化工原理课程设计-煤油冷切器的设计.doc

专 业:班 级：指导老师：姓 名：学 号：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、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。本设计针对煤油冷却的问题设计一换热器。通过对江西地区水资源情况、常年气温情况、水价、水质等综合考虑，最后确定冷却水的用量、进出口温差等。并根据工艺过程所规定的条件，如传热量、流体的热力学参数以及在该参数下的物性进行热力学和流体力学计算。经过优化，使设计的换热设备具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。关键词： 换热器，选型，工艺设计，核算 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 设计目的：通过对煤油冷却的列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择合适的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力三设计任务及操作条件： 1.处理能力：（21.6104）吨/a煤油 2.设备型式：列管式换热器 3操作条件：（1） 煤油入口温度140，出口温度40；（2） 冷却介质：循环水，入口温度22，出口温度40；（3） 允许压强降不大于100 kpa；（4） 煤油定性温度下的物性数据；密度为825kg/m3；粘度为：7.510-4pa.s；比热容为：2.22kj/（kg. ）；导热系数为：0.14w/（m. ）；（5）每年按300天计，每天24小时连续运行。4.建厂地址：江西地区四设计内容(1)设计计算列式换热器的热负荷，传热面积，换热管，壳体，管板，封头，隔板及接管等（2）绘制列式换热器的装配图（3）编写课程设计说明书五课程设计说明书的内容 设计说明书中应包括所有论述，原始数据，计算，表格等，编排顺序如下：（1）标题页（2）设计任务书（3）目录（4）设计方案简介（5）确定物性数据（6）主要工艺参数（热负荷，平均温差，总传热系数换热面积等传热面积）（7）压强核算（8）设计结果概要或设计一览表（9）设计结果评价（10）附图（工艺流程简图，主体设备工艺条件图）（11）参考文献目 录一设计方案简介- 6 -1.选择换热器的类型- 6 -2.管程安排- 6 -3.确定物性数据- 6 -二主要工艺参数计算- 7 -1.热负荷- 7 -2.平均温差- 7 -3初选换热器的规格- 8 -（1）传热面积计算- 8 -（2）实际传热面积- 8 -4. 核算总传热系数- 8 -（1）管程对流传热系数- 8 -（2）壳程对流传热系数- 9 -（3）污垢热阻- 10 -（4）总传热系数- 10 -三附件的选择- 11 -1.封头- 11 -2.隔板- 11 -3.导流筒- 11 -4.放气孔、牌液孔- 11 -5.拉杆和定距管：- 11 -6.接管- 12 -7.管板- 12 -四压强核算- 13 -1.管程压强降- 13 -2.壳程压强降- 14 -五设计一览表- 15 -六符号说明- 16 -七设计结果评价18八附 图191.工艺流程简图图192.主体设备工艺条件图19九参考文献20一设计方案简介1.选择换热器的类型冷却水进口温度22，冷却水两端温度差为18.出口温度为40。热流体进口温度140,出口温度40。冬季操作时进口温度会降低，该换管壁温和壳体壁温之差较小。t-t=(140+40)/2-（22+40)/2=5950。需要考虑热补偿，因此初步确定选用带补偿圈的固定管板式换热器。2.管程安排由于江西的水的硬度比较大较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。选用的碳钢管。3.确定物性数据定性温度：取流体进出口温度的平均值壳程流体的定性温度 t=管程流体的定性温度 t=根据设计条件壳程流体的物性数据： 密度 =825 kg/ 定压比热容 =2.22kj/(kg.) 黏度 =0.000715p.s 导热系数 =0.140w/(m.)根据定性温度查附录得管程流体的物性数据：密度 kg/定压比热容 导热系数 粘度 二主要工艺参数计算1.热负荷w= kg/h 1850000w2.平均温差 查得：; 3初选换热器的规格（1）传热面积计算根据两流体的情况，先假设k=340），故 由于50,因此需要考虑热补偿。（2）实际传热面积换热器系列标准中选定带补偿圈的固定管板式换热器。其有关参数如下： 壳径：700mm 管程数：2 公称压力：2.5mpa 公称面积：210.5 管径： 管长：4.5m 总管数：342 管子排列方法：正三角形排列 管程流通面积：0.0537 中心距：32mm选圆缺型，切去的弓形高度为外壳内径d的25%挡板为所选换热器的折流挡板，间距(h)按系列标准取h=150mm.换热器实际传热面积：4. 核算总传热系数（1）管程对流传热系数 管中水的质量流量为水的体积流量为普朗特准数 （2）壳程对流传热系数 取换热管列管中心距t=32mm,折流导板间距h取150mm，则换热器中心附近管排中流体流通截面积为： 由于管为三角形排列，则当量直径为： （湍流）因为在范围内，故可采用凯恩（kern）法求算，即 普朗特准数 由于液体被冷却取，所以（3）污垢热阻根据流体的实际情况查得污垢热阻为： （4）总传热系数(由于管壁热阻相比较流体热阻非常小，可以忽略) 选用换热器时，要求过程的总传热系数为344.7,在传热任务所规定的流动条件下，计算出的,所选择的换热器的安全系数为： 则该换热器符合要求。三附件的选择1.封头 封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体，圆形用于大直径的壳体。壳径为700mm，选用圆形封，曲面高度。2.隔板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。长度可选取120mm，厚度为6mm。3.导流筒 壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。4.放气孔、牌液孔 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝气体和冷凝液等。5.拉杆和定距管：为了使折流板能够牢靠的保持在一定的位置上，通常采用拉杆和定距管。按照选用规则，拉杆直径是12mm，根数是8根，定距管。6.接管 换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算 式中 流体的体积流量, u 流体在接管中的流速，m/s 流速的经验值对液体可取为：u =1.52 m/s。选取u=1.5m/s冷却水接管煤油进出口接管：取接管内煤油流速为，则接管内径为：7.管板 厚度为58mm，pn:2.5mpa。四压强核算1.管程压强降 其中：分别为直管弯道中因摩擦阻力引起的压强降 结垢校正因数，对于的换热管 壳程数，此处为1 管程数，此处为2 （湍流）取管壁粗糙度为，则相对粗糙度为由摩擦系数图查得：所以 由经验公式得： 2.壳程压强降 式中 分别为流体横过管束的压强降和通过折柳挡板缺口的压强降 壳程压强降的结垢后校正因数，此处取为1.15 式中f管子排列方式对压强降的校正因数， 由于此处管子为正三角形排列，所以取0.5 壳程流体的摩擦系数，时 折流挡板数 折流挡板间距，取150mm 按壳程流通截面积计算的流速 横过管束中心线的管数 此处 (n为总管数) 即 折流板数 壳程流通截面积 所以 由上，表明管程和壳程压强降都能满足生产要求五设计一览表换热器的形式 固定管板式管口表换热面积 130.10符号尺寸用途连接方式工艺参数a190冷却水出口法兰平面名称管程壳程b110煤油的入口法兰凹面物料名称自来水煤油c20放气口法兰凹面操作压力mpa0.050.05d110煤油出口法兰凸面操作温度3190e20排净口法兰凸面流量kg/h141316.527500f190冷却水入口法兰平面流体密度995.7825附简图流速0.73430.403传热量w 1850000总传热系数 459.3对流传热系数3580.8815.423污垢系数3.43941.7197流动阻力7666.616程数21材质碳钢碳钢管的规格规格管数 342管长 4.5m管间距32mm排列方式等边三角形折流版型式圆缺形间距150mm切口高度150mm壳体内径700mm保温层的厚度10六符号说明19 英文字母 q热量 kw平均传热温差 质量流量 v体积流量 定压比热容 t热流体温度 t冷流体温度 s 传热面积 q传热速率 w估计传热面积 实际传热面积 换热器传热总管数温度校正系数结构校正系数壳程压强降的结垢校正系数f管子排列方法对压强降的校正数串联的壳程数管程数单程传热管数d管径 m体积流量u流速 壳程流体的摩擦系数f校正系数b挡板间距 m挡板数目h折流板圆缺高度 mk总传热系数 l单程长度 ml 换热器管长 m p压强 pa当量长度 md换热器内径 mmre雷诺准数pr普朗特准数p r因数污垢热阻 对流传热系数 导热系数 粘度 粗糙度 密度 系数下标热流体冷流体管内管外s污垢t传热温度差七设计结果评价通过这次学习我深切地感受到“学以致用”的重要性和艰难程度，我们随口所说的“理论联系实践”，做起来需要的不仅仅是考试的成绩，还需要扎实的理论功底、查阅文献获得所需信息的基本功、客观问题和解决方案的分析综合能力以及动手能力等诸多缺一不可的能力的综合应用。因此，我们应永远保持谦虚谨慎的学习态度和注重自身各项能力的培养。我还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。为高分子材料与工程专业的学生，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。这是第一次做化工原理课程设计，通过本次设计，我认为自己已经初步掌握化工设计的一些基本知识了。这次设计训练中，我最大的收获是对说学专业的认识进一步加深、学习目的的进一步明确、学习方法的初步掌握。八附 图1.工艺流程简图图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140降温至，40冷却循环水由初温升22温至40。2.主体设备工艺条件图九参考文献