煤油器課程設計

1、青 島 科 技 大 學 化工 學院 應用化工技術 專業(yè)課 程 設 計題 目 煤油冷卻器的設計 指 導 教 師 班 級 學 號 學 生 課程設計成績評定標準 年 月程度內容 優(yōu)秀良好中等較差不及格獨立完成情況按時到教室、遵守紀律等等課程設計說明書的質量語言流暢、內容全面計算的正確性制圖的質量設計中創(chuàng)新點答辯情況總成績 化工原理課程設計任務書一、設計題目：煤油冷卻器的設計二、設計任務及操作條件1、處理能力：處理量12噸/h（+學號后兩位×0.5噸/h）2、設備型式：列管式換熱器；3、操作條件：（1）煤油：進口溫度140，出口溫度40。（2）冷卻介質：循環(huán)水，進口溫度30，出口溫度40，不

2、超過50。（3）允許壓降：不大于0.1MPa。（4）傳熱面積裕度介于15-20%。三、設計計算內容1、設計方案2、換熱面積3、管程設計，包括：總管數、程數、管程流體阻力校核等4、殼體內徑5、換熱器核算6、主要進、出口的管徑 7、管、殼程流體阻力的計算與壓降的計算 四、設計成果1、設計計算說明書（目錄、任務書、設計計算內容1-7、設計主要結構尺寸及結果一覽表、對設計過程的評述及有關問題的討論）2、設備裝配圖（1號圖紙，根據圖紙幅面按比例繪圖），設備零件圖（2號，選做）五、參考書 1、賈紹義，柴誠敬?；ぴ碚n程設計，天津：天津大學出版社，2002 2、夏清，陳常貴。化工原理，天津：天津大學出版社

3、，2005 3、化工過程及設備設計，廣州：華南理工大學出版社，1986 4、許國義，馬夢蘭。工程制圖，天津：天津大學出版社，2000 5、王許云，王曉紅，田紅景?；ぴ碚n程設計，北京：化學工業(yè)出版社，2012目 錄 一、概述 1二、工藝流程草圖及設計標準 32.1工藝流程草圖32.2設計標準3 2.3設計原則4 三、熱器設計計算53.1確定設計方案53.1.1選擇換熱器的類型53.1.2流體溜徑流速的選擇53.2確定物性的參數53.3估算傳熱面積63.3.1熱流量63.3.2平均傳熱溫差63.3.3傳熱面積63.3.4冷卻水用量63.4工藝結構尺寸63.4.1管徑和管內流速7 3.4.2管程

4、數和傳熱管數7 3.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數73.4.4傳熱管排列和分程方法73.4.5殼體內徑7 3.4.6折流板7 3.4.7其他附件8 3.4.8接管83.5換熱器核算83.5.1熱流量核算83.5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?3.5.1.2管內表面?zhèn)鳠嵯禂?3.5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻93.5.1.4計算傳熱系數KC93.5.1.5換熱器的面積裕度103.5.2換熱器內流體的流動阻力103.5.2.1管程流體阻力103.5.2.2殼程阻力104、 設計自我評價12五、設計結果設計一覽表13六、參考資料14七、主要符號說明14一、概 述 在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器

5、，簡稱熱換器。在熱換器中至少需要兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體溫度較低，吸收熱量。在化工、石油、動力、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)的通用設備，并占有十分重要的地位。隨著換熱器在工業(yè)生產中的作用和地位的不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺點，性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應用有著悠久的歷史，而且至今仍在換熱器中占據主導地位。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補償結構來分，主要有以下幾種：1、固定管板式 固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當位置上

6、焊上一個補償圈，（或膨脹節(jié)）。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。 特點：結構簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結垢的物料。2填料函式換熱器：這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結構比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內介質有外漏的可能，殼程中不應處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質。2、U形管式 U形管式換熱器每根管子均彎成U形，流體進、出口分別安裝在同一端的兩側，封頭內用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。 特點：結構簡單，質量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結垢的物料。3、 浮頭

7、式 換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應力。 特點：結構復雜、造價高，便于清洗和檢修，消除溫差應力，應用普遍。二、 工藝流程草圖及設計標準2.1工藝流程草圖 主要說明：由于循環(huán)冷卻水較易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。如圖，煤油經泵抽上來，經加熱器加熱后，再經管道從接管C進入換熱器殼程；冷卻水則由泵抽上來經管道從接管A進入換熱器管程。兩物質在換熱器中進行換熱，煤油從110被冷卻至40之后，由接管D流出；循環(huán)冷卻水則從30變?yōu)?0，由接管B流出。2.2設計標準（1）JB1145-73列管式固定管板熱交換器

8、（2）JB1146-73立式熱虹吸式重沸器（3）中華人民共和國國家標準.GB151-89鋼制管殼式換熱器.國家技術監(jiān)督局發(fā)布，1989（4）鋼制石油化工壓力容器設計規(guī)定（5）JBT4715-1992固定管板式換熱器型式與基本參數（6）HGT20701.8-2000容器、換熱器專業(yè)設備簡圖設計規(guī)定（7）HG20519-92全套化工工藝設計施工圖內容和深度統(tǒng)一規(guī)定（8）中華人民共和國國家標準 JB4732-95 鋼制壓力容器分析設計標準（9）中華人民共和國國家標準 JB4710-92 鋼制塔式容器（10）中華人民共和國國家標準 GB16749-1997 壓力容器波形膨脹節(jié)2.3設計原則（1）流體通

9、道的選擇流體通道的選擇可參考以下原則進行：1.不潔凈和易結垢的流體宜走管程，以便于清洗管子；2.腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時受腐蝕，而且管內也便于檢修和清洗；3.高壓流體宜走管程，以免殼體受壓，并且可節(jié)省殼體金屬的消耗量；4.飽和蒸汽宜走殼程，以便于及時排出冷凝液，且蒸汽較潔凈，不易污染殼程；5.被冷卻的流體宜走殼程，可利用殼體散熱，增強冷卻效果；6.有毒流體宜走管程，以減少流體泄漏；7.粘度較大或流量較小的流體宜走殼程，因流體在有折流板的殼程流動時，由于流體流向和流速不斷改變，在很低的雷諾數（Re<100）下即可達到湍流，可提高對流傳熱系數。但是有時在動力設備允許的條件下，將

10、上述流體通入多管程中也可得到較高的對流傳熱系數。 在選擇流體通道時，以上各點常常不能兼顧，在實際選擇時應抓住主要矛盾。如首先要考慮流體的壓力、腐蝕性和清洗等要求，然后再校核對流傳熱系數和阻力系數等，以便作出合理的選擇。(2)流體流速的選擇換熱器中流體流速的增加，可使對流傳熱系數增加，有利于減少污垢在管子表面沉積的可能性，即降低污垢熱阻，使總傳熱系數增大。然而流速的增加又使流體流動阻力增大，動力消耗增大。因此，適宜的流體流速需通過技術經濟核算來確定。充分利用系統(tǒng)動力設備的允許壓降來提高流速是換熱器設計的一個重要原則。在選擇流體流速時，除了經濟核算以外，還應考慮換熱器結構上的要求。(3)流體兩端溫

11、度的確定若換熱器中冷、熱流體的溫度都由工藝條件所規(guī)定，則不存在確定流體兩端溫度的問題。 (4)管徑、管子排列方式和殼體直徑的確定小直徑管子能使單位體積的傳熱面積大，因而在同樣體積內可布置更多的傳熱面。或者說，當傳熱面積一定時，采用小管徑可使管子長度縮短，增強傳熱，易于清洗。但是減小管徑將使流動阻力增加，容易積垢。對于不清潔、易結垢或粘度較大的流體，宜采用較大的管徑。因此，管徑的選擇要視所用材料和操作條件而定，總的趨向是采用小直徑管子。    管長的選擇是以合理使用管材和清洗方便為原則。國產管材的長度一般為6m，因此管殼式換熱器系列標準中換熱管的長度分為1.5、2、

12、3或6m幾種，常用3m或6m的規(guī)格。長管不易清洗，且易彎曲。此外，管長L與殼體D的比例應適當，一般L/D=46。    管子的排列方式有等邊三角形、正方形直列和正方形錯列三種。等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍動程度高，對流傳熱系數大；正方形直列比較松散，對流傳熱系數較三角形排列時低，但管外壁清洗方便，適用于殼程流體易結垢的場合；正方形錯列則介于上述兩者之間，對流傳熱系數較直列高。    換熱器殼體內徑應等于或稍大于管板的直徑。通常是根據管徑、管數、管間距及管子的排列方式用作圖法確定。(5)管程和殼程數的確定當流體

13、的流量較小而所需的傳熱面積較大時，需要管數很多，這可能會使流速降低，對流傳熱系數減小。為了提高流速，可采用多管程。但是管程數過多將導致流動阻力增大，平均溫差下降，同時由于隔板占據一定面積，使管板上可利用的面積減少。設計時應綜合考慮。采用多管程時，一般應使各程管數大致相同。(6)折流板折流板又稱折流擋板，安裝折流板的目的是為了提高殼程流體的對流傳熱系數。其常用型式有弓形折流板、圓盤形折流板以及螺旋折流板等。常用型式為弓形折流板。折流板的形狀和間距對殼程流體的流動和傳熱具有重要影響。(7)換熱器中傳熱與流體流動阻力計算 有關列管式換熱器的傳熱計算可按已選定的結構型式,根據傳熱過程各個環(huán)節(jié)分別計算出

14、兩側流體的對流傳熱熱阻及導熱熱阻，得到總傳熱系數，再按公式進行換熱器傳熱計算。列管式換熱器中流動阻力計算應按殼程和管程兩個方面分別進行。它與換熱器的結構型式和流體特性有關，一般對特定型式換熱器可按經驗方程計算。三、換熱器設計計算3.1確定設計方案3.1.1選擇換熱器的類型 本次設計為煤油冷卻器的工藝設計，工藝要求煤油（熱流體）的入口溫度140，出口溫度40。采用循環(huán)冷卻水作為冷卻劑降低熱的煤油溫度，冷卻水的入口溫度30，根據經驗結合選廠地址的水資源現(xiàn)狀況，選定冷卻水的出口溫度40，且不大于50。 根據間壁式換熱器的分類與特性表，結合上述工藝要求，最大使用溫差小于120,選用固定管板式換熱器，又

15、因為管殼兩流體溫差大于60，故因選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。3.1.2流體流徑流速的選擇 根據流體流徑選擇的基本原則，循環(huán)冷卻水易結垢，而固定管板式換熱器的殼程不易清洗，且循環(huán)冷卻水的推薦流速大于煤油的推薦流速，故選擇循環(huán)冷卻水為管程流體，煤油為殼程流體。3.2確定物性參數 定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。 管程流體的定性溫度為：（）煤油90下的物性數據： ()根據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數據。 煤油在90下的有關物性數據循環(huán)冷卻水在35下的物性數據密度o=825 kg/m3密度i=994 kg/m3定壓比熱容Cpo=2.22kJ/(kg·K)定壓比熱容Cp

16、i=4.08kJ/(kg·K)導熱系數o=0.140 W/(m·K)導熱系數i=0.626 W/(m·K)粘度o=0.000715 Pa·s粘度i=0.000725 Pa·s3.3、估算傳熱面積3.3.1熱流量m=（12+2*0.5)*1000=13000（kg/h）Qo=mcpt=13000×2.22×(140-40)=2886000kJ/h=801.67kW3.3.2平均傳熱溫差()3.3.3傳熱面積 假設殼程傳熱系數：a=400 W（m2），管壁導熱系數=45 W（m2）則K=298.7W/(m2·K),則估

17、算面積為：S=Q/(K×tm)=0.802×10/(298.7×39)=68.85(m2) 考慮15%的面積裕度則：S=1.15× 68.85=79.18(m2)3.3.4冷卻水用量W=70735.3（kg/h）3.4、工藝結構尺寸3.4.1管徑和管內流速選用25×2.5較高級冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內流速u= 1.5m/s3.4.2管程數和傳熱管數依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數n=41.9742（根）按單程管計算，所需的傳熱管長度為：L=24（m）按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構，根據本設計實際情況，采用標準設計，現(xiàn)取傳熱

18、管長為l=6m.則該換熱器的管程數為：N=L/l=24/6=4傳熱管總根數： N=42×4=168（根）3.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數平均傳熱溫差校正系數：R=(140-40)/(40-30)=10;P=(40-30)/(140-30)=0.091按單殼程，4管程結構，溫差校正系數應查有關圖表可得t=0.82平均傳熱溫差 = =0.82×39=32（)由于平均傳熱溫差校正系數大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取単殼程合適。3.4.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列（見化工過程及設備課程設計書本圖3-13）。取管心距t

19、=1.25d，則t=1.25×25=31.2532(mm) 橫過管束中心線的管數n=1.19*=1.19*=16(根)3.4.5殼體內徑采用多管程結構，取管板利用率0.7，則殼體內徑為D=1.05*32*=520.5(mm)按卷制殼體的進級擋，圓整可取D=600mm。3.4.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25，則切去的圓缺高度為h0.25×600=150（mm）折流板間距B=0.3D,則B=0.3×600=180mm取200mm。折流板數 N=-1=-1=29(塊) 折流板圓缺面水平裝配見化工過程及設備課程設計書本圖3-15。3.4.7其

20、他附件拉桿數量與直徑按化工過程及設備課程設計書本圖表3-9選取，本換熱器傳熱管外徑為25mm故其拉桿直徑為16，拉桿數為6個。殼程入口處，應設置防沖擋板。3.4.8接管殼程流體進出口接管：取接管內煤油流速為u1.0m/s，則接管內徑為：D=0.075（m），取管內徑為75mm。管程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速 u1.2 m/s，則接管內徑為D=0.145mm，圓整可取D =200mm 。3.5換熱器核算3.5.1熱流量核算3.5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂悼刹捎每硕鞴剑寒斄恐睆剑烧桥帕械茫篸=（m）殼程流通截面積：S=BD(1-）=0.2*0.6*（1-）=0.0263（m）殼程流體

21、流速及其雷諾數分別為：u=0.166（m/s）Re=3831普朗特準數 Pr=11.34；粘度校正 =529.37 W/(m2·K) 3.5.1.2管內表面?zhèn)鳠嵯禂倒艹塘黧w流通截面積：S=0.785×0.02×168/4=0.0147（m2）管程流體流速及其雷諾數分別為：u=1.3447（m/s）Re=36872.6普朗特準數Pr=0.023×=6033.64W/ (m·K)3.5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻查有關文獻知可?。汗芡鈧任酃笩嶙?R=0.000172 m·K/W管內側污垢熱阻 R=0.000344 m·K/W管壁熱

22、阻 查有關文獻知碳鋼在該條件下的熱導率為=45 W/(m·K)。3.5.1.4計算傳熱系數K =362.33 W/（m·）計算傳熱面積S:S= 69.14（m2）該換熱器的實際傳熱面積：S=3.14×0.025×(6-0.06)×(168-16)= 70.88（m2）3.5.1.5換熱器的面積裕度H=×100%=×100%=25.17%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。3.5.2換熱器內流體的流動阻力3.5.2.1管程流體阻力 計算公式如下：P=（P1+P2）NNF; N=1, N=4，F(xiàn)=1.4; P=,P=由R

23、e=41103.6，傳熱管相對粗糙度0.01/20=0.05，查莫狄圖得=0.034(W/ (m2·)，流速u=1.499m/s，=994kg/m3，所以P=10643.7（Pa）；P=3130.5（Pa） P=（10643.7+3130.5）×1.4×1×4=77135.5（Pa）<100 KPa管程流體阻力在允許范圍之內。 3.5.2.2殼程阻力 P0=（P1+P2）FSNS FS=1.15 NS=1 P1= Ff0nC(NB+1) ; F=0.5f0=5×41103.6-0.228=0.722 nC=23 NB=23,u0=0.21

24、m/s P1=0.5×0.722×23×（23+1）×825×0.212/23625（Pa）流體流過折流板缺口的阻力P2 =NB（3.5-2B/D）, B=0.25m; D=0.8m；故P2=23×（3.5-2×0.25/0.8）×825×0.22/21202（Pa），則總阻力：P0=3625+1202=4827（Pa）<100 KPa故殼程流體的阻力也適宜。四、設計自我評價作為化工專業(yè)的學生，我深知化工原理是一門非常重要的專業(yè)基礎課程，進行適當的設計訓練對于加深我對課程的理解是非常重要和有意義的。

25、通過本次設計，我學會了如何根據工藝過程的條件查找相關資料，并從各種資料中篩選出較適合的資料，根據資料確定主要工藝流程，主要設備，及計算出主要設備及輔助設備的各項參數及數據。了解到了工藝設計計算過程中要進行工藝參數的計算。通過設計不但鞏固了對主體設備圖的了解，還學習到了工藝流程圖的制法。通過本次設計不但熟悉了化工原理課程設計的流程，加深了對冷卻器設備的了解，而且學會了更深入的利用圖書館及網上資源，對前面所學課程有了更深的了解。但由于時間較為倉促，查閱的文獻有限，本次設計還有很多不完善的地方。首先，本次設計能夠順利完成，離不開肖老師的悉心指導和耐心講解，有了她的指導使得我們更快的進入課程設計的狀態(tài)

26、，使我們少走彎路。老師傳授給我們的專業(yè)知識是我們不斷成長的源泉，也是完成本設計的基礎。在跟隨老師學習的過程中，我們學到了掌握了全新而實用的學術思想和設計方法。再次感謝肖老師在百忙之中抽出時間對本設計進行查閱和審核，我們在此表示衷心的感謝！本設計是我們第一次做化工原理課程設計，設計過程中我們逐步摸索，反復推敲和修改，但鑒于只是水平有限，不足之處敬請老師給予指正。我們不勝感激！其次非常感謝我們的同學，正是有你們在一起討論，才使我們較快及順利地在較短時間內完成本設計。在和大家交流過程中，我們學到了很多，深深感到團結力量的偉大，人際關系的重要性。正是因為有了大家，才使我們艱難壓抑的設計變得不再枯燥，而是充滿歡笑和激情，豐富而充實。 五、設計結果設計一覽表換熱器型式：帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器管口表換熱面積：70.8m2符號尺寸用途連接形式工藝參數a200