煤油器課程設(shè)計

1、青 島 科 技 大 學(xué) 化工 學(xué)院 應(yīng)用化工技術(shù) 專業(yè)課 程 設(shè) 計題 目 煤油冷卻器的設(shè)計 指 導(dǎo) 教 師 班 級 學(xué) 號 學(xué) 生 課程設(shè)計成績評定標(biāo)準(zhǔn) 年 月程度內(nèi)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(jì)律等等課程設(shè)計說明書的質(zhì)量語言流暢、內(nèi)容全面計算的正確性制圖的質(zhì)量設(shè)計中創(chuàng)新點答辯情況總成績 化工原理課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目：煤油冷卻器的設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)及操作條件1、處理能力：處理量12噸/h（+學(xué)號后兩位×0.5噸/h）2、設(shè)備型式：列管式換熱器；3、操作條件：（1）煤油：進(jìn)口溫度140，出口溫度40。（2）冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，進(jìn)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(shè)計計算內(nèi)容1、設(shè)計方案2、換熱面積3、管程設(shè)計，包括：總管數(shù)、程數(shù)、管程流體阻力校核等4、殼體內(nèi)徑5、換熱器核算6、主要進(jìn)、出口的管徑 7、管、殼程流體阻力的計算與壓降的計算 四、設(shè)計成果1、設(shè)計計算說明書（目錄、任務(wù)書、設(shè)計計算內(nèi)容1-7、設(shè)計主要結(jié)構(gòu)尺寸及結(jié)果一覽表、對設(shè)計過程的評述及有關(guān)問題的討論）2、設(shè)備裝配圖（1號圖紙，根據(jù)圖紙幅面按比例繪圖），設(shè)備零件圖（2號，選做）五、參考書 1、賈紹義，柴誠敬。化工原理課程設(shè)計，天津：天津大學(xué)出版社，2002 2、夏清，陳常貴。化工原理，天津：天津大學(xué)出版社

3、，2005 3、化工過程及設(shè)備設(shè)計，廣州：華南理工大學(xué)出版社，1986 4、許國義，馬夢蘭。工程制圖，天津：天津大學(xué)出版社，2000 5、王許云，王曉紅，田紅景。化工原理課程設(shè)計，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012目 錄 一、概述 1二、工藝流程草圖及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) 32.1工藝流程草圖32.2設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)3 2.3設(shè)計原則4 三、熱器設(shè)計計算53.1確定設(shè)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(shù)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(jié)構(gòu)尺寸63.4.1管徑和管內(nèi)流速7 3.4.2管程

4、數(shù)和傳熱管數(shù)7 3.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)73.4.4傳熱管排列和分程方法73.4.5殼體內(nèi)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?shù)83.5.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)93.5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻93.5.1.4計算傳熱系數(shù)KC93.5.1.5換熱器的面積裕度103.5.2換熱器內(nèi)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(shè)計自我評價12五、設(shè)計結(jié)果設(shè)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(shè)備，并占有十分重要的地位。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)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(yīng)用有著悠久的歷史，而且至今仍在換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)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(dāng)兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當(dāng)位置上

6、焊上一個補(bǔ)償圈，（或膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。 特點：結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。2、U形管式 U形管式換熱器每根管子均彎成U形，流體進(jìn)、出口分別安裝在同一端的兩側(cè)，封頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補(bǔ)償問題。 特點：結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)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(jié)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(yīng)力。 特點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，便于清洗和檢修，消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。二、 工藝流程草圖及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)2.1工藝流程草圖 主要說明：由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。如圖，煤油經(jīng)泵抽上來，經(jīng)加熱器加熱后，再經(jīng)管道從接管C進(jìn)入換熱器殼程；冷卻水則由泵抽上來經(jīng)管道從接管A進(jìn)入換熱器管程。兩物質(zhì)在換熱器中進(jìn)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)準(zhǔn).GB151-89鋼制管殼式換熱器.國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布，1989（4）鋼制石油化工壓力容器設(shè)計規(guī)定（5）JBT4715-1992固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)（6）HGT20701.8-2000容器、換熱器專業(yè)設(shè)備簡圖設(shè)計規(guī)定（7）HG20519-92全套化工工藝設(shè)計施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一規(guī)定（8）中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) JB4732-95 鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（9）中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) JB4710-92 鋼制塔式容器（10）中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) GB16749-1997 壓力容器波形膨脹節(jié)2.3設(shè)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(jìn)行：1.不潔凈和易結(jié)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(nèi)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(qiáng)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(shù)（Re<100）下即可達(dá)到湍流，可提高對流傳熱系數(shù)。但是有時在動力設(shè)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(shù)。 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(yīng)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(shù)和阻力系數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)經(jīng)濟(jì)核算來確定。充分利用系統(tǒng)動力設(shè)備的允許壓降來提高流速是換熱器設(shè)計的一個重要原則。在選擇流體流速時，除了經(jīng)濟(jì)核算以外，還應(yīng)考慮換熱器結(jié)構(gòu)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(nèi)可布置更多的傳熱面?；蛘哒f，當(dāng)傳熱面積一定時，采用小管徑可使管子長度縮短，增強(qiáng)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(jié)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(chǎn)管材的長度一般為6m，因此管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)適當(dāng)，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(shù)大；正方形直列比較松散，對流傳熱系數(shù)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(jié)垢的場合；正方形錯列則介于上述兩者之間，對流傳熱系數(shù)較直列高。    換熱器殼體內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于管板的直徑。通常是根據(jù)管徑、管數(shù)、管間距及管子的排列方式用作圖法確定。(5)管程和殼程數(shù)的確定當(dāng)流體

13、的流量較小而所需的傳熱面積較大時，需要管數(shù)很多，這可能會使流速降低，對流傳熱系數(shù)減小。為了提高流速，可采用多管程。但是管程數(shù)過多將導(dǎo)致流動阻力增大，平均溫差下降，同時由于隔板占據(jù)一定面積，使管板上可利用的面積減少。設(shè)計時應(yīng)綜合考慮。采用多管程時，一般應(yīng)使各程管數(shù)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(shù)。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(guān)列管式換熱器的傳熱計算可按已選定的結(jié)構(gòu)型式,根據(jù)傳熱過程各個環(huán)節(jié)分別計算出

14、兩側(cè)流體的對流傳熱熱阻及導(dǎo)熱熱阻，得到總傳熱系數(shù)，再按公式進(jìn)行換熱器傳熱計算。列管式換熱器中流動阻力計算應(yīng)按殼程和管程兩個方面分別進(jìn)行。它與換熱器的結(jié)構(gòu)型式和流體特性有關(guān)，一般對特定型式換熱器可按經(jīng)驗方程計算。三、換熱器設(shè)計計算3.1確定設(shè)計方案3.1.1選擇換熱器的類型 本次設(shè)計為煤油冷卻器的工藝設(shè)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(jù)經(jīng)驗結(jié)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(jù)間壁式換熱器的分類與特性表，結(jié)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(jù)流體流徑選擇的基本原則，循環(huán)冷卻水易結(jié)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(shù) 定性溫度：可取流體進(jìn)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(shù)據(jù)： ()根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。 煤油在90下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水在35下的物性數(shù)據(jù)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(dǎo)熱系數(shù)o=0.140 W/(m·K)導(dǎo)熱系數(shù)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(shè)殼程傳熱系數(shù)：a=400 W（m2），管壁導(dǎo)熱系數(shù)=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(jié)構(gòu)尺寸3.4.1管徑和管內(nèi)流速選用25×2.5較高級冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速u= 1.5m/s3.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)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(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，根據(jù)本設(shè)計實際情況，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，現(xiàn)取傳熱

18、管長為l=6m.則該換熱器的管程數(shù)為：N=L/l=24/6=4傳熱管總根數(shù)： N=42×4=168（根）3.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(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(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)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(shù)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(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列（見化工過程及設(shè)備課程設(shè)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(shù)n=1.19*=1.19*=16(根)3.4.5殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率0.7，則殼體內(nèi)徑為D=1.05*32*=520.5(mm)按卷制殼體的進(jìn)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(nèi)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(shù) N=-1=-1=29(塊) 折流板圓缺面水平裝配見化工過程及設(shè)備課程設(shè)計書本圖3-15。3.4.7其

20、他附件拉桿數(shù)量與直徑按化工過程及設(shè)備課程設(shè)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(shù)為6個。殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板。3.4.8接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為u1.0m/s，則接管內(nèi)徑為：D=0.075（m），取管內(nèi)徑為75mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u1.2 m/s，則接管內(nèi)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?shù)可采用克恩公式：當(dāng)量直徑，由正三角排列得：d=（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(shù)分別為：u=0.166（m/s）Re=3831普朗特準(zhǔn)數(shù) Pr=11.34；粘度校正 =529.37 W/(m2·K) 3.5.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)管程流體流通截面積：S=0.785×0.02×168/4=0.0147（m2）管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：u=1.3447（m/s）Re=36872.6普朗特準(zhǔn)數(shù)Pr=0.023×=6033.64W/ (m·K)3.5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻查有關(guān)文獻(xiàn)知可?。汗芡鈧?cè)污垢熱阻 R=0.000172 m·K/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 R=0.000344 m·K/W管壁熱

22、阻 查有關(guān)文獻(xiàn)知碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為=45 W/(m·K)。3.5.1.4計算傳熱系數(shù)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(chǎn)任務(wù)。3.5.2換熱器內(nèi)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(nèi)。 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(shè)計自我評價作為化工專業(yè)的學(xué)生，我深知化工原理是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計訓(xùn)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(shè)計，我學(xué)會了如何根據(jù)工藝過程的條件查找相關(guān)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(shè)備，及計算出主要設(shè)備及輔助設(shè)備的各項參數(shù)及數(shù)據(jù)。了解到了工藝設(shè)計計算過程中要進(jìn)行工藝參數(shù)的計算。通過設(shè)計不但鞏固了對主體設(shè)備圖的了解，還學(xué)習(xí)到了工藝流程圖的制法。通過本次設(shè)計不但熟悉了化工原理課程設(shè)計的流程，加深了對冷卻器設(shè)備的了解，而且學(xué)會了更深入的利用圖書館及網(wǎng)上資源，對前面所學(xué)課程有了更深的了解。但由于時間較為倉促，查閱的文獻(xiàn)有限，本次設(shè)計還有很多不完善的地方。首先，本次設(shè)計能夠順利完成，離不開肖老師的悉心指導(dǎo)和耐心講解，有了她的指導(dǎo)使得我們更快的進(jìn)入課程設(shè)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(shè)計的基礎(chǔ)。在跟隨老師學(xué)習(xí)的過程中，我們學(xué)到了掌握了全新而實用的學(xué)術(shù)思想和設(shè)計方法。再次感謝肖老師在百忙之中抽出時間對本設(shè)計進(jìn)行查閱和審核，我們在此表示衷心的感謝！本設(shè)計是我們第一次做化工原理課程設(shè)計，設(shè)計過程中我們逐步摸索，反復(fù)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(xué)，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(nèi)完成本設(shè)計。在和大家交流過程中，我們學(xué)到了很多，深深感到團(tuán)結(jié)力量的偉大，人際關(guān)系的重要性。正是因為有了大家，才使我們艱難壓抑的設(shè)計變得不再枯燥，而是充滿歡笑和激情，豐富而充實。 五、設(shè)計結(jié)果設(shè)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(shù)a200