化工原理课程设计煤油冷却器的设计.doc

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1、广西工学院化工原理 课程设计说 明 书设计题目 煤油冷却器的设计 系 别 生化系 专业班级 学生姓名 学 号 指导教师 日 期 设计成绩 一、化工原理课程设计任务书（换热器的设计）（一） 设计题目：煤油冷却器的设计（二） 设计任务及操作条件：1. 104+517）吨/年煤油2. 设备型式：列管式换热器3. 操作条件：（1） 煤油入口温度140，出口温度40；（2） 冷却介质循环水，入口温度30，出口温度40；（3） 允许压强降不大于105Pa;（4） 煤油定性温度下的物性数据：密度为825kg/m3；粘度为：10-4Pa.S;比热容为：2.22kJ/（kg. ）；导热系数为：0.14W/（m.

2、 ）（5） 每年按330天计，每天24小时连续运行。（三） 设计项目1. 选择适宜的列管换热器并进行核算。2. 画出工艺设备图及列管布置图。目录一、 设计任书.1二、 工艺流程草图及说明.5三、 工艺计算及主要设备设计.61、 确定设计方案.61.1 选择换热器的类型61.2 流程安排62、 确定物性数据.63、 估算传热面积.73.1 热流量73.2 平均传热温差73.3 传热面积73.4 冷却水用量74、 工艺结构尺寸.74.1 管径和管内流速74.2 管程数和传热管数74.3 平均传热温差校正及壳程数84.4 传热管排列和分程方法84.5 壳体内径84.6 折流板84.7 其他附件84.

3、8 接管85、 换热器核算.95.1 热流量核算95.1.1 壳程表面传热系数95.1.2 管内表面传热系数95.1.3 污垢热阻和管壁热阻95.1.4 传热系数KC.105.1.5 传热面积裕度.105.2 壁温核算.105.3 换热器内流体的流动阻力.115.3.1 管程流体阻力.115.3.2 课程阻力.11四、 辅助设备的计算和选型.12五、 设计结果概要.13六、 设计评述.15七、 附图.16八、 参考资料.17九、 主要符号说明.18二、 工艺流程草图及说明工艺流程草图主要说明：由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。如图，煤油经泵抽上来，经加热器加

4、热后，再经管道从接管C进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管A进入换热器管程。两物质在换热器中进行换热，煤油从110被冷却至40之后，由接管D流出；循环冷却水则从30变为40，由接管B流出。三、 工艺计算及主要设备设计1、确定设计方案1.1选择换热器的类型：两流体温度变化情况：煤油进口温度为140，出口温度40，冷流体进口温度30，出口温度40aMPa。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，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，因此初步确定选用浮头式换热器。流程安排: 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油（换热管标准：GB8

5、163）。2、确定物性数据：定性温度：可取流体进口温度的平均值。 管程流体的定性温度为：（）煤油90下的物性数据： ()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90下的有关物性数据循环冷却水在35下的物性数据密度o=825 kg/m3密度i=994 kg/m3定压比热容cpo=2.22 kJ/(kgK)定压比热容cpi=4.08 kJ/(kgK)导热系数o=0.140 W/(mK)导热系数i=0.626 W/(mK)粘度o=0.000715 Pas粘度i=0.000725 Pas3、估算传热面积热流量m0=（kg/h）Qo=m0cp0t0=250112.22(140-40)

6、=106kJ/h=1542 (kW)平均传热温差()3.3传热面积 假设K=313W/(m2K),则估算面积为：AP=Q0/(Ktm)=1542103/(31339)=126(m2) 冷却水用量（kg/h）4、工艺结构尺寸管径和管内流速较高级冷拔传热管(碳钢10)，取管内流速ui=管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数=80.781（根）按单程管计算，所需的传热管长度为：=20（m）按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，根据本设计实际情况，采用非标准设计，现取传热管长为l=5m，则该换热器的管程数为：NP=L/l=20/5=4；传热管总根数： NT=814=324（根）平均

7、传热温差校正及壳程数：平均传热温差校正系数按单壳程，4管程结构，温差校正系数应查有关图表可得t=0.86平均传热温差tm=ttm39=33.54（）由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取単壳程合适。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。（见化工过程及设备课程设计书本图3-13）取管心距d0，则t=1.2525=31.2532(mm)隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+6=32/2+6=22（mm）。各程相邻的管心距为44mm。管束的分程方法，每程各有传热管81根，其前后箱中隔板设置和介质的流通顺序按化工过程及设备课

8、程设计书本图3-14选取。壳体内径采用多管程结构，取管板利用率0.8，则壳体内径为D=676(mm)按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=700mm。折流板采用弓形折流板，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h0.25700=210mm。折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=27(块)，折流板圆缺面水平装配见化工过程及设备课程设计书本图3-15。拉杆数量与直径按化工过程及设备课程设计书本图表3-9选取，本换热器传热管外径为25mm故其拉杆直径为16，拉杆数为6个。壳程入口处，应设置防冲挡板。接管壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u1.0m/s，则接管内径为：D1=（m），

9、圆整后可取管内径为110mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u1.5 m/s，则接管内径为(m)=180mm。5. 换热器核算热流量核算5.1.1壳程表面传热系数，用克恩法计算：当量直径，由正三角排列得：de=（m）壳程流通截面积：=0.03（m2）壳程流体流速及其雷诺数分别为：u0=（m/s）Re0=6000普朗特数：Pr=；粘度校正：h0=W/(m2K) 5.1.2管内表面传热系数：hi管程流体流通截面积：Si52324/2=0.051（m2）管程流体流速及其雷诺数分别为：ui=0.75（m/s）Rei=20566普朗特数：Pr=hi=3782W/ (m2K)5.1.3污垢热阻和

10、管壁热阻 查有关文献知可取：管外侧污垢热阻 R0=0.00017 m2K/W管内侧污垢热阻 Ri=0.00034 m2K/W管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为50W/(mK)。故RW=0.0025/50=0.00005（m2K/W）C：KC=417.5w/（m）计算传热面积AC:AC=Q/(KCtm)=154210333.54）=110（m2）该换热器的实际传热面积A：A=5324=127.2（m2）该换热器的面积裕度为：H=100%=100%=15.64%传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。5.2壁温核算 因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按式（3-42）计算。由于

11、该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为16，出口温度为40计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳程和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管壁温差肯能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是有tw=式中液体的平均温度tm=和气体的平均温度分别按式（3-44）和式（3-45）计算为tm16=25.6（） Tm=0.5（140+40）=90（）hc=hi=5833W/ (m2K) hh=h0=806.6W/ (m2K)传热管平均壁温t=（）壳体

12、壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=90。壳体壁温和传热管壁温之差为t=90-33.4=56.6（）50该温差较大，故需设温度补偿装置。因此，需选用浮头式换热器较为适宜。5.3.1管程流体阻力 计算公式如下：Pt=（Pi+Pr）NSNpFS; NS=1, Np=2，FS=1.5; Pi=。由Re=35345，传热管相对粗糙度0.2/20=0.01，查莫狄图得=0.0388，流速u=1.268m/s，=994kg/m3，故 Pi=7751.2（Pa）；Pr=2397（Pa） Pt=（7751.2+2397）41.5=56829.92（Pa）105 Pa管程流体阻力在允许范围之内。5.3.2

13、壳程阻力 公式有：PS=（P0+Pi）FSNS 其中 FS=1.15 ；NS=1 ；P0= Ff0NTC(NB+1) ; 又F=0.5,f0=56000=0.688, NTC=1.1 NT324NB=27;u0（按流通面积S0=B(D- NTCd0)计算）=0.2m/s则流体流经管束的阻力：P0（27+1）8252/23146.77（Pa）流体流过折流板缺口的阻力Pi =NB（3.5-2B/D）,其中 B=0.21m; D=0.7m；故Pi=270.21/0.7）8252/21291.95（Pa），则总阻力： PS=3146.77+1291.95=4438.72（Pa）105 Pa。故壳程流体

14、的阻力也适宜。四、辅助设备的计算和选以下是两种不同类型泵的性能参数：对壳程流体苯所需的泵进行计算选择：ISWB型卧式管道油泵性能参数表型 号流 量q（m3/h）扬程m效率%转速r/min电机功率kw允许汽蚀余量m80-315c41855129002280-350501506629005580-350a1426529004580-350b411356229003780-100(i)10076290080-100(i)a8910742900480-125(i)100207629001180-125(i)a891674290080-160(i)100327629001580-160(i)a28742

15、9001180-160(i)b247229001180-200(i)10050742900280-200(i)a4473290080-200(i)b87387129001580-250(i)100806929003780-250(i)a706829003080-250(i)b87606629003080-315(i)10012566290075由=25011Kg/h，可得=30.3()考虑经济因数，从上表中选用ISWB-80-160(i)b型的泵：r=2900 r/min，=30()（便于调节）H=24（m）（1.1m，可以将换热器安装在高处），= (m)对管程循环水所需的泵进行计算选择：is

16、w型卧式离心泵性能参数表型 号流 量q扬程m效率%转速r/min电机功率kw允许汽蚀余量mm3/hl/s80-315(i)a951136629005580-315(i)b90251016529004580-315(i)c828563290037100-100100762900100-100a8947107429004100-1251002076290011100-125a8916742900100-1601003276290015100-160a2874290011100-160b2472290011100-2001005074290022100-200a44732900100-200b873

17、871290015100-2501008069290037100-250a7068290030100-31510012566290075100-315c828563290037100-100(i)16073290011100-125(i)1602074290015100-125(i)a140391772290011100-160(i)1603232290022100-160(i)a1403928282900100-200(i)1005050290037125-160a15028282900125-160b1382424290015125-2001605050290037125-200a1504

18、444290030125-200b138290022由，=136.9()，经过上表的参数对比，应选用isw-125-160a型泵：r=2900 r/min，=140()（便于调节），H=28（m），=4.0(m)五、设计结果设计一览表换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。参数管 程壳 程流率/（kg/h）13608025011进/出温度/30/40140/40压力/ MPa物性定性温度/3590密度/（kg/m3）994825定压比热容/（kJ/（kgK）粘度/（Pas）热导率/w/（mK）普朗特数设备结构参数形式浮头式台数1壳体内径/mm700壳程数1管径/mm管心距/mm32管长/mm500

19、0管子排列管数目/根324折流板数/个27传热面积/m2折流板间距/mm210管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）表面传热系数/w/（m2K）3782污垢阻力/（w/m2K）阻力/MPa热流量/kW1542传热温差/K传热系数/w/（m2K）裕度/%六、设计评述本次化工课程设计是对列管式换热器的设计，通过查阅有关文献资料、上网搜索资料以及反复计算核实，本列管式换热器的设计可以说基本完成了。下面就是对本次设计的一些评述。本设计所需要的换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，故本次设计确定选用浮头式换热器。易析出结晶、

20、沉淀、淤泥及其他沉淀物的流体，最好通入比较容易进行机械清洗的空间，而浮头式换热器的管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生热效应力。对于浮头式换热器，一般易在管内空间进行清洗。所以选择浮头式换热器较合适。本设计选择了冷却水走管程，煤油走壳程的方案。由于本设计所要冷却的煤油的流量不是很大，故选择所需的换热器为单壳程、4管程，可以达到了设计的要求，且设计的列管式换热器所需的换热面积较合适，计算得的面积裕度也较合适，这样所损耗的热量相对来说不会很大。至于本设计能否用在实践中生产，或者生产的效率是否会很低，这些只有在实践中才能具体的说明。课程设计需要学生自己做出决策，

21、自己确定实验方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备的计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是增强工程观念、培养提高学生独立工作能力的有益实践。通过本次设计，我学会了如何根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。了解到了工艺设计计算过程中要进行工艺参数的计算。通过设计不但巩固了对主体设备图的了解，还学习到了工艺流程图的制法。通过本次设计不但熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及

22、网上资源，对前面所学课程有了更深的了解。但由于本课程设计属我第一次设计，而且时间比较短，查阅的文献有限，本课程设计还有较多地方不够完善，不能够进行有效可靠的计算。本次设计非常感谢罗建平老师的指导，有了她的指导使得我们更快的进入课程设计的状态，使我们少走弯路，同时非常感谢我的同组员，正是有他们在一起讨论，才使我较快及顺利地在较短时间内完成本设计。七、附图（后附上）八、参考资料1 匡国柱、史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化工工业出版社，20022 姚玉英.化工原理.天津：天津：大学出版社，19993 刘巍.冷换设备工艺计算手册.北京：中国石化出版社，20034 黄璐、王保国.化工设计.北

23、京：化学工业出版社，20015 谭天恩等.化工原理.北京：化学工业出版社，20066 董振珂.化工制图.北京化学工业出版社，20017 王非、林英.化工设备用钢.北京：化学工业出版社，20038 秦叔经、叶文邦.换热器.北京：化学工业出版社，20029 李克永.化工机械手册. 天津：天津大学出版社，199110 贺匡国.化工容器及设备简明设计手册.北京：化学工业出版社，198911 网络资料九、主要符号说明P压力，Pa ; Q传热速率，W；R热阻，K/W； Re雷诺准数；S传热面积，； t冷流体温度，；T热流体温度，； u流速，m/s;质量流速，/h; 表面传热系数W/(K);有限差值； 导热系数，W/(mK);粘度，Pas; 密度，/m3;校正系数。 r转速，n/(r/min)H扬程，m 必须汽蚀余量，mA实际传热面积， Pr普郎特系数NB板数，块 K总传热系数，W/(K) 体积流量 Nt管数，根Np管程数 l管长，mKC传热系数，W/(mK) tm平均传热温差，