Rei管程雷诺准数 ；Reo壳程雷诺准数；t管心距，m ；t1冷流体进口温度， ；t2冷流体出口温度，；T1热流体进口温度，；T2热流体出口温度，； ui管内流体流速，m/s ；uo壳程流速，m/s ；希腊字母i管程对流传热系数，W /m2· ；o壳程对流传热系数，