化工原理课程设计-煤油冷却器的设计

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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. 处理能力：（19.8104+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：7.510-4Pa.S;比热容为：2.22kJ/（kg. ）；导热

2、系数为：0.14W/（m. ）（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

3、板84.7 其他附件84.8 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，

4、煤油经泵抽上来，经加热器加热后，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40；设煤油压力为0.3MPa，冷却水压力为0.4MPa。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。1.2流程安排: 由于循

5、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。选用252.5的碳钢管（换热管标准：GB8163）。2、确定物性数据：2.1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=0.00

6、0725 Pas3、估算传热面积3.1热流量m0=（kg/h）Qo=m0cp0t0=250112.22(140-40)=5.55106kJ/h=1542 (kW)3.2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) 3.4冷却水用量（kg/h）4、工艺结构尺寸4.1管径和管内流速选用252.5较高级冷拔传热管(碳钢10)，取管内流速ui= 1.5m/s4.2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

7、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）4.3平均传热温差校正及壳程数：平均传热温差校正系数：R=(140-40)/(40-30)=10;P=(40-30)/(140-30)=0.091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=ttm塑=0.8639=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。4.4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

8、列。（见化工过程及设备课程设计书本图3-13）取管心距t=1.25d0，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程设计书本图3-14选取。4.5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。4.6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=175（mm）。折流板间距B=0.3D,

9、则B=0.3700=210mm。折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=5000/180-1=26.827(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。4.7其他附件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。4.8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），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5.1热流量核算5.1.1壳程表面

10、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=677.5W/(m2K) 5.1.2管内表面传热系数：hi管程流体流通截面积：Si=0.7850.022324/2=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=0.023=3782W/ (m2K)5.1.3污垢热阻和管壁热阻 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

11、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）5.1.4计算传热系数KC：KC=417.5w/（m）计算传热面积AC:AC=Q/(KCtm)=1542103/（417.533.54）=110（m2）该换热器的实际传热面积A：A=3.140.0255324=127.2（m2）5.1.5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

12、。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tm=0.440+0.616=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=33.4（）壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均

13、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换热器内流体的流动阻力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壳

14、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=56000-0.228=0.688, NTC=1.1 NT0.5=1.13240.5=19.8NB=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=0.50.68819.8（27+1）8250.22/23146.77（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=27（3.5-20.21/0.7）8250.22/21291.95（Pa），则总阻

15、力： PS=3146.77+1291.95=4438.72（Pa）105 Pa。故壳程流体的阻力也适宜。四、辅助设备的计算和选1.泵的选择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m80-315c4185512900223.080-35050150662900553.080-350a44.5142652900453.080-350b41135622900373.080-100(i)10012.57629005.54.580-100(i)a891074290044.

16、580-125(i)10020762900114.580-125(i)a89167429007.54.580-160(i)10032762900154.580-160(i)a93.528742900114.580-160(i)b86.624722900114.580-200(i)1005074290024.580-200(i)a93.54473290018.54.580-200(i)b8738712900154.580-250(i)10080692900374.580-250(i)a93.570682900304.580-250(i)b8760662900304.580-315(i)10012

17、5662900754.5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），=4.5 (m)对管程循环水所需的泵进行计算选择：isw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)a9526.4113662900554.080-315(i)b9025101652900454.080-315(i)c8222.885632900374.0100-10010027.812.57

18、629005.54.5100-100a89471074290044.5100-12510027.820762900114.5100-125a8924.7167429007.54.5100-16010027.832762900154.5100-160a93.526.028742900114.5100-160b86.624.124722900114.5100-20010027.850742900224.0100-200a93.526.04473290018.54.0100-200b8724.238712900154.0100-25010027.880692900374.0100-250a93.52

19、6.070682900304.0100-31510027.8125662900754.0100-315c8222.885632900374.0100-100(i)16044.412.5732900114.5100-125(i)16044.420742900154.5100-125(i)a1403917722900114.5100-160(i)16044.432322900225.6100-160(i)a140392828290018.55.0100-200(i)10044.450502900375.2125-160a15041.72828290018.54.0125-160b13838.324

20、242900154.0125-20016044.450502900375.5125-200a15041.744442900305.5125-200b13838.337.537.52900225.5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/ MPa0.40.3物性定性温度/3590密度/（kg/m3）994825定压比热容/（k

21、J/（kgK）4.082.22粘度/（Pas）0.0007250.000715热导率/w/（mK）0.6260.140普朗特数4.7311.34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/mm252.5管心距/mm32管长/mm5000管子排列管数目/根324折流板数/个27传热面积/m2127.2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）1.2680.260表面传热系数/w/（m2K）3782677.5污垢阻力/（w/m2K）0.000340.00017阻力/MPa0.570.0044热流量/kW1542传热温差/K33.54传热系数/w/（

22、m2K）417.5裕度/%15.64六、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、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

23、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，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

24、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

25、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

26、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，