煤油冷却器的设计

1、化工原理课程设计 设计题目：煤油冷却器设计 设计日期：2014 年 06 月 09 日至 2014年 06 月 20 日 专业:化学工程与工艺 班级：化工 113 班 指导教师：朱宪荣 姓名：周明宇 目录目录1 设计任务书设计任务书 .11.1 设计题目.11.2 设计任务及操作条件.11.3 设计已知条件.11.4 设计内容.22 设计目的及要求设计目的及要求.32.1 目的.32.2 要求.33 概述及简介概述及简介 .54 设计方案简介设计方案简介.64.1 试算并初选设备规格.64.2 计算管程、壳程压强降.75 工艺计算工艺计算.85.1 流体走法确定.85.2 计算和初选换热器的规

2、格.85.3 核算总传热系数.105.4 核算压强降.136 辅助设计辅助设计.176.1 换热器主要尺寸的确定.176.2 法兰的确定及垫片的确定.176.3 支座的确定.186.4 筒体的确定.196.6 拉杆及定距管的确定.196.7 分程隔板的确定.206.8 管板尺寸的确定.206.9 折流板的确定.206.10 接管尺寸的确定.206.11 浮头主要尺寸的确定.216.12 滑板结构.217 计算结果汇总计算结果汇总.237.1 计算结果.237.1 计算结果.248 致谢致谢.269 附录附录.2810 参考文献参考文献.301 1 设计任务书设计任务书1.11.1 设计题目设计

3、题目煤油冷却器的设计1.21.2 设计任务及操作条件设计任务及操作条件1、 设计任务处理能力（煤油流量） 16000 kgh设备型式 列管式换热器 2、 操作条件煤油 入口温度 140,出口温度 50 冷却介质河水 入口温度 30,出口温度 40 管程、壳程的压强降 不大于 30kPa 换热器的热损失 忽略 3、 厂 址 齐齐哈尔某地区 1.31.3 设计已知条件设计已知条件1、定性温度下两流体的物性参数（1）煤油定性温度 tm=95 密度 h=825kg/m3；比热容 Cph=2.32kJ/(kg.) 导热系数 h=0.106W/(m) 粘度 h=0.000715Pa.s(2) 河水定性温度

4、 tm=35.0 密度 c=996kg/m3比热容 Cpc=4.17kJ/(kg.) 导热系数 c=0.611W/(m) 粘度 c=0.000725Pa.s2、管内外两侧污垢热阻分别是 Rsi=6.878810-4( m2)/W Rso=1.719710-4 (m2)/W3、管壁导热系数 w=48.85 W/(m)1.41.4 设计内容设计内容1、设计方案的选择及流程说明2、工艺计算3、主要设备工艺尺寸设计 （1）冷却器结构尺寸的确定 （2）传热面积、两侧流体压降校核 （3）接管尺寸的确定4、辅助设备选型与计算5、设计结果汇总6、换热器装配图(1 号图纸)7、设计评述8、参考资料2 2 设计目

5、的及要求设计目的及要求2.12.1 目的目的1. 熟悉查阅文献资料，搜集有关数据，正确选用公式。2. 在兼顾技术先进性，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，安全更有所需要的检测和测量参数，同时还要考虑环境保护的有效措施。3. 准确而迅速的进行过程计算和主要设备的工艺设计计算。4. 用精炼的语言，简洁的文字，清晰地图表来表达自己的设计思想及计算结果。5. 通过化工原理设计可以巩固 CAD 制图和从课外的学习中培养自学的能力，以及学习的方向通过化工原理设计，可以复习已经学过的换热器的内容，可以更好的了解换热器。6. 通过化工原理设

6、计，可以复习已经学过的换热器的内容，可以更好的了解换热器。2.22.2 要求要求1. 通过化工原理设计，要求能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间完成指定的化工设计任务，从而得到化工设计的初步训练。2. 通过化工原理设计，要求能了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的主要程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。3. 化工原理的课程设计，能树立正确的设计思想，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。4. 学生要了解自通过己所设计的内容，在设计中要用到 CAD 的知识，所以要对 CAD 有一定的了解。5. 在制作图纸的（利用 CAD）过程中，要考虑和利用到

7、工程制图的标准。这要求工程制图要有一定的功底和认识。3 3 概述及简介概述及简介化工原理课程设计使我们向红芬理解到化工原理课程的重要性和实用性，更特别是对换热器原理及其操作各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所设计的各方面要注意问题都有所了解。换热器是用于物料之间进行热量传递的过程设备，通过这种设备使物料能达到指定的温度以满足工艺要求。在目前大型化工及石油化工装置中，采用各种换热器的组合，就能充分合理地利用各种等级的能量，使产品的单位能耗降低，从而降低产品的成本以获得好的经济效益。因而，在大型化工及石油化工生产过程中，换热器得到越来越广泛的应用。在工厂建设投资中，换热器所占比例也有明显提高

8、，成为最重要的单元设备之一。换热器种类繁多，形势多样。列管式换热器在化工生产中主要作为加热（冷却）器、冷凝器、蒸发器和再沸器使用。列管式换热器有固定管板式、浮头式换热器、U 形管式换热器、填料函式换热器四种类型。此次设计的换热器是根据任务说明书中的数据计算得到的，应选用浮头式换热器。浮头式换热器的主要特点是管束可以从壳体中抽出，便于清洗管内和管间，管束可以再壳体内自由伸缩，不会产生温差反应，单位体积较大的传热面积，传热效果也好，使用安全。浮头式换热器的缺点是结构复杂，价格较贵，而且浮头端小盖在操作时无法知道泄漏情况，所以装配时一定要注意密封性能。根据化工原理并根据实际操作选择的需要应该选用该种

9、换热器。4 4 设计方案简介设计方案简介从设计任务书可知，此次须设计一台浮头式换热器，欲用河水将6500kg/h 的煤油从 145冷却到 35，故选用浮头式换热器可减少管束与壳体的温差应力。首先进行工艺计算，决定水走管程，煤油走壳程，原因如下：本题为两流体均不发生相变的传热过程，根据两流体的情况，引用的对流传热系数比较大，且易结垢，故选用水走管程，煤油走壳程。其次进行辅助设备选型。最后，准备工作就绪后，画出工艺图。4.14.1 试算并初选设备规格试算并初选设备规格4.1.1 确定流体在换热器中的流体途径。4.1.2 根据传热量计算热负荷 Q。4.1.3 确定流体在换热器两端的温度，选择列管换热

10、器的形式；计算定性温度并确定在定性温度下的流体特征。4.1.4 计算平均温度差，并根据温度差校正系数不应小于 0.8的原则，决定壳程数。4.1.5 依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，选定总传热系数 K 值。4.1.6 依据总热速率方程 Q=，初步算出传热面积 S，并确定换热器的基本尺寸（如 D、L、N 及管子在板上的排列等） ，或按系列标准选择设备规格。4.24.2 计算管程、壳程压强降计算管程、壳程压强降根据初定的设备规格，计算管程、壳程流体的流速和压强降，检查计算结果是否合理或满足工艺要求。若压强降不符合要求，要调整流速，再确定管程数和折流板间距，或选择另一规格的换热器，重新计

11、算压强直至满足要求为止。5 5 工艺计算工艺计算5.15.1 流体走法确定流体走法确定两流体均不发生相变的过程，因河水的对流产热系数一般较大，且易沉积结垢，故选择河水走换热器的管程，没有走换热器的壳程。5.25.2 计算和初选换热器的规格计算和初选换热器的规格5.2.1 确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程煤油的定性温度为 T=(145+35)/2=90。管程流体的定性温度为 t=(25+35)/2=30。煤油在 90下的有关物性数据：定性温度 Tm=95密度 h=825kg/m3；比热容 Cph=2.32kJ/(kg)导热系数 h=0.106W/(m) 粘度 h=0.0007

12、15Pa.s河水在 30下的有关物性数据：定性温度 tm=35密度 c=996kg/m3比热容 Cpc=4.17kJ/(kg.)导热系数 c=0.611W/(m) 粘度 c=0.000725Pa.s5.2.2 计算热负荷和冷却水流量:5.2.3 计算两流体的平均温度差：暂按单壳程、多壳程进行计算，逆流时的平均温度差为：=而平均传热温度差校正系数：根据化工原理 （天津大学出版社）232 页温度系数校正图得所以因为所以此换热器选单壳程。5.2.4 初选换热器的规格水走管程、煤油走壳程，假设 k=200 W/(m)258 .54)78.33200/(107 . 3)/(mtKQAm由于50552/

13、)4030(2/ )40140(mmtT因此需要考虑热补偿。据此，由换热器系列标准中选定 FB-500-65-25-2 型换热器。有关参数如下：壳径（mm）500管子尺寸（mm）5 . 225公称压强25管长（m）6公称面积（m2）65管子总数124管程数2管子排列方法正方形转45。实际传热面积：245.57) 1 . 06(025. 014. 3124mdlnSc若采用此传热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为：)W/(m88.199)78.338 .54/(107 . 3)/(5mtAQK5.35.3 核算总传热系数核算总传热系数5.3.1 计算管程对流体传热系数管程流通面积:管程流体流

14、2220195. 0212402. 0414. 34mNNdAptii速:smAVss/55. 00195. 09943600/108 . 3/u4i雷诺数:) 099455. 002. 0湍流cicieiudR普兰特准数：73. 4626. 0000725. 01008. 43ccpccPri根据公式 ，由于液体被冷却，4 . 08 . 0PrRe23. 0iiiid所以 n=0.3。即)W/(m22.252673. 41508102. 0626. 0023. 0PrRe23. 0 23 . 08 . 04 . 08 . 0iiid5.3.2 计算壳程对流系数14.

15、 03155. 000)(PrRe36. 0wed取换热器管心距 t=32 mm壳程流通截面积为：取)/1 (0tdhDAtNTD05. 17 . 0mmmD4472. 02 .4477 . 01243205. 1圆整取 D=0.5 m h=0.3D=0.15 m所以200164. 0)032. 0/025. 01 (15. 0mA壳程流体流速：smAVc/12. 0)0164. 08253600/(6000/u00当量直径按正方形排列有：mddt027. 0)025. 014. 3/()4/025. 014. 3032. 0(4)(4/(4d220202e雷诺准数：3738000715. 0

16、82512. 0027. 0Re00cceud普兰特准数：34.1114. 010715. 01022. 2Pr330ccpcc粘度校正：煤油被冷却95. 0)/(14. 0wh所以5.3.3)W/(m42.36895. 034.113738027. 014. 036. 0 23155. 00污垢热阻查表得：)/W(m107197. 1)/W(m108788. 6 24 24sosiRR5.3.4 总传热系数 k00043. 042.3681107197. 15 .2285.4825105 . 22025108788. 62097.2526251bk/1434so0omoiosiiioRddd

17、dRdd所以)232.9W/(m=k 20由前面计算可知，选用换热器时要求过程得总传热系数为 199.88，在规定条件下，计算出得 k0 为 232.9，故选)W/(m 2)W/(m 2择的换热器是合适的。安全系数为：16.52%100%9.88199.88)/19-232.9(100%k)/-(k0k5.45.4 核算压强降核算压强降5.4.1 管程压强降sptiNNFPPP)(21其中：为直管摩擦阻力引起的压降，；1PaP为回弯阻力引起的压降，；2PaP为管程污垢校正系数；tF为串联的壳程数；sN为管程数pN-结垢校正系数对mm 的管子取：tF5 . 225，4 . 1tF2pN1sN设管

18、壁的粗糙粘度 mm1 . 0所以 05. 0201 . 0id通过计算的12833eiR由关系图查得：eR03. 0所以a3 .1304254. 099402. 0603. 02221PudLp）（a8 .434254. 0994323222PuP）（所以a5 .486924 . 1)8 .4343 .1304()(21PNFPPPpti5.4.2 壳程压强降采用埃索计算公式：ssFNPPP)(210其中：Fs 是壳程压强降结垢校正因数，液体取 1.15； Ns 是壳程数，为 1。) 1(01BcNnFfP22ou管子为正方形斜转 450排列，F=0.4位于中心线上管数 25.131241 .

19、 11 . 1nNc取折流板间距 h=0.15m折流挡板数 39115. 0/61/NbhL壳程流通面积：0253. 0)025. 025.135 . 0(15. 0)(A00dNDhc壳程流通速度：smAVc/080. 0)0253. 08253600/(6000/u00雷诺准数：69.23071015. 7825080. 0025. 0Re400ceud86. 069.23070 . 5Re5228. 0228. 000f所以所以：计算表明，壳程和管程的压强的压降均小于 16kpa，即满足设计要求。故选择的换热器合适。6 6 辅助设计辅助设计6.16.1 换热器主要尺寸的确定换热器主要尺寸

20、的确定根据化工工艺设计手册 （上）国家医药管理总局上海医药设计院编，化学工业出版社（135-137 页）查得换热器的主要尺寸如下：Dg截面积GBDEHdgCFSmmcm2mmmmmmmmmmmmmmmmmm5001945100275635325206150125444086.26.2 法兰的确定及垫片的确定法兰的确定及垫片的确定6.2.1 管箱法兰的与壳体连接的法兰哈接管发的尺寸由材料与零部件433 页查得， （JB1158-73） （凹凸法兰）（1）管箱法兰DgDD1D2D3D4baad规格数量重量50061558055054053825151318M162415.9600715680650

21、64063825151318M162817.2（2）由化工、轻工机械设计基础陈经海等编 405 页查得管箱接管DgdoSDD1D2D3D4D5D6bb3B41001084230190162129149128150281011fF1=f2d凸面重凹面重数量直径KH34.5236.365.648M2056筒体接管DgdoSDD1D2D3D4D5D6bb3b41001084230190162129149128150281011fF1=f2d凸面重凹面重数量直径KH34.5236.365.648M20566.2.2 垫片的选定由材料与零部件查得：耐油橡胶石棉板（GB539-65） ，垫片厚度 s=3m

22、m，其标记为：G446043 JB1161-827447043 JB1161-82既外径为 D=615mm 内径为 d=529mm 厚度 s=3mm外径为 D=715mm 内径为 d=625mm 厚度 s=3mm6.36.3 支座的确定支座的确定本设计采用了卧式容器，主要采用鞍式支座，由化工容器及设备简单设计手册贺匡国 主编 609 页（JB/T4712-92）查得重型（BI型）DN(500-900)、120包角带垫板或不带垫板鞍式支座结构与尺寸如下：DNQhLb1ddL500159200460150108250b3d3弧长b4d4eL2鞍座质量带垫板1208590200636330206.4

23、6.4 筒体的确定筒体的确定由化工工程制图化工工业部属五院校合编 魏崇光、郑晓梅主编 183 页（JB1153-73）查得：DNS曲面高度h1（mm）重量 kg材料500812520.116MnR600815028.816MnR6.66.6 拉杆及定距管的确定拉杆及定距管的确定由换热器手册钱颂文编查得：直径 mm拉杆螺纹直径 dn mmLa mmm1b mm根数161620=602.04定距管的尺寸一般与所在换热管的规格相同，定距管的长度按实际需要确定。 （尺寸：d=25mm d=2.5）6.76.7 分程隔板的确定分程隔板的确定由化工容器及设备简明设计手册贺匡国主编查得：分隔板厚度为 8mm

24、，材料为碳素钢及低合金钢。6.86.8 管板尺寸的确定管板尺寸的确定由换热器手册钱颂文 150 页查得：（GB151-1999）D mmD2 mmD3 mmD4 mmD5 mmd2 mmBf mmB mm螺旋数量615550500537500182842M16206.96.9 折流板的确定折流板的确定由化工容器及设备简明设计手册贺匡国主编 864 页查得折流板的最小厚度为 5mm，间距 150mm。6.106.10 接管尺寸的确定接管尺寸的确定由化工原理 （上）姚玉英主编 277 页查得：壳程接管：mmuVsd74.41)6 . 114. 33600825/(65004)(42121管程接管：

25、mmuVsd87.91)6 . 114. 336007 .995/(108 . 34)(421421圆整后：mmd1006.116.11 浮头主要尺寸的确定浮头主要尺寸的确定由化工容器及设备简明设计手册贺匡国主编 862 页数据及872 页公式计算浮头的主要尺寸如下：bBlbnb2=bn+1.5cDi4 mm3 mm10 mm11.5 mm60 mm500 mm浮头法兰和钩圈的内直径：mmbnblDDifi484)106(500)2(浮头法兰和钩圈的外直径：mmDDifo58080 布管限定圈直径：mmbbblDDjL463)45 .113(2500)22(外头盖内直径：mmDDi600100

26、 浮头管板直径：mmblDDio49426.126.12 滑板结构滑板结构滑板焊在折流板或支持板的槽内，在直径方向高滑板焊在折流板或支持板的槽内，在直径方向高出折流板出折流板 0.5-1mm0.5-1mm 并与管束成一整体。滑板的尺并与管束成一整体。滑板的尺寸可根据换热器直径、长度和管束重量确定。寸可根据换热器直径、长度和管束重量确定。7 7计算结果汇总计算结果汇总7.17.1 计算结果计算结果名称壳程管程质量流量 kg/h3100 . 64108 . 3温度 进/出140/4030/40定性温度9035密度 kg/m3825994比热容kJ/(kg.)2.224.08粘度 Pa.s41015

27、. 741025. 7物性导热系数W/(m)0.1400.626型号FB-500-65-25-2壳体内径 mm500管子规格 mm5 . 225管长 mm6000管根数124换热面积 m257.45管程数12设备结构参数推荐使用材料碳钢折流板形式上下排列方式正方形斜转 450管间距 mm32折流板间距 mm150主要计算结果壳程管程流速 m/s0.120.55对流导热系数)W/(m 2368.422526.22污垢热阻( m2)/W4107197. 14108788. 6阻力损失 Pa6 .10215 .4869热负荷 w 5104 . 4裕度16.52%切口高度25%7.17.1 计算结果计

28、算结果序号图号标准名称数量材料单重总量1JB1153-73筒体 Dg560 x81A3F1002JB1167-81固定鞍式支架1A3F103JB1158-73简体法兰1A3104固定管板15JB1158-73管箱法兰1A315.96封头 Dg500 x81A320.17隔程挡板116MnR4.78GB/T8163换热管12416MnR9接管4201.53.010JB1158-73凸凹法兰4A35.120.411GB539-65垫片 S=32耐油橡胶棉板12折流挡板 S=529A3F5.1147.913定距管5 . 22510100.555.514GB01-88等长双头螺旋24A32.8815筒

29、体法兰1A32.8816JB1158-73外头盖法兰 G10-1001A317.217浮头钩圈1A33018浮头法兰1A319无折边球形封头120JB1154-73封头 Dg600 x81A3F21JB1167-81活动鞍式支座1A3F8 8 致谢致谢在朱老师悉心讲解和指导下，在我们小组成员的精心努力下，经过两周的紧张奋战，我们终于成功完成了煤油冷却器的设计。整个设计过程中，我们不仅巩固了以前学过的知识的同时，还学到了很多新的知识、掌握了很多新技能，更重要的是我们积累了宝贵的设计经验。由于一个成品的诞生需要很多的数据作参考，我们最先进行的是对数据的计算。这是一个相当繁重的任务，而且有许多公式已

30、经忘记了。但经过我们查阅资料和请教老师，所有的问题都迎刃而解，最终得到了最理想的数据。接下来便是通过数据选取合适的换热器，及其各种配套的零件。数据有了，换热器也有了，我们开始着手 CAD 画图了，好在我们刚刚学过化工制图，利用起来很方便。在经过我们反复推敲之后，把 CAD 图给确定下来了。最后我们又用 Word 进行了排版，这个活相当琐碎，所以我们每人负责其中的一部分。在于用 Word 文档编辑时，我们是煞费苦心呀！特别是在打一些特殊的公式和符号式，都是在请教同学和上网找资料的情况下现学现卖的。化工设计是对我们运用知识和技能的检验，是对学生进行全面考察的有效手段，也是让我们学习新知识、掌握新技术的有效途径。通过这次设计，我们了解了许多化工机械方面的知识，迈出了从理论知识到实际运用的第一步。本次设计使我们在很多方面都得到了锻炼，为我们以后步入社会工作时奠定了基础。通过这次的课程设计，我们找到了自身的不足。认识到了只有不断学习新知识和巩固旧知识