化工設備課件煤油冷卻器設計

1、2007級化學工程與工藝專業(yè)化工原理課程設計說明書題 目： 煤油冷卻器的設計姓 名：班級學號：指導老師：同組人員 完成時間：2010年5月6日i化工原理課程設計評分細則指導老師（簽名）年 月 日評閱老師（簽名）評審 單元評申要素評審內(nèi)涵評審等級檢查 方法指導 老師 評分檢閱 老師 評分設計 說明書35%格式規(guī)范是否符合規(guī)定的格式要求5-44-33-22-1格式標準內(nèi)容完整設計任務書、評分標準、主要設備計算、作圖、后記、參考文獻、小組成員及承擔任務10-88-66-44-1設計 任務書設計方柔方案是否合理及 是否有創(chuàng)新10-88-66-44-1計算 記錄工藝計算過 程計算過程是否止確、 完整和規(guī)

2、范10-88-66-44-1計算 記錄設計 圖紙 30%圖紙幅面、比例、標題欄、 明細欄是否規(guī)范10-88-66-44-1圖囿布 置標準圖囿布置標注文字、符號、代號標注 是否清晰、正確10-88-66-44-1標注 標準與設計 吻合圖紙設備規(guī)格與計算結果是否吻合10-88-66-44-1比較圖紙 與說明書平時 成績20%出勤計算、上機、手工制圖10-88-66-44-1現(xiàn)場 考察衛(wèi)生 與紀律設計室是否整潔、 衛(wèi)生、文明10-88-66-44-1答辯 成績15%內(nèi)谷表述答辯表述是否清楚5-44-33-22-1現(xiàn)場 考察內(nèi)容是否全面5-44-33-22-1回答問題回答問題是否止確5-44-33-2

3、2-1總 分18說明：評定成績分為優(yōu)秀（90-100 ）,良好（80-89）,中等（70-79）,及格（60-69）和不及格（60）錄（ 按 畢業(yè)論文格式要求書寫）第一部分設計任務書（1）第二部分設計方案簡介評述第三部分換熱器設計理論計1、試算并初選換熱器規(guī)格 2、核算總傳熱系數(shù) ko 3、計算壓強降 第四部分換熱器主要結構尺1、管子的規(guī)格和排列方法 2、管程和殼程數(shù)的確定 3、外殼直徑的確定 4、折流板形式的確定 5、主要附件的尺寸設計 第五部分工藝設計計算結果匯總表及其它 1、工藝設計計算結果匯總表 （頁碼）2、設計圖 3、參考文獻（頁碼）4、后記（頁碼）第一部分 設計任務書四、五、設計日

4、期六、設計評述設計題目煤油冷卻器的設計設計任務1.處理能力：1,98 105噸/年煤油2. 設備形式：列管式換熱器（臥式）操作條件 煤油：入口溫度140 ，出口溫度40 冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度30，出口溫度40 允許壓強降：不大于105 pa 每年按 330 天計，每天24 小時連續(xù)運行設計內(nèi)容設計方案簡介：對確定的工藝流程及換熱器型式進行簡要論述。換熱器的工藝計算：確定換熱器的傳熱面積。換熱器的主要結構尺寸設計。主要輔助設備選型。繪制換熱器總裝配圖。設計日期開始日期：2010 年 4 月 26 日結束日期：2010 年 5 月 6 號設計評述換熱器是許多工業(yè)生產(chǎn)中常用的設備,尤其是石油、

5、化工生產(chǎn)應用更為廣泛。在化工廠中換熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。換熱器的類型很多，性能各異，個具特點，可以適應絕大多數(shù)工藝過程對換熱器的要求。進行換熱器的設計，首先是根據(jù)工藝要求選用適當?shù)念愋停?同時計算完成給定生產(chǎn)任務所需的傳熱面積，并確定換熱器的工藝尺寸。換熱器類型雖然很多，但計算傳熱面積所依據(jù)的傳熱基本原理相同，不同之處僅是在結構上需根據(jù)各自設備特點采用不同的計算方法而已。第二部分設計方案簡介評述我們設計的是煤油冷卻器，冷卻器是許多工業(yè)生產(chǎn)中常用的設備。 列管式換熱器的結構簡單、牢固，操作彈性大，應用材料廣。列管式換 熱器有固定管板式、浮頭式、u形管式和填料函式等類型。列管式換

6、熱 器的形式主要依據(jù)換熱器管程與殼程流體的溫度差來確定。由于兩流體的溫差大于50七，故選用帶補償圈的固定管板式換熱器。這類換熱器結構簡單、價格低廉，但管外清洗困難，宜處理殼方流體較清潔及不易 結垢的物料。因水的對流傳熱系數(shù)一般較大，并易結垢，故選擇冷卻水 走換熱器的管程，煤油走殼程。第三部分換熱器設計理論計算1、試算并初選換熱器規(guī)格(1)、定流體通入空間兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，因水的對流傳熱系數(shù)一般較大，并易結垢，故選擇冷卻水走換熱器的管程，煤油走殼程。(2)、確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)，并選擇列管式換熱器的形式：被冷卻物質(zhì)為煤油，入口溫度為140c,出口溫度為40；c冷卻介質(zhì)為自來水

7、，入口溫度為30 ：c,出口溫度為40 ；c煤油的定性溫度：tm =(140 40)/2 =90七水的定性溫度：tm =(30 40)/2 -35：:c兩流體的溫差：tm -tm = 90 -35 =55：c由于兩流體溫差大于 50c,故選用帶補償圈的固定管板式列管換熱器。兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)物性 流#溫度c密度p kg / m3黏度nmpa s比熱容cp kj/(kgc)導熱系數(shù)九w/(mc)煤油908250.7152.220.14水359940.7284.1740.626(3)、計算熱負荷q按管內(nèi)煤油計算，即q =wncph(t j)=531.98 10 10330 24 3600

8、2.22 103 (140 -40)=1.5416 106w若忽略換熱器的熱損失，水的流量可由熱量衡算求得，即wc =1.5416 106t=tt3 _z cp,c(t2 11)4.174m 103 m (40 30)=36.94kg/s(4)tm計算兩流體的平均溫度差，并確定殼程數(shù)(t 2t 2 t ntln *ti1ns21 (1 40 40).40 勰.096 c ,140-40 ln 40 -30r=32=3m=10t1 -t240 -3040 -300.091140-30由r和p查圖得溫度校正系數(shù)為 平占=0.85,所以 校正后的溫度為；：tm = ；：tm ： = 36.4 0.8

9、5 = 33.23 c= 0.85 > 0.8,故可選用單殼程的列管式換熱器。(5)、初步選擇換熱器規(guī)格根據(jù)管內(nèi)為水，管外為有機液體，k值范圍為22280710 w/(m ,c),假設 k=430w/(m c)故6_2= 107.9m2c q 1.5416 10s =k tm430 33.23140 40由于tm -tm初選固定板式換熱器規(guī)格尺寸如下:外殼直徑d600mm管程流通面積s 0.0364m2管數(shù)n 232管長l 6m中心距 32mm換熱器的實際傳熱面積40 302= 55'c>50 七因此需要考慮熱補償。管排方式一一正三角形排列公稱壓力p 4.00mpa管程數(shù)2

10、管尺寸 4 25 x 2.5mm （不銹鋼管）公稱面積s 107.5 m22s0 -n-：d0(l -0.1)-232 3.14 0.025 (6 -0.1)-107.45m2采用此換熱面積的換熱器，則要求換熱過程的總傳熱系數(shù)為:ko =q 1.5416 106s0 ：tm 107.5 33.232= 431.8w/（m2 c）2、核算總傳熱系數(shù)k(1)、計算管程對流傳熱系數(shù)% ,因為管中水的質(zhì)量流量為 wc= 36.94kg/s,則水的體積流量為 vc =wc/ =36.94/994 = 0.03716m3/sn :,二 2232 3.1422adi = 0.020 = 0.03642mnp

11、 424prei0.02 1.021 994 0.728 10 "3ui =vc/a =0.03716/0.03642 = 1.0203m/s=2.788父104（湍流）= 4.8541 cp4.174 103 7.28 10“pri =0.626所以:：i =0.023 re0.8pr0.4（液體被加熱）di0.626=0.023 m 6 乂（2.788黑 104） 8 黑4.8541= 4874.7w / （m2 尸c）0.02(2)、計算殼程對流傳熱系數(shù) 口。換熱器中心附近管排中流體流通截面積為ao = h d 1 與)=0. 1 5 0. 6 0«w 5=)0.m0

12、 1 9 7t0. 0 32式中h折流擋板間距，取150mmt 管中心距，對于 125父2.5mm的管中心距為32mm。煤油的質(zhì)量流量為 wh = 25000kg / h = 6.9444kg / s ,則煤油的體積流量為 vh wn/ / ： =6.9444/825 = 0.008417m3/s由于換熱器為兩殼程，所以煤油的流速為：uo -vs/ao -0.04478/ 0.0197m /s - 0.4273m/ s由于管為三角形排列，則有4（ 3t2- -：d2。）4 （ 3 0.0322 一 二 0.0252）。-二2 3.14 0.025:0.0202m煤油在殼程中流動的雷諾數(shù)為reo

13、 =deuo ： 0.0202 0.4273 82530.715 10_3= 9.952 10因為reo在2父1031父106范圍內(nèi)，故可采用凱恩（kern）法求算uo,即二。=0.36 re0.55 pr1/3 1dec cpj 2.22 103 0715 10pro =-0.14j3=11.34由于液體被冷卻取邛卜=0.95,所以二。=0.36rede（3）、確定污垢熱阻rsi =3.44 10/ m2 c/w（自來水）rso =1.7179 10“m2 c/w（煤油）（4）、計算總傳熱系數(shù) k。（管壁熱阻可忽略時，總傳熱系數(shù)k。為：）k0：o1dednrs.飛可udi 二 idi1乂4

14、0.0251.7179 103.44 108420.022.= 488.8w/（m c）0.0254874.7 0.02選用該換熱器時，要求過程的總傳熱系數(shù)為431.8 w/（m2尸c）,在傳熱任務所規(guī)定的°55pr1/3 中0.36父 0.14 父（9.952 父103）0.55 父11.341/3 x0.95 =842w/（m2，七）-0.0202戶c）,所選擇的換熱器的安全系數(shù)為:流動條件下，計算出的k0 =488.8 w/（m2488.8 -431.8-100% =13.2%431.8則該換熱器傳熱面積的裕度符合要求。3、計算壓強降(1)、計算管程壓強降% . ：pi =(

15、rp2)ftnpns前已算出：ui =1.021m/srei =2.788 103(湍流)取不銹鋼管壁的粗糙度 君=0.1mm ,則£ = 01 = 0.005di 20由摩擦系數(shù)圖查得 =0.034所以l :ui26r = 、 =0.034 di 20.02994 1.0212 =5284.55pa_ 22叱=3 994 1.021 =1554.28pa對于 <f25x2.5mm 的管子，有 ft =1.4，且np = 2,ns =1“ ：pik rp2)ftnpns -(5284.55 1554.28) 1.4 2 1 =1.915 104 pa(2)、計算殼程壓強降po

16、=(lrp2)fsns由于 fs -1.15, ns -1;u2所以 p =ff°nc(nb 1) o2管子為正三角形排列，則取f=0.5n =1.1 n =1.1232 =16.75c折流擋板間距h = 0.15m折流板數(shù) nb =l-1 =-6- -1 =39 h 0.15ao =h( d-ncdo)= 0. 1 5 (0. 6 1 6. 7 5 =0. 02 5)吊0. 027 1 93uo=0.3093m/svs _ 0.00841m s ao - 0.02719m2= 8.922 1030.025 03093 8250.715 10“fo =5re0.228 =5 父(8.

17、922父103)。228 =0.6284所以：u2= ff0nc(nb 1)o =0.5 0.6284 16.75 (39 1)22825 0.30932 二 8307.4 pa22h ： uo2 0.15 p2'=nb(3.5)- =39 (3.5 )d 20.62825 0.3093 =4617.1paj po =( p1p2)fsns = (8307.4 4617.1) 1.15 = 1.417 104pa從上面計算可知，zapo、£api < 105,該換熱器管程與殼程的壓強降均滿足題設要求，故所選換熱器合適。第四部分 換熱器主要結構尺寸一、管子的規(guī)格和排列方法

18、考慮到流體的流速，選用425m2.5mm規(guī)格的管子。我國換熱器系列中，固 定管板式多采用正三角形排列，它的優(yōu)點有：管板的強度高；流體走短路的機會 少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高；相同殼程內(nèi)可排列更多 的管 子。所以選擇正三角形排列。、管程和殼程數(shù)的確定管程數(shù)m可按下式計算，即u m =u'式中 u 管程內(nèi)流體白適宜速度，m/s;u '單管程時管內(nèi)流體的實際速度，m/s。取 u=1.5m/s （參考化工原理上冊） 水的流量為 wc = 36.94kg/s ,對于4 25x 2.5mm的管子,u'=wcd2 n4=0.51m/ s36.94994 314 0.

19、022 232求得m1.00 m s0.51 m s= 1.964所以選用2管程。在單殼程中，由 r和p查得溫度校正系數(shù)為 平白=0.85大于0.8,所以采用單殼程。三、外殼直徑的確定初步設計中可用下式計算殼體的內(nèi)徑，即d = t（ n -1） 2b式中d -殼體內(nèi)徑，m;t -管中心距，m;nc-橫穿管束中心線上的管數(shù)；b'-管束中心線上最外層管的中心到殼體內(nèi)壁的距離，一般取b'= （1-1.5 ） d0, m。其中t=0.032m（參考化工原理上冊）,nc=16（上已計算）,b'取1.5貝u d =0.025 （16-1） 2 1.5 0.025 =0.555m =

20、555mm;按照此方法計算得到的殼內(nèi)徑應圓整，標準尺寸如下表：/mm325400,500, 600, 700800,900,10001100, 1200最小壁厚/mm8101214所以取d =600mm。四、折流板形式的確定折流擋板的主要作用是引導殼程流體反復的改變方向做錯流流動，以加大殼程流體流速和湍動速度，致使殼程對流傳熱系數(shù)提高。選擇水平圓缺形折流板，切去的弓形高度為外殼內(nèi)徑的25.0% （圓缺率的范圍一般為 15%45%）,即為：600m15.0% = 90.0mm。折流板的間距，在允許的壓力損失范圍內(nèi)希望盡可能小。一般推薦折流板間隔最小值為殼內(nèi)徑的1/5或者不小于50mm。折流板間距

21、取h=150mm。折流板的最大無支撐間距如表所示：換熱管外徑（mm）141619253238取人兀支撐間距（mm）110013001500185022002500折流板的厚度可由下表得出：(參考文獻：化工設備設計手冊 朱有庭，曲 文海主編)公稱直徑dn (mm)換熱管無支撐跨距<3003006006009009001200120015001500折流板的最小厚度(mm)<4003458101040070045610101270090056810121690015006810121616所以取值為12mm五、主要附件的尺寸設計(1)、封頭封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小(一般小于

22、400mm)的殼體，圓形用于大直徑的殼體。殼徑為 600mm,選用圓形封。(2)、緩沖擋板它可防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動，還有使流體沿管束均勻分布的作用。(3)、放氣孔、排液孔換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔， 以排除不凝氣體和冷凝液等。(4)、接管換熱器中流體進、出口的接管直徑按下式計算，即式中vs 流體的體積流量，m3/su流體在接管中的流速，m/s。流速u的經(jīng)驗值可取為對流體u=1.52m/s速u=1.5m/s,自來水進出口接管的內(nèi)徑取液體流4 0.03716 二 1.5=177.6mm煤油進出口接管的內(nèi)徑,4vs4 0. 0 0841j/ _d = 8 4.

23、mm.-：u ,二 1. 5(5)、彳貿(mào)管為減少管程分程所引起的中間穿流的影響，可設置假管。假管的表面形狀為兩端堵死的管子，安置于分程隔板槽背面兩管板之間但不穿過管板，可與折流斑焊接以便固定。假管通常是每隔34排換熱管安置1根。(6)、拉桿和定距管為了使折流板能牢固地保持在一定的位置上，通常采用拉桿和定距管。所選擇的拉桿直徑為12mm,拉桿數(shù)量為4,定距管*25*2.5mm (參考文獻化工設備手冊曲文海 主編)、月彭脹節(jié)膨脹節(jié)又稱補償圈。膨脹節(jié)的彈性變形可減小溫差應力，這種補償方法適用于兩流體的溫差低于700c且殼方的流體壓強不高于 600kpa的情況。換熱器的膨脹節(jié)一般分為帶襯筒的膨脹節(jié)和不

24、帶襯筒的膨脹節(jié)。根據(jù)換熱器殼側介質(zhì)的不同，使用的膨脹節(jié)就不同，通常為了減小膨脹節(jié)對介質(zhì)的流動阻力，常用帶襯筒的膨脹節(jié)。襯筒應在順介質(zhì)流動的方向側與殼焊接。對于臥式換熱器，膨脹節(jié)底部應采用帶螺塞結構， 這樣便于排液。第五部分工藝設計計算結果匯總表工藝設計計算結果匯總表煤油流量kg/h25000自來水流量/kg/h132984實際傳熱面積s/ m2107.5要求過程的總/專熱系數(shù)/w/ (itfc)431.8總傳熱系數(shù)/w/ (mw)488.8安全系數(shù)/%13.2管程壓強降/pa41.91510殼程壓強降/pa.一 一 41.417710 1230參數(shù)'* ->握一殼徑d/mm600

25、公稱壓強/mp4.00公稱面積s/ m2107.5管程數(shù)np2管子尺寸/mm4 25x2.5管長/m6管子總數(shù)n232管子排列方法正三角形管心距/mm32折流板數(shù)49板間距/mm150弓高/mm75拉桿直徑/mm12拉桿數(shù)量4參考文獻1 化工原理 （上冊）修訂版. 夏清 陳常貴 主編 . 天津 : 天津大學出版 ,20052 化工設備設計手冊 . 潘國昌、郭慶豐主編 . 北京 : 清華大學出版社 ,19883 化工流體流動與傳熱 . 張國亮 主編 . 北京 : 化學工業(yè)出版社,19924 化工工藝制圖 . 周大軍 揭嘉 主編 . 北京 : 化學工業(yè)出版社,20035 中國石化集團上海工程有限公司編 . 化工工藝設計手冊（第三版） . 北京 : 化學工業(yè)出版社,19876 柴誠敬 王軍 張纓 編 . 化工原理課程設計 . 天津 : 天津科學技術出版社,20057 化工工藝算圖手冊 . 劉光啟 馬連湘 主編 . 北京 : 化學工業(yè)出版社 ,19908 化工工程設計 . 韓冬冰 李敘鳳 主編 . 北京 : 學苑出版社,20009 工程制圖 . 朱泗芳 徐紹軍 主編 . 北京 : 高等教育出版社,200210 autocad2002 應用教程 . 劉蘇 編著 . 北京