课程设计—换热器—煤油

1、 化工原理课程设计化工过程设备设计（一）说明书 设计题目：换 热 器 的 设 计 专 业： 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 设计日期：2015年7月15日 设计单位：青海大学化工学院化学工程系目 录前言.4任务书.5目的与要求.6工艺流程.7一、工艺设计方案.81.1 选择换热器.81.1.1换热器.81.1.2换热器的要求.81.1.3确定换热器的类型.81.2流动空间的确定.81.2.1流体流径的选择原则.81.2.2换热管的选择.9二、确定物性数据.9三、估算传热面积.93.1传热量.93.2平均传热温差.93.3传热面积.103.4冷却水用量.10四、工艺结构尺寸.104.1

2、管径和管内流速.104.2管程数和传热管数.104.3平均传热温差校正及壳程数.104.4传热管排列方法.114.5壳体内径.114.6折流板.114.7其他附件.114.8接管.12五、换热器核算.125.1总传热系数核算.125.1.1壳程对流传热系数.125.1.2管程对流传热系数.135.1.3污垢热阻和管壁热阻.135.1.4总传热系数K0.145.1.5换热器的面积裕度.145.2壁温核算.145.3压力降核算.155.3.1管程压力降.155.3.2壳程压力降.16六、设计结果概要一览表.17七、设计总结.18八、参考文献.19九、附录.22十、主要符号说明.23前 言在油化工生

3、产过程中，常常需要将各种油产品（如汽油、煤油、柴油等）进行冷却，本设计以某炼油厂冷却油产品为例，让学生熟悉列管式换热器的设计过程。其目的是通过对油产品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适当的类型，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。 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，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。 列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器

4、，它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连接管处进入，在管流动，从封头另一侧的出口管流出，这称之管程；另一种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称之为壳程列管式换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。设计者： 2015年 月 日化工原理课程设计

5、任务书一、设计题目：设计一台换热器二、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 30 ，出口温度 34 ；3.允许压强降：不大于1×105Pa；4.每年按330天计，每天24小时连续运行。三、设备形式： 管壳式换热器四、处理能力： 19.8 ×104吨/年煤油五、设计要求：1.选定管壳式换热器的种类和工艺流程；2. 管壳式换热器的工艺计算和主要工艺尺寸的设计；3.设计结果概要或设计结果一览表；4.设备简图（要求按比例画出主要结构及尺寸）；5.对本设计的评述及有关问题的讨论。目的与要求一、 课程的目的与任务化工原理课程设计以“化

6、工原理课程教学基本要求”为依据，通过课程设计达到以下目的：1、使学生掌握化工设计的基本程序与方法；2、结合设计课题培养学生查阅有关技术资料及物性参数的能力；3、通过查阅技术资料，选用设计计算公式，搜集数据，分析工艺参数与结构尺寸间的相互影响，增强学生分析问题、解决问题的能力；4、对学生进行化工工程设计的基本训练，使学生了解一般化工工程设计的基本内容与要求；5、通过设计说明书，提高学生文字表达能力，掌握撰写技术文件的有关要求；二、课程的基本要求1、 设计题目必须是以某一单元操作为主，完成一个完整的化工过程设计，能按化工原理课程基本要求中有关课程设计的基本要求规定，对学生进行一次较为完整的化工设计

7、基本训练。2、 生产规模，工艺操作条件、设备、物性等都要以实际生产条件为背景，使学生在兼顾技术上先进性、可行性，经济上合理性的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过程正常、安全运行所需要的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施设计时间符合课程设计教学大纲之规定。3、 化工原理课程设计考核要求：（1）设计说明书完成的情况：按照课程设计教学大纲规定及设计任务要求，做到设计内容完整，设计合理，计算正确，叙述层次分明，条理清楚。（2）图面质量：工艺流程图正确，主要设备总装图结构基本合理，图面清晰，基本符合规范化要求。( 3 )在工艺计算中要考虑

8、到各个方面的问题，比如热阻，管壁的阻力以及长期下来可能遇到遇到的问题，管壁所能承受最大压力，流体的物性和化学性质。工艺设计方案确定设计方案确定流动空间选择换热器的类型确定物性数据估算传热面积平均传热温差传热面积热流量冷却水用量不符合15%-25%计算值大于操作压力确定换热器基本尺寸计算值与假设值相差很大传热面积裕度总传热系数核算壳程、管程压降核算换热器核算工艺结构尺寸工艺流程图 一、工艺设计方案1.1选择换热器1.1.1换热器 换热器是在工业生产中实现物料之间热量传递过程的一种设备。由于工工艺流程不同，生产中往往进行着加热、冷却、蒸发或冷凝等过程。通过换热器热量从温度高的流体传递给温度较低的流

9、体，本工艺设计是利用冷却水给煤油降温，制成换热器，以满足工艺需求。1.1.2选择换热器的要求 选择换热器时，要遵循经济，传热效果好，方便清洗，符合实际需要等原则。不同的换热器适用于不同的场合。换热器的选择涉及因素很多，如热流体的腐蚀性及其他特性，操作温度与压力，换热器的热负荷，管程与壳程的温差不大于70，检修与清洗要求等。列管式换热器应用广泛、结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大等。尤其在高压高温和大型装置中使用更为普遍。 管壳式换热器中，由于两流体的温度不同，管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体的温度差较大时（50以上），就可能由于热应力而引起设备变形

10、，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。1.1.3确定换热器的类型两流体温度变化情况：热流体煤油进口温度为140，出口温度40，冷流体冷却水进口温度30，出口温度34。两流体温度差Tm-tm=58>50，操作压强不大于1×105Pa该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，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，因此初步确定选用浮头式换热器。1.2流动空间的确定: 1.2.1流体流径的选择原则（1）不洁净或易结垢的流体宜在管程，因为管内清洗方便；（2）腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀；（3）流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜；

11、（4）若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。1.2.2换热管的选择选用较小直径的管子，可以提高流体的对流给热系数，并使单位体积设备中的传热面积增大，设备较紧凑，单位传热面积的金属耗量少，但制造麻烦，小管子易结垢，不易清洗，可用于较清洁流体。大管径的管子用于粘性较大或易结垢的流体。 由于本设计工艺中，两流体均不发生相变的传热过程，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。二、确定物性数据：定性温度：可取流体进口与出口温度的平均值。 管程流体冷却水的定性温度为：（）壳程流体煤油的物性数据： ()根据定性温度，分别查取壳程和管

12、程流体的有关物性数据。 温度物性密度(kg/m3）比热容cp（kJ/（kg·)）导热系数（W/（m·）黏度µ（Pa·s）水32995.04.1740.62177.19×10-5煤油908102.30.1391.00×10-5三、估算传热面积3.1传热量Wh=（kg/h）Q=Whcph（T1-T2）=25000×2.3×(140-40)=5.75×106kJ/h=1597.2 (kW)3.2平均传热温差逆流时平均温度差为：()3.3传热面积 查管壳式换热器中的总传热系数K的经验值(见附表1），假设K=300

13、W/(m2·),则估算面积为：S=Q/(K×tm)=1597.2×103/(300×40.66)130.9(m2) 3.4冷却水用量（kg/h）四、工艺结构尺寸4.1管径和管内流速选用25×2.5较高级冷拔传热管(碳钢)，取管内流速ui= 1.5m/s（见附表2）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按单程管计算，所需的传热管长度为：按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，现取传热管长为l=4.5m，则该换热器的管程数为：NP=L/l=7.9/4.52；传热管总根数： NT=204×2=408（根）4.3平均传

14、热温差校正及壳程数：平均传热温差校正系数：按单壳程，2管程结构，温差校正系数应查有关图表（见附图1）可得t=0.93平均传热温差tm=ttm=0.93×40.66=38.12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。4.4传热管排列方法采用正三角形排列法，取管心距t=1.25d0，则t=1.25×25=31.2532(mm)隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+6=32/2+6=22（mm）。横过管束中心线的管数管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离b=（11.5）do4.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率0.8，则壳体内径为D

15、=按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=800mm。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H0.25×800=200（mm）。折流板间距h=0.3D,则h=0.3×800=240mm。取板间距为300mm折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=4500/300-1=14(块)4.7其他附件拉杆数量与直径按选取，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。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：d1=，圆整后可取管内径为100mm。管程流体进出口接管：

16、取接管内循环水流速 u1.5 m/s，则接管内径为，圆整后可取管内径为100mm。五、 换热器核算5.1总传热系数核算5.1.1壳程对流传热系数0用克恩法计算：当量直径，由正三角排列得：de=（m）壳程流通截面积：=0.042（m2）壳程流体流速及其雷诺数分别为：u0=（m/s）Re0=3634普朗特数：Pr=；粘度校正：0=510W/(m2·) 5.1.2管程对流传热系数i：i管程流体流通截面积：Si=0.785×0.022×408/2=0.064（m2）管程流体流速及其雷诺数分别为：ui=1.5（m/s）Rei=38730普朗特数：Pr=i=0.023

17、5;=6461W/ (m2·)5.1.3污垢热阻和管壁热阻 查有关文献知可取：（见附表3）管外侧污垢热阻 R0=0.00017 （m2·）/W管内侧污垢热阻 Ri=0.0002 （m2·)/W管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为45W/(m·)。故RW=0.0025/45=0.000055（m2·/W）5.1.4计算总传热系数Ko：K0=356w/（m2·）在规定的流动条件下，换热器的安全系数为：选择的换热器适合。5.1.5换热器的面积裕度：计算传热面积S0:S0=Q/(K0×tm)=1597.2×103

18、/（379×38.12）117.9.（m2）该换热器的实际传热面积S：S=3.14×0.025×（4.5-0.1）×408141（m2）该换热器的面积裕度为：H=×100%=×100%=19.6%传热面积裕度合适(15%25%)，该换热器能够完成生产任务。5.2壁温核算因管壁很薄，且管壁热阻很小。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为16，出口温度为34计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳程和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小

19、，壳体和传热管壁温差肯能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是有tw=tm=0.4×34+0.6×16=23.2（） Tm=0.5（140+40）=90（）i=6461W/ (m2·) 0=510W/ (m2·)传热管平均壁温t=28.1（）壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=90。壳体壁温和传热管壁温之差为t=90-28.1=61.9（）>50该温差较大，故需设温度补偿装置。因此，需选用浮头式换热器较为适宜。（浮头式换热器图见附图2）5.3换热器内流体的流动阻力5.3.1管程流体阻力 计算公

20、式如下：Pt=（Pi+Pr）NSNpFS; NS=1, Np=2，FS=1.4; Pi=。由Re=38730，传热管相对粗糙度0.1/20=0.005，查莫狄图得=0.034，流速u=1.5m/s，=995kg/m3，（见附图3）故 Pi=15984.7（Pa）；Pr=3358（Pa） Pt=（15984.7+3358）×2×1.4=54158（Pa）<105 Pa管程流体阻力在允许范围之内。5.3.2壳程阻力 公式有：PS=（P0+Pi）FSNS 其中 FS=1.15 ；NS=1 ；P0= Ff0nC(NB+1) ; 又F=0.5,f0=5×4696-0.

21、228=0.727, NB=15;P0=0.5×0.727×24×（14+1）×810×0.2042/22205.6（Pa）流体流过折流板缺口的阻力Pi =NB（3.5-2h/D）,其中 h=0.24m; D=0.8m；故Pi=14×（3.5-2×0.24/0.8）×810×0.2042/2684.3（Pa），则总阻力：PS=2205.6+684.3=2890（Pa）<105 Pa。故壳程流体的阻力也适宜。五、设计计算结果一览表换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。参数冷却水煤 油流量/（kg/h）3

22、4439425000进/出温度/30/34140/40操作压力/ Pa105物性定性温度/3290密度/（kg/m3）995810定压比热（kJ/（kg·）4.1742.3粘度/（Pa·s）0.00077190.0009100热导率/w/（m·）0.6210.130普朗特数5.1916.1 设备结构参数形式浮头式换热器壳体内径/mm800壳程数1管径/mm25×2.5管心距/mm32管长/mm4500管子排列法正三角形管数目/根408折流板数/个14传热面积/m2141板间距/mm240管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速u/（m/s）1.50.20

23、4对流传热系数/w/（m2·）6461510污垢阻力R/（w/m2·）0.00020.00017阻力P/Pa541582890传热量/W1597200传热温差tm/38.12总传热系数K0/w/（m2·）356裕度/%19.6% 六、设计总结本次化工课程设计是对列管式换热器的设计，通过查阅有关文献资料、上网搜索资料以及反复计算核实，本列管式换热器的设计可以说基本完成了。下面就是对本次设计的一些评述。本设计选择了冷却水走管程，煤油走壳程的方案。由于本设计所要冷却的煤油的流量不是很大，故选择所需的换热器为单壳程、2管程，可以达到了设计的要求，且设计的列管式换热器所需的

24、换热面积较合适，计算得的面积裕度也较合适，这样所损耗的热量相对来说不会很大。至于本设计能否用在实践中生产，或者生产的效率是否会很低，这些只有在实践中才能具体的说明。课程设计需要学生自己做出决策，自己确定实验方案、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。所以，课程设计是增强工程观念、培养提高学生独立工作能力的有益实践。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

25、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。 七、附录表1 总传热系数K的选择管程壳程总传热系数/W/（m3·）水（流速为0.91.5m/s）水冷水冷水冷水盐水有机溶剂轻有机物0.5mPa·s中有机物=0.51mPa·s重有机物1mPa·s水（流速为1m/s）水水溶液2mPa·s水溶液2mPa·s有机物0.5mPa·s有机物=0.51mPa·s有机物1mPa·s水（流速为0.91.5m/s）水（流速较高时）轻有机物0.5mPa·s中有机物=0.51mPa·s重有机物1m