6万吨年煤油冷却器设计

绪论1.1煤油的来源煤油的名称来源于希腊keros，在18世纪只有在美国的Downer公司和北美GasLight公司把他们的灯油称作为煤油，直到最后才成为了通用的商标。1.2煤油的性质纯品煤油为无色透明液体，略具臭味，溶于醇及其他有机溶剂，易燃，与空气能够形成爆炸性的混合气体[1]。煤油的燃烧热的最高热值是46.2MJ/kg最低热值是43.1MJ/kg。1.3煤油的用途在加热和照明运用，曾经的煤油燃料主要使用在灯笼和煤油灯上。它是替代了鲸油作为主要燃料，煤油也可能引发起火灾的危险性；在18世纪中期，纽约有将近40%的火灾事故是因为煤油灯而造成的。这一直是被使用到由现代的电灯泡和手电筒替换了它。在杀虫剂中煤油已经被发现可以有效的杀死大量的昆虫。并把它作为一种有效的杀虫剂煤油也可以使用在娱乐业中用于表演。工业中煤油可以从一些化工石油产品中提炼出来作为润滑剂，其燃烧的危险性较低。在石油产品用作溶剂于多种工业液体进行互溶，还可以用作陶瓷工业、金属表面化学热处理等工艺上用油。在药用中煤油可以被用来储存晶体在x-射线晶体学中，也可用作橡胶和制药工业的溶剂。在运输上，在20世纪拖拉机的燃料主要用煤油。开始发动时用的是汽油，启动之后就会转换成煤油作为其燃料。1.4煤油的毒性危害急性中毒：高浓度煤油蒸气被人体吸入会出现为浑身无力、头发痛、神志恍惚不清、身体会震颤；严重者会表现为意识模糊、无法进行辨识方向等；蒸气还可能引起呼吸道受到刺激，严重者会导致出现肺炎症状。如果处理不当时将会发展成为肺脓疡。摄入会引起咽喉、口腔一系列症状。慢性影响：其表现的症状为神经衰弱，呼吸受道刺激等一系列症状。1.5煤油的泄露处理应急人员应该穿上防止静电的专业服装，戴上能够自给式呼吸的专业设备。泄漏物应该进行挖坑填埋，泡沫来覆盖，防止流入到河流、下水道等这些影响到环境及居住的地方。收取的泄漏液可用泵进行转移至排污沟处理。残留的液体直接用砂土来吸收。1.6煤油的储运储存于通风、阴凉处，远离热源。禁止使用易产生火花的工具。罐储时要有一定的措施来防止火及爆炸。2换热器2.1换热器的简介在化工、石油、动力、制冷等行业中广泛使用各换热器，并且它们着占据一定的地位。在我国化工工业不断的发展下，能源的可利用、节约要求越来越严格，因此对换热器的设计及其他方面有了更多的要求[2]。如在换热器设计当中，首先要依据给定要求去选择合适的换热器，然后进行换热面积的计算，最后确定换热器的结构。列管式换热器在工业制造、能源设备行业等已被应用有很久，它的设计及其他已较完善。目前我国列管换热器的制造、设计、验收按钢制管壳式换热器（GB151）标准执行[3]。工业中设计是其建设的核心，又是科学研究转化成为现实的桥梁。它决定了现代工业化水平。而冷却器的设计，是将所学的化学，工程制图，化工原理等理论知识来计算设备的结构尺寸，以及其生产的工艺流程。另一方面，又要依据设计对象的具体特征对所选的设备，各种参数、进行合理的筛选达到经济合理的生产要求。2.2列管式换热器的种类目前广泛使用的列管式换热器有以下几类。2.2.1固定管板式换热器这类换热器的优点是便于制造所用的成本低，但是管外不能够进行机械清洗。另外此类换热器的管板是焊在外壳两端上，并且顶盖是直接焊在管板上的[4]。一般管束于其他装置是处于相互垂直的，同时管板、管子在外壳的焊接都是刚性的，不同温度的流体从管内、管外流走。因此，壳壁与管壁由于温差存在，产生温差应力，当温差应力很大会导至管子从管板上脱落，甚至换热器会损坏。为了防止这种现象则必须采用温差补偿装置，通常温差在50℃以上时，换热器装有温差补偿装置。一般壳程压强大于600kpa时，由于补偿圈过厚难以进行缩伸，没有了温差补偿的作用，就考虑其他结构[4]。图1固定管板式换热器2.2.2U型管式换热器U形管式换热器的优点是便于制造，较轻，通常是高温高压的条件下被采用，每根管子弯成U形可自由伸缩，两端固定在同一块管板上，从而解决热补偿问题但是管程至少要为两程[5]。缺点是管板上排列的管子少，内壁清洗困难，更换管子困难。图2U型管式换热器2.2.3浮头式换热器该换热器的优点：管束的膨胀不被约束，可以自由进行拉出；因此当两种介质的温差较大时，不会产生温差应力。其缺点为不便于制造成本较高。其中一块管板不与壳体焊接，另一块用法兰与壳体相连接，以使管子冷却或受热时能自由伸缩，但是在其管板上连接一个顶盖，称之为浮头，所以叫做浮头式换热器。图3浮头式换热器2.2.4填料函式换热器这类换热器优点是便于制造成本较低，管束一端可以进行自由膨胀。缺点是壳程内的密封不好，不能存有易燃、有毒的介质。图4填料函式换热器2.3换热器的发展趋势上世纪后期世界能源出现的危机，使传热技术得到进一步的提升。为了工业生产过程中的经济效益，要求能够开发具有高效能的换热器设备。由于能源的短缺，及可利用热源的温度逐渐降低，换热允许温差将要变得很小。伴随着工艺装置的高效率化和大型化其一方面要求换热器高精度的设计，同时成本较低。近年来，设备传热效果提升的开发，促进了新型高效换热器研究的发展，依据不同的换热工况设计制造出了一些不相同结构形式的新型换热器设备，并已在炼油工业、化工工业及空分各行业得到推广，并取得了较大的成果[6]。3设计方案的确定3.1选择换热器的类型给定的工艺参数有：循环水的进口温度为20℃，循环水的出口温度为30℃；煤油的进口温度为160℃，出口温度为60℃。该换热器使用循环冷却水冷却，通常设计时冷却水两端温度差可取为5~10℃，因此冷却水出口温度取为30℃。3.2流动空间及流速的确定为了便于清洗循环冷却水的结垢，应该管程走循环水，壳程中走煤油。选用的钢管型号为。减少污垢可能在管子表面上的沉积，则降低了污垢热阻，增大了总传热系数，从而使换热器的传热面积减少，流体在换热器中的流速增大，提高了对流传热系数。但是流速的增大使流动阻力随着其增大，相应的动力消耗就大。所以要通过经济核算才能确定适宜的流速。此外，在对流速选择时还应该考虑到设备结构上的要求。例如，选择的流速低，管子的数目会增加，对与传热面积的定值，不得不选择增加其程数或较长的管子。但太长的管子又清洗较困难，因此管子度有一定的标准；单程到多程会使减低平均温度。这些也是应该要考虑的要求。下表是一般使用的流速范围。所选时应该使其避免在层流状态。表3.1列管换热器内常用的流速范围流体种类一般液体易结垢液体气体管程流速（m/s）0.5～3>15～30壳程流速（m/s）0.2～1.5>0.53～15不同黏度液体在列管式换热器中的流速如下表所示。表3.2不同黏度液体在列管换热器中的流速液体粘度/mpa·s>1501500～500500～100100～3535～1<1最大流速0.60.751.11.51.82.43.3管材的选择温度及流体的腐蚀性依据温度、流体的耐腐蚀性等来选择合适换热器的材料。高温下的材料机械性能较差。目前常用的有低合金钢、碳钢、铜、聚四氟乙烯、石墨和铝不锈钢等材料[7]；一般采用的是不锈钢和碳钢：·不锈钢1Cr8Ni9为代表有稳定的奥斯体系组织，具备有优良的内酸碱性质。有色金属、不锈钢虽然耐腐蚀性比一般的好，但是成本较高且材料较少，故选择的材料为碳钢。·碳钢其优点：具备高强度，成本低，可以合理的在耐腐蚀性的环境中用，碱性的环境中其化学性质较稳定，一般用碳钢。3.4换热管与管板的连接管板与管子的之间采用的连接方式有：焊接，胀接，胀焊接。胀接用在管壳中介质渗漏造不成不良后果的情况下，适合用在制造厂的材料可焊性差的情况下。一定的塑性变形会产生在胀接管端处，存留着一部分残余应力，在温度逐渐上升的过程中，残余应力会渐渐消散，这起着使管端处会降低密封的作用，故胀接结构由温度和压力而变，通常采用于设计温度≤300度，设计压力≤4Mpa，且在操作中不具备强烈地震动，没有明显的应力腐蚀以及过大的温度变化程度。焊接连接优点：具备连接可靠的优点、简单、高效。通过焊接，让管子增强了管板；同时还有检修方便，降低加工要求等，故应优先采用。另外大气和介质混合易发生爆炸介质具有放射性，为了确保使接头密封，也经常采用焊接法，焊接法虽较好，但他并不具备能够完全避免焊接节点的缝隙腐蚀，且厚管板和薄管壁之间也很难得到牢固的焊缝。焊接法虽然比较胀接能够用更高的温度，但在循环应力的作用下，易发生疲劳导致裂纹出现，管孔、列管之间存在间隙，当介质侵蚀时，将会加速接头被报废。故有了胀接和焊接。这样不仅能增加接头的抗疲劳性能，还能减低缝隙腐蚀，从而增加寿命。焊、胀接并用的方法在什么场合下适宜使用，目前尚无统一标准。一般在压力很高而温度不太高或介质极容易渗漏，才采用强度胀加密封焊。在温度和压力都较高的情况下，用强度焊加贴胀。贴胀的作用是提高焊缝的抗疲劳性能、消除缝隙腐蚀。由于本换热器的工作压力为2.5Mpa，且为操作温度较低，综合考虑各种连接工艺的使用范围、性价比、优缺点，最终确定采用焊接法。3.5确定物性数据煤油的定性温度为，已知煤油在时的有关物性数据。水的定性温度为：。查表可得水在时的有关物性数据。表3.3物性数据表物质密度kg/m黏度/Pa.s比热容kJ/(kg·℃)导热系数W/(m.℃)煤油7740.00060452.330.107水9960.0008954.1870.6093.6计算相关的物理量TC"热流量"\fC煤油流量热负荷冷却水流量计算两流体的平均温度差暂按单壳程、多管程进行计算

而

查表得计算传热面积假设，故4工艺结构尺寸的计算4.1管径和管内流速选用的是传热管（碳钢）取管内水的流速。4.2管程数和传热管数按单程计算所需传热管的长度单程管计算，传热管过长，采用多管程结构。取则换热器的程数为所以传热管总根数根4.3传热管的排列和分程方法对于列管式换热器，标准的直径应该等于或稍小于换热器的壳体内径。用作图法来确定，其依据是算出的实际管径、管子、管数及管中心距的排列方法等。一般在设计中，先选定流体的流速，后算出换热器所需的壳程、管程的流通截面积。待设计完，管子排列图依然用作图法画出。为了防止流体走短流，使管子排列均匀，可以适当增减一些管子。另外，初步设计还可以用下式来算壳体内径，即式中——壳体内径，；——管中心距，：——横穿管束中心线上的管数；——管束中心线最外层管的中心到壳体内壁的距离，一般取。值可由下面公式估算，即管子正三角形排列管子按正方形排列式中为换热器的总管数。4.4换热管排布布管示意图换热管的排列形式（b）正三角形排列（a（b）正三角形排列（a）转角正三角形排列图5换热管标准排列形式选择正三角形排列。取管心距，则横过管束中心的管数为4.5壳体内径采用多管程结构，可取管板利用率，则壳体内径为取整壳体公称直径。4.6折流板安装折流挡板主要可以加大壳程流度，加剧湍流，来增大壳程的对流传热系数。一般采用的有圆盘一圆环形及弓形两种形式支持板和折流板。弓形折流板有三弓形、双弓形和单弓形，其形式如图6。水平垂直水平垂直转角（a）单弓形（b）（b）双弓形（c）（c）三弓形图6常用折流板的形式经常采用的挡板是圆缺形。切去外侨内径的10％～40％为弓形高度，通用的符合范围在20％～25％，过低、过高度都不利于传热的进行。板间距h为换热器外内径的0.2～1倍。系列标准中采用的h值为：浮头式有150、200、300、480和600五种，固定管板式有150、300、600三种。如果板间距过大，则流体将不会垂直地穿过管束，是流传热系数降低，如果太小，则不便于制造和检修，阻力也相对较大。采用弓形折流板，可以取壳体内径的25%为弓形折流板圆缺高度，则切去的圆缺高度为取折流板间距，则可取挡板间距为。折流挡板数折流板圆缺面水平装配。4.7接管取壳程接管内煤油流速为，则其内径：取整后圆管内径：取管程接管内循环水流速，则其内径：取整后圆管内径：所以各接管处的取整后圆管内径：4.8分程隔板分程隔板最小厚度应符合表4.1隔板厚度的选择公称直径（mm）DN隔板最小厚度碳素钢及低合金钢高合金钢40086＞400-≤1000108＞1000-≤20001410＞2000-≤260014104.9支座的选择本换热器选为卧式内压容器，应选用鞍式支座，依照双鞍式支座标准，选用型鞍式支座。在换热器上鞍式支座的布置应按下列进行确定：和相近。如图7所示图7换热器形式在本换热器设计过程中，令,4.10计算壳体壁厚由于压强降较大，考虑到安全问题，则选择壁厚10mm。表4.2壳体壁厚的选择壳体外径/mm325400，500，600，700800，900，10001100，1200最小壁厚/mm81012144.11拉杆的直径和数量拉杆的直径和数量可按下表。表4.3拉杆直径换热管外径d101925拉杆直径dn101216表4.4拉杆数量的选择公称直DNmm拉杆直径DN,mm1012400600800100046101244810164466由上表选拉杆直径为16mm，选拉杆数量为4根。4.12封头选用标准椭圆形封头作为该换热器的上下两封头，依据JB/T4737-20的标准，选封头为DN400×2，选曲面高度为h1=100。如图所示，下封头与裙座焊接，h2=40mm。图8封头根据以上各数据的分析，可选用JB/T4715—92型换热器。其有关参数见下表4.5换热器的参数壳径/mm400管子尺寸/mmΦ25×2.5公称压强/MPa2.5管长/m3公称面积/21.4管子总数94管程数2中心管子数11壳程数1管子排列方法正三角形此换热器的实际传热面积：若选择该型号的换热器，则要求过程的总传热系数为5换热器核算5.1热流量核算5.1.1壳程对流传热系数对圆缺折流板，用克恩法计算：当量直径，由正三角形排列得：壳程流通最大截面积：壳程流体流速为：雷诺数：普朗特数：粘度校正：(由于壁温未知且用试差法比较繁琐，故液体冷却时用近似值)所以,5.1.2管程对流传热系数管程流体流通截面积：管程流体流速为：雷诺数普朗特数所以，污垢热阻参考数据表，管内、外侧污垢热阻可分别取为5.1.3总传热系数K由上述计算可知，选择使用该换热器的总传热系数，给定流动条件下算出的值为，因为：故所选择的换热器是合适的。5.1.4传热面积S该换热器的实际传热面积：该换热器的面积裕度为：传热面积裕度在规定的范围内，故选择该换热器是合适的。5.2核算压强降5.2.1管程压强降，—分别为直管和回弯管中因摩擦阻力引起的压强降—结垢校正因数，量纲为，对的传热管取—管程数，—串联的壳程数，管程流通面积为：管程流体流速为：雷诺数（湍流）设管壁粗糙度，由关系图[9]中可查得：图9关系图所以由上计算知，管程压强降在给定工艺条件范围内。5.2.2壳程压强降—流体横过管束的压强降—流体通过折流板缺口的压强降—壳程压强降的结垢校正因数，量纲为，对液体可取其中，，管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列——壳程流体摩擦系数，当时，——横过管束中心线的管子数，——折流挡板数，—折流挡板间距，—按照壳程的流通面积来进行计算出的流速，而流通面积。壳程流通截面积：壳程流体流速为：雷诺数由上计算知，壳程压强降在给定工艺条件范围内。6结论本次论文设计选定循环水的出口温度，依据给定的工艺条件计算出实际的换热面积，选用JB/T4715—92型固定管板式换热器，其设计如下：根据给定工艺条件，通过计算换热面积选择出适合的换热器。参照化工原理所学知识，通过计算得出换热器的结构尺寸。经核算换热器的传热面积，壳程及管程的压力降符合工艺要求。依据上述计算出的结果进行换热器的设备图绘制。换热器类型固定管板式换热器换热面积（m2）21.4工艺参数名称管程壳程物料名称循环水煤油操作压力，Mpa操作温度，℃20/30160/60流量，kg/h463748333.3流体密度，kg/m3996774流速，m/s0.870.54传热量，kW539.350总传热系数，W/(m2·K)435对流传热系数，W/(m2·K)3895669污垢系数，m2·K/W0.00020.00017程数21使用材料碳钢碳钢管子规格管数94管长，m3管间距，mm32排列方式正三角形折流板型式上下间距，mm150切口高度25%壳体内径，mm400表6.1设计结果表6.2常用管板式换热器的传热系数的范围热交换器形式热交换流体传热系数（W/m2·℃）备注内侧外侧管壳式（光管）气气10~35常压气高压气170~160200~300bar高压气气170~450200~300bar气清水20~70常压高压气清水200~700200~300bar清水清水1000~2000

清水水蒸气凝结2000~4000

高粘度液体清水100~300液体层流高温液体气体30

低粘度液体清水200~450液体层流水喷淋式水平管冷却器蒸汽凝结清水350~1000

气清水20~60常压高压气清水170~350100bar高压气清水300~900200~300bar盘形管（外侧沉浸在液体中）水蒸汽凝结搅动液700~2000

水蒸汽凝结沸腾液1000~3500

冷水搅动液900~1400

不蒸汽凝结液280~1400

清水清水600~900

高压气搅动液100~350铜管200~300bar套管式气气10~35

高压气气20~60200~300bar高压气高压气170~450200~300bar高压气清水200~600200~300bar水水1700~3000

螺旋板式清水清水1700~2200

变压器油清水350~450

油油90~140

气气30~45

气水35~60

板式换热器清水清水4500~6500介质流速在0.5m/s左右油清水500~700蜂螺型伞板换热器清水清水2000~3500材料为1Cr18Ni9Ti油清水300~370

表6.3常用流体的污垢热阻流体污垢热阻m2·K/kW水(速度<1m/s，t<47℃)