煤油冷却器的设计论文.doc

中文摘要摘要：煤油一般是通过对石油进行分馏而制得，刚刚分馏得到的煤油温度会比较高，不利于保存和运输等，需要进行冷却。在工业大生产过程中自然冷却远远达不到煤油冷却的时间那要求，选用低温水进行冷却是比较好的冷却方式。设计性能优良的冷却器就十分的必要了，本文通过大量数据运算得到的理论冷却器比较接近现实生产要求，有待于进一步的实践证实和运用。关键词：煤油冷却；冷却器；设计英文摘要Abstract：Kerosene is usually conducted for petroleum fractionation and by granulation, just fractionation get kerosene temperature be higher, which is unfavorable to preserve and transportation, need for cooling. In industrial production process natural cooling far less than kerosene cooling time that asks, choose low temperature water for cooling is better cooling way. Design of excellent properties cooler is of necessity, this article through a large number of data operation get closer to reality theory cooler production requirements, needs to be further practice proved and use.Keywords： Kerosene cooling, Cooler,design 煤油冷却器的设计一、设计任务书1.1 课程设计题目煤油冷却设计，1.2 设计任务与操作要求1.2.1 处理能力37 103 t/Y煤油1.2.2 设备形式列管式换热器1.2.3 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40。允许压降：不大于105 Pa。煤油定性温度下的物性数据：；1.3 设计规范与要求试设计一台适宜的列管式换热器完成该生产任务1.4 工作计划1、领取设计任务书，查阅相关资料（1天）；2、确定设计方案，进行相关的设计计算（2天）；3、校核验算，获取最终的设计结果（1天）；4、编写课程设计说明书（论文），绘制草图等（1天）。1.5 设计成果要求1.5.1、通过查阅资料、设计计算等最终提供课程设计说明书（论文）电子稿及打印稿1份，并附简单的设备草图。1.5.2、课程设计结束时，将按以下顺序装订的设计成果材料装订后交给指导教师：（1）封面（具体格式见附件1）（2）目录（3）课程设计任务书（4）课程设计说明书（论文）（具体格式见附件2）（5）参考文献（6）课程设计图纸（程序）1.6 设计说明1、本设计任务适用班级：08食品工程（本）2班（其中：20+学号后两位）；2、课程设计说明书（论文）格式也可参阅蚌埠学院本科生毕业设计（论文）成果撰写规范中的相关内容。指导教师： 教研室主任： 系主任：二、设计说明书2.1 概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器,简称为换热器。在换热器中至少要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,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地位和作用不同，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，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。列管式换热器有以下几种： 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、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。2.2 工艺流程草图adbc泵2泵1由于循环冷却水易结垢，为便于水垢的清洗，选择循环水做管程流体，煤油做壳程流体。管程与壳程流体的进出方向为上图所示，并选择逆流传热。图中水由泵1经过管程沿所示方向流动，煤油由泵1经过壳程沿所示方向流动。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30温至402.3 设计标准（1）JB1145-73列管式固定管板热交换器；（2）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；（3）JBT4715-1992固定管板式换热器型式与基本参数（4）中华人民共和国国家标准 GB16749-1997 压力容器波形膨胀节（5）HGT20701.8-2000容器、换热器专业设备简图设计规定三、 计算确定换热器3.1 确定基本方案1.1.1 选定换热器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（冷却水）入口温度30，出口温度40。该冷却器用循环冷却水进行冷却，在黄淮地区冬夏季温度差比较大，因此在冬季冷却水温度可能会比较低，换热器的管壁和壳体壁温之差相对会比较大。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。1.1.1 确定流动空间及其流速循环冷却水易结垢，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。根据流体在直管内常见适宜流速，管内循环冷却水的流速初选为u=0.5m/s,管子选用252.5的较好级冷拔换热管（换热管标准：GB8163）。3.2 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： ()煤油定性温度下的物性数据： ；2.22kJ/(kg.)；0.14 W/(m.)水定性温度下的物性数据： ；4.08kJ/(kg.)；0.626 W/(m.)3.3 就算传热系数3.3.1 热流量m0= （kg/h） Qo=m0cp0t0=46722.22(140-40)=1.037 kJ/h=288.05kW3.3.2 平均传热温差()3.3.3 冷却水用量（kg/h）3.3.4 总传热系数K管传热系数： W/(m2.)壳程传热系数假设壳程传热系数=290 W/(m2.)污垢传热系数=0.000344 m2./W=0.000172 m2./W管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为=45 W/(mK)K=219.5W/（m）3.4 计算传热热面积S计算传热面积S:S= =2.8805105/(219.539)=33.65(m2) =33.65（m2）考虑15%的面积裕度，该换热器的实际传热面积：S= S=1.1533.65=38.70(m2)3.5 工艺结构尺寸3.51 管径和管内流速选用252.5较高级冷拔传热管(碳钢10)，取管内流速ui= 1.5m/s3.5.2 管成数和传热系数依据传热管内径和流速确定单程传热管数=45.2446（根）按单程管计算，所需的传热管长度为：=10.72（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，现取传热管长为l=6m，则该换热器的管程数为：NP=L/l=10.72/62传热管总根数： NT=462=92（根）3.5.3 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，2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tm=ttm=0.8239=32（）3.5.4 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t=1.25d0，则t=1.2525=31.2532(mm) 横过管束中心线的管数3.5.5 壳体内经采用多管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径为D= =385.2 (mm)按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=400mm。3.5.6 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h0.25400=100（mm）折流板间距B=0.3D,则B=0.3400=120mm取150mm。 折流板数 NB= -1= -1=39 (块)折流板圆缺面水平装配3.5.7 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：D1= （m），取管内径为50mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u1.5 m/s，则接管内径为mm圆整可取 =80mm 。3.6 换热器核算3.6.1 热量核算（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：de= （m）壳程流通截面积：=0.01312（m2）壳程流体流速及其雷诺数分别为：u0= （m/s）Re0= =2769普朗特准数 Pr= ；粘度校正 0= =442.6 W/(m2K)（2）管内表面对流传热系数i 管程流体流通截面积：Si=0.785 92/2=0.0139（m2）管程流体流速及其雷诺数分别为：ui= =0.403（m/s）Rei= =11048.2普朗特准数Pr= i=0.023 =1716.5 W/ (m2K)（3）污垢热阻和管壁热阻(查有关文献得知)管外侧污垢热阻 R0=0.000172 m2K/W管内侧污垢热阻 Ri=0.000344m2K/W管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为=45 W/(mK) （4）计算传热系数K =287.15 W/（m）计算传热面积S:S= = =31.35（m2）该换热器的实际传热面积：S= =3.140.025(6-0.06)(92-12)=37.28（m2）换热器的面积裕度H= 100%= 100%=18.9%传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。3.6.2 换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力计算公式如下：Pi=（P1+P2）NSNpFt; NS=1, Np=2，FS=1.5P1= ,P2= 由Re=10694，传热管相对粗糙度0.01/20=0.05，查莫狄图得 =0.038(W/ (m2)，流速u=0.403m/s，=994kg/m3，所以P1= =895.9（Pa）；P2= =242.14（Pa） Pt=（861.0.7+226.78）1.512=3414.1（Pa）100 KPa管程流体阻力在允许范围之内(2) 壳程阻力P0=（P1+P2）FSNS FS=1.15 NS=1 P1= Ff0nC(NB+1) ; F=0.5f0=5 =0.8207 nC=12NB=39,u0=0.12m/s P1=0.50.72212（39+1）825 /21602（Pa）流体流过折流板缺口的阻力P2 =NB（3.5-2B/D） , B=0.15m; D=0.4m；故P2=39（3.5-20.15/0.4）825 /2637.06（Pa），则总阻力：P0=1602.6+637.06=2239.7（Pa）100 KPa故壳程流体的阻力也适宜。四、 设计结果换热器型式：带膨胀节的固定管板式换热器管口表换热面积：34.82m2符号尺寸用途连接形式工艺参数a80冷却循环水入口平面名称管程壳程b80冷却循环水出口平面物料循环水煤油c50煤油入口平面操作压力，MPa0.5MPa0.4MPad50煤油出口平面操作温度，30/40140/40e20排气口平面流量，kg/h25416.74.672106图示:流体密度，kg/m3994.3825流速，m/s0.9930.0784热负荷，kW288.05总传热系数，W/(m2)219.5对流传热系数1716.5287.15污垢热阻，m2/W0.0003440.000172压降，MPa0.0034140.000224程数21推荐使用材料低碳钢低碳钢列管管子规格252.5管数92管长，mm6000管间距，mm32排列方式正三角形折流板型式弓形水平间距，mm150切口高度25%壳体壳体内径，mm400五、 设计认识作为食品科学与工程专业的学生，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。本次设计的是煤油冷却器，根据温差和物性确定本设计的换热器为带膨胀节的固定管板式换热器或浮头式换热器，而鉴于浮头式换热器的造价一般比固定管板式换热器的造价高出二十多个百分点，以降低投资成本为目的，选择带膨胀节的固定管板式换热器。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。本次设计非常感谢赵大庆老师的指导，有了他的指导使得我们更快的进入课程设计的状态，使我们少走弯路。同时非常感谢我的同学，正是有他们在一起讨论，才使我较快及顺利地在较短时间内完成本设计。六、 参考文献及附录6.1 参考文献1 李国庭等编著化工设计概论北京：化学工业出版社，20082 柴诚敬.化工原理（上册）M.北京：高等教育出版社，2005，263-281.3 GB151-89：中华人民共和国国家标准S.国家技术监督局，1989.4 周大军.化工工艺制图M.北京：化学工业出版社，2003.5 柴诚敬、张国亮主编化工流体流动与传热北京：化学工业出版社，20086 贾绍义、柴诚敬主编化工原理课程设计天津：天津大学出版社，20026.2 附录: 主要英文符号说明流通面积， ；管壁厚度， ；定压质量热容， ；热容流率比；换热管直径， ；换热器壳径， ；范宁摩擦系数；校正系数；对流传热系数， ；导热系数， ；总传热系数， ；长度， ；换热管长度， ；管数；程数；压力， ；平均传热温差校正系数；传热速率（热负荷）， ；平均传热温差校正系数；垢阻系数， ；传热面积， ；管中心距， ；冷流体温度， ；温差， ；热流体温度， ；流通面积， ；管壁厚度， ；定压质量热容， ；热容流率比；换热管直径， ；换热器壳径， ；范宁摩擦系数；校正系数；对流传热系数， ；导热系数， ；总传热系数， ；长度， ；换热管长度， ；管数；程数；压力， ；平均传热温差校正系数；传热速率（热负荷）， ；平均传热温差校正系数；垢阻系数， ；传热面积， ；管中心距， ；冷流体温度， ；温差， ；热流体温度， 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿