2009级过程装备与控制工程专业

化工原理课程设计２- 化工原理课程设计齐齐哈尔大学化工原理课程设计题目：煤油冷却器设计姓名：邓成香班级学号：过控091班指导老师：朱宪荣同组人员：徐燕祖、李奇、张学良、张波、李增增完成时间：2011年9月7日目录设计任书5设计题目5设计任务及操作条件5设计日期5设计评述5物性参数的确定6设计方案的确定7选择换热器的类型7流程安排7计算传热面积7换热器的热负荷7平均传热温差7传热面积7 工艺结构寸8管径和管内的流速8管程数和传热管数8平均传热温差校正及壳程数...8传热管排列和分程方法8壳体内径10折流板10其他附件11接管11换热器核算11传热能力111.1管程传热膜系数111.2污垢热阻和管壁热阻111.3壳程对流传热膜系数121.4总传热系数K131.5传热面积裕度13壁温的核算13换热器内流体的流动阻力计算143.1管程流体阻力143.2壳程流体阻力14七、换热器主要工艺结构尺寸和计算结果表（包括接管）15八、设备参数计算16壳体壁厚17接管法兰17设备法兰17封头管箱18设备法兰用垫片18管法兰用垫片18管板18支座19设备参数总表20九、参考文献21十、学习体会与收获21一、设计任务书设计题目：煤油冷却器设计设计任务及操作条件设备处理量16000kg/h煤油：入口温度140℃，出口温度50℃冷却水：自来水，入口温度30℃，出口温度40℃热损失可忽略。两侧污垢热阻分别为Rso=0.00017m2℃/wRsi=0.00034m2℃/w壳程压降不大于30kpa初设k=290w/m3、设计要求设计满足以上条件的换热器并写出设计说明书；根据所选换热器画出设备装配图。4、设计日期开始日期：2010年8月29日结束日期：2010年9月9日5、设计评述换热器是许多工业生产中常用的设备,尤其是石油、化工生产应用更为广泛。在化工厂中换热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。换热器的类型很多，性能各异，个具特点，可以适应绝大多数工艺过程对换热器的要求。进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。换热器类型虽然很多，但计算传热面积所依据的传热基本原理相同，不同之处仅是在结构上需根据各自设备特点采用不同的计算方法而已。二、物性参数的确定被冷却物质为煤油，入口温度为140℃,出口温度为50℃冷却介质为自来水，入口温度为，出口温度为煤油的定性温度：=(140＋50)=95℃水的定性温度：两流体的温差：=95－35=60℃根据定性温度，分别插取壳程和管程流体的有关物性数据。煤油在95℃的有关物性数据如下：密度ρ0=810kg/m3定压比热容Cph=2.3kJ/(kg·℃)导热系数=0.13W/(m·℃)粘度=0.91Ｘ10Pa·s冷却水在35℃的有关物性数据如下：密度ρc994kg/m3定压比热容Cpc=4.187kJ/(kg·℃)导热系数λc=0.626W/(m·℃)粘度=0.727X10Pa·s两流体在定性温度下的物性数据物性流体煤油958100.912.30.13水359940.7274.1870.626三、设计方案的确定1、选择换热器类型两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度50℃；冷流体进口温度30℃，出口温度40℃。由于该换热器的管壁温度和壳体温度有较大温差，大于50℃，因此需要考虑热补偿，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。2、流程安排本设计中的两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大，冷却水一般为循环水，而循环水易结垢，为便于清洗，应采用冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。计算传热面积1、换热器的热负荷若忽略换热器的热损失，水的流量可由热量衡算求得,即wc=Q/[Cpc(t1-t2)]=3312×103/[4.187×103×(40-30)]=284767.14㎏/h2、平均传热温差（按纯逆流计算）Δtm=(Δt1-Δt2)/ln(Δt1/Δt2)=(90-10)/ln(90/10)=80/ln9=36.4oC3、传热面积K=290w/m2℃A=Q/kΔtm=(3312×103)/(290×36.4)=314m2A0=1.15×314=361m2五、工艺结构尺寸1、管径和管内的流速选用Φ25×2.5较高级冷轧传热管（碳钢）。取管内流速为ui=1.5m/s2、管程数和传热管数可根据传热管内径和流速确定单程传热管数:n=Vs/0.785di2ui=79.1/994/0.785×0.022×1.5=168.9≈169（根）按单管程计算，所需的传热管长度为L=Ao/3.14don=361/3.14×0.025×169=27.2m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，采用非标设计，现取传热管长L′=7m,则该换热器的管程数为NP=L/L′=27.2/7=4(管程)传热管总根数：N=169×4=676（根）3、平均传热温差校正及壳程数校正传热平均温度差P=(t2-t1)/(T1-t2)=(40-30)/(140-30)=0.09R=(T1-T2)/(t2-t1)=(140-50)/(40-30)=9由查图1得=0.86，因为0.80<0.86，满足要求。由此得：Δtm=φΔtΔtm逆=0.86×36.4=31.3oC4、传热管排列和分程方法采用组合排列法，即毎程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方型排列。取管心距t=1.25do,则t=1.25×25=31.25≈32mm隔板中心到离其最近一排管中心距离为s=t/2+6=32/2+6=22mm各程相邻管的管心距为22×2=44mm管束的分程方法各程各有传热管169根。图15、壳体内径采用多管程结构，取管板利用率η=0.6，则壳体内径为：Di=1.05t(N/η)1/2=1.05×32×(676/0.6)1/2=1148mm按卷制壳体的进级档，取Di=1200mm6、折流板折流挡板的主要作用是引导壳程流体反复的改变方向做错流流动，以加大壳程流体流速和湍动速度，致使壳程对流传热系数提高。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=0.25×1200=250mm，故可取h=250mm取折流板间距B=0.2D，则B=0.2×1200=240mm，可取B为250mm。折流板数目NB=传热管长/折流板间距-1=(7/0.25)-1=27折流板的最大无支撑间距如表所示：换热管外径（mm）141619253238最大无支撑间距(mm)110013001500185022002500折流板的厚度可由下表得出：公称直径DN（mm）换热管无支撑跨距<300300~600600~900900~12001200~15001500折流板的最小厚度(mm)<40034581010400~700456101012700~900568101216900~15006810121616所以取值为12mm7、其他附件本换热器壳体内径为1200mm,故其拉杆直径为Φ12，拉杆数量不得少于8.8接管壳体流体进出口接管，取接管内流体流速为u1=1m/s,则接管内径为d1=(4Vs/πu1)1/2=(4×16000/3600/810/3.14)=0.08m管程流体进出口接管，取接管内流体流速为u2=1.5m/s,则接管内径为d2=(4×284767.14/3600/994/3.14/1.5)=0.26m六、换热器核算1、传热能力1.1管程传热膜系数根据公式ai=0.023（λ/ai）Re0.8Pr0.4管程流体流通截面积为Ai=0.785N/NP•di2=676/4×0.785×0.02×0.02=0.053管程流体流速为ui=284767.14/3600/994/0.053=1.5m/s雷诺准数Re=(0.02×1.5×994)/(0.727×10-3)=41018普兰特数为Pr=Cpcμ/λ=4.187×103×0.727×10-3/0.626所以ai=0.023×(0.626/0.02)×410180.8×4.86250.4=6643.481.2污垢热阻和管壁热阻管内侧污垢热阻Rsi=0.00034m2oC/W(自来水)管外侧污垢热阻Rso=0.00017m2oC/W(煤油)管壁热阻查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为45W/(m·K)。故RW=0.0025/50=0.00005（m2·K/W）此值比较小所以忽略碳钢的影响。1.3壳程对流传热膜系数根据公式ao=0.36(λ/de)Re0.25Pr1/3·(μ/μw)0.14de=4(t2-πdo2/4)/πdo=4(×0.0322-0.785×0.0252)/3.14×0.025=0.02m壳程流体截面积为Ao=h•Di(1-do/t)=0.25×1.2(1-0.025/0.032)=0.0656m2壳程流体流速为u=16000/3600/810/0.0656=0.0836m/s煤油：Wh=16000kg/h=4.44kg/sVs=Wh/ρh=4044/810=0.005487m3/suo=Vh/Ao=0.005487/0.0656=0.0836m/sde=0.02mRe=(0.02×0.0836×810)/0.00091=2000Pr=Cpμ/λ=(2300×0.00091)/0.13=16.1液体被冷却φμ=（μ/μw）0.14=0.95Re在2×103至106范围内，故采用凯恩法求ao=0.36(0.13/0.02)×(2000)0.55×160.1/3×0.95=367.097W/m•ºC1.4总传热系数K1/k=1/ao+Rso+bdo/λdm+Rsido/di+do/aidiK=1/(1/367.097+0.00017+0.0025×25/22.5×45+0.00034×25/20+25/6643.48×20)=2821.5传热面积裕度所需传热面积为An=Q/k•Δtm=3312×103/282×36.4=322.66m2实际传热面积为Ao=πdoL′N=3.14×0.025×7×676=371.46m2面积裕度为F=（Ao-An）/An=(371.46-322.66)/322.66=15%壁温的核算t=[Tm(1/ac+Rc)+tm(1/ah+Rh)]/(1/ac+Rc+1/ah+Rh)Tm=0.4T1+0.6T2=0.4×140+0.6×50=86tm=0.4t2-0.6t1=0.4×40+0.6×30=34ac=ai=6643.48ah=ao=367.097t=(Tm/ac+tm/ah)/(1/ac+1/ah)=(86/6643.48+34/367.097)/(1/6643.48+1/367.097)=36.7壳体壁温T=95oC壳程避温与传热管壁温之差为Δt=95-36.7=58.3oC该温差较大，故需设温度补偿装置。由于换热器壳程流体压力较高，因此，需选用浮头式换热器。换热器内流体的流动阻力计算3.1管程流体阻力根据公式ΣΔPi=（ΔP1+ΔP2）·Ft·Ns·NpNs=1Np=4Ft=1.4Re=41018λ=0.04u=1.5m/s传热管的相对粗糙度为0.2/20=0.01ΔP1=0.04×7×994×1.52/0.02×2=15655.5paΔP2=ζ·ρ·ui2/2=3×1.52×994/2=3354.75PaΣΔPi=(15655.5+3354.75)×1.4×1×4≈106457Pa3.2壳程流体阻力ΣΔPo=(ΔP1′+ΔP2′)·Fs·NsFs=1.15Ns=1ΔP1′=Ffonc(NB+1)ρuo2/2F=0.5fo=5Re-0.228=5×10-0.228=0.88Nc=1.1N0.5=1.1×6760.5ΔP1′=0.5×0.88×1.1×6760.5×(27+1)×810×0.08362/2≈997Pa缺口阻力损失ΔP2′=NB(3.5-2B/Di)ρuo2/2Di=1.2mB=0.25ΔP2′=27×(3.5-2×0.25/1.2)×0.08362×810/2=236PaΣΔPo=997+236=1233Pa换热器主要工艺结构尺寸和计算结果表（包括管程壳程流率kg/h284767.1416000温度℃进/出30/40140/50压力MPa0.1<1.6物性定性温度℃35℃47.5℃密度kg/m3994989.13热容kJ/(kg.℃)4.1874.174粘度Pa.s0.727×10-50.91×10-5导热系数W/(m℃)0.6260.13普兰特数4.862516.1设备结构参数型式浮头式台数1壳体内径mm1200壳程数1管径Φ25×2.5管心距32管长7000管子排列△管数目（根）676折流板数/个27传热面积m2371.46折流板距/mm250管程数4材质碳钢接管壳程内径Φ125×4接管管程内径Φ150×4.5主要计算结果管程壳程流速m/s1.50.0836传热膜系数w/m2·℃6643.48367.097污垢热阻m2·℃/w0.000340.00017阻力损失kw0.10.012热负荷kw3312传热温差℃36.4传热系数w/m2·℃282裕度15％八、设备参数计算1、壳体壁厚δ=P·Di/(2[σ]Ψ-P）+1P=1.6MPaΨ=0.9c=1[σ]=113MPaδ=1.6×1200/(2×113×0.9-1.6)+1=10.5mm取δ（壳）=10mm接管法兰Dg管子平焊法兰螺栓焊缝dHSDD1D2fbd重量（kg）数量直径KH80894185150128318181.954M16563003258435395365424239.46M209103、设备法兰压力容器法兰(甲型)DNDD1D2D3D4b螺柱规格数量1200133012901255124512423623M2040封头管箱封头：以外径为公称直径的椭圆形封头公称直径Dg曲面高度h1直边高度h2内表面积F（m2）容积v（m3）1200300401.710.272设备法兰用垫片公称直径Dg垫片内径d公称压力F(m2)垫片外径D12001255101270由《材料与零部件》查得：耐油橡胶石棉板（GB539-65）,垫片厚度为s=3mm6、管法兰用垫片法兰公称压力Mpa介质温度密封面型式垫片名称材料冷却水≤1.6≤200光滑橡胶垫片橡胶板煤油≤1.6≤200光滑橡胶垫片橡胶板7、管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子、壳体和管箱的连接采用可拆式连接方式。管板厚度35，长度1266，材料为16MnR。6、支座公称直径Dg每个支座允许负荷tb1LBlK1bm重量（kg）120069.9200110015068090011025059.5本换热器为卧式内压容器，应该选用鞍式支座，依照JB/T4712-92双鞍式支座标准，选用DN=1200mmB1型鞍式支座。鞍式支座在换热器上的布置应该按照下列原则确定：如下所示9、设备参数总表序号图号标准名称数量材料单重总量1JB1153-73筒体Dg1200×101A3F2982JB1167-81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Dg1200×101A31377隔程挡板116MnR4.78GB/T8163换热管19816MnR9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=2.527A3F5.1147.913定距管10100.555.514GB01-88等长双头螺旋24A32.8815筒体法兰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Dg1200×101A3F21JB1167-81活动鞍式支座1A3F九、参考文献《化工原理》（上册）修订版.夏清陈常贵主编.天津:天津大学出版,2005《化工工艺算图手册》.杨长龙主编.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2009.8《化工设备机械基础》.汤善甫朱思明第二版主编.上海:华东理工大学出版社,12004.12《化工设备设计基础》.周志安尹华杰魏新利编.北京:化学工业出版社,1996《换热器》.中国石化集团上海工程有限公司组织编写；董其伍编.北京：化学工业出版社，2008.12《材料与零部件》.《化工设备设计手册》编写组上海:上海人民出版社，1973.8十、学习体会与收获化工原理课程设计是培养个