化工原理課程設計說明書

1、課程設計任務書設計題目煤油冷卻器的設計一. 設計要求：1. 處理能力：(19.8x104)噸/年煤油設備型式：列管式換熱器二. 操作條件：(1) 煤油入口溫度140C,出口溫度40C;冷卻介質循環(huán)水，入口溫度30C,出口溫度40C;允許壓強降不大于100KPa;煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)；3備度為825kg/m;粘度為：7.5x10-4Pa.S;比熱容為：2.22kJ/(kg.C)；導熱系數(shù)為：0.14W/(m.C)；每年按300天計，每天24小時連續(xù)運行。學生應完成的工作:1. 選擇適宜的列管換熱器并進行核算。畫出工藝設備圖及列管布置任務下達日期：2010年11月08日任務完成日期：2010年

2、11月22日指導教師：學生:一、摘要換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，以實現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，乂稱熱交換器。換熱器是實現(xiàn)化工生產過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，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，且它們是上述這些行業(yè)的通用設備，占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，對換熱器的要求也日益增強。換熱器的設計制造結構改進以及傳熱機理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。根據(jù)不同的目的，換熱器可以是熱交換器、加

3、熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器等。由于使用條件的不同，換熱器可以有各種各樣的形式和結構。在生產中，換熱器有時是一個單獨的設備，有時則是某一工藝設備的組成部分。衡量一臺換熱器好的標準是傳熱效率高、流體阻力小、強度足夠、結構合理、安全可靠、節(jié)省材料、成本低，制造、安裝、檢修方便、節(jié)省材料和空間、節(jié)省動力。關鍵字煤油換熱器封頭管板歹0管式換熱器膨脹節(jié)固定管板式一、概述1二、工藝流程草圖及設計標準12.1工藝流程草圖12.2設計標準2三、換熱器設計計算23.1確定設計方案23.1.1選擇換熱器的類型23.1.2流體溜徑流速的選擇23.2確定物性的參數(shù)33.3估算傳熱面積33.3.2平均傳熱溫差33.3.

4、3傳熱面積33.3.4冷卻水用量43.4工藝結構尺寸43.4.1管徑和管內流速43.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)43.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)43.4.4傳熱管排列和分程方法53.4.5殼體內徑53.4.6折流板53.4.7接管53.5換熱器核算63.5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)63.5.1.2管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)73.5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻73.5.1.4計算傳熱系數(shù)Kc73.5.1.5換熱器的面積裕度83.5.2換熱器內流體的流動阻力83.5.2.1管程流體阻力83.5.2.2殼程阻力8四、設計結果設計一覽表10五、設計白我評價11六、參考資料12七、主要符號說明13一、概述在不同溫度的流

5、體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，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)生產中的地位和作用不同，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，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導地位。列管式換熱器有以下幾種：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焊上一個補償圈，

6、（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，殼程活洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結垢的物料。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。管程活洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結垢的物料。3、浮頭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，便于活洗和檢修，消除溫差應力，應用普遍。二、

7、工藝流程草圖及設計標準2.1工藝流程草圖cb一、r泵1rad由丁循環(huán)冷卻水易結垢，為便丁水垢的活洗，選擇循環(huán)水做管程流體，煤油做殼程流體。管程與殼程流體的進出方向為上圖所示，并選擇逆流傳熱。圖中水由泵1經過管程沿所示方向流動，煤油由泵1經過殼程沿所示方向流動。(1) 冷卻循環(huán)水與煤油在設計的換熱器中進行熱交換，煤油由初溫140C降溫至，40C冷卻循環(huán)水由初溫升30C溫至40Co2.2設計標準JB1145-73列管式固定管板熱交換器JB1146-73«立式熱虹吸式重沸器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鋼制石油化工壓力容器設計規(guī)定JB

8、T4715-1992固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)HGT20701.8-200O«容器、換熱器專業(yè)設備簡圖設計規(guī)定HG20519-92全套化工工藝設計施工圖內容和深度統(tǒng)一規(guī)定中華人民共和國國家標準JB4732-95鋼制壓力容器一分析設計標準中華人民共和國國家標準JB4710-92鋼制塔式容器中華人民共和國國家標準GB16749-1997壓力容器波形膨脹節(jié)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140C,出口溫度40C。采用循環(huán)冷卻水作為冷卻劑降低熱的沒有溫度，冷卻水的入口溫度30C，根據(jù)經驗結合選廠

9、地址的水資源現(xiàn)狀況，選定冷卻水的出口溫度40Co根據(jù)問壁式換熱器的分類與特性表，結合上述工藝要求，最大使用溫差小丁120C,選用固定管板式換熱器，乂因為管殼兩流體溫差大丁60C,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(jù)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活洗,且循環(huán)冷卻水的推薦流速大丁煤油的推薦流速，故選擇循環(huán)冷卻水為管程流體,煤油為殼程流體。根據(jù)流體在直管內常見適宜流速，管內循環(huán)冷卻水的流速初選為ui=1.0m/s,管子選用252.5mm的較好級冷拔換熱管（換熱管標準：GB8163。3.2確定物性參數(shù)定性溫度：可取流體進口溫度的平

10、均值。管程流體的定性溫度為：1404029090(C)煤油90C下的物性數(shù)據(jù):3040235(C)根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)煤油在90CT的有關物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水在35CT的物性數(shù)據(jù)密度.3po=825kg/m密度pi=994kg/m3定壓比熱容Cp=2.22kJ/(kg-K)定壓比熱容Cp=4.08kJ/(kg-K)導熱系數(shù)入o=0.140W/(m-K)導熱系數(shù)入i=0.626W/(mK)粘度Ho=0.000715Pa-s粘度»=0.000725Pa-s3.3、估算傳熱面積3.3.1熱流量19.8104,、m=27500(kg/h)30024Q=nOCp0A

11、t0=27500X2.22X(140-40)=6.15X106kJ/h=1695.8kW3.3.2平均傳熱溫差tmIn(14040)(4030)39(),14040In40303.3.3傳熱面積假設殼程傳熱系數(shù)：a0=400W(n?c),管壁導熱系數(shù)入=45W(m?c)2則K=298.7W/(m-K),則估算面積為：S'=Q/(KXAtn)=1.696X106/(298.7X39)=145.86(m2)考慮15%勺面積裕度則：S=1.15X145.86=167.74(m2)3.3.4冷卻水用量Qw.icp.t.ii6.105106149632.4(kg/h)4.08103(4030)3

12、.4、工藝結構尺寸3.4.1管徑和管內流速選用巾25X2.5較高級冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內流速ui=1.5m/s3.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù)nSd.2u.4ii149632.4/3600994,=88.78R89（根）20.7850.0221.5按單程管計算,所需的傳熱管長度為:167.78,、d0As按單管程設計,=24（m3.140.02589傳熱管過長，宜采用多管程結構，根據(jù)本設計實際情況，采用標準設計,現(xiàn)取傳熱管長為l=6m,則該換熱器的管程數(shù)為:NP=L/l=24/6=4傳熱管總根數(shù):Nt=89X4=356（根）3.4.3平均傳熱溫差校正及殼程

13、數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)：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(shù)應查有關圖表可得t=0.82平均傳熱溫差tm=4AtAtm=0.82X39=32(C)由丁平均傳熱溫差校正系數(shù)大丁0.8,同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。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。取管心距t=1.25d0,則t=1.25X25=31.2532(mn)橫過管束中心線的管數(shù)nc1.19.N1.1935623(根)采用多管程結構，取管板利用率=0.7,則殼體內徑為D=1.0SN

14、1.0532|356=757.7(mm)VV0.7按卷制殼體的進級擋，圓整可取D=800mm3.4.6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h=0.25X800=200(mrjn折流板間距B=0.3D,則B=0.3X800=240m檄250mm折流板數(shù)NB=-1=6000-1=23(塊)折流板間距2503.4.7接管殼程流體進出口接管：取接管內煤油流速為u=1.0m/s，則接管內徑為：427500Di=；竺V(3600一825)1.10(而，取管內徑為110mmu1：3.141.0管程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速u=1.5m/s,則接管內徑為41

15、49632.4(3600994)D,193mm23.141.5圓整可取D2=200mm。3.5換熱器核算3.5.1熱流量核算Pr130.14可采用克恩公式:0.550.36Re。de當量直徑，由正三角排列得:t2de=24d°2)4(0.03220.7850.0252)d03.140.0250.020(而殼程流通截面積:S°BQ1也)t0.80.25(1°_竺)=0.044(m2)0.032殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：27500U0=(3600825)0.21(m/s)0.044Re=0.020.218250.000715=4846普朗特準數(shù)2.22103715

16、10Pr=0.14011.34；0.14粘度校正一1w01401C0=0.36-48460.5511.343=1013.57W/(m2K)0.023.5.1.2管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)q0.023Re0.8Rr0.4di管程流體流通截面積：S=0.785X0.022X356/4=0.028(m2)管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：149632.4/(3600Ui=994)0.0279=1.499(m/s)0.021.499994Re=40939.10.000725普朗特準數(shù)-4.08103725106Pr=4.730.6260.6260804oa=0.023X*0240939.1，4.73'=65

17、60.4W/(m-K)3.5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻查有關文獻知可?。汗芡鈧任酃笩嶙鑂0=0.000172m2-K/W管內側污垢熱阻Ri=0.000344m2-K/W管壁熱阻查有關文獻知碳鋼在該條件下的熱導率為入=45W/(mK)3.5.1.4計算傳熱系數(shù)1K=do口dobdo1RsiRsoidididi(0.0256560.40.0200.000340.0250.0200.00250.0250.0225450.00017211013.57=436.9W/(mC)10332=121.3(n2)計算傳熱面積S:cQ1695.8S=Ktm436.9該換熱器的實際傳熱面積:Sp=d°L(

18、Nnc)=3.14x0.025x(6-0.06)x(356-23)=155.27(m2)3.5.1.5換熱器的面積裕度H=SX100%一竺3X100%=28.01%S121.3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：ZPi=(PMP2)NNpF;Ns=1,Np=4,Fs=1.4;|2P=i一,P2=一idi2，2由Re=41103.6,傳熱管相對粗糙度0.01/20=0.05，查莫狄圖得i=0.034(W/(m2C),流速u=1.499m/s,3p=994kg/m,所以Pi=0.038859941.2682=10643

19、.7(Pa);0.0222P2=23994=3130.5(Pa)ZR=(10643.7+3130.5)X1.4X1X4=77135.5(Pa)<100KPa管程流體阻力在允許范圍之內。3.5.2.2殼程阻力2P0=(P2)FsNsFs=1.15N=1Pi=Ff0nC(NB+1)F=0.5fo=5X41103.6-0.228=0.722nc=23N=23,U0=0.21m/s Pi=0.5X0.722X23X(23+1)X825X0.212/23625(Pa)流體流過折流板缺口的阻力2P2=Nb(3.5-2B/D)-U,2B=0.25m;D=0.8m;故/住=23X(3.5-2X0.25/

20、0.8)X825X0.22/21202(Pa),則總阻力：R=3625+1202=4827(Pa)<100KPa故殼程流體的阻力也適宜。四、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：155.27m2符號尺寸用途連接形式工藝參數(shù)a200X6冷卻循環(huán)水入口平面名稱管程殼程b200X6冷卻循環(huán)水出口平面物料循環(huán)水煤油c100X4煤油入口平面操作壓力，MPad100X4煤油出口平面操作溫度，C30/40140/40e57X3.5排氣口平面流量，kg/h149632.46.105X106流速，m/s0.9930.0784熱負荷，kW1695.8總傳熱系數(shù)，W/(m2.

21、C)263.9對流傳熱系數(shù)4734350.4污垢熱阻，m2.c/W0.0003440.000172壓降，MPa0.02630.000370程數(shù)41推薦使用材料低碳鋼低碳鋼流體密度，kg/m3994.3825列管管子規(guī)格425X2.5管數(shù)356管長，mm6000管間距，mm32排列方式正三角形折流板型式弓形水平間距，mm600切口局度25%殼體內徑，mm800五、設計白我評價作為、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?shù)脑O計訓練對丁加深我對課程的理解是非常重要和有意義的。這是第一次做化工原理課程設計，通過本次設計，我認為自己已經初步掌握化工設計的一些基本知識了。本次設計

22、的是煤油冷卻器，根據(jù)溫差和物性確定本設計的換熱器為帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器或浮頭式換熱器，而鑒于浮頭式換熱器的造價一般比固定管板式換熱器的造價高出二十多個白分點，以降低投資成本為目的，選擇帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。通過本次設計，我學會了如何根據(jù)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(jù)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(shù)及數(shù)據(jù)。了解到了工藝設計計算過程中要進行工藝參數(shù)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

23、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。本次設計非常感謝。老師的指導，有了他的指導使得我們更快的進入課程設計的狀態(tài)，使我們少走彎路。同時非常感謝我的同學，正是有他們在一起討論，才使我較快及順利地在較短時間內完成本設計。1 六、參考文獻賈紹義、柴誠敬主編.化工原理課程設計.天津：天津大學出版社，2002柴誠敬、張國亮主編.化工流體流動與傳熱.北京：化學工業(yè)出版社，20088 中國石化集團上海工程有限公司.石油化工設備設計選用手冊一換熱器.北京：化學工業(yè)出版社，2009李國庭等編著.化工設計概論.北京：化學工業(yè)出版社，2008楊世銘、陶文鈴編著.傳熱學.北京：高等教育出版社，2006上海醫(yī)藥設計院.化工工藝設計手冊.北京：化學工業(yè)出版社，1996李國庭等編著.化工設計概論.北京：化學工業(yè)出版社，2008刁玉瑋，王立業(yè)，喻健良.化工設備機械基礎（第六版