化工设计煤油冷却器.docx
《化工设计煤油冷却器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工设计煤油冷却器.docx（65页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
化工设计煤油冷却器
化工设计
说明书
设计题目：
煤油冷却器的设计
专业班级：
设计人：
学号：
指导老师：
时间：
刖言
化工原理课程设计是化工原理教学的一个重要环节，是综合应用本门课程和有关先修课
程所学知识，完成以单元操作为主的一次设计实践。
通过课程设计使学生掌握化工设计的基
本程序和方法，并在查阅技术资料、选用公式和数据、用简洁文字和图表表达设计结果、制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练，在设计过程中能够培养学生树立正确
的设计思想和实事求是、严肃负责的工作作风。
化工原理课程设计是化工原理课程教学的一个实践环节，是使学生得到化工设计的初步训练，为毕业设计奠定基础。
其基本内容为：
（1）设计方案简介：
对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。
（2）主要设备的工艺设计计算（含计算机辅助计算）：
物料衡算，能量衡量，工艺参数的选定，设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算。
（3）辅助设备的选型：
典型辅助设备主要工艺尺寸的计算，设备的规格、型号的选定。
⑷工艺流程图：
以单线图的形式绘制，标出主体设备与辅助设备的物料方向，物流量、能流量，主要测量点。
（5）主要设备的工艺条件图：
图面应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表。
（6）设计说明书的编写。
设计说明书的内容应包括：
设计任务书，目录，设计方案简介，工艺计算及主要设备设计，辅助设备的计算和选型，设计结果汇总，设计评述，参考文献。
整个设计由论述，计算和图表三个部分组成，论述应该条理清晰，观点明确；计算要求方法正确，误差小于设计要求，计算公式和所有数据必需注明出处；图表应能简要表达计算的结果。
在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。
随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。
换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。
完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：
（1）合理地实现所规定的工艺条件；
（2）结构安全可靠；
（3）便于制造、安装、操作和维修；
（4）经济上合理。
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，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。
第一章设计任务书
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:
15+0.1*2*34=23.8万吨/年煤油
2.
设备形式:
列管式换热器
3.
操作条件
（1）煤油：
入口温度140C,出口温度40C
（2）冷却介质：
自来水，入口温度25C,出口温度40C
（3）允许压强降：
不大于100kPa
（4）煤油定性温度下的物性数据：
密度825kg/m3，黏度7.15xi0-4Pa.s，比热容
2.22kJ/（kg.C），导热系数0.14W/（m.C）
（5）每年按330天计，每天24小时连续运行
三选择适宜的列管式换热器并进行核算
1、传热计算
2、管程计算及管程结构计算
3、壳程计算及壳程结构计算
4、阻力计算
四绘制换热器装配图（A4图纸）
第二章设计方案简介
设计目的
课程设计是化工原理课程教学中综合性和实际性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试。
通过化工原理课程设计，要求学生能
综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指
定的化工设计任务，从而得到化工设计的主要程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问
题的能力。
同时，通过课程设计，还可以培养学生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。
二、该设备的作用及在生产中的应用
换热器是实现传热过程的基本设备。
而此设备是比较典型的传热设备，它在工业中的应
用十分广泛。
例如：
在炼油厂中作为加热或冷却用的换热器、蒸馏操作中蒸馏釜和冷凝器、化工厂蒸发设备的加热室等。
三、工艺流程示意图
饱和水蒸气应从换热器壳程上方进入，冷凝水由壳程下方排出，冷却水从换热器下方的
入口进入，上方的出口排除。
四、说明运用该设备的理由
这种换热器的特点是壳体和管板直接焊接，结构简单、紧凑。
在同样的壳体直径内，排
管较多。
管式换热器具有易于制造、成本较低、处理能力达、换热表面清洗比较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，由于两管板之间有管子相互
持撑，管板得到加强，故在各种列管换热器中他的管板最薄，其造价比较低，因此得到了广
泛应用。
五、设备的结构特点
该结构能够快速的降低物料的温度，工作时热流体走壳程，冷流体走管程，使接触面积大大增加，加快了换热速度。
同时，对温差稍大时可在壳体的适当部位焊上补偿圈（或称膨
胀节），通过补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩）来适应外壳和管束不同的膨胀程度。
六、设计方案的确定
（1）对于列管式换热器，首先根据换热流体的腐蚀性或其它特性选项定其结构材料，然后再根据所选项材料的加工性能，流体的压强和温度、换热的温度差、换热器的热负荷、安装检修和维护清洗的要求以及经济合理性等因素来选项定其型式。
设计所选用的列管换热器的类型为固定管板式。
列管换热器是较典型的换热设备，在工
业中应用已有悠久历史，具有易制造、成本低、处理能力大、换热表面情况较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，故在大型换热器中占优势。
固定管板式列管换热器的特点是，壳体与管板直接焊接，结构简单紧凑，在同样的壳体直径
内排管最多。
由于两管板之间有管板的相互支撑，管板得到加强，故各种列管换热器中它的
管板最薄，造价最低且易清洗。
缺点是，管外清洗困难，管壁与壳壁之间温差大于50C时,
需在壳体上设置膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形以降低温差压力，使用范围仅限于管、壳壁
的温差不大于70C和壳程流体压强小于600kpa的场合，否则因膨胀节过厚，难以伸缩而失去温差补偿作用。
（2）工艺流程图
（3）流体流经的空间：
冷却水走管程原因有以下几个方面，冷却水常常用江水或井水，比较脏硬度较高，受热容易结垢，在管内便于清理，此外，管内流体易于维持高速，可避免
悬浮颗粒的沉积。
管程可以采用多管程来增大流速，用以提高对流传热系数。
被加热的流体
应走管程，以提高热的有效利用，被冷却的流体走壳程，以便于热量散失。
饱和蒸汽由于比
较清洁应于壳程流过，易便于冷凝液的排出。
综上所述冷却水走管程蒸汽走壳程。
（4）流体的流动方向选择：
饱和水蒸气应从换热器壳程上方进入，冷凝水从壳程的下方排出，这样既便于冷凝水的排放，又利于传热效率的提高；冷却水一般从换热器的下方的
入口进入，上方的出口排出，可减少冷却水流动中的死角，以提高传热面积的有效利用•故采用逆流•
（5）流速的选择：
换热器内流体的流速大小，应有经济衡算来决定•增大器内流体的流速，可
增强对流传热，减少污垢在换热管表面上沉积的可能性，即降低了污垢的热阻，使总传热系数
增大，从而减少换热器的传热面积和设备的投资经费，但是流速增大，又使流体阻力增大，动力
消耗也就增多，从而致使操作费用增加，若流速过大，还会使换热器产生震动，影响寿命，因此选取合适的流速是十分重要的•
（6）冷却剂及出口温度的确定：
选取水做冷却剂，它们可以直接取自大自然，不必特别加工•由于水源丰富，可以降低传热面积，减少设备费用，故取出口温度为25C•
第三章设计条件及主要物性参数
-、设计条件
依据GB151-98对热交换器进行工艺计算，掌握热交换器的工艺设计过程。
要求：
1、选择换热管的规格，管子的布置方式，折流板的形式和间距，壳体的内径，管程和壳程的压降，接管的大小。
2、做出换热器工艺计算结果的结构图。
3、作出布管图。
4、按照工艺计算的过程，写出详细的换热器工艺计算说明书。
二、初步设计
1、选择换热器的类型：
两流体温度变化情况：
热流体进口温度140C,出口温度40C;冷流体（循环水）进口温度30C,出口温度40C.由于该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，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。
2、流体空间及流速的确定：
根据流体流径选择的基本原则，循环冷却水易结垢，而固定管板式换热器的壳程不易清洗，且循环冷却水的推荐流速应大于煤油的推荐流速，故选择循环冷却水为管城流体，煤油为壳程流体。
根据流体在直管内常见适宜流速，
管内循环冷却水的流速初选为5=1.0m/s用$25x2.5mm的碳钢管（换热
管标准：
GB8163）。
三、主要物性参数
表1设计基础数据
项目
煤油进口温度
煤油出口温度
水进口
温度
水出口
温度
煤油工作
表压力
水工作表压力
煤油流量
符号
t1
II
t2
11
t2
P1
P2
M1
单位
C
C
C
C
MPa
MPa
Kg/h
数值
140
40
25
40
1.0
0.6
30051
1、煤油的物性参数:
x「匕140+40“
煤油定性温度：
tm「2二2=90C
表2煤油物性参数
温度
密度
热容
粘度
导热系数
（匸）
（kg/m3）
（kJ/（kg-C）
（*104Pas）
（W/（m-C）
90
825
2.22
7.15
0.14
煤油普兰德数P”二UC巴二7.15*1°*2.22*io3=11.34
入0.14
2、水的物性参数
IH
水的定性温度：
tm2二匕乞=2540=32.5；C
22
有参考文献6查饱和水物性参数得：
表2-3水的物性参数
温度
密度
热容
粘度
导热系数
（C）
（kg/m3）
（kJ/（kg
•C）
（*104Pas）
（W/（m-C）
30
995.7
4.174
8.015
0.618
40
992.6
4.174
6.533
0.635
32.5
995
4.174
7.645
0.622
32.5C时水的物性参数为：
、32.5—30
込=995.7（995.7-992.6）=995
40-30
二801.5-一一（801.5—653.3）10^=7.64510*巳S
IL40-30
2\61.8-40^30-理5-6「8）仿“622
0.622
水的普兰德数Pr2^^Cp^^7.645*10*4.174*10^5.13
'-2
第四章工艺计算及主体设备设计
一列管换热器介绍
列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。
它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。
列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器。
优点：
单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材
料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。
结构：
壳体、管束、管板、折流挡板和封头。
一种流体在管内流动，其行程称为管程；
另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。
管束的壁面即为传热面。
列管式换热器，按材质分为碳钢列管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管
程、双管程和多管程，传热面积1〜500m2，可根据用户需要定制。
在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流
体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。
固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外
壳的适当位置上焊上一个补偿圈（或膨胀节）。
当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈
发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。
固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。
固定管板式
换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定
在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。
这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。
这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。
此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。
通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。
同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。
因此，当管
壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。
为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50C以上时，为
安全起见，换热器应有温差补偿装置。
但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于
60〜70C和壳程流体压强不高的情况。
一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以
伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。
固定管板式换热器的特点
1、旁路渗流较小；
2、造价低；
3、无内漏；
固定管板式换热器的缺点是，壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，壳程无法清洗，
管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合。
二工艺计算
经过前面基础理论及设计流程的学习，下面开始进行换热器的设计。
一、确定设计方案.
1.选择换热器的类型•
两流体温度变化情况，热流体进口温度140°C，出口温度40°C;冷流体进口温度25°
C,出口温度40°C。
该换热器用自来水冷却煤油，考虑到清洗等各种因素，初步确定为固定管板式的列管式换热器。
2.流动空间及流速的确定
由于冷却水容易结垢，为便于清洗，应使水走管程，煤油走壳程。
从热交换角度，煤油走壳程可以与空气进行热交换，增大传热强度。
选用①25X2.5mm的10号碳钢管。
二、确定物性数据
定性温度：
可取流体进口温度的平均值。
壳程煤油的定性温度为
''''''
t|=140°C,t|=40°C,t2=25°C,t2=40°C
tm1=（140+40）/2=90（°C）
管程水的定性温度为
tm2=（25+40）/2=32.5（C）
三、计算总传热系数
1.热流量
M1=23.8XI04X103/（330&4）=30051（kg/h）=8.35kg/s
Q=M1Cp1：
t1=30051X2.22X140-40）=6671322kJ/h=1853.15（kw）
Q=nQ'=0.98*1853=1816（kw）
2.平均传热温差
：
tm=（AtA2）/ln（AtM=[（140-40）-（40-25）]/ln[（140-40）/（40-25）]=44.8（°）
3.水用量-
In
t-tl
平均温差R=4丁
t?
」2
14口0=6.7
h—t?
40—25
=0.131
40—25
140—25
2可得\=0.82。
选择卧式冷凝器，冷凝在壳程，为一壳程二管程，查图
校正系数可根据R和P两参数从下图查得。
»0.1120.30.4050.£0.70.BD.9L0
0“r
草査程抉热as
一台
（菅程®-2,4價数）
图blQ（a）对数甲均温差校正團<壳程）⑴
：
tm=t：
tm=44.8>0.82=36.7C
壳程二管程。
三角形管束排列方式心=0.175,口=2.285。
四、传热面积初值计算
兀d
（1）由m2-;-\v2nL，得:
4
（2）由换热面积确定管子长度L
L135
取管程数Z=4,则I6.7圆整到标准值L=6m
Z2
故总列管数Nt为100*2=200根
横过管束中心线的管数
nc=1.19,N（2-13）
nc=1.19、、N=1.19•、20017（根）；
平行流向管距：
27.7mm垂直流向管距：
16mm
拉杆直径：
12mm［当管径在25mm到57mm之间］
拉杆数：
4根［壳体直径估计在500到700mm之间］
2、壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为
（2-14）
D=1.05tNn
T°5t：
Nn
=1.0532200=568（mm）
Y0.7
圆整后取D=600（mm）
长径比：
6/0.6=10卧式合理
五、管侧传热系数
估计壳体壁温Tw
假设冷凝给热系数为1000W/（m2K）。
平均温差：
壳程平均温度:
T=（140+40）/2=90（°C）
管程平均温度:
t=（25+40）/2=32.5（°C）
Tw
=43.5°C
=66.8°C
66.8°时煤油物性:
密度
Po=825
kg/m
定压比热容C°=2.22kJ/（kg•）
导热系数花=0.140W/（m-k）
粘度丘=9X10-4N-s/m2
12626.26
与假设值接近，不需重新假设冷凝给热系数。
六、管内给热系数
080208022
K））
:
i=4200（1.320.02t）u./dj.=4200（1.320.0232.5）1.83./20.=7369（W/（m
七、传热核算
取水的污垢热阻为Rsi=3.44>0-4m2K/W
煤油污垢热阻为Rso=1.72>0-4m2K/W
管壁导热系数为
入=5/（mK）
：
o
do
R段bd。
R
siso
二dd■d
11im
2510^
73692010^
3.4410-空2.51屮2510^1.7210"丄
1004
204522.510^
=547（W/（m2K））
比假定K值相近，试差结束。
八、壳侧压力降
1）折流板计算
Ds=Db+16=609+13=722mm
取Ds=600mm
折流板选择为圆缺度为25%的圆缺型折流板。
则圆缺高度为：
H=0.25X600=150mm
取标准圆缺高度为150mm
折流板板间距为B=0.3Ds=0.3W00=180mm
取折流板板间距为200mm
折流板数Nb=L/B-仁6000/200-仁29
2）用Kern's法计算压降
管子横截面积虫DsB-322560020010」=0.02625（m2）
t32
30051
则壳侧质量流速则Gs=唤二318（kg/（sm2））
AS0.02625
G318
壳侧流体流速UsS0.4（m/s）
P。
825
1102211022
壳体当量直径de（t2-0.917d。
）（322-0.917252）=19.8mm
do25
_3
雷诺数Re=T=3189：
：
_410=6996
查壳侧阻力因子图得jf°=5.9X10'2
取"-''w,忽略粘度得影响，应用进口流速，其压降为式：
F^-8jfoDsLUs（）』14的
deB2叱
50%。
而
68250.162
J3
=85.91。
2空
19.8200汉10
=4531Pa
则壳压降为2.27kFa
九、管侧压降计算
查壳侧阻力因子图得jfi=3.6X0-3
管压降
十、裕度计算
传热面积裕度合适，该换热器能够生产任务。
十二、壳程计算
采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内的2500；
则切去的圆缺高度为h=0.25600=150（mm）,故可取h=150（mm）
折流板的圆心角：
120o
取折流板间距
B=1000（mm）
式中6壳体的计算厚度；mm
Pc壳体的计算压力；MPa
Di壳体的内直径；mm
壳体材料在设计温度下的许用应力MPa;%Mpa;
0.6600
壳体的焊接接头系数；■*=0,85；
则'一21130.85-0.6_1.9（mm）
十三、管程计算
取标准接管为©200*6mm。
十四、零件计算
第一节壳体、管箱壳体和封头的设计
1、壁厚的确定
壳体、管箱壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳。
管壳式换热器的壳体通常是由
管材或板材卷制而成的。
当直径小于400mm时，通常采用管材和管箱壳体。
当直径不小于
400mm时，采用板材卷制壳体和管箱壳体。
其直径系列应与封头、连接法兰的系列匹配，以便于法兰和封头的选型。
一般情况下，当直径小于1000mm时，直径相差100mm为一个
系列；当直径大于1000mm时，直径相差200mm为一个系列，若采用旋压封头，其直径系列的间隔可取100mm。
表4-1-1碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度
公称直径
400~<700
>800~<1000
>1100~<1500
>1600~<200
>2000~<2600
浮头式:
8
10
12
14
16
U型管式:
8
10
12
14
16
固定管板式
6
8
10
12
14
表4-1-2壳体、管箱壳体厚度
DN,mm
材料
壳程或管程公称压力PN,MPa
0.6
1.0
1.6
2.5
4.0
6.4
厚度，mm
600
Q235-A/B/C
8
8
8
10
16MnR
8
8
8
8
12
16
1Cr18Ni9Ti
5
5
6
8
12
18
由之前的计算知，壳体和管箱壳体外径为
600mm。
选用Q235-A碳素钢板材制
刖壳体和
管箱壳体，在90°C时[<]113MPa下面确定其壁厚。
取工作压力等于设计压力，则Pc=0.6MPa，提高到管程设计压力计算，焊接接头系数
0=0.85。
计算壁厚SPctDo16003.1mm
升级会员 