課程設(shè)計(jì)——煤油冷卻器教材

1、化工原理課程設(shè)計(jì)題目煤油冷卻器學(xué)院名稱(chēng)化學(xué)化工學(xué)院指導(dǎo)教師職稱(chēng)教授班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名2015年9月8日目錄目錄目錄 I I前言 I II概述 1第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)與條件 3第三章 工藝設(shè)計(jì) 43.1 生產(chǎn)條件的確定 43.2 換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算 43.2.1 確定設(shè)計(jì)方案. 43.2.2 確定物性數(shù)據(jù). 43.2.3 計(jì)算總傳熱系數(shù) 53.2.4 計(jì)算傳熱面積. 63.2.5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸. 63.2.6 換熱器核算 8第四章 設(shè)計(jì)結(jié)果列表 124.1 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 124.2 設(shè)計(jì)結(jié)果的討論 13結(jié)束語(yǔ) 14參考文獻(xiàn) 15符號(hào)說(shuō)明 16附 錄 17前言煤油一般是通過(guò)對(duì)石油進(jìn)行分餾而

2、制得，剛剛分餾得到的煤油溫度會(huì)比較 高，不利于保存和運(yùn)輸?shù)龋?需要進(jìn)行冷卻。 在工業(yè)大生產(chǎn)過(guò)程中自然冷卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá) 不到煤油冷卻的時(shí)間要求， 選用低溫水進(jìn)行冷卻是比較好的冷卻方式。 設(shè)計(jì)性能 優(yōu)良的冷卻器就十分的必要了， 本文通過(guò)大量數(shù)據(jù)運(yùn)算得到的理論冷卻器比較接 近現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)要求，有待于進(jìn)一步的實(shí)踐證實(shí)和運(yùn)用。 關(guān)鍵詞：煤油；水；換熱器概述在化工、石油、能源、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器 , 它們也是 這些行業(yè)的通用設(shè)備 , 并占有十分重要的地位。 ; $ m: s0隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類(lèi)型也多種多樣， 不同類(lèi)型的換熱器也各有優(yōu)缺點(diǎn)， 性能各異。 列管式換熱器是

3、最典型的管殼式換 熱器，它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史， 而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo) 地位。列管式換熱器有以下幾種： 4P# r& ; a. dC9 q4 P* r k C7 r1、浮頭式 換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱(chēng)浮頭。管子受熱時(shí)，管束連 同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完佺消除了溫差應(yīng)力。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，便于清洗和檢修，消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。 設(shè)計(jì)評(píng)述：1. 在換熱器選型的時(shí)候，考慮各種常用的換熱器優(yōu)缺點(diǎn)：固定板式換熱器： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 在相同的殼體直徑內(nèi)， 排管最多，比較緊湊， 使殼側(cè)清洗困難。當(dāng)管子與殼體壁溫相差大于 50C時(shí)，應(yīng)在殼體上設(shè)置溫差補(bǔ) 償 - 膨脹

4、節(jié)，依靠膨脹節(jié)的彈性變形可以減少溫差應(yīng)力。 但是當(dāng)殼體與管子的溫 差大于 60C及殼程壓力超過(guò) 6 105Pa 時(shí)，由于補(bǔ)償圈過(guò)厚，難以伸縮，失去 溫差補(bǔ)償作用，就應(yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。U型管式換熱器：其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一個(gè)管板。換熱管為 U 形，管束可 以自由伸縮，當(dāng)殼體與 U 型換熱管有溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。密封面少，運(yùn) 行可靠，造價(jià)較低，管間清洗較方便。但是由于管子需要一定的彎曲半徑，故管 板的利用率低；管束最內(nèi)層管間距較大，殼程易短路；內(nèi)層管子壞了不能更換， 因而報(bào)廢率較高。 一般用于管、 殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)清潔 以及高溫高壓、腐蝕性強(qiáng)的場(chǎng)合。浮頭式換熱器：當(dāng)換熱管與殼

5、體有溫差存在時(shí)，殼體與換熱管膨脹，互 不約束，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力，管內(nèi)與管間的清洗均方便。但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨 重，造價(jià)較高，適用于殼體與管束間溫差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合。在綜合各方面因素，該設(shè)計(jì)任務(wù)的管束與殼體的平均溫度差 40 C ，同時(shí)殼 程壓力為 3.86 104Pa ，都不是很大，因此選擇造價(jià)較低的帶膨脹圈的固定管 板是換熱器，在經(jīng)濟(jì)的情況下能達(dá)到生產(chǎn)任務(wù)需求。2. 冷卻過(guò)程中最好采用容積較大的貯槽或者直接采用小型水庫(kù)， 這樣可以充 分使循環(huán)水冷卻。3. 泵的選型，由于泵所提供的流量 Q與揚(yáng)程 H均稍大于管路系統(tǒng)要求值， 所以應(yīng)減小標(biāo)準(zhǔn)閥的開(kāi)度，藉此增大管路長(zhǎng)度當(dāng)量，從而使軸功率

6、N 增大。設(shè)計(jì)總評(píng)：對(duì)于該生產(chǎn)任務(wù)，這個(gè)設(shè)計(jì)還有諸多不足需要彌補(bǔ)。例如， 循環(huán)水為以結(jié)垢的流體， 最好選擇大管徑 25mm 2.5mm的換熱管， 但是考慮 到流速，選擇了小管徑 19mm 2mm的換熱管； 所設(shè)計(jì)的換熱器不在固定管板 式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，制造比較麻煩；泵的吹入管等管路有點(diǎn)短，若是直接以水庫(kù)中的水作為循環(huán)水，則設(shè)備距離不 夠。等等。此次設(shè)計(jì)是以理論作為指導(dǎo)，難免會(huì)有以上疏漏，希望在老師的指導(dǎo) 下，能以實(shí)踐作為基礎(chǔ)，進(jìn)一步完善有關(guān)化工知識(shí)。第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)與條件原料：煤油，水 處理量： 25萬(wàn)噸年原料溫度：入口溫度 145oC，出口溫度 40oC冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度 30

7、oC，出口溫度 40oC生產(chǎn)時(shí)間：300天年，每天 24h 連續(xù)運(yùn)行允許壓降不大于 105Pa第三章 工藝設(shè)計(jì)3.1 生產(chǎn)條件的確定設(shè)計(jì)一列管式煤油換熱器，完成年冷卻 17wt 煤油的任務(wù)，具體要求如下： 煤油進(jìn)口溫度 145，出口溫度 40；冷流體進(jìn)口溫度 30，出口溫度 40； 每年按 300天計(jì)， 24小時(shí)/ 天連續(xù)進(jìn)行。3.2 換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算3.2.1 確定設(shè)計(jì)方案(1)選擇換熱器類(lèi)型兩流體溫度變化情況： 熱流體進(jìn)口溫度 145，出口溫度 40；冷流體進(jìn)口 溫度 30，出口溫度 40。由于該換熱器的管壁溫度和殼體溫度有較大溫差， 選用浮頭式換熱器。(2) 流動(dòng)空間及流速的確定 實(shí)際生

8、產(chǎn)中，冷卻水一般為循環(huán)水，而循環(huán)水易結(jié)垢，為便于清洗，應(yīng)采用 冷卻水走管程，煤油走殼程。選用 252.5 的碳鋼管，管內(nèi)流速設(shè)為 ui =0.5m/s3.2.2 確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。殼程煤油的定性溫度：145 40T=145 40 =92.5 ()2管程流體的定性溫度：t= 30 40 =35( )2根據(jù)定性溫度，分別插取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。煤油在 92.5 的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度30=825kg/m3定壓比熱容Cpo=2.22 kJ/(kg )導(dǎo)熱系數(shù)o=0.140W/(m )粘度o=0.000715Pas冷卻水在 35的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度3i =

9、994kg/m3定壓比熱容C pi=4.08kJ/(kg )導(dǎo)熱系數(shù)i =0.626 W/(m )粘度i =0.000725Pas3.2.3 計(jì)算總傳熱系數(shù)1）煤油傳熱 熱量和流量43mo25 104 103 300 24 34722kg / hQo=moCpoto3=4722 2.22 145 40 80. 9 105kj / h =2248KW2）平均傳熱溫差tmt1 t 2ln(145 40) (40 30)145 40 ln40 3040.4 ( )3）冷卻水用量wiQocpi t i580.9 1054.08 ( 40 30)198284 (kg/h )4）總傳熱系數(shù)1）管程傳熱系數(shù)

10、Redi ui i0.023 i di0.0230. 02 0. 5 9940. 000725di ui ii137100. 626(13710)0.8(40800. 000725 ) 0. 40. 020 ( 13710) ( 0. 626 )2733. 20W /( m2 C)2）殼程傳熱系數(shù)2假設(shè)殼程的傳熱系數(shù) 0 300 W/（m2）污垢熱阻Rsi =0.000344m2 /WRso=0.000172m2 /W管壁的導(dǎo)熱系數(shù)bdkd0. 0250. 0003440.025 0. 00250. 0252733. 2 0. 0200.020 45 0.0225225 .1W /( m2C)

11、ididimo10. 00013.2.4 計(jì)算傳熱面積Ktm2248000225. 1 40. 4247. 2( m2 )考慮 15%的面積裕度， S=1.15 S=1.15 247.2=284.3 ( m2 )3.2.5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸（1）管徑和管內(nèi)流速選用252.5 傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速 ui 0.5m / s（2）管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)nsV 198284 /( 3600 994)2 353 (根)0. 785 0. 022 0. 5 diu4按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度Sdons284. 33. 14 0.025 35310. 26(m)603根S

12、 284. 3 doL3.14 0. 025 6L=6m,則該換按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。取傳熱管長(zhǎng) 熱器管程數(shù)為Np10. 2662（管程）傳熱管總根數(shù)6032302(根)3）平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)145 4040 3010.540 30145 300.0869按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表可得t 0.82（ C） 平均傳熱溫差t m tt m 0. 82 40. 4 33. 1（ C）（4）傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列 取管心距 t 1.25do ，則t 1.25 25 31.

13、25 32（ mm） 橫過(guò)管束中心線的管數(shù)nc 1. 19 N 32 （根）（5）殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率0.7 ，則殼體內(nèi)徑D 1.05t N /1. 05 32 706/ 0. 7 1067（ mm）圓整可取 D 1100mm（6）折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的 25% ，則切去的圓 缺高度為 h 0.25 900 225mm 。取折流板間距 B 0.3D ，則B 0.3 1100 330mm B 取 330mm折流板數(shù) NB L 1 6000 1 18 塊B B 330折流板圓缺水平裝配。（7）接管 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)油品流速為 u 1

14、.0m/ s ，則接管內(nèi)徑為 d4V4 34722 /（ 3600 825） 0.1220mu 3. 14 1. 0 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 30mm 。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速為 u 1.5m / s ，則接管內(nèi)徑為d4V4 198284/（ 3600 994） 0. 2169mu 3.14 1.53.2.6 換熱器核算（1）熱量核算1） 殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 對(duì)圓缺形折流板，可采取克恩公式80.14o 0.55 1/ 3o 0.36 o Reo0.55 Pr1/ 3d當(dāng)量直徑，由正三角形排列得de殼程流通截面積SoBD1 dto1.1 0.33 10.0250.0320. 079(4 m)

15、殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為uo34722 /( 3600 825) 0. 147m/0. 07940. 020 0. 147 8250. 0007153392. 3普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr2. 22 103 0. 0007150. 1411. 340.14粘度校正o 0. 36 0. 140 3392 0. 55o 0.0211. 341/ 3495.10W/( m2 C)2）管程對(duì)流傳熱系數(shù)diui i0.8cpi i 0 pi iiii 0.023 i di管程流通截面積Si0. 785 0. 02270620. 11084( m2 )管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為uo198284 /( 3600

16、994)0. 4999m / s0. 11084Reo 0.020 0.4999 994 13708 o 0.000725普蘭特準(zhǔn)數(shù)30.626Pr 4.08 103 0.000725 4.7252732.8W /(m2 C)i 0.02300.062260 (13708)0.8(4.725)0.43) 傳熱系數(shù) KdoRsi doididibdoRso1dm0.0252732. 8 0.0200. 000344 0.0250. 0200. 0025 0.025 0.00017245 0. 0201495. 1317. 6W/(C)4) 傳熱面積2248000317. 6 33.1213. 8

17、4( m2 )該換熱器的實(shí)際傳熱面積 Sp2SpdoL(N nc) 3. 14 0.025 6 (603 18) 275. 5( m2 )該換熱器的面積裕度H Sp S 100% 275.5 213. 84 100% 28.83%S 213. 84傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)2)換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力1)管程流動(dòng)阻力Pi ( P1P2)FtNsN PNs 1， NP 1， Ft 1.410由 Re 13708 ，傳熱管相對(duì)粗糙度02.001 0.005 ，查莫狄圖得i 0.03W /(m* C) ，流速 ui 0.4999m/ s，994kg / m3 ，所以P10.0346.0

18、 994 0.4999 20.02 21266.8(Pa)，P2 3994 0.499922372.6(Pa)，Pi(1266. 8 372. 6) 1. 5 24918. 2(Pa)100000Pa管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)2)殼程阻力Po ( P1 P2)Ft NsNs 1， Ft 1流體流經(jīng)管束的阻力P1Ffonc( NB1)F 0. 5fo5 3392 0. 2280. 7834nc32NB18, uo0.147m/ sP10. 5 0. 7988 32 (18 1) 825 0. 1472164. 56( Pa)流體流過(guò)折流板缺口的阻力P2 NB(3.5 2DB) u2o ，D2B0

19、.33m, D1.1m2 0. 33P2 18 (3. 5 )2 1. 12825 0. 1472465. 3( Pa) ，總阻力P2 ( 2164. 56 465. 3) 11 2629. 86( Pa)殼程流動(dòng)阻力也比較合適11第四章 設(shè)計(jì)結(jié)果列表4.1 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表 1 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果換熱器型式：浮頭式列管換熱器換熱器面積（ ）： 284.3工藝參數(shù)名稱(chēng)管程殼程物料名稱(chēng)循環(huán)水煤油操作壓力， MPa0.10.03操作溫度，30/4040/145流量， kg/h5501160198284流體密度， kg/ m3994825流速， m/s0.4990.147傳熱

20、量， kw108總傳熱系數(shù)， w/ k308對(duì)流傳熱系數(shù)， w/ k2732.8470.6污垢系數(shù)， k/w0.0003440.000172阻力將， Pa4918.22629.86程數(shù)21使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格25 2.5管數(shù) 603管長(zhǎng)， mm6000管間距， mm32排列方式正三角形折流擋板型式上下間距，mm 100切口高度 25%殼體內(nèi)徑， mm330保溫層厚度， mm124.2 設(shè)計(jì)結(jié)果的討論換熱器的種類(lèi)繁多，不同的換熱器由其各自的優(yōu)點(diǎn)和使用局限。本課程設(shè)計(jì)中選用浮頭式換熱器，這種換熱器相比其他換熱器有以下幾點(diǎn)明顯的優(yōu)勢(shì)：1. 管束可抽出，以方便清洗管、殼程；2. 介質(zhì)間溫差不受限制

21、；3. 可在高溫、高壓下工作；可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場(chǎng)合；4. 可用于管程易腐蝕的場(chǎng)合。但同時(shí)也有一些缺點(diǎn)，例如，造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等等。13結(jié)束語(yǔ)經(jīng)過(guò)幾天的努力終于完成了本次課程設(shè)計(jì)。 課程設(shè)計(jì)不只是對(duì)這幾年來(lái)所學(xué)知 識(shí)的單純總結(jié)， 同時(shí)也是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)， 而且也是對(duì)自己能力的一 種提高。通過(guò)這次的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)我們要學(xué)的東西還很多，不能眼高手低。在以后 的學(xué)習(xí)生活中也要像這樣不斷在實(shí)踐中提高自己的綜合素質(zhì)。 本次設(shè)計(jì)在遇到困 難時(shí)總是我們四個(gè)組員一起討論和查看參考文獻(xiàn)， 既而進(jìn)行攻堅(jiān)， 所以在此感謝 我的團(tuán)隊(duì)，感謝幫助我的同學(xué)們。在這次的課程設(shè)計(jì)過(guò)程中我感覺(jué)我理論運(yùn)用于實(shí)際的能力得到了提高， 主要有 以下幾點(diǎn)：（1）掌握了查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)的能力；（2）樹(shù)立了既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注 意到了操作時(shí)的勞動(dòng)條件和各方面的因素的正確的設(shè)計(jì)思想， 在這種思想的指導(dǎo) 下去分析和