煤油器课程设计

1、青 岛 科 技 大 学 化工 学院 应用化工技术 专业课 程 设 计题 目 煤油冷却器的设计 指 导 教 师 班 级 学 号 学 生 课程设计成绩评定标准 年 月程度内容 优秀良好中等较差不及格独立完成情况按时到教室、遵守纪律等等课程设计说明书的质量语言流畅、内容全面计算的正确性制图的质量设计中创新点答辩情况总成绩 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、处理能力：处理量12吨/h（+学号后两位×0.5吨/h）2、设备型式：列管式换热器；3、操作条件：（1）煤油：进口温度140，出口温度40。（2）冷却介质：循环水，进口温度30，出口温度40，不

2、超过50。（3）允许压降：不大于0.1MPa。（4）传热面积裕度介于15-20%。三、设计计算内容1、设计方案2、换热面积3、管程设计，包括：总管数、程数、管程流体阻力校核等4、壳体内径5、换热器核算6、主要进、出口的管径 7、管、壳程流体阻力的计算与压降的计算 四、设计成果1、设计计算说明书（目录、任务书、设计计算内容1-7、设计主要结构尺寸及结果一览表、对设计过程的评述及有关问题的讨论）2、设备装配图（1号图纸，根据图纸幅面按比例绘图），设备零件图（2号，选做）五、参考书 1、贾绍义，柴诚敬。化工原理课程设计，天津：天津大学出版社，2002 2、夏清，陈常贵。化工原理，天津：天津大学出版社

3、，2005 3、化工过程及设备设计，广州：华南理工大学出版社，1986 4、许国义，马梦兰。工程制图，天津：天津大学出版社，2000 5、王许云，王晓红，田红景。化工原理课程设计，北京：化学工业出版社，2012目 录 一、概述 1二、工艺流程草图及设计标准 32.1工艺流程草图32.2设计标准3 2.3设计原则4 三、热器设计计算53.1确定设计方案53.1.1选择换热器的类型53.1.2流体溜径流速的选择53.2确定物性的参数53.3估算传热面积63.3.1热流量63.3.2平均传热温差63.3.3传热面积63.3.4冷却水用量63.4工艺结构尺寸63.4.1管径和管内流速7 3.4.2管程

4、数和传热管数7 3.4.3平均传热温差校正及壳程数73.4.4传热管排列和分程方法73.4.5壳体内径7 3.4.6折流板7 3.4.7其他附件8 3.4.8接管83.5换热器核算83.5.1热流量核算83.5.1.1壳程表面传热系数83.5.1.2管内表面传热系数93.5.1.3污垢热阻和管壁热阻93.5.1.4计算传热系数KC93.5.1.5换热器的面积裕度103.5.2换热器内流体的流动阻力103.5.2.1管程流体阻力103.5.2.2壳程阻力104、 设计自我评价12五、设计结果设计一览表13六、参考资料14七、主要符号说明14一、概 述 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器

5、，简称热换器。在热换器中至少需要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作用和地位的不同，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，而且至今仍在换热器中占据主导地位。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，主要有以下几种：1、固定管板式 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

6、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填料函式换热器：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。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

7、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 主要说明：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。如图，煤油经泵抽上来，经加热器加热后，再经管道从接管C进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管A进入换热器管程。两物质在换热器中进行换热，煤油从110被冷却至40之后，由接管D流出；循环冷却水则从30变为40，由接管B流出。2.2设计标准（1）JB1145-73列管式固定管板热交换器

8、（2）JB1146-73立式热虹吸式重沸器（3）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2.3设计原则（1）流体通

9、道的选择流体通道的选择可参考以下原则进行：1.不洁净和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗管子；2.腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，而且管内也便于检修和清洗；3.高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节省壳体金属的消耗量；4.饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排出冷凝液，且蒸汽较洁净，不易污染壳程；5.被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果；6.有毒流体宜走管程，以减少流体泄漏；7.粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，由于流体流向和流速不断改变，在很低的雷诺数（Re<100）下即可达到湍流，可提高对流传热系数。但是有时在动力设备允许的条件下，将

10、上述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数。 在选择流体通道时，以上各点常常不能兼顾，在实际选择时应抓住主要矛盾。如首先要考虑流体的压力、腐蚀性和清洗等要求，然后再校核对流传热系数和阻力系数等，以便作出合理的选择。(2)流体流速的选择换热器中流体流速的增加，可使对流传热系数增加，有利于减少污垢在管子表面沉积的可能性，即降低污垢热阻，使总传热系数增大。然而流速的增加又使流体流动阻力增大，动力消耗增大。因此，适宜的流体流速需通过技术经济核算来确定。充分利用系统动力设备的允许压降来提高流速是换热器设计的一个重要原则。在选择流体流速时，除了经济核算以外，还应考虑换热器结构上的要求。(3)流体两端温

11、度的确定若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，则不存在确定流体两端温度的问题。 (4)管径、管子排列方式和壳体直径的确定小直径管子能使单位体积的传热面积大，因而在同样体积内可布置更多的传热面。或者说，当传热面积一定时，采用小管径可使管子长度缩短，增强传热，易于清洗。但是减小管径将使流动阻力增加，容易积垢。对于不清洁、易结垢或粘度较大的流体，宜采用较大的管径。因此，管径的选择要视所用材料和操作条件而定，总的趋向是采用小直径管子。    管长的选择是以合理使用管材和清洗方便为原则。国产管材的长度一般为6m，因此管壳式换热器系列标准中换热管的长度分为1.5、2、

12、3或6m几种，常用3m或6m的规格。长管不易清洗，且易弯曲。此外，管长L与壳体D的比例应适当，一般L/D=46。    管子的排列方式有等边三角形、正方形直列和正方形错列三种。等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，对流传热系数大；正方形直列比较松散，对流传热系数较三角形排列时低，但管外壁清洗方便，适用于壳程流体易结垢的场合；正方形错列则介于上述两者之间，对流传热系数较直列高。    换热器壳体内径应等于或稍大于管板的直径。通常是根据管径、管数、管间距及管子的排列方式用作图法确定。(5)管程和壳程数的确定当流体

13、的流量较小而所需的传热面积较大时，需要管数很多，这可能会使流速降低，对流传热系数减小。为了提高流速，可采用多管程。但是管程数过多将导致流动阻力增大，平均温差下降，同时由于隔板占据一定面积，使管板上可利用的面积减少。设计时应综合考虑。采用多管程时，一般应使各程管数大致相同。(6)折流板折流板又称折流挡板，安装折流板的目的是为了提高壳程流体的对流传热系数。其常用型式有弓形折流板、圆盘形折流板以及螺旋折流板等。常用型式为弓形折流板。折流板的形状和间距对壳程流体的流动和传热具有重要影响。(7)换热器中传热与流体流动阻力计算 有关列管式换热器的传热计算可按已选定的结构型式,根据传热过程各个环节分别计算出

14、两侧流体的对流传热热阻及导热热阻，得到总传热系数，再按公式进行换热器传热计算。列管式换热器中流动阻力计算应按壳程和管程两个方面分别进行。它与换热器的结构型式和流体特性有关，一般对特定型式换热器可按经验方程计算。三、换热器设计计算3.1确定设计方案3.1.1选择换热器的类型 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140，出口温度40。采用循环冷却水作为冷却剂降低热的煤油温度，冷却水的入口温度30，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40，且不大于50。 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120,选用固定管板式换热器，又

15、因为管壳两流体温差大于60，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，煤油为壳程流体。3.2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：（）煤油90下的物性数据： ()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下的有关物性数据循环冷却水在35下的物性数据密度o=825 kg/m3密度i=994 kg/m3定压比热容Cpo=2.22kJ/(kg·K)定压比热容Cp

16、i=4.08kJ/(kg·K)导热系数o=0.140 W/(m·K)导热系数i=0.626 W/(m·K)粘度o=0.000715 Pa·s粘度i=0.000725 Pa·s3.3、估算传热面积3.3.1热流量m=（12+2*0.5)*1000=13000（kg/h）Qo=mcpt=13000×2.22×(140-40)=2886000kJ/h=801.67kW3.3.2平均传热温差()3.3.3传热面积 假设壳程传热系数：a=400 W（m2），管壁导热系数=45 W（m2）则K=298.7W/(m2·K),则估

17、算面积为：S=Q/(K×tm)=0.802×10/(298.7×39)=68.85(m2) 考虑15%的面积裕度则：S=1.15× 68.85=79.18(m2)3.3.4冷却水用量W=70735.3（kg/h）3.4、工艺结构尺寸3.4.1管径和管内流速选用25×2.5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n=41.9742（根）按单程管计算，所需的传热管长度为：L=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

18、管长为l=6m.则该换热器的管程数为：N=L/l=24/6=4传热管总根数： N=42×4=168（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t=0.82平均传热温差 = =0.82×39=32（)由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取単壳程合适。3.4.4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（见化工过程及设备课程设计书本图3-13）。取管心距t

19、=1.25d，则t=1.25×25=31.2532(mm) 横过管束中心线的管数n=1.19*=1.19*=16(根)3.4.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径为D=1.05*32*=520.5(mm)按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=600mm。3.4.6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h0.25×600=150（mm）折流板间距B=0.3D,则B=0.3×600=180mm取200mm。折流板数 N=-1=-1=29(块) 折流板圆缺面水平装配见化工过程及设备课程设计书本图3-15。3.4.7其

20、他附件拉杆数量与直径按化工过程及设备课程设计书本图表3-9选取，本换热器传热管外径为25mm故其拉杆直径为16，拉杆数为6个。壳程入口处，应设置防冲挡板。3.4.8接管壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u1.0m/s，则接管内径为：D=0.075（m），取管内径为75mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u1.2 m/s，则接管内径为D=0.145mm，圆整可取D =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：当量直径，由正三角排列得：d=（m）壳程流通截面积：S=BD(1-）=0.2*0.6*（1-）=0.0263（m）壳程流体

21、流速及其雷诺数分别为：u=0.166（m/s）Re=3831普朗特准数 Pr=11.34；粘度校正 =529.37 W/(m2·K) 3.5.1.2管内表面传热系数管程流体流通截面积：S=0.785×0.02×168/4=0.0147（m2）管程流体流速及其雷诺数分别为：u=1.3447（m/s）Re=36872.6普朗特准数Pr=0.023×=6033.64W/ (m·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 R=0.000172 m·K/W管内侧污垢热阻 R=0.000344 m·K/W管壁热

22、阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为=45 W/(m·K)。3.5.1.4计算传热系数K =362.33 W/（m·）计算传热面积S:S= 69.14（m2）该换热器的实际传热面积：S=3.14×0.025×(6-0.06)×(168-16)= 70.88（m2）3.5.1.5换热器的面积裕度H=×100%=×100%=25.17%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：P=（P1+P2）NNF; N=1, N=4，F=1.4; P=,P=由R

23、e=41103.6，传热管相对粗糙度0.01/20=0.05，查莫狄图得=0.034(W/ (m2·)，流速u=1.499m/s，=994kg/m3，所以P=10643.7（Pa）；P=3130.5（Pa） P=（10643.7+3130.5）×1.4×1×4=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 P0=（P1+P2）FSNS FS=1.15 NS=1 P1= Ff0nC(NB+1) ; F=0.5f0=5×41103.6-0.228=0.722 nC=23 NB=23,u0=0.21

24、m/s P1=0.5×0.722×23×（23+1）×825×0.212/23625（Pa）流体流过折流板缺口的阻力P2 =NB（3.5-2B/D）, B=0.25m; D=0.8m；故P2=23×（3.5-2×0.25/0.8）×825×0.22/21202（Pa），则总阻力：P0=3625+1202=4827（Pa）<100 KPa故壳程流体的阻力也适宜。四、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。

25、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，离不开肖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

26、，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。再次感谢肖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，正是有你们在一起讨论，才使我们较快及顺利地在较短时间内完成本设计。在和大家交流过程中，我们学到了很多，深深感到团结力量的伟大，人际关系的重要性。正是因为有了大家，才使我们艰难压抑的设计变得不再枯燥，而是充满欢笑和激情，丰富而充实。 五、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：70.8m2符号尺寸用途连接形式工艺参数a200