煤油冷却器设计

1、Hexi Uni versity化工原理课程设计煤油冷却器的设计化学化工学院业:化学工程与工艺朱振宇指导教师:王兴鹏2016年11月20日设计任务书、设计题目煤油冷却器的设计二、设计任务及操作条件1. 设计任务生产能力（进料量）23000吨/年操作周期7200 小时/年2. 操作条件煤油入口温度120 C ，出口温度40 C冷却介质 自来水，入口温度20 C ，出口温度40 C允许压降三105 Pa冷却水温度 20 C饱和水蒸汽压力（表压）3. 设备型式列管式换热器4.厂址 自选（压力：1atm ）三、设计内容1. 设计方案的选择及流程说明2. 换热器的工艺计算3. 换热器的主要尺寸设计4.

2、辅助设备选型5. 设计结果汇总6. 绘制换热器总装配图：主视图、俯视图、剖面图、两个局部放大图7. 设计评述0概述目录错误! 未定义书签。换热器的分类 .流动空间的选择原则 .设计方案简介选择换热器的类型 .流体空间及流速的确定 .工艺流程草图及说明 厂址的选择 列管式换热器的工艺计算确定物性参数 .计算总传热系数热流量 平均传热温差 冷却水用量 总传热系数 K计算传热面积 .工艺结构尺寸 .管径和管内流速 管程数和传热管数 平均传热温差校正及壳程数 传热管排列和分程方程方法 壳体内径 折流板 接管换热器核算 .热量核算： 管程对流传热系数传热系数 K传热面积 S换热器内流体的流动阻力设计结果

3、一览表设计评述错误! 未定义书签。主要符号说明参考资料致谢词11煤油冷却器的设计朱振宇摘要：本文主要介绍了如何设计一台换热性能优良的管壳式换热器，涉及内容较多，包括初始条件确立、换热管尺寸、壳体类型、换热器的选型等信息来确定。通过换热器核算来校正换热器的尺寸、壳体类型等，分析了流体的流动和换热机理等。关键词：煤油冷却器、设计、管壳式、换热管、折流板1概述换热器的分类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。换热器的类型多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。列管式换热

4、器是最典型的换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史， 在所以的换热器中占着主导的地位。列管式换热器有以下几种： 固定管板式 固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定在管板上，在外 壳上焊有膨胀节，当两流体的温度差较大时，管体和管束热膨胀不同， 补偿圈发生缓慢的弹性形变来来补偿因温差引起的热膨胀。特点：结构简单、在相同的壳体直径内，排管最多、比较紧凑；造价低 廉、壳程清洗和检修困难（壳程宜用于不易结垢和清洗的流体）。适用：比较适合用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。 浮头换热器 浮头式换热器的两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则可相对于 壳体做某些移动，该端称之为浮头。此类换

5、热器的管束膨胀不受壳体的 约束，所以壳体与管束之间不会由于膨胀量的不同而产生热应力。特点： 结构复杂、 笨重， 造价比较高， 材料消耗量大， 浮头的 端盖在操 作中无法检查， 安装时要密封， 管束和管壳 的间 隙较大。适用：管壳壁间温差较大，易于腐蚀和易于结垢的场合。 U 型换热器U型管式换热器每根管子均弯成U型，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、 管程清洗困难， 管程流体必须是洁净和不易 结垢的物料。适用：高温高压的场合流动空间的选择原则 尽量提高两侧传热 系数较小的一个， 使传热面两侧的传热系数接近

6、。 管、 壳 程的 决定应做到便于清洗除垢和修理， 以保证运行的 可靠性。 应减小管子和壳 体因受热不同而产生的热 效应。 对 于有 毒的 介质 或 气相 介质 ， 必 使其 不泄 露， 应注 意密封。 应尽量避免使用贵金属， 以降低成本。宜于通入管内空间的流体： 不清洁的流体： 管内流速高，悬 浮物不易沉积，且 管内空间 便于清洗。 体积小的流体： 管内空间的 流动截面往往比管外空间的截面小， 流体 易于获得必要的理想流速， 而且也便于做成 程流动。 有压力的流体： 管子承压能力强， 简化了 壳体密封的要求。 腐蚀性强的 流体： 只有管子及管箱才需要耐腐蚀的 材料， 而 壳体及管 外空间的

7、所有零件均可用普通材料制造， 造价可以降低。与外界温差大的 流体：可以减少热量的散逸。宜通于管间的流体： 两流体温差相差较大：可减少管壁于壳壁间的温度差，因而可减少了 管束与壳 体间 的相 对伸长。 两流体给热性能相差较大 饱和蒸汽： 易于排出冷凝液 粘度大的流体： 管间的流动截面和方向都在不断的变化， 在低雷诺数 下， 管外给热系数比管内大 泄露后危险性大的流体可减少泄露机会2 设计方案简介选择换热器的类型 两流体温度变化情况：热流体进口温度120C ,出口温度40 C ；冷流体（循环水）进口温度20 C，出口温度40 C .由 于该换热器用循环冷却水冷 却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到

8、这一因素，估计该换热器的管 壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换 热器。流体空间及流速的确定 根据流体流径选择的基本原则，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应大于煤油的推荐流速，故选择循环冷却水为管城流体， 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ui 1.0m/s，用 252.5mm的碳钢管（换热管标准：GB8163）。3 工艺流程草图及说明图 1 工艺流程图说明 ： 由 于循 环冷 却 水较 易结 垢， 为便 了水 垢的 清洗 ，应使循 环水走 管 程， 煤油 走壳 程。 如 图：

9、煤油 先到 达原 油储 罐， 再经 原油 泵抽 上 来，经 粗管道进入换热器壳程，冷却水经细管道进入换热器管程。 两物质在换 热器中进行换热，煤油从120C冷却至40C后再由粗管道流进产品储罐经 产品泵流出；循环冷却水则从20 C加热至40C后，再由细管道流出。4 厂址的选择珠海5列管式换热器的工艺计算确定物性参数 定性温度：可取流体进口温度的平均温度值。壳程油的定性温度为 管程流体的定性温度为 定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。根据油在80 C下的有关物性数据如下:密度：0781 kg/m3定压比热容：Cp0 2.28KJ/(kg.C)导热系数：00.141W/(m. C )粘

10、度：00.000664Pa.s循环冷却水在30C下的物性数据: 密度：i 995.7kg/m3定压比热容：Cpi 4.174KJ/(kg. C)导热系数：i 0.618W/(m.C)粘度：i 0.0008007 Pa.s计算总传热系数热流量3mo= ( 23000X 10 ) /7200=h平均传热温差冷却水用量总传热系数K 管程传热系数 壳程传热系数 假设壳程的传热系数o 400w/m2 C污垢热阻 管壁的导热系数45W/ m.C计算传热面积 考虑 15% 的面积裕度：S= 1.15 xS = 21.15 X13.2 = 15.18m2工艺结构尺寸管径和管内流速 选用 25X传热管（碳钢），

11、取管内流速Ui 0.5m/s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亠 71446 995.72 3600 12.7 13 （根） 2u0.785 O.。22 0.54 i按单程管计算，所需的传热管长度为 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=,则该 换热管程数为 传热管总根数N =13 X4 = 52（根）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。查同一直线，可 得 t 0.83平均传热温差 tmt t 0.83 43.28 35.92C传热管排列和分程方程方法 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列

12、，隔板两侧采用正方形排 列。取管心距t 1.25d0,则横过管束中心线的管数nc 1.19JN 1.1-528.58 9 （根）壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率n =，则壳体内径为圆整可取D =300mm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 0.25300 75mm故可取h 75mm取折流板间距B0.3D，B 0.3 300 90mm,可取B 为 100mm。折流板数Nb 折传热管长折流板间距-1 Tc00-144 块折流板圆缺面水平装配。接管壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为U 1.0m/s，则接管内径为d 埒率互应卫0.038m3.1

13、4 1.0取标准管径为45 3mm管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=s 则接管内径为 取标准管径为50 4mm换热器核算热量核算: 壳程对流传热系数：对圆缺形折流板，可采用克恩公式10.1400.36 Re0.55 Ppde当量直径，由正三角形排列得 壳程流通截面积 壳程流体及雷诺数为普兰特准数管程对流传热系数管程流通截面积Si0.785 0.02252 0.00816m2管程流体流速 普兰特准数传热系数K查有关文献知管外侧污垢热阻：Rs00.000172 m2C/w管内侧污垢热阻：Rsi0.000344 m2管壁热阻查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为入二 45w/(m.k) 0传热

14、面积S 该换热器的实际传热面积Sp 该换热器的面积裕度为 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管程流动阻力由Re 6086.5传热管相对粗糙度001 0.005，查莫狄i 0.038 20管程流动阻力 管程流动阻力在允许的范围之内。管壳流动阻力 壳程阻力 流体流过折流板的阻力 取折流板间距B 0.1m D 0.3m综上所述，该换热器管程与壳程的压力降均小于允许压强100k Pa均符合要求，故所设计的换热器符合条件。6设计结果一览表名称管程壳程物料名称循环水煤油操作压力/Pa141020/40120/40流量 /(Kg/h)定性温度/r3080781物性参数定压比热

15、容/KJ/密度（kg/m3）传热系数/ w/m2r 1480粘度/普朗特数形式列管式换热器台数1壳体内径/mm300壳程数1管径/mm25 X管间距/mm32管长/mm4500排列方式正三角形管数52折流板数44传热面积/ m2折流板间100距/mm管程数4材质碳钢主要计算结果管程官冗（）流速/设备结构参数污垢热阻/（ m2 r/w ）10130阻力/Pa热流量/kw传热温差IC传热系数/ w m C 裕度I%计结果一览图7设计评述本次化工原理课程设计，加深了我对化工原理课本知识的理解， 同时使我学会了 很多实用的东西，提高了我动手的能力和灵活运用知识的能力， 让我受益匪浅。在这 次化工原理课

16、程设计中，我的理论运用于实践的能力得到了很到的提升， 主要有以下 的几个方面:初步掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据（已发表的文献）的能力。树立了既考虑技术上的先进性和可行性， 又考虑经济上的合理性，并注意到操 作过程中的方便性，劳动条件和环保性的正确设计思想， 在这种思想的指导下去分析 和解决实际问题的能力。培养了迅速准确的进行工程计算的能力， 首先必须根据产量和基本的物性数据 计算出理论值，在根据国家标准来核算，从而选用合适的配件高效率的完成规定的生 产任务。学会用简洁的文字和清晰的图表来表述自己设计思想的能力。在画图中基本是 根据基本数据来查阅资料逐一确定的，工作繁杂。从设计结果可看出，

17、若要保持传热系数，温度越大、换热管数越多、折流板数越 多、壳径越大、这主要是因为煤油的出口温度升高，总的传热温差下降，所以换热面 积增大，才能保证Q和K。因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应的增大，通 过这个设计，我们可以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分 重要。由于本课程设计属于我的初次设计，而且时间上比较仓促，可查阅的文献有限, 本次设计还有很多不完善的地方。8主要符号说明英文字母面积裕度,B 折流板间距C系数，无量纲d _管径，m希腊字母a对流传热系数;D换热器外壳内径，m有限差值;摩擦系数;入一导热系数，W/(m.C);F系数;卩一粘度，；h圆缺高度，m;p密度

18、,kg/m3K总传热系数，w/m C ；校正系数;L管长，m;m-管程;n指数;下标管数;程数;程数;N B 折流板数;Nu 努赛尔特准数;P压力，Pa;因数;Pr普兰特准数;C传热速率，W;R热阻，m2 C/w ;S传热面积，m2U流速，m/s;r 转数;参考资料冷流体;热流体;管内;平均;管外;污垢。热通量，w/m2半径，m;Re雷诺准数;冷流体温度，C；质量流量，kg/s;1夏清，贾绍义.化工原理第二版M.天津：天津大学出版社，2015. 2 马江权 , 冷一欣 . 化工原理课程设 M. 北京 : 中国石化出版社 , 2011. 3 潘红良. 过程设备机械基础 M. 上海: 华东理工大学出版社 , 2013. 4 刘巍. 冷换设备工艺计算手册 M. 北京: 中国石化出版社 , 2003.? 5 匡国柱 , 史启才 . 化工单元过程及设