化工原理课程设计-水冷却煤油

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1、用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计： 一、设计任务及条件(1) 使煤油从140C冷却到40C，压力lbar；(2) 冷却剂为水，水压力为3bar，处理量为10t/h。二、设计内容(1) 合理的参数选择和结构设计：传热面积；管程设计包括：总管数、程数、管程总体阻力校核；壳 体直径；结构设计包括流体壁厚；主要进出口管径的确定包括：冷热 流体的进出口管(2) 传热计算和压降计算：设计计算和校核计算。三、设计成果(1)设计说明书一份；(2)A4 设计图纸包括：换热器的设备尺寸图。目录第一章绪论 11.1 概述11.2 换热器设计依据11.3 换热器选型11.3.1 固定管板式换热器21.3.2 浮头

2、式换热器21.3.3 U型管式换热器21.3.4 填料函式换热器3第二章 确定设计方案42.1 换热器类型的选型42.1.1 换热器内冷热流体通道的选择42.1.2 换热管的选择5第三章确定物性参数6第四章估算传热面积74.1 热流量74.2 平均传热温差74.3 冷却水用量74.4总传热系数 K 74.4.1管程传热系数74.5传热面积8第五章工艺结构尺寸95.1 管径和管内流速95.2 管程数和传热管数95.3 平均传热温差校正及壳程数95.4 传热管排列和分程方法105.5 壳体内径105.6 折流板105.7 接管11第六章换热器核算 126.1 热量核算126.1.1壳程对流传热系数

3、126.1.2 管程对流给热系数136.1.3 传热系数 K 136.2 换热器内流体的流动阻力146.2.1.管程流动阻力146.2.2.壳程流动阻力14第七章结构设计167.1 壳体直径、长度、厚度设计167.2 换热器封头尺寸设计167.3 法兰及各连接材料的选择177.3.1 选定法兰结构177.3.2 选定垫片结构187.4 流体进、出口接管直径的计算187.5 开孔补强197.6 支座选用20第八章汇 总 22第一章 绪论1.1 概述随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不 同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中首先应该根据工艺要求 选择适合的

4、类型，然后计算换热器所需传热面积，并确定换热管的结构尺寸。1.2 换热器设计依据1)浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数JB/T4714-052)固定管板式换热器型式与基本参数JB/T4715-053)管式换热器用金属包垫片JB/T4718-054)管式换热器用缠绕垫片JB/T4719-055)管式换热器用非金属包垫片JB/T4720-056)化工设计手册华东理工大学出版社1.3 换热器选型在化工生产中，经常要求在各种不同的条件下进行热交换，因此对各种换热 器的要求必然是多种多样的。而每种类型的换热器都有其优缺点，选择时考虑的 因素很多，例如材料、压强、温度、温度差、压强降、流动状态、传热效果、

5、结 垢腐蚀情况、检修和操作等。131固定管板式换热器图i-i阖毎管板式换鶴器折翫艸板債一曾期 3匪体 4封头 S捲肾 6普飯这类换热器操作简单、便宜。最大的缺点是管外侧清洗困难，因而多用于壳 侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。当壳壁与壳壁温度相差较大 时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或使管子从 管板上松脱，甚至毁坏整个换热器，因此，一般管壁与壳壁温度相差50C以上 时，换热器应有温差补偿装置，图为具有温差补偿圈（或称膨胀节）的固定管板 式换热器。1.3.2浮头式换热器用法兰把管束一侧的管板固定到壳体的一端，另一侧的管板不与外壳连接， 以便管子受热或冷却时

6、可以自由伸缩。这种形式的优点是当前两侧传热介质温差 较大时，不会因膨胀产生温差压力，且管束可以自由拉出，便于清洗。缺点是结 构复杂，造价高。IY1 1-5 浮头点换熬器I一壳獄 去 個定悖楓 3-隔扳 斗一薄头钩岡法 兰 浮豹曾扳 占一浮头盖1.3.3 U型管式换热器此类换热器只有一个管板，管程至少为两程。由于管束可以取出，管外侧 清洗方便，另外，管子可以自由膨胀。缺点是u型管的更换及管内清洗困难。J -2 L单惦式撫療胖考虑到换热器管壁与壳壁温差不超过50 C,而且应用广泛，操作简单、方便。用水冷却氨气不易结垢，所以选择带有补偿圈的固定管板式换热器。1.3.4填料函式换热器填料函式换热器的结

7、构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连 接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而 引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便, 耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗, 维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、 易爆、有度和贵重的介质不适用。图4 填料閑武揀热器I活功悴皈 工一垃轉压盘 3塡科 4一塡料用 、一纵向冊板本次设计任务为列管式换热器工艺设计，用冷水冷却煤油。煤油作为热流体, 其入口温度为140 C,出口温度为40 C；水作为冷流体，入口温度为25 C

8、, 出口温度为35 C。该换热器采用循环冷却水冷却，考虑到冬季操作时进口温度 会降低，估计该换热器的关闭温和壳体壁温之差较大，所以初步确定选用浮头式 换热器。第二章 确定设计方案2.1 换热器类型的选型本设计任务是利用冷流体(水)给煤油降温。利用热传递过程中对流传热原 则，制成换热器，以供生产需要。选择换热器时，要遵循经济，传热效果优，方便清洗，复合实际需要等原则。 不同的换热器适用于不同的场合。换热器的选择涉及的因素很多，如换热流体的 腐蚀性及其他特性，操作温度与压力，换热器的热负荷，管程与壳程的温差，检 修与清洗要求等。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、 制造较容易、处

9、理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型 装置中使用更为普遍。所以首选间壁式换热器中的列管式换热器作为设计基础。2.1.1 换热器内冷热流体通道的选择冷、热流体流动通道的选择的一般原则：(1)不洁净或易结垢的液体宜在管 程，因管内清洗方便。(2)腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。 (3)压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。(4)饱和蒸汽宜走壳程，因饱和 蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出。(5)流量小而 粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re100即可达到湍流。但这不是绝对 的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦

10、可得到较 高的表面传热系数。(6)若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面 传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。需要被冷却物料一般选壳程，便于 散热。由于循环冷却水容易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳 程。2.1.2 换热管的选择选用较小直径的管子，可以提高流体的对流给热系数，并使单位体积设备中 的传热面积增大，设备较紧凑，单位传热面积的金属耗量少，但制造麻烦，小管 子易结垢，不易清洗，可用于较清洁流体。大管径的管子用于粘性较大或易结垢 的流体。我国列管式换热器常采用无缝钢管，规格为外径X壁厚，常用的换热管的 规格：ei9X2,e25X2.5,38X3。在此项目设计

11、中选择换热管的规格为25X2.5碳钢管，管内流速取u =0.5m/si第三章 确定物性参数定性温度：可去流体进口温度的平均值。壳程油的定性温度为T=140 + 40 =90(C)225 + 35管程冷却水的定性温度为t=2=30(C)根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。(注：水的物性 参数在化工原理上册课本上找的，煤油的物性参数在网上找的，由于网上参 数甚多，有些参数会有偏差。)油在90 C下的有关物性数据如下：密度p =825 kg/ m30定压比热容c =2.22 kJ/(kg.k)p0导热系数九0=0.140(W/m.k)粘度n =0.000715 (Pa.s)0循环冷却

12、水在 30 C 下的有关物性数据如下：密度pi=995.7 k / m3定压比热容c =4.174kJ/(kg.k)pi导热系数九i =0.618(W/m.k)粘度ni=0.000801(Pa.s)第四章 估算传热面积4.1热流量Q =m c At =10000 x 2.22 x (140-40)=2.2 x106(kJ/h)=616.7 (kW)0 c po 14.2平均传热温差At / = At1-At2 =(140 40) -(35 25) =39(C) m , Atln 1At2i 140 - 40In35 - 254.3冷却水用量2.22 x 106& =0=i C At4.174

13、x (35 - 25)pi2=53186(kg / h)4.4总传热系数K4.4.1 管程传热系数Re =竽=帰帶= 12431故采用下式计算h,：i九du p 0.8(h = 0.023-i耳.iic 2 p匚丿0.618 0.020 x 0.5 x 995.70.020、=2633.7W/m2 C=0.0230.40.84.147 x 103 x 0.000801)0.40.000801 丿0.6184.4.2 壳程传热系数假设壳程的传热系数a 0二290 W/ (m2.C)污垢热阻R = 0.000344m2 C/WsiR = 0.000172m2 C/W so管壁的导热系数 启45W/

14、mCdoa diid bd+ R o + osi dXdim+ Rso0.0252731 x 0.020+ 0.0003440.0250.0200.0025 x 0.02545 x 0.0225+0.000172+129010.000457 + 0.00043 + 0.000062 + 0.000172 + 0.003448=219.5W/m2 C4.5 传热面积S二丄二 6167X103 二72.0C)KAt219.5 x 39m考虑 15%的面积裕度，S 二 1.15S二 1.15 x 72.0 二 82.8(m2)第五章 工艺结构尺寸5.1 管径和管内流速选用25 x 2.5的碳钢换热管

15、，管内流速u二0.5m/si5.2 管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定单程传热管数qn =vs 兀d2 u4ii=94.5 沁 95 (根)53186.4/(995.7x3600)0.785 x 0.022 x 0.5按单管程计算所需换热管的长度Sn兀dso82.895 x 3.14 x 0.025=11.1m按单管程设计，传热管过长，现取传热管长1 = 6m ,则该换热器的管程数为 N =2 （管程）p l 6传热管的总根数N = 95 x 2 = 190（根）取标准传热管根数为220根5.3 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数P = 35 25 = 0.087T -1140

16、 - 2511T -T 140 -40 R =厶=10t - t35 - 2521按单壳程双管程结构，查单壳程0- P - R图（化工原理书p229），因R 二 10 , P 二 0.087在图上难以读取，因而相应以1 /R代替R, PR代替P,查同一图线得0 = 0.82平均传热温差At 二 0.82 x 39 二 32Cm5.4 传热管排列和分程方法采用组合排列，即每层内按正三角形排列，隔板两侧按正方形排列。取管心距 t 二 1.25d，则ot = 1.25 x 25 32mm横过管束中心线的管数n = 1.WN = 1.K/220 = 16.32沁16（根）i c5.5 壳体内径采用多管

17、程结构，取管板利用率耳=0.7，则壳体内径aD = t（n -1）+ 2b = 32 x （16 -1） + 2x 25 = 530mmic圆整取 D = 600mm5.6 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h = 0.25 x 600 = 150mm ，取 h=150mm取折流板间距为B = 0.3D，贝UB = 0.3 x 600 = 180mm，取 B = 200mm折流板数 NB传热管长折流板间距6000200-1= 29（块）折流板圆缺水平面安装。5.7 接管壳程流体（煤油）进出口接管：取接管内煤油流速为l.Om/s，贝V接管内径丫兀

18、un产二。皿）取标准管径为 50mm。管程流体（循环水）进出口接管，取接管内循环水的流速为1.5m/s,则接管 内径：4V兀u二 0.112(m)：4 x 53186/(3600 x 995.7)3.14 x 1.5取标准管径为 125mm根据我查得的资料，管道的标准口径有： DN6、DN10、DN15、DN20、DN25、DN32、DN40、DN50、DN80、DN100、DN150、DN200、DN250、DN300、DN400、DN500、DN600DN1000、DN1200DN2400等)第六章 换热器核算6.1 热量核算6.1.1 壳程对流传热系数对于圆缺形折流板，可采用克恩公式、0

19、.55/c II 、l/3/cIpol XoI、olI w 丿w0.14当量直径由正三角形排列得e兀do3.14 x 0.025壳程流通截面积1 d 10.0251S = BD1 -o=0.2 x 0.6 x1 = 0.02625ol t 丿l 0.032丿o壳程流体流速、雷诺数、普兰德数及壳程对流传热系数分别为0.0322叟 x 0.025214 丿Q x l 234 12 一 d 224 ol丿二 0.020(m)=6000/(3600 x 825) = 0.077m/s0.02625Reo.020 X .12 X 825 = 23540.000715ProC耳PX2.22 x103 x

20、715 x106 = 11.340.140h = 0.36 x x R 0.55 x p 1/3 = 0.36 x 0140 x 23540.55 x 11.341/3 od e r0.02e=405W/m 2 - OC6.1.2 管程对流给热系数二 0.023九du p1iiid (卩ii管程流通截面积兀S = d2n = 0.785 x 0.0202 x 220/2 = 0.03454m2i 4管程流体流速、雷诺数、普兰德数及管程对流传热系数分别为u =86%3600 X 99=0.430m/si0.034540.020x0.430x995.7Re = 10690.4i0.00080141

21、74 x 0.000801Pr = 5.41i0.618九(二 0.023 d Iidupii iyi二 0023 x 牆 血9。.4 k SH二 2334W/m2 - OC6.1.3 传热系数 Kdoadii,d bd+ R 亠 +o-si dXdim+ Rso0.0252334 x 0.020+ 0.000344 x0.0250.0200.0025 x 0.02545 x 0.0225+0.000172+14050.000536 + 0.00043 + 0.00062 + 0.000172 + 0.00247 _ 236.5W/m C6.1.4 传热面积QS 二KAtm616.7 x 10

22、3236.5 x 32二 81.50m2该换热器的实际换热面积S = n兀d L = 3.14x0.025x190x 6 = 81.492丿 po面积裕度为S - S89 49 - 81 5H = i x 100% =- x 100% = 9.80%S81.5换热面积裕度合适，能够满足设计要求。6.2 换热器内流体的流动阻力6.2.1.管程流动阻力Y Ap =（Ap +Ap）FN N （Ft结垢校正系数，Np管程数，Ns壳程数）i12 t p s取换热管的管壁粗糙度为0.01mm,则e /d = 0.005，而Re二10690，查图 i得九二 0.03 P 二 995.7kg/m3iL pu2

23、6995.7x0.4972( Ap =九i- = 0.037 x x= 1106.89a 丿1 id 20.02i3 pu23 995.7x0.4972368 9(P)Ap = 3 xi- = 3 x= 368.9(Pa)22对0 25 x 2.5mm 的管子有 F = 1.4，且N = 2， N = 1tpsY Ap =(Ap +Ap)FN N =(1106.8 + 368.9)x 1.5x2x 1 = 4427.1Pa 500时，f = 5.0Re-0.228 二 5.0 x（2354）-0228 二 0.8515ooon为横过管束中心线的管数，n二16c折流板间距B = 0.2m，折流板

24、数N/29BAp = 0.5 x 0.8515 x 16 x(29 + 1)x 825 x 0.08? = 539.58Pa1流体流经折流板缺口的阻力Ap2B(2 x 0.2 ) 825 x 0.082Ap= 29l 3.5 lx= 216.92Pa2(0.6 丿2工 Ap =(539.58 + 216.92)= 756.50Pa 105Pao该换热器的管程与壳程压降均满足要求，故所设计的换热器合适。第七章 结构设计7.1 壳体直径、长度、厚度设计由上面的计算可得壳体直径为D = 600mm壳体长度为l = 6m操作压力P = 0.3Mpac根据以上假设和查表数据可得PD2存 e 1 pc0.

25、3 x 4002 x 140-0.3= 0.644mm按化工设备设计基础（天津大学出版社）P87，腐蚀余量J = 2mm，钢板厚度负偏差Ci = 0-3mm设计厚度8 =8+ C = 0.644 + 2 = 2.644mmd2因而可取名义厚度8 n = 300。但对碳素钢，规定不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于3mm，若加上2mm的腐蚀裕量，名义厚度至少应取5mm。按化工设备设计基础（天津大学出版社）取壳体厚度8 = 5mm7.2 换热器封头尺寸设计考虑综合因素，使用标准椭圆封头，材料使用碳素钢Q235-C，焊接接头形式采用双面焊对接接头，无损检测比例100%，故=1。参考化工设备设计基础（天津

26、大学出版社）附录得，在150C下，厚度假设为5 = 3 -16mm时，碳钢Q235-c 的许用应力为L 1 = 125（MPa）管程压力为O.IMpa，壳程压力为O.3Mpa,按p = .3MPa计算。根据以上假设和查表数据可得0.3 x 6002 x 140-0.5 x 0.3二 0.643mmPD2口 -0.5Pc按过程设备设计（化学工业出版社），腐蚀余量C2二2mm，钢板厚度负偏差C = 0.3mm1设计厚度5 =5+ C 二 0.643 + 2 二 2.643mmd2因而可取名义厚度5 n = 3口口。但对碳素钢，规定不包括腐蚀裕量的最小厚 度应不小于3mm，若加上2mm的腐蚀裕量，名

27、义厚度至少应取5mm。有钢材 标准规格，名义厚度取为 5mm。5 n = 5mm，没有变化，故取名义厚度5mm合适。2+因为(D YA 6.4mm垫片基本密封宽度：o 22垫片有效密封宽度：b = 2.53 j 歹=2.53,10 = 8mm 中o垫片压紧力作用中心圆计算直径：D = 700 一 2b = 700 一 2 x 8 = 684mmG预紧时需要的压紧力：Fa DGby 二14 X 684 X 8 X 25.5 二 438143N操作状态下，需要的最小垫片压紧力：F 二 2兀D bmP 二 2 x 3.14 x 684 x 8 x 2.75 x 0.3 二 28350NpGc7.4

28、流体进、出口接管直径的计算壳程流体（煤油）进出口接管：取接管内煤油流速为1.0m/s，贝V接管内径；4V4x 10000/(3600x 775)门3.14 x 1.0d = _= 0.068m兀u取标准管径为 80mm。管程流体（循环水）进出口接管，取接管内循环水的流速为1.5m/s,则接管 内径为3.14 x 1.5,4x55821.8/(3600x 995.7) _ 0 115m取标准管径为 100mm7.5 开孔补强a、确定壳体和接管的的计算厚度及开孔直径由已知条件可知壳体的计算厚度b二2.644mm，接管的计算厚度为（以冷却 水进出接管为例，由上可知，冷却管直径100mmx 4mm，材

29、质为20号钢管）PD5 =c0 e+Pc式中， Pc计算压力，取 Pc=0.6MPaD0=100mm 查表得：Q =0.85查表得：b 140=132MPa计算得0.6 x 100023a = 0.23mmt 2 x 132 + 0.6开孔直径为 d=d1+2c=(100-2c)= (100-2X4) +2X2=96mmb、确定壳体和实际厚度，开孔有效补强厚度B及外侧有效补强厚度h1,已知壳体的名义厚度为6mm，接管名义厚度5“广6mm接管的有效补强宽度为B=2d=2X96=192mm接管外侧有效补强厚度h = d5= J96 x 6 二 24mm1 V ntc、计算需要补强的金属面积和可以作

30、为补强的金属面积：需要补强的金属面积：A - d5 - 96X3.1=297.6mm2A =(B-d)(5 -5) = (192-96)-(4.8-3.1) = 163.2mm21eA 二 2h (8 -5 ) f 二 2x24(4.8-0.23) = 219.6mm221 ef f rd、A = A + A = 163.2 + 219.6 = 382.56 e12e、比较Ae与A, AeA，同时计算接管和壳体焊接面积A3之后，该开孔接管补强的强度足够。7.6 支座选用壳体质量ml： DN = 600mm， 5 = 5mm的筒体n单位长度的筒体质量为q = 67Kg则 m = q xL = 6

31、7x6.0 = 402Kg封头的质量 m2DN = 600mm， 5 = 5mm，直边h = 25mm的标准椭圆形封头，其质量 nm=12.3Kg，所以 m2=12.3X2=24.6Kg水的质量m二申vp，式中装填系数申二1.03储罐体积V = V + V = 2 x 0.0158 + 0.159 x 4.5 = 0.7471 0.75m3 封管则 m =1.0x0.75x1000 = 750Kg3附件质量m = 300Kg4管子质量0 25x 25x 4500 单重7.82Kg有： 126 x 7.82 = 985.32Kg法兰质量PN=0.6MPa；DN=450mm；法兰质量70Kg。则

32、m = 70x4 = 280Kg法设备总质量：m=m1+m2+m3+m4+m 法=301.5+24.6+750+280+985.32=2341.4Kg支座计算mg2341.42 x 9.82=11472.96N =11.47KN每个支座承受11.47KN，选用重型B1型，120度包角，焊制，双筋，带垫 片的鞍座。第八章 汇 总换热器型式：浮头式换热器换热面积：81.49m2工艺参数设备名称管程壳程物料名称循环水煤油操作压力，MPa0.30.1操作温度，C25/35140/40流量，kg/h5318610000密度，kg/m3995.7825流速，m/s0.4300.077传热量，kW616.7

33、总传热系数，W/m2K219.5对流传热系数，W/m2K2334405污垢系数，m2K/W0.0003440.000172阻力降，Pa4427.1756.5程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格25X2.5官数190管长6000mm管心距mm32排列方式正三角形折流板型式上下中心管 束，根16切口高度25%壳体内径，mm530无需保温换热器主要结构尺寸壳体厚度5mm封头类型标准椭圆封头封头材料碳素钢 Q235-C封头厚度5mm封头短半径150mm法兰类型松式法兰法兰材料Q235法兰紧压面凹凸面垫片类型耐油垫垫片材料橡胶石棉板垫片系数2.75比压力25.5Mpa垫片接触宽度20mm垫片基本密封宽度

34、 10mm垫片有效密封宽度 8mm中心圆计算直径 684mm预紧时需要的压紧力 438143N最小垫片压紧力 28350N其他工艺参数：壳体长度6000mm参考文献:1. 大连理工大学编著.化工原理（上.下册）.高等教育出版社出版, 20022. 谭蔚、聂清德. 化工设备设计基础.天津大学出版社,20073. 黄璐、王保国.化工设计.化学工业出版社,20014. 钱自强、林大均、蔡祥兴. 大学工程制图 .华东理工大学出版社,20055. 上海设计院 .化工工艺设计手册（上.下）.化学工业出版社,19866. 柴诚敬、刘国维、李阿娜.化工原理课程设计.天津科学技术出版社 ,1995总结本次化工课

35、程设计差不多花了两周时间，说实话刚开始的时候脑袋里全是浆 糊，根本不知道如何着手去做，可随着时间的推进设计开始有了眉目，到现在即 将完成此次设计，自己也有一些感触。首先这是化工原理以来第一次独立的设计，在设计过程中不仅要考虑理论上 的可行性还要考虑生产上的安全性和经济合理性。在上学期的化工原理学习中我 对换热器的认识只存在于书本的例题和习题，而这次课程设计让我接触完完整整 它的计算。让我感觉到光是平时学习的内容对于工程方面的应用远远不够，这需 要我们自觉得培养自己的自学能力，设计让我学会了离开老师进行独立的自主学 习，参看多本指导书，完善自己的设计。同时通过课程设计我还学会了如何更好的和同学交流遇到的问题，比如 CAD 图有些地方不知道怎么画就去请教会的同学这更好的促进了同学之间的感情。做 此次设计使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工 作作风。最后我要感谢各位老师对我们的指导和帮助，感谢同学们的互相支持，与他 们的讨论和交流开拓了思路，也让我在课程设计时多了些轻松、愉快！