煤油冷却器的设计----原版

1、课程设计任务书设计题目煤油冷却装置的设计一. 设计要求：1. 处理能力：(32.4 X 104)吨/年煤油2. 设备型式：列管式换热器二. 操作条件：(1) 煤油入口温度140C，出口温度40C;(2) 冷却介质自来水，入口温度30C，出口温度40C;(3) 允许压强降不大于105Pa;(4) 煤油定性温度下的物性数据：密度为 825kg/m3,粘度为7.15 X10 4Pa.s,比热容为 2.22kj/(kg. C)，导热系数为 0.14W/(m. C) 每年按330天计，每天24小时连续运行。三. 设计项目2.1.选择适宜的列管换热器并进行核算。绘制带控制点的工艺流程图、主体设备图(含列管

2、布置图)、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。根据不同的目的，换热器可以是热交换器、加热器、 冷却器

3、、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。二、关键字煤油，换热器，列管式换热器，固定管板式目录一、概述 1二、工艺流程草图及设计标准 12.1工艺流程草图 12.2设计标准 2三、换热器设计计算 23.1确定设计方案 23.1.1选择换热器的类型 23.1.2流体溜径流速的选择 23.2确定物性的参数 33.3估算传热面积 33.3.1热流量 33.

4、3.2平均传热温差 33.3.3传热面积 33.3.4冷却水用量 43.4工艺结构尺寸 43.4.1管径和管内流速 43.4.2管程数和传热管数 43.4.3平均传热温差校正及壳程数 43.4.4传热管排列和分程方法 53.4.5壳体内径 53.4.6折流板 53.4.7 接管3.5换热器核算63.5.1热流量核算 63.5.1.1壳程表面传热系数 63.5.1.2管内表面传热系数 73.5.1.3污垢热阻和管壁热阻 73.5.1.4计算传热系数Kc 73.5.1.5换热器的面积裕度 83.5.2换热器内流体的流动阻力 83.5.2.1管程流体阻力 83.522壳程阻力 8四、设计结果设计一览

5、表 10五、设计自我评价 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固定管板式

6、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。管子受热时，管束连同浮

7、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a T Td泵2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(1) JB1145-73列管式固定管板热交换器(2) JB1146-73立式热虹吸式重沸器(3

8、) 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( 4)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标准 JB4732-95 钢制压力容器分析设计标准(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三、换热器设计计算3.1 确定设计方案3.1.1 选择换

9、热器的类型本次设计为煤油冷却器的工艺设计，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 30r，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

10、 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 ui=1.0m/s, 管子选25 2.5mm的较好级冷拔换热管(换热管标准：GB81633.2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：14040290C)煤油90C下的物性数据:30 40235 ( C)根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据煤油在90C下的有关物性数据循环冷却水在35 C下的物性数据密度3p o=825 kg/m密度p i=994 kg/m3定压比热容Cpo=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)

11、导热系数入 i=0.626 W/(m K)粘度卩 o=0.000715 Pa s粘度卩 i =0.000725 Pa s3.3、估算传热面积3.3.1热流量m=419.8 103002427500(kg/h )Q=mCp。t=27500X 2.22 X (140 -40)=6.15 X 106kJ/h=1695.8 kW3.3.2平均传热温差t1t2(14040)(4030)Int1t214040ln -403039( C)3.3.3传热面积假设壳程传热系数：a 0=400 W( m?C),管壁导热系数 入=45 W( m?C)则K=298.7W/(m K),则估算面积为：S' =Q/

12、(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w.Q0CPi ti6. 10510634. 08103(4030)149632 4 (kg/h )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u= 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nsqV149632. 4 / 3600idi 2ui0. 7850. 022994=88.78 89 (根)1.5按单程管计算，所

13、需的传热管长度为:167. 783. 140. 02589=24( m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/l=24/6=4传热管总根数：Nt=89X 4=356 (根)3.4.3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 At m =0.82 X3 9=32 (°C)由于平均传热温差校正系数大于

14、0.8，同时壳程流体流量较大，故取単壳程合适。344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=1.25d0，则t=1.25 X 25=31.25 32(mn)横过管束中心线的管数nc 1.19 . N 1.19.356 2(根)3.4.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率 n= 0.7，则壳体内径为；N356D=1.051.0532丽=757.7 (mm)按卷制壳体的进级挡，圆整可取 D=800mm3.4.6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h = 0.25 X 800=200 (mm折流

15、板间距B=0.3D,则B=0.3X 800=240mr取 250mm折流板数N沪传热管长-1= 6000-1=23 (块)折流板间距250块丿3.4.7接管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:427500°=託3.丄36；0。825)1.10 (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4149632 4(3600994)D193 mm23. 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壳程表面传热系数可采用克恩公式：0. 140.5513o00.

16、 36Re0Pr 3 0dew当量直径，由正三角排列得:4( de=d04 ( 0. 03220.785 0. 0252)3. 140. 025.020 (m壳程流通截面积:S。BD1 牛)°8 °25 (1 黑I"044(矗壳程流体流速及其雷诺数分别为:275000. 21(m/s)u0=(3600 825)0. 0440. 020.21825Re=48460.000715普朗特准数Pr=10715100. 14011. 34 ；0.141粘度校正a=0. 360. 1400. 024846°. 552=1013.57 W/(m-K)3.5.1.2管内

17、表面传热系数a 0. 023Re0'8 Rr0'4di管程流体流通截面积：S =0.785 X 0.022 X 356/4=0.028 (吊)管程流体流速及其雷诺数分别为：149632.4/( 3600994)Ui=1.499 ( m/s)0. 0279Re=0.°2 h4990. 000725994 =40939.1011普朗特准数pr=_107250. 62610 64. 73a=0.023 X0. 6260. 0240939.1 0.84. 730.4 =6560.4 W/ (m 2 K)3.5.1.3污垢热阻和管壁热阻查有关文献知可取：管外侧污垢热阻R0=0.

18、000172 m 2 K/W管内侧污垢热阻Ri=0.000344m K/W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doidiRsido dibdodi0.0256560. 40. 0200. 000340. 0250. 00250. 0250. 0200. 0225450. 0001721013 57=436.9 W/ (m- C)计算传热面积S:S= = 1695.8103 =121.3 ( m)K t m 436. 932该换热器的实际传热面积:Sp = d0L(Nnc) =3.14 x 0.025 x (6-0.06) x (356-

19、23)=155.273.5.1.5换热器的面积裕度H=Sp S x 100%炉 12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:艺 Pi= ( P1+AP2) NSNpFt;Ns=1, N p=4, Fs=1.4;l2 P1= i dT 专,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 ),流速 u=1.499m/s,p =994kg/m3，所以 R=0.038859941.2680.02 22-=10643.7

20、(Pa); P2=3 994=3130.5 (Pa)2艺 Pt= (10643.7+3130.5 ) x 1.4 x 1 x 4=77135.5 (Pa) <100 KPa管程流体阻力在允许范围之内。3.5.2.2壳程阻力艺 Po= ( R+A P2) FsNsFs=1.15 N=1 Pi= Ff 0nc(NB+1)UoF=0.5 f o=5X 41103.6-0.228=0.722nc=23N=23,U0=0.21m/s Pi=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 P2 =Nb (3.5-2B/D )2

21、U。2B=0.25m; D=0.8m ;故厶 R=23X( 3.5-2 X 0.25/0.8 ) X 825 X 0.22/2 1202 (Pa), 则总阻力： P°=3625+1202=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 200X6冷却循环水入口平面名称管程壳程 200X6冷却循环水出口平面物料循环水煤油 100X4煤油入口平面操作压力，MPa 100X4煤油出口平面操作温度，C30/40140/40流量，kg/h149632.46

22、.105X 106流体密度，kg/m3994.3825流速，m/s0.9930.0784热负荷，kW总传热系数，W/(m 2 -c )对流传热系数污垢热阻，m2 c /W压降，MPa程数推荐使用材料列管管子规格0 25X 2.51695.8263.94734350.40.0003440.0001720.02630.000370低碳钢低碳钢管数356管长，mm6000管间距，mm32排列方式正三角形图 附 57X 3.5 . -排气口平面折流板型式弓形水平间距，mm600切口咼度25%壳体内径，mm800五、设计自我评价作为化工专业的学生，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

23、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。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。通过设计不但巩固了对主体设备图的了解， 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，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。首先，本次设计能够顺利完成，离不开罗老师的悉心指导和耐心讲解，有了她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。老师传授给我们的专业知识是我们不断 成长的源泉，也是完成本设计的基础。在跟随老师学习的过程中，我们学到了掌握了全新而实 用的学术思想和设计方法。再次感谢罗老师在百忙之中抽出时间对本设计进行查阅和审核，我们在此表示衷心的感谢！本设计是我们第一次做化工原理课程设计，设计过程中我们逐步摸索， 反复推敲和修改，但鉴于只是水平有限，不足之处敬请老师给予指正。我们不胜感激！其次非常感谢我们的同学，