化工原理课程设计换热器煤油冷却器的设计任务书应用化学091班第三组

1、化工原理课程设计题 目 名 称： 煤油冷却器的设计 学 院（部）： 包装与材料工程学院 专 业： 应用化学 学 生 姓 名： 班 级： 091班 学号 指导教师姓名： 刘敏 职称 副教授 最终评定成绩： 2012年 06 月摘 要换热器的应用贯彻化工生产过程的始终，换热器换热效果的好坏直接影响化工生产的质量和生产效益。所以换热器是非常重要的化工生产设备,在化工领域中，它扮演着主力军的身份，它是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备，在化工设备中占大约50%以上的比重。既然换热器在化工生产中扮演如此重要的角色，那么如何设计出换热效果好，设备健全合理，三废排放量更低，能源利用率更高，经济效

2、益高的换热器是我们从事化工行业工作人员刻不容缓的职责。为了完成25000 kg/h煤油的生产任务，设计换热器的总体思路：在正常的生产过程中，利用塔底的釜残液作为加热介质在塔底冷却器中进行第一次预热，然后用少量的水蒸汽便可在预热器中使原料液达到预期的温度进入精馏塔中。塔顶煤油蒸汽经过全凝器，利用循环冷却水作为冷却介质使酒精蒸汽转为液体。最后，在塔顶冷却器中再次用冷却水使其降到40输送到储装罐中。关键词：冷却器；再沸器；全凝器；对流传热系数；列管式换热器目录 第一章 前言 1第二章 方案设计说明 12.1 换热器的选型 1 2.1.1 换热器的分类 1 2.1.2 间壁式换热器 1 2.1.3 管

3、壳式换热器 2 2.1.4 换热器的选型 22.2 材质的选择 22.3 换热器其他结构设计 3 2.3.1 管程机构 3 2.3.2 壳程结构 3 2.3.3换热器材质的选择 3第三章 列管式换热器的设计计算 4 3.1 确定设计方案4 3.1.1 选择换热器类型 4 3.3.2 流动空间及流苏确定 4 3.2 确定物性参数 4 3.3 计算总传热系数 5 3.3.1 热流量5 3.3.2 平均传热温差5 3.3.3 冷却水用量5 3.3.4 总传热系数53.4 计算传热面积63.5 工艺结构尺寸6 3.5.1 管径和管内流速6 3.5.2 管程数和传热管数6 3.5.3 平均传热温差校正及

4、壳程7 3.5.4 传热管排列和分程方法7 3.5.5 壳体内径7 3.6.6 折流板8 3.5.7 接管8 3.6 换热器核算8 3.6.1 热量核算8 3.6.2 换热器内流体的流动阻力10第四章 计算结果一览表 12结 论13参 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1章 前言化工原理课程设计，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

5、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。工业生产过程，两种物料之间的热交换一般是通过热交换器完成的，所以换热器的设计就显的尤为重要。换热器的设计，首先应根据工艺要求确定换热系统的流程方案并选用适当类型的换热器，确定所选换热器中流体的流动空间及流速等参数，同时计算完成给定生产任务所在地需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸且根据实际流体的腐蚀性确定换热器的材料，根据换热器内的压力来确定其壁厚。第2章 设计方案说明2.1 换热器的选型2.1.1换热器的分类换热器是化工，炼油工业中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

6、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。2.1.2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

7、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。 2.1.3管壳式换热器主要种类有：固定管板式，浮头式，U形管式。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。2.1.4换热器的选型本次生产设计要求中，两流体温度变化情况

8、：热流体进口温度125，出口温度40；冷流体（循环水）进口温度30，出口温度40。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。固定管板式换热器两端管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单、价格低廉、管子里面易清洗。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

9、，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，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2.3.1管程结构换热管的布置和排列间距：常用的换热管有192mm, 252mm, 252.5mm。因选择的为碳钢10，故可选择换252.5mm换热管径。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

10、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。2.3.2 壳程结构壳体：直径小于400mm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，此设计中使用折流板间隔为内径的1/4。2.3.3 换热器材质的选择在进行换热器设计时，换热器各种零、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性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。碳钢价格低，强度较高，对

11、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合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。在本次设计中所涉及的换热器中的流体都是煤油或水，不存在腐蚀性。所以本次设计中的换热器的管材和壳材都选用碳钢。第三章 列管式换热器设计3.1确定计算方案3.1.1选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度125，出口温度40；冷流体（循环水）进口温度30，出口温度40。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。3.1.2流动空间及流速的

12、确定由于冷却循环水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用252.5mm的碳钢管，管内流速取ui=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 T=125+402=82.5 管程流体的定性温度为 t=30+402=35 根据定性温度分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。煤油在82.5下的有关物性数据如下： 密度：0 =825 kg/m3 定压比热容：CP0 =2.22 kj/kg 导热系数：0 =0.140 w/m 粘度：u0 =0.00081 pas 循环冷却水在35下的物性数据： 密度：i =994 kg/m3 定压比热容：

13、CPi =4.174 kj/kg 导热系数：i =62.610-3 w/m 粘度：ui =0.72510-3 pas 3.3 计算总传热系数3.3.1热流量 Q0 =qm.hCP.hT1-T2=qm.cCP.ct2-t1推出 qm.c =1.1302105 kg/h3.3.2 平均传热温差 3.3.3 冷却水用量 3.3.4 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：污垢热阻 管壁的导热系数 =223.55 3.4 计算传热面积 考虑15%的面积裕度， 3.5 工艺结构尺寸3.5.1管径和管内流速选用传热管，取管内流速。3.5.2 管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传

14、热管数按单程管计算，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=6m，则该换热管管程数为 （管程）传热管总根数 （根）3.5.3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。但R= 10的点在图上难以读出，因而相应以1R代替R，PR代替P，查同一图线，可得 平均传热温差 3.5.4 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，则 横过管束中心线的管数 （根）3.5.5.壳体内径采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为 圆整可取: 3.5.6 .折流板采用弓形折

15、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 ，故可取h=230(mm)取折流板间距B=0.3D，则，可取B=300mm折流板数 =传热管长/折流板间距-1=（根）折流板圆缺面水平装配。3.5.7 接管壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为 ，则接管内径为 取标准管径为100 mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为 ，则接管内径为 取标准管径为180mm。3.6 换热器核算3.6.1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 当量直径，由正三角形排列得 壳程流通截面积 壳程流体流速及雷诺数分别为 普兰特准数 粘度校正: （2）管程对流传热系数 管

16、程流通截面积 管程流体流速 普兰特准数 （3）热系数K （4）传热面积S 该换热器的实际传热面积 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。 3.6.2.换热器内流体的流动阻力（1） 管程流动阻力 由，传热管相对粗糙度0.01/20=0.005，查莫狄图得 ，流速 ，所以 管程流动阻力在允许范围内。（2） 壳程阻力 流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力 B=0.27m，D=0.90m 总阻力 壳程流动阻力也比较适宜第四章 计算结果一览表工艺参数aDn180冷却循环水入口平面名称管程壳程bDn180冷却循环水出口平面物料名称循环水油cDn100煤油入口凹凸面操作压

17、力，Mpa0.30.4dDn100煤油出口凹凸面操作温度，30/40125/40eDn80排气口凹凸面流量，Kg/h25000fDn80放净口凹凸面流体密度，994.68825流速，m/s0.50.143传热量，KW1310.42总传热系数，310.71对流传热系数，2734536.53污垢系数，0.0.阻力降，Mpa0.0.程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格管数 404管长，mm6000管间距，mm32排列方式正三角形折流板型式上下间距，mm300切口高度25壳体内径，mm900保温层厚度结 论化工原理课程设计是培养化工能力的的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握了化工设计的基础知识、

18、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；能画出工艺流程、塔板结构等图。在设计中要考虑理论的可行性，还要考虑生产的经济性和安全性。这是第一次我们真正的接触到与我们专业实际相联系的事物，我呢吧都怀着十分期待的心情面对此次课程设计。在短短的两周内，我们刚开始意识到任务的艰难，开始讨论、计算，再到各种材料的选取，我们深切的感受到理论要与实际结合的重要性。 化工原理本来是很难学的一门课程，而且课程设计带有大量的计算，画图过程对于细节的处理要求也很高，所以刚开始的时候，我们都感觉很困难，甚至还有点畏惧和抵触情绪，但是当我们开始画起开的时候，却在期中找到了乐趣，还有很高的

19、成就感，真的应了那句古话，“万事开头难”。在设计中，我们学到了很多平时学不到的东西。首先，我们充分地认识到我们所学的知识的重要性，深刻地体验到理论知识在实际生产中发挥的举足轻重的作用，一方面巩固了已有的知识，另一方面也拓展了新的视野。另外，我们也学会了“活到老学到老”的道理，设计过程相当于一个探索过程，在这个过程中，我们接触到许多课本中没有的知识，对于自身的不足也有了充分的了解，并做了几十的改正。但是，对实际应用还是义一无所知，还需要大量的学习与实践。同时，诸多步骤的繁琐的计算中，充分地培养了严谨的学习态度，做事必须细致认真，尤其在工程设计中，一个小小的错误可能导致不堪设想的后果。另外，通过本

20、次课程设计，我们也充分认识到在实际生产中，更多的药考虑设备的合理性，经济性对于此次课程设计，历时两周，虽然有些繁杂却不乏乐趣，在设计的过程中，我们组员之间团结相互合作，有什么问题大家共同讨论，共同分享快乐和学习过程中的艰辛，共同进步。让我们加强了退队合作精神。也加强了我们的专业知识。让问更进一步的加强了以后面对社会的资本。我还要感谢指导老师：刘敏老师和罗婕老师，感谢她们对我们的教导与帮助，感谢同学们的相互支持。限于我们的水平，设计中难免有不足与谬误之处，恳请老师们批评指正。参考文献1 贾绍义，柴诚敬化工原理课程设计天津大学出版社M ，2002：16-19.2 陈声宗化工设计化学工业出版社M ，2002：75-81.3 柴诚敬化工原理第二版上册高等教育出版社M ，2009：208-264.4 杨树才化工制图化学工业出版社M ，2005：36-59.5 韩冬冰，李叙凤化工工程设计学苑出版社M ，2005：46-69.6 聂清德化工设备设计化学工业出版社M ，2002：36-42.附录1 煤油冷却器的设计任务书1设计题目煤油冷却器的设计。2设计任务及操作条件（1）处理能力6000 kg/h煤油（2）设备型式 列管式换热器（3）操作条件煤油：入口温度125，出口温度40冷却介质：自来水，入口温度30，出口温度40，循环冷却水的压力为0.4MPa（4）设计项目设