煤油冷却器的课程设计

第13页共15页板式换热器设计任务书设计题目：煤油冷却器的设计二、设计任务1、处理能力：19.8×104t/年煤油2、设备型号：列管式换热器3、操作条件：煤油:入口温度140℃，出口温度40℃冷却介质：循环水，入口温度30℃，出口温度38℃允许压降：不大于105Pa每年按330天计建厂地址：广西三、设计要求1、选择适宜的列管式换热器并进行核算2、要进行工艺计算3、要进行主体设备的设计（主要设备尺寸、横算结果等）4、编写设计任务书5、进行设备结构图的绘制（用420*594图纸绘制装置图一张：一主视图，一俯视图。一剖面图，两个局部放大图。设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏。）化工原理课程设计说明书题目：列管式换热器的设计系别：班级：学号：姓名:指导教师：日期：2009年1月5日目录一、设计方案 5⒈换热器的选择 52．流动空间及流速的确定 5二、物性数据 5三、计算总传热系数： 61.热流量 62.平均传热温差 63.冷却水用量 64.总传热系数K 6四、计算换热面积 7五、工艺结构尺寸 71.管径和管内流速 72.管程数和传热管数 73.平均传热温差校正及壳程数 84.传热管排列和分程方法 85.壳体内径 86.折流板 87.接管 8六、换热器核算 91.热量核算 92.热量重新核算 103.换热器内流体的流动阻力 114.换热器主要结构尺寸和计算结果 13七、设计的评述 14八、参考文献 14九、主要符号说明 15十、主体设备条件图及生产工艺流程图 15一、设计方案1换热器类型的选择在本次设计任务中，两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体(循环水)进口温度30℃，出口温度38℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。2、流动空间及流速的确定在固定管板式式换热器中，对于流体流径的选择一般可以考虑以下几点：(1)

不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。(2)

腐蚀性的流体宜走管内，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)

压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。(4)

饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。(5)

被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。(6)

需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，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)

粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=1m/ｓ。二、确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程煤油的定性温度为T=(140+40)/2=90(℃)管程流体的定性温度为t=(30+38)/2=34℃)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90℃下的有关物性数据如下：密度ρo=825kg/m3定压比热容cpo=2.22kJ/(kg·℃)导热系数λo=0.140W/(m·℃)粘度μo=0.000715Pa·s循环冷却水在34℃下的物性数据：密度ρi=994kg/m3定压比热容cpi=4.174kJ/(kg·℃)导热系数λi=0.626W/(m·℃)粘度μi=0.000725Pa·s三、计算总传热系数1热流量m=198000000kg/330*24*2=12500kg/hQo=moCpoΔto=12500×2.22×(140-40)=2.775×106kJ/h=770.8(kW)2平均传热温差△tm===39.6(℃)3冷却水用量Wi===83104(kg/h)4总传热系数K管程传热系数Re===27421Pri===4.83αi=0.023Re0.8Pri0.4=0.023(27421)0.8(4.83)0.4=4800.8W/(m2·℃)壳程传热系数假设壳程的传热系数αo=290W/(m2·℃)；污垢热阻Rsi=0.000344m2·℃/W,Rso=0.000172m2·℃/W管壁的导热系数λ=45W/(m·℃)==228.7W/(m·℃)四、计算传热面积S’===85.1(m2)考虑15％的面积裕度，S=1.15×S′=1.15×85.1=97.9(m2)。五、工艺结构尺寸1管径和管内流速选用ф25×2.5传热管(碳钢)，取管内流速ui=1m/s。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ns===73.96≈74根按单程管计算，所需的传热管长度为L===16.85m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NP===4(管程)传热管总根数N=74×4=296(根)3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数R==12.5P==0.073按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一图线，可得φΔt=0.97

平均传热温差Δtm=φΔtΔ′tm=0.97×39.6=38.4(℃)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t=1.25dO，则t=1.25×25=31.25≈32(mm)横过管束中心线的管数nC=1.19=1.19=21(根)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=1.05t=1.05=690mm圆整可取D＝700mm6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＝0.25×700＝175(mm)。取折流板间距B＝0.3D，则B＝0.3×700＝210(mm)折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=4500/210-1=20(块)折流板圆缺面水平装配。7接管壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为u＝1.0m/s，则接管内径为d===0.073m取标准管径为80mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u＝1.5m/s，则接管内径为d===0.14m取标准管径为150mm.六、换热器核算1热量核算①壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式αo=0.36Reo0.55Pr1/3()0.14当量直径，由正三角形排列得(m)壳程流通截面积So=BD(1-)=0.21=0.03216(m)壳程流体流速及其雷诺数分别为uo==0.131m/sReo==3023普兰特准数Pr==11.34粘度校正αo=0.3630230.5511.341/3=464.7W/(m2·℃)②管程对流传热系数管程流通截面积Si=0.785=0.0232(m2)管程流体流速Ui==1.001m/sRei==27448普兰特准数Pr==4.83αi=0.023(27448)0.8(4.83)0.4=4804.6W/(m2·℃)③传热系数K==325.1W/(m·℃)传热面积S===61.7(m2)该换热器的实际面积Sp==3.14*0.025*4.5*(296-21)=95.7(m2)该换热器的面积裕度为H==(95.7-61.7)/61.7=55.1%2重新核算由以上算式可看出传热面积裕度过大，所以需要重新取数据计算。考虑15％的面积裕度，S=61.71.15=71m2按单程管计算，所需的传热管长度为L===12.2m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=6m，则该换热器管程数为NP===2(管程)传热管总根数N=74×2=148(根)则横过管束中心线的管数nc=1.19=1.19=14.47=15(根)取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为D=1.05t=1.05=488.6mm圆整可取D＝500mm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＝0.25×500＝125(mm)。取折流板间距B＝0.3D，则B＝0.3×500＝150(mm)折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=6000/150-1=39(块)再次进行换热器有关参数核算:S0=0.01641m2uo=0.256m/sReo=5907.7αo=671.8W/m2.ocαi=4804.6W/m2.ocK=414.5W/(m2.oc)传热面积S===48.4m2该换热器的实际传热面Sp==3.14*0.025*6*(148-15)=62(m2)该换热器的面积裕度为H==(62-48.4)/48.4=28.1%传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。3换热器内流体的流动阻力①管程流动阻力∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)FtNsNpNs=1,Np=2,Ft=1.5由Re＝27448，传热管相对粗糙度0.01/20＝0.005，查莫狄图得λi＝0.035W/m·℃，流速ui＝1m/s，ρ＝994kg/m3，所以=5218.5Pa=1491Pa=20128.5<105Pa管程流动阻力在允许范围之内。②壳程阻力∑ΔPo=(ΔP1′+ΔP2′)FtNsNs＝l，Ft＝l流体流经管束的阻力F=0.5=0.6903=39uo=0.256=5599.2流体流过折流板缺口的阻力B=0.15D=0.5=3057.5总阻力∑ΔPo＝5599.2＋3057.5＝8656.7(Pa)＜105kPa壳程流动阻力也比较适宜。换热器主要结构尺寸和计算结果(见表格一)选用2个12.5t/h生产能力且并联在一起的换热器以满足生产任务。表格一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（m2）:62工艺参数名称管程壳程管子规格ф25×2.5管数148管长mm:6000物料名称：循环水煤油管间距mm32排列方式正三角形操作压力，MPa0．40．3折流板型式上下间距mm150切口高度25%操作温度，℃30/38140/40壳体内径mm500保温层厚度，mm

流量，kg/h8310412500管口表流体密度，kg/m3994825符号尺寸用途连接型式流速，m/s1．0010．256aDN80循环水入口平面传热量，kW770．8bDN80循环水出口平面总传热系数，W/m2·K414．5cDN50煤油入口凹凸面传热系数，W/m2·K4804．6671．8dDN50煤油出口凹凸面污垢系数，m2·K/W0.0003440.000172eDN20排气口凹凸面阻力降，MPa0.02013750.0086567fDN20放净口凹凸面程数21推荐使用材料碳钢碳钢七、设计的评价这次化工原理课程设计是以小组为单位，然后组员进行分工合作来确定实验方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备的计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。通过本次设计，我学会了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，以及如何计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。通过课程设计可以巩固对主体设备图的了解，以及学习到工艺流程图的制法。对化工原理设计的有关步骤及相关内容有一定的了解。通过本次设计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。在设计的过程培养了大胆假设，小心求证的学习态度。通过本次课程设计，我还认识到，组员之间一定要多沟通，多交流意见，要不然，一个人的能力再怎么强，在团体工作中也是不能够出色完成设计任务。但由于本课程设计属第一次设计，而且时间比较仓促，查阅文献有限，本课程设计还不够完善，不能够进行有效可靠的计算。最后，非常感谢我的同组人员，正是有他们在一起讨论，有了他们的帮助，才使我更快更顺利地在较短时间内完成本设计。八、参考文献[1]贾绍文，柴诚敬.化工原理课程设计.天津:天津大学出版社,2002.8.[2]谭天恩,窦梅,周明华等.化工原理.北京:化学工业出