煤油冷却器设计

河西学院HexiUniversity化工原理课程设计题目:煤油冷却器设计学院:化学化工学院专业:化学工程与工艺学号:2014210033姓名:张冠雄指导教师:王兴鹏2016年11月21日化工原理课程设计任务书一、设计题目煤油冷却器的设计二、设计任务及操作条件1.设计任务生产能力（进料量）25000吨/年操作周期7200小时/年2.操作条件煤油入口温度120℃，出口温度40℃冷却介质自来水，入口温度20℃，出口温度40℃允许压降≦105Pa冷却水温度20℃饱和水蒸汽压力0.25Mpa(表压)3.设备型式列管式换热器4.厂址上海（压力：1atm）三、设计内容1.设计方案的选择及流程说明2.换热器的工艺计算3.换热器的主要尺寸设计4.辅助设备选型5.设计结果汇总6.绘制换热器总装配图：主视图、俯视图、剖面图、两个局部放大图7.设计评述煤油冷却器设计作者：张冠雄摘要：换热器在许多行业中有非常重要的地位，尤其是在化工、石油、等行业中。本次课程设计的任务是设计年处理25000吨煤油的煤油冷却器，采用列管式换热器。设计过程包括方案确定、换热器结构选择、主要换热设计计算并绘制列管式换热器的装配图。通过热量核算，压力降的核算以及面积裕度的求解，该换热器能够完成设计任务。关键词：列管式换热器折流板法兰管板煤油水1概述1.1化工原理课程设计的目的、要求课程设计是化工原理课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性的初步尝试，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工设计的初步训练通过课程设计，要求学生了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的主要程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使学生树立正确的设计思路，培养实事求是、严肃认真、高度负责的科学作风。课程设计是学生展示创新能力的有益实践。在设计中需要学生作出决策，即自己确定方案、选择流程、查阅资料、进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析和比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力、增强学生创新意识的环节。通过课程设计，应该提高以下几个方面的能力：熟悉查阅文献资料、搜索有关数据、正确选用公式。当缺乏必要数据时，尚需通过实验测定或到生产现场实际查定。在兼顾技术上先进性、可靠性、经济上合理性的前提下，综合分析设计任务的要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过程正常。安全运行所需要的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施。准确而迅速地进行过程设计计算及主要设备的工艺设计计算。用精练的语言、简洁的文字、清晰地图表来表达自己的设计思想和计算结果。1.2列管式换热器及其分类列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连接管处进入，在管流动，从封头的另一接管处流出，这称之管程；另一种流体由管壳的接管进入，从壳体的另一接管处流出，这称之为壳程。列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要由以下几种：⑴固定管板式换热器：这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为了安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60~70℃和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6MPa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。⑵浮头式换热器换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗：管束的膨胀不受壳程约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。⑶U型管式换热器U型管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块板上，每根管子节课自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。⑷填料式换热器这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。1.3换热器的设计要求随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：⑴合理地实现所规定的工艺条件；⑵结构安全可靠；⑶便与制造、安装、操作和维修；⑷经济上合理。1.4符号说明英语字母：希腊字母：A——流通面积，m2α——对流传热系数，W/（m2∙℃）b——厚度，mδ——相邻板间间距，mcp——定压比热容，kJ/(kg∙℃Δ——有限差值d——管径，mλ——导热系数，W/（m2∙℃）D——换热器壳径，mλ——摩擦系数f——摩擦因数μ——pf——温度校正系数ρ——密度，kg/m3F——系数ψ——校正系数g——重力加速度，m/s2h——挡板间距，mK——长度，mL——长度，mn——指数下标：n——管数c——冷流体n——程数e——当量N——程数h——热流体Nu——努赛尔特数i——管内P——压强，pm——平均P——因数o——管外pr——∆t——温度差q——热通量，Ww——壁面Q——传热速率，Ws——污垢r——半径，ms——饱和r——汽化热，kJR——热阻，mR——因数Re——S——面积，mt——冷流体温度，℃t——管心距，mT——热流体温度，℃u——流速，m/sw——质量流量，kg2确定设计方案2.1设计任务年处理25000吨煤油的没有冷却器⑴煤油：入口温度120℃，出口温度40℃⑵冷却介质：自来水；入口温度：20℃，出口温度：40℃⑶允许压降：≤105Pa⑷每年按7200小时计算，每天24h连续运行2.2列管式换热器形式的选择由于煤油和自来水两流体定性温度差等于50℃，根据各类型列管式换热器的优缺点，故选用带膨胀节的固定管板式换热器。2.3管壳程的选择⑴宜于通入管内空间的流体①不清洁的流体。因为在管内空间得到较高的流速并不困难，而流速高，悬浮物不易沉积，且管内空间也便于清洗。②流量小的流体。因为管内空间的流动截面往往比管外空间截面小，流体易于获得必要的理想流速，而且也便于做成多程流动。③有压力的流体。因为管子承受能力强，而且还简化了壳体密封的要求。④腐蚀性能强的流体。因为只有管子及管箱才需用耐腐蚀性材料。而壳体及管外空间的所有零件均可用普通材料制造，所以价格可以降低。此外，在管内空间装设保护用的衬里或覆盖层也比较方便，并且容易检查。⑤与外界温差大的流体。因为可以减少热量逸散。⑵宜于通入管间空间的流体①当两流体温度差较大时，α值大的流体走管间，这样可以减少管壁与壳壁间的温度差，因而也减少了管束与壳体间的相对伸长，故温差应力可以降低。②若两流体传热性能相差较大，α值小的流体走管间。此时可以用翅片管来平衡传热面两侧的给热条件，使之相互接近。由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，本次设计应使循环水走管程，油品走壳程。2.4流体流速的选择提高流体在换热器中的流速将增大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，降低了污垢热阻，使总传热系数增加，所需传热面积减少，设备费用降低。但是流速增加，流动阻力将相应加大，使操作费用增加。所以适宜的流速应通过经济核算确定。此外，流速还应使换热器管长或管程适当。因为一方面管子太长，不易清洗，且一般管长都有一定标准。另一方面管程增加，将导致管程流体阻力加大，增加动力费用，同时平均温差较单程管时减小，降低传热效果。因此，选用∅25×2.5的碳钢管，管内流速取u3列管式换热器的结构3.1管程结构⑴管子在管板上的固定管子与管板连接方法有两种：胀接与焊接。在高温高压时也常采用胀焊结合的方法。胀接是利用胀管器使管端发生塑性变形，管板孔产生弹性变形。取出胀管器后管板孔弹性收缩，管板与管子之间就会产生一定的挤紧压力，从而达到密封和牢固连接的目的。对于高温高压流体，多采用焊接法。焊接法比胀管法有更大的优越性：管板孔加工要求低，加工简便；焊接强度高，在高温高压下仍能保持连接的紧密性等。当流体压力高、渗透性强，或一侧有腐蚀性介质时，要求管子与管板的连接处绝对不漏，可用账焊结合的方法。本次设计管子在管板上的固定采用焊接。⑵管子的排列固定管板式多采用正三角形排列：正三角形排列结构紧凑。浮头式则以正方形错列居多：正方形排列便于机械清洗。对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。本次设计选用∅25×2.5的碳钢管，管子排列为正三角形排列，管心距为32mm⑶管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来，管板与管子的连接可用胀接和焊接。固定管板常采用不可拆连接。两端管板直接焊在外壳上并兼作法兰，拆下顶盖可检修胀口或清洗管内。浮头式，U型管式等为使壳体便于清洗，常采用板夹在壳体法兰和顶盖法兰之间构成可拆连接。本次设计采用不可拆连接。查得管板厚度为38mm。⑷封头和管箱封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。①封头当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰和螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。②管箱壳径较大的换热器大多采用管箱结构。管箱具有一个可拆盖板，因此在检修或清洗管子时无须卸下管箱。③分程隔板当需要的换热面积很大时，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。3.2壳程结构⑴壳体列管式换热器的壳体基本上呈圆筒形，壳壁上焊有接管。直径小于400mm通常直接采用钢管制成：大于400mm时用钢板卷焊而成。在壳程进口接管处常装有防冲板或称缓冲板，以防止进口流体直接撞击管束上的管排，因为流体的撞击会侵蚀管子，并引起振动。采用导流体装置不仅能起防冲板作用，而且还可以改善两端的流体分布，提高传热效率。导流体不仅用于进口，还可以用于出口。大型换热器在高流速下工作时，导流筒更显示出其优越性。换热器壳体内径应等于或略大于管板直径。壳体内经计算式：D=1.05aN/η式中D——壳体内经a——管中心距，焊接法a=1.25do，do为传热管外径η——管板利用率，这里取0.7N——传热管总根数⑵折流挡板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程度，致使壳程对流传热系数提高。另外，折流挡板还起了支撑管子的作用，防止管束振动和弯曲。折流挡板的形式有圆缺形，环盘形和孔流形。折流板的间隔，在允许的压力范围内希望尽可能小。一般推荐的折流板的间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50mm，最大值决定于支持管所必要的最大间隔。本次设计折流挡板间距为90mm。⑶缓冲板在壳程进口接管处常装有防冲挡板，或称缓冲板。它可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动，还有是流体沿着管束均匀分布的作用。还有的在管束两端放置导流筒，这不仅起防冲板的作用，还可改善两端流体的分布，提高传热效率。⑷其他主要附件①旁通挡板如果壳体和管束间间隙过大，则流体不通过管束而通过这个间隙旁通，故往往采用旁通挡板。②假管为减少管程分程所引起的中间穿流的影响，可设置假管。③拉杆和定距管为了使折流板能牢靠的保持在一定位置上，通常采用拉杆和定距管。4列管式换热器的设计计算4.1计算步骤⑴确定设计方案①由上述诸多条件，初步选用带膨胀节的固定管板式换热器②由于循环水易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用∅25×2.5的碳钢管，管内流速取u⑵确定物性参数定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程油的定性温度为

管程流体的定性温度为

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关数据。煤油在80℃下的有关物性数据如下：密度ρ定压比热容c导热系数λ粘度μ循环冷却水在30℃下的物性数据：密度ρ定压比热容c导热系数λ粘度μ4.2计算传热系数⑴热流量

Q=176(kW)⑵平均传热温差⑶冷却水用量q⑷总传热系数K管程传热系数：α壳程传热系数：假设壳程传热系数α污垢热阻Rsi=0.0002m管壁的导热系数λ=45W/4.3计算传热面积S考虑15%的面积裕度，S=1.15×5工艺结构尺寸的计算5.1管径和管内流速选用∅25×2.5传热管（钢管），取管内流速u5.2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。n按单程管计算，所需要的传热管长度为按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=4.5m，则该换热器管程数为：

N传热管总根数N=14×4=565.3平均传热温差校正系数按单壳程，四管程结构，温差校正系数查有关图表得φ∆t平均传热温差∆5.4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a=1.25d管板两侧管心距为44（mm）横过管束中心线的管数n5.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体内径为：D=1.05aNη=1.05×32圆整可取325mm5.6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=0.25×325=81.25mm，故可取取折流板间距B=0.3D，则B=0.3×325=97.5（mm），可取B折流板数NB=传热管长/折流板间距折流板圆缺面水平装配。5.7接管壳程流体进、出口接管：取接管内油品流速为1.0m/s，则接管内径为：取标准管径为∅45mm×3mm。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：取标准管径为∅50mm×4mm6换热器核算6.1热量核算⑴壳程对流传热系数。对圆缺性折流板，可采用凯恩公式：当量直径，由正三角形排列得：d壳程流通面积：S壳程流体流速及雷诺系数分别为：uRe普兰特准数：p黏度校正：

α⑵管程对流热系数：α管程对流截面积：

S管程流体流速：Re普兰特准数：

pα⑶传热系数K6.2面积核算⑴传热面积S⑵该换热器的实际传热面积SS⑶该换热器的面积裕度为：传热面积合适，该换热器能够完成生产任务。6.3换热器内流体的流动阻力⑴管程流动阻力Ns=1，N由Re=5967，传热管相对粗糙度0.01/20=0.005，查莫狄图得λi=0.04流速ui=0.24管程流动阻力在允许范围内。⑵壳程阻力Ns=1，F①流体流经管束的阻力：F=0.4fnc=8，NB=49，uo=0.21②流体流过折流板缺口的阻力：∆pB=0.09（m），D=0.3（m）∆p总阻力壳程流动阻力也比较适宜。7换热器主要结构尺寸和计算结果换热器形式固定管板式换热面积/m216.73工艺参数名称物料名称操作压力/MPa操作温度/℃流量/（kg/h）管程循环水0.420/407547壳程油0.3120/403472流体密度/kg/995.7781流速/（m/s）0.240.21传热量/kW176总传热系数/W333传热系数/W1464599污垢系数/m0.00020.00017阻力降/MPa0.001920.005137程数41推荐使用材料碳钢碳钢管子规格∅管数56管长4500mm管间距/mm32排列方式正三角形折流板形式上下间距/mm90切口高度25%壳体内径/mm3258其他部件的选择⑴封头管箱采用标准椭圆封头与筒体短节焊接的组合体，及分程挡板。分程挡板厚度8mm，分程形式如图1所示（隔板两侧管心距c=44mm）：图1分程示意图其中标准椭圆封头EHA的内径di=325mm，厚度δn=8mm，查标准有直边高度h=25mm。筒体短节取其长度L=200mm由校核其厚度满足要求。如图2所示封头形式：图2封头形式h=25mm，，H=106.25mm，DD=325mm，δ=8mm。⑵法兰管板厚度h=38mm，兼作法兰，其尺寸要求与容器法兰对应。管板（带法兰）各尺寸及标准如图3所示：图3管板法兰示意图其中：D=460mm，D1=410mm，D2=309mm，D4=363mm，bf=24，d=25mm，b=38mm。配套螺母规格为M22，数量12⑶其他附件：根据容器要求按照标准选取膨胀节及支座等部。9设计评价本次课程设计是根据生产年处理25000吨煤油的煤油冷却器。通过计算试差校核最终确定选用固定管板式列管式换热器，采用一壳程四管程的换热方式。共用换热管56根，采用正三角形排列方式，换热面积为16.73m2；筒体内径325mm此次化工原理课程设计过程历时三个星期，在设计过程中不断优化，往复计算，过程比较繁琐。确定冷热流体的管程分布→根据题目已知条件确定相应定性温度下各物性值→计算热负荷Q→确定总传热系数：假定流速及总传热系数，计算换热面积进行优化校正，计算实际传热系数及换热面积，进行换热器管壳程的选型→校核传热系数及换热面积，使得面积裕量为10%~30%这次