煤油冷却器的设计课程资料

1、化工原理课程设计题目煤油冷却器的设计专业班级学生姓名学生学号指导教师目录第一章 前言 1第二章方案设计说明 12.1换热器的选型 1换热器的分类 12.1.2 间壁式换热器 1管壳式换热器 1换热器的选型 22.2 材质的选择 22.3换热器其他结构设计 22.3.1 管程机构 22.3.2 壳程结构 2第三章管壳式换热器的设计计算33.1 确定设计方案 3选择换热器类型 33.3.2 流动空间及流苏确定 33.2 确定物性参数 33.3 计算总传热系数 .43.3.1 热流量 43.3.2 平均传热温差 43.3.3 冷却水用量 43.3.4 总传热系数 43.4计算传热面积 53.5 工艺

2、结构尺寸 53.5.1 管径和管内流速 5管程数和传热管数 53.5.3 平均传热温差校正及壳程 63.5.4 传热管排列和分程方法 63.5.5 壳体内径 63.5.6 折流板 73.5.7 接管 73.6 换热器核算 73.6.1 热量核算 73.6.2 换热器内流体的流动阻力 9第四章 计算结果一览表 11课程设计心得与体会 12参文文献 14附录（1）油冷却器的设计任务书 15附录（2）符号说明 16第一章 前言工程设计是工程建设的灵魂，又是科研成果转化为现实生产力的桥梁和纽 带，它决定了工业现代化水平。设计是一项政策性很强的工作，它涉及政治、经 济、技术、环保、法规等诸多方面，而且还

3、会涉及多专业、多学科的交叉、综合 和相互协调，是集体性的劳动。先进的设计思想、 科学的设计方法和优秀的设计 作品是工程设计人员应坚持的设计方向和追求的目标。 而化工原理课程设计， 是 将所学的化工原理理论知识联系实际生产的重要环节。 一方面，它要求综合运用 物理，化学，化工原理，工程制图的理论知识，确定生产工艺流程和计算设备的 尺寸；另一方面，又要求根据设计对象的具体特征，凭借设计者的经验（或借鉴 前人的经验），灵活运用设计的诀窍，对所选设备，工艺过程以及各种参数进行 合理的筛选，校正和优化，达到经济合理的生产要求。第二章 设计方案说明2.1 换热器的选型换热器的分类换热器是化工， 炼油工业中

4、普遍应用的工艺设备， 用来实现热量的传递， 使 热量由高温流体传给低温流体。 根据传热方式可分为混合式换热器， 蓄热式换热 器，和间壁式换热器， 其中间壁式换热器是工业中应用最为广泛的一类。 其主要 特点为：冷热流体被一固体间壁隔开， 通过壁面进行转热。 考虑到间壁式换热器 设计技术比较成熟， 而且国家在该类换热器的设计， 制造， 检验和验收等方面已 有较为完善的设设计资料和系列化标准，因此选择间壁式换热器。间壁式换热器按照传热面的形状和结构特点， 间壁式换热器又可细分为管式换热器， 如套 管式，螺旋管式，管壳式，热管式；板面式换热器， 如板式，螺旋式，板壳式等； 扩展面式换热器，如板翅式，管

5、翅式，强化的传热管等。在管式换热器中，管壳 式换热器是应用最广泛的一种， 该类换热器结构相对简单， 造价不高， 壳选用多 种结构材料，管内清洗方便，处理量大，在高温条件下也能应用。考虑其诸上优 点，以及生产任务均符合管式换热器的要求，选择管壳式换热器。管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备。它因结构简 单、耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点而在换热设备中占 据主导地位。 管壳式换热器根据其结构特点分为： 固定管板式换热器， 浮头式换 热器，U形管式换热器。以下主要介绍固定管板式换热器。固定管板式换热器，管端以焊接或胀接的方法固定在两块管板上，而管板则

6、 以焊接的方法与壳体连接， 与其他形式的管壳式换热器相比， 结构简单， 当壳体 直径相同时，可安排更多的管子，也便于分程。制造成本低，由于不存在弯管部 分，管内不易集聚污垢，即使产生污垢也便于清洗。为减少温差应力，壳在壳体 上安装膨胀节，利用膨胀节在外力作用下中产生较大的变形能力来降低管束与壳 体中的温差应力。选型本次生产设计要求中，两流体温度变化情况：热流体进口温度 130C，出口 温度40C ;冷流体（循环水）进口温度 30C,出口温度40C。该换热器用循环 冷却水冷却，循环冷却水的压力为0.4MPa,冬季操作时进口温度会降低，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，

7、加之其冷、 热两流体的 温度、压力不高，温差不大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。2.2 材质的选择换热器的设计时， 换热器的各种零件， 部件的材料应根据设备的操作压力， 操作温度， 流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺要求来选取。 换热器的常用材 料有：碳钢和不锈钢。碳钢，价格低强度较高， 对碱性介质的化学腐蚀比较稳定， 很容易被酸腐蚀， 在无耐腐蚀性要求的环境中应用是比较合理的，如一般换热器的普通无缝钢管， 其常用的材料为 10号和 20 号。不锈钢，以 1Cr18Ni9 为代表，它是标准的 18-8 奥体式不锈钢，有稳定的奥 体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。据生产要求，

8、 冷热流体分别为水合煤油， 均无腐蚀性化学性质比较稳定， 以 及生产经济合理，选择碳钢作为换热器的材料。2.3 换热器其他结构的选择管程结构换热管的布置和排列间距：常用的换热管有© 19<2mm， ©25X 2mm，© 25x 2.5mm因选择的为碳钢10，故可选择换换热管径 梓5>2.5mm。热管板上 的排列方式有正方形直列， 正方形错列， 三角形直列， 三角形错列和同心圆排列。 正三角形排列结构紧凑， 我国换热器系列中， 固定板式多采用正三角形排列。 管 间距与管外径的壁纸，焊接时为 1.25，胀接时 1.3 至 1.5。壳程结构壳体：直径小于 4

9、00mm 的壳体通常用钢管制成，壳体大于 400mm 的壳用 钢板卷焊而成。折流板：常用的为圆形折流板，切缺率通常为 20% 至 50%。垂直圆缺用于 水平冷凝器，水平再沸器等，选用垂直圆缺。推荐折流板间隔最小值为内径的 1/5或小于50mm,最大值取决于支持管所必要的最大间隔。此设计中使用折流板间隔为内径的1/4第三章 管壳式换热器设计3.1确定计算方案选择换热器的类型本次生产设计要求中，两流体温度变化情况：热流体进口温度 130C，出口 温度40C ;冷流体（循环水）进口温度 30C,出口温度40C。该换热器用循环 冷却水冷却，循环冷却水的压力为0.4MPa,冬季操作时进口温度会降低，考虑

10、到 这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大， 加之其冷、热两流体的 温度、压力不高，温差不大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。流动空间及流速的确定由于循环冷却水较易结垢以及油品的黏度较大，为便于水垢清洗、减少流动阻力，应使循环冷却水走管程，油品走壳程。选用© 25X 2.5mr的碳钢管，管内流速取5= 0.5m/S。3.2 确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程油的定性温度为130 402二 85( C)管程流体的定性温度为30 402=35C)根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据 油在85 C下的有关物性数据如下：密度：°

11、; =825Kg/m"定压比热容：Cp。= 2.22KJ /(Kg 0C)30导热系数：厂140 10 W/(m C)粘度： =740 10Pa s循环冷却水在35 C下的物性数据：密度：匚=994Kg m"定压比热容：Cpj =4.174KJ /(Kg 0C) 导热系数：二=0.626W/(m °C) 粘度：叫=728.35 10&Pa s3.3计算总传热系数热流量Q = mC0 T2.22 (130 40) 46.9®5I 1h> / KW387.5332平均传热温差飢上-牝 tm.=t1In 1 t2=(130一40)一(40一3叭3

12、64代130-40In40-30333冷却水用量Q0C pi " ti4.995 1064.174 (40 -30)= 119669.4(Kg/h)334总传热系数K管程传热系数Redui i i4i0.02 0.5 9940.00072835-13647.3由于管程中的流体为水，其在35C下的黏度小于2倍的常温水的黏度，属 于低粘度流体，其传热系数应用迪克斯-贝尔特关联式，即：i九 i djUj Pj 0 8 Cp'i 04 二 0.023(-)08 (-)di叫叫=0.0230.626X：0.02(13647.3)0.84.174 103 0.72835 100.6260

13、.4= 2744.20W/(m2.°C)壳程传热系数假设壳程的传热系数：厂290W/(m2.0C)污垢热阻民=0.00034(m2.°C)/WRs。= 0.000172m2.°C)/W管壁的导热系数K =dodo+ Rsi aididi1bdo1亠亠Rso/d m- o0.0250.000344 0.025 0.0025 0.025 0.00017212744.20 0.0200.02045 0.0225290=219.189 W/(m20C)3.4计算传热面积KWm31387.5 10219.18 36.412= 173.87(m )考虑15%勺面积裕度（安全系

14、数和初估性质）：S = 1.15 S =1.15 173.87 = 199.94(m2)3.5工艺结构尺寸管径和管内流速选用© 25X2.5mr传热管，取管内流速U 0.5m/s352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119669.4ns-di2u4994 36000.785 0.022 0.5按单程管计算，所需的传热管长度为S7 dons199.943.14 0.025 213=11.96m)按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m则该换热管管程数为NpL 11.96r _ 6(管程)传热管总根数N =213 2 = 426 (根)353平

15、均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数130-4040 -30=9P=40“1oo130-30按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R= 10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R, PR代替P,查同一图线，可得厂 0.848 0.8平均传热温差tmt tm = 0.848 36.41 30.88(C)354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二1.25d0，贝Ut = 1.25 25 = 31.2532(mm)横过管束中心线的管数nc =1.19N =1.19426 二 24.56 25 (根)壳体内径采用多管程结构

16、，取管板利用率r -0.7，贝U壳体内径为=1.05汉 32 汉= 828.9(mm)圆整可取：D二900(mm)356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 h=0.25 900 = 225(mm)，故可取 h=220(mm)取折流板间距B=0.3D，贝UB 二 0.3 900 二 270(mm)，可取 B=300mm折流板数6000 “ “Nb=传热管长/折流板间距仁-19 (根) 300折流板圆缺面水平装配。357接管壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为1m/s，贝U接管内径为d =4 25000/(3600 825)3.14"二 0.

17、1036(m)取标准管径为50 mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为1.5m/s，贝U接管内径为二 0.169(m)4一119669.4/(360。994)V3.1475取标准管径为170 mm。3.6换热器核算热量核算(1) 壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用克恩公式00.551/3-0 0.14oTa-RePr (-)0 de 0Jw当量直径，由正三角形排列得 3 22 3224( 忙-一d°)4 (0.032 -0.785 0.0252)“0壳程流通截面积de 2420.020(m)3.14 0.025S。二 BD(1-乞)=0.3 0.9 (1一°&#

18、176;25) = 0.0591(m2) t0.032壳程流体流速及雷诺数分别为25000 /(3600 x 825)uo :0.0591=0.1424( m/ s)0.。2 0 0. 1 424 =8禅75. 1357401"0普兰特准数c卩 Pr = 2.22 103 740 100.140= 11.73-0.14粘度校正：（）: 0.95（由于壁温未知且用试差法比较繁琐，故液体冷却时 w用近似值）：0 = 0. 3604 0 3 1 7 5.0153 50. 0 2(2) 管程对流传热系数：i = 0.023 丄 Re0.8Pr0.4di管程流通截面积111.37 3=0.95

19、 m5 8C86/(Sid2- 0.785 0.022 4264 d i 22二 0.06688(m2)管程流体流速Ui119669.4/(3600 994)0.06688=0.500( m/s)diUj£i =0. 02 0i0. 000728 350. 5 004 7. 8普兰特数Prcpj4.仃4 103 728.35 100.6264.86:i = 0.023Re0.Pr %023(13647.8) °4886di0.02= 2754.08W/(m2.°C)(3) 热系数KK =do f do bdo f 1Jr °匕rSIsoaidididm:

20、 o0.0252754.08 0.0200.000340.0001720.02045 汉 0.0225458.662 0= 303.687W/(m . C)(4) 传热面积SS Kt1387.5 103303.687 30.88= 147.955(m2)该换热器的实际传热面积SpSp x c0L(N -住)=3.14 0.025 (6-0.06) (426-25)= 186.98(12)该换热器的面积裕度为147.955H10Q0186-147.955 1990 26.3800S传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。换热器内流体的流动阻力(1) 管程流动阻力乞也R = 2R+AP2)Ft

21、NsNpNs -1,N2,Ft =1.4J ' r P2 =1 i d 22由Re = 13647.8，传热管相对粗糙度0.01/20=0.0005.查莫狄图得：打二 0.0275W/(m2.0C)，流速 q 二 0.500m s' / 二 994Kg m"所以仲= 0.0275 过 6994002 = 1025.06Pa0.02=过,994 °.500372.75Pa2Z AR =(AR +AR)FtNsNp= (1025.06 372.75) 1.4 1 2 = 3913.868Ra ： 10KRa 管程流动阻力在允许范围内。(2) 壳程阻力Ns=1,F

22、 "15流体流经管束的阻力也r' = f fo %(Nb+1)学2F = 0.5,fo 二 5.0 Re°q228 二 5.0 (3175.135)亠228 二 0.7951% =25,Nb = 19,u° = 0.1424 m/s,R 二 F f° ng 1)宁2= 1662.46(Pa)825 0.1424= 0.5 0.795 25 (19 1)流体流过折流板缺口的阻力B=0.3m, D=0.90m(3.52B、弋6)2=19 (3.5-0.90825 0.142422二 450.293(Pa)总阻力'、P0 =( P'B)

23、FtNs二(1662.46 450.293) 1.15 1 二 2429.67(Pa) 10KPa因此，壳程流动阻力也比较适宜(3) 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器主要结构尺寸和计算结果见表第四章计算结果一览表换热器型式：固定管板式管口表换热面积（m2） : 187符 号尺寸用途连接型 式工艺参数aDn 180冷却循环水入口平面名称管程壳程bDn 180冷却循环水出口平面物料名称循环水油cDn 100煤油入口凹凸面操作压力，Mpa0.40.4dDn 100煤油出口凹凸面操作温度，°C30/40130/40eDn 20排气口凹凸面流量，Kg/h119669.425000fDn 20

24、放净口凹凸面流体密度，Kg994825流速，m/s0.5000.1424传热量，KW1387.5总传热系数，W/m2 K303.687对流传热系数，W/m2 K2754.08458.66Idto厂-污垢系数，m2K/W0.000340.000172|阻力降，Mpa0.0039130.002429程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格© 25 X 25mm管数426管 长，mm6000管间距，mm32排列方式正三角形门I-折流板型式上下间 距，mm300切口高度25%壳体内径，mm900保温层厚度课程设计与心得本周顺利完成了我应用化学专业化工原理课程设计， 总体来看本人的工艺计 算、过程

25、设计及绘图等专业能力得到了真正有效的提高， 可以较好地把理论学习 中的分散知识点和实际生产操作有机结合起来， 得到较为合理的设计成果， 达到 了课程综合训练的目的，提高了我个人分析和解决化工实际问题的能力。同时， 在设计过程中也存在者一些共性的问题，主要表现在：（1）设计中存在的问题1设计过程缺乏工程意识。身为学生的我在做课程设计时所设计的结果没有与生产实际需要作参考， 只 是为了纯粹计算为设计，缺乏对问题的工程概念的解决方法。2.学生对单元设备概念不强。 对化工制图、设备元件、材料与标准不熟悉，依葫芦画瓢的不在少数，没有 达到课程设计与实际结合、强化“工程”概念的目的。绘图能力欠缺，如：带控

26、 制点工艺流程图图幅设置、比例及线型选取、文字编辑、尺寸标注以及设备、仪 表、管件表示等绘制不规范。3.物性参数选择以及计算。在化工原理课程设计工程中首要的问题就是物性参数选择以及计算， 然而我 们于开始并不清楚需要计算哪些物性参数以及如何计算。 这对这些问题， 指导老 师应在开课之初给我们讲一下每个单元操作所需的物性参数， 每个物性参数查取 方法以及混合物系物性参数的计算方法，还有如何确定体系的定性温度。（2）解决措施1. 加强工程意识。设计过程中我们应多做深层次思考， 综合考虑经济性、 实用性、 安全可靠性 和先进性，强化自己的综合和创新能力的培养； 积极查阅资料和复习有关教科书， 学会正

27、确使用标准和规范， 强化自己的工程实践能力。 为了增强我们的工程意识 提出以下措施：一是在化工原理课程讲述过程中老师应加强对我们工程意识的培 养，让我们明确什么是工程概念，比如：理论上的正确性，技术上的可行性，操 作上的安全性，经济上的合理性，了解工程问题的计算方法。比如试差法、因此 分析法等。 二是查阅文献或深入生产实际， 了解现代化工生产单元设备作用原理 以及设计理念， 增强对设备的感性认识。 三是老师应让我们明白工程问题的解决 方法有多个实施方案， 最后应综合考虑操作费用和经济费用以及安全性等多个方 面来确定最优方案。2. 强化工程制图本领。为了提高我们工程制图能力， 应强化计算机应用。

28、 在课程设计开设之前应开 设 AutoCAD 课程，利用 AutoCAD 软件绘图，即精确又快速，也有利于适应今 后实际工程设计的新要求。 此外利用计算机应用程序也可代替试差方法繁琐的人 工计算。3. 引导学生学会统筹兼顾，从工艺和设备全方位考虑设计问题。 化工原理课程设计是一个即繁琐又费时的过程， 这要求老师和学生都要有耐 性，要客观的对待每一个步骤， 不能想当然更不能为了凑结果而修改数据。 应科 学地对待每一个数据，经得起深究和考验。在以后的课程设计中，要精心准备更先进和工程化的设计任务，我们应多做 适当讨论， 必将在激发我们学习兴趣、 全面培养我们的综合和创新的工程能力方 面再走出重要的

29、一步。参考文献1】贾绍义 柴诚敬 .化工原理课程设计【 M】. 天津：天津大学出版社， 2011. 2】陈声宗 .化工设计【 M 】.北京：化学工业出版社3】柴诚敬 .化工原理【 M 】.北京：高等教育出版社4】杨树才 .化工制图【 M 】.北京：化学工业出版社5】韩冬冰、李叙凤 .化工工程设计【 M 】北京 ：学苑出版社6】聂清德 .化工设备设计【 M 】北京：化学工业出版社【7】大连理工大学.化工原理（上册）【M】.大连：大连理工大学出版社，佃93.8】潘继红 .管壳式换热器的分析与计算【 M】 .北京：科学出版社， 1996.9】朱聘冠 .换热器的原理及计算【 M】 .北京：清华大学出版社， 1987. 10】尾花英郎 .热交换器设计手册【 M】 .徐中全，译 .北京：石油工业出版社【11】 GB