卧式列管式煤油换热器课程设计说明书 - 图文

2009级化学工程与工艺专业

《化工原理》课程设计说明书

1.6×10吨/年煤油列管式煤油冷却器的设计 题 目：

4

第一组 组 次：

yining 姓 名：

0908101-03 班级学号：

指导老师： 同组人员：

完成时间： 2012年5月18日

《化工原理》课程设计评分细则

评审 评审要素 单元 评审内涵 评审等级 指导 检阅 检查 老师 老师 方法 评分 评分 格式 标准 格式规范 是否符合规定的格式要求 5-4 4-3 3-2 2-1 设计任务书、评分标准、 设计 说明书 35% 内容完整 主要设备计算、作图、后记、设计 10-8 8-6 6-4 4-1 参考文献、小组成员及 任务书 承担任务 设计方案 工艺计算 过 程 图面布置 设计 图纸 30% 标注 与设计 吻合 平时 成绩 20% 出勤 卫生 与纪律 方案是否合理及 是否有创新 计算过程是否正确、 完整和规范 10-8 8-6 6-4 4-1 计算 记录 计算 记录 10-8 8-6 6-4 4-1 图纸幅面、比例、标题栏、图面布 10-8 8-6 6-4 4-1 明细栏是否规范 置标准 文字、符号、代号标注 是否清晰、正确 图纸设备规格 与计算结果是否吻合 10-8 8-6 6-4 4-1 10-8 8-6 6-4 4-1 标注 标准 比较图纸与说明书 现场 考察 计算、上机、手工制图 10-8 8-6 6-4 4-1 设计室是否整洁、 卫生、文明 答辩表述是否清楚 内容是否全面 回答问题是否正确 10-8 8-6 6-4 4-1 5-4 4-3 3-2 2-1 5-4 4-3 3-2 2-1 5-4 4-3 3-2 2-1 答辩 内容表述 成绩 15% 回答问题 现场 考察 总 分 综合成绩 成绩等级 指导老师 评阅老师 （签名） （签名） 年 月 日 年 月 日 说明：评定成绩分为优秀(90-100),良好(80-89)，中等(70-79)，及格(60-69)和不及格(<60)

目 录

第一部分 设计任务书········································································（1） 第二部分 设计方案简介评述····························································（1） 第三部分 换热器设计理论计算························································（2）

1、试算并初选换热器规格···············································································（2） 2、工艺结构尺寸································································································（3） 3、换热器核算···································································································（5） 4、计算压强降···································································································（7） 第四部 工艺设计计算结果汇总表及其它······················································（9） 1、工艺设计计算结果汇总表········································································（9） 2、参考文献·······································································································（9） 3、后记··············································································································（10）

第一部分 设计任务书

1、设计题目：非标准系列列管式煤油冷却器的设计 2、设计任务及操作条件

4

（1）处理能力： 1.6×10吨/年 煤油

（2）设备型式： 卧式列管式换热器 （3）操作条件

① 煤油：入口温度140℃，出口温度40℃

② 冷却介质：自来水，入口温度30℃，出口温度自选 ③ 允许压强降：不大于105 Pa

④ 煤油在定性温度下的物性数据：密度为825 kg/m3，黏度为7.15×10-4 Pa s，比热容为2.22 kJ/kg ℃，导热系数为0.14 W/(m ℃)。

⑤ 每年按330天计，每天24小时连续运行 3、设计说明书的内容

（1）封面、评分标准及目录；

（2）设计题目及原始数据(任务书)；

（3）论述换热器总体结构(换热器型式、主要结构)的选择； （4）换热器加热过程有关计算(物料衡算、热量衡算、传热面积、换热管型号、壳体直径等)； （5）设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等)； （6）主体设备设计计算及说明； （7）附属设备的选择（选做）；

（8）参考文献； （9）后记及其它。 4、设计图要求

用A2图纸绘制换热器总装配图，两个局部放大图。CAD图自由选做2个部件。

第二部分 设计方案简介评述

换热器是许多工业生产中常用的设备,尤其是石油、化工生产应用更为广泛。在化工厂中换热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。换热器的类型很多，性能各异，各具特点，可以适应绝大多数工艺过程对换热器的要求。 进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。换热器类型虽然很多，但计算传热面积所依据的传热基本原理相同，不同之处仅是在结构上需根据各自设备特点采用不同的计算方法而已。

我们设计的是煤油冷却器，冷却器是许多工业生产中常用的设备。列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广。列管式换热器有固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式等类型。

列管式换热器的形式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。由于两流体的温

差大于50 ，故选用带补偿圈的固定管板式换热器。这类换热器结构简单、价格低廉，但管外清洗困难，宜处理壳方流体较清洁及不易结垢的物料。因水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。

第三部分 换热器设计理论计算

１、试算并初选换热器规格

（1）、 定流体通入空间 两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般

较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。

（2）、确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管式换热器的形式：

被冷却物质为煤油，入口温度为140℃,出口温度为40C 冷却介质为自来水，入口温度为30C，出口温度为35C 煤油的定性温度：Tm?(140?40)/2?90?C 水的定性温度：tm?(30?35)/2?32.5?C

两流体的温差：Tm?tm?90?32.5?57.5?C

由于两流体温差大于50℃，故选用带补偿圈的固定管板式列管换热器。

两流体在定性温度下的物性数据

???

物性 流体 温度 ?C90 32.5 密度? 3kg/m825 994 黏度? mPa?s0.715 0.742 比热容Cp导热系数? kJ（/kg??C）W（/m??C） 2.22 4.08 0.14 0.626 煤油 水

(3)、计算热负荷Q 按管内煤油计算,即

Q?m1cp1(T1?T2)?2020?2.22?103?(140?40)?124.567kW

若忽略换热器的热损失，水的流量可由热量衡算求得,即

m2?Q/Cp2(t2?t1)?124567?6.11kg/s?21996kg/h

4.08?103?(35?30)t)1?(1?40?40)?(3530)?31.7?C1

140?40ln35?30（4）、计算两流体的平均温度差，并确定壳程数

? ?tm??t2??t1(T2?t)?12?(T??tT?tln2ln22?t1T1?t1

R?

140?4035?30?20R??0.047635?30140?30

由R和P查图3-12得温度校正系数为??t?0.85，所以

???t?31.71?0.85?27?C 校正后的温度为?tm??tm又因??t?0.85?0.8，故可选用单壳程的列管式换热器。 （5）、初步选初算换热器换热面积

根据管内为水，管外为有机液体，假设K=360W/(m??C)故 A?'2Q124567??10.91m2 K?tm360?31.71'2考虑15%的面积裕度， A?1.15A?10.91?1.15?12.55m

2、工艺结构尺寸

（1）管径和管内流速

管径为φ25mm×2.5mm，管内流速为ui?1.0m/s （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ns

ns?V6.11??20（根） 220.785diui994?0.785?0.02?1按单管程计算换热器管的长度L

L?Sns?d0?12.55?7.99m

20?3.14?0.025按单管程设计，传热管过长，根据本题实际情况，取传热管长l=2m,则该换热器的管程数为

NP?L7.99??4（管程） l2 N?20?4?80(根）

(3) 传热管排列和分层方法

采用正三角排列，取管心距t?1.25d0，

则t?1.25?25?32mm

隔板中心到最近一排管中心的距离S：按净空不小于6mm的原则确定，亦可按下式求取：

S?t/2?6

S?32/2?6?22mm分程隔板两侧相邻管排之间的管心距 ta?2S?2?22?44mm

管中心距t与分程隔板槽两侧相邻管排中心距ta的计算结果与查表数据完全一致，证明可用。

(4)壳体内径

采用两管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体内径 D?1.05tN/??1.05?3280/0.7?359.2mm 圆整取D=360mm。

（5）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?360?90mm。

取折流板间距B=0.25D，则B?0.25?360?90mm，取B=150mm，则折流板数 Nb?传热管长2000?1??1?22（块）

折流板间距90折流板圆缺水平面安装。

折流板的最大无支撑间距如表所示：

换热管外径（mm） 最大无支撑间距(mm) 14 1100 16 1300 19 1500 25 1850 32 2200 38 2500 （6）其它附件

（1）、封头 封头有方形和圆形两种，方形用于直径小（一般小于400mm）的壳体，圆形用于大直径的壳体。壳径为360mm，选用方形封头。

（2）、缓冲挡板 它可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动，还有使流体沿管束均匀分布的作用。

（3）、拉杆和定距管 为了使折流板能牢固地保持在一定的位置上，通常采用拉杆和定距管。所选择的拉杆直径为12mm，拉杆数量为4，定距管?25?2.5mm

(4)、膨胀节 膨胀节又称补偿圈。膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体的温差低于70?C且壳方的流体压强不高于600KPa的情况。 换热器的膨胀节一般分为带衬筒的膨胀节和不带衬筒的膨胀节。根据换热器壳侧介质的不同，使用的膨胀节就不同，通常为了减小膨胀节对介质的流动阻力，常用带衬筒的膨胀节。衬筒应在顺介质流动的方向侧与壳焊接。对于卧式换热器，膨胀节底部应采用带螺塞结构，这样便于排液。 （7）接管

①壳程流体（煤油）进出口接管 取接管内液体流速为1.0m/s,则接管内径

d?4V4?2020/3600?825??30mm，则取?36?2.5mm ?u3.14?1.0②管程流体（自来水）进出口接管 取接管内自来水的流速为1.5m/s，则接管内径 d?4V4?6.11/994??0.0725m?72.5mm，则取?78?2.5mm ?u3.14?1.53、换热器核算

（1）、计算管程对流传热系数?i，因为

管中水的质量流量为

m2?21996kg/h，则

水的体积流量为Vc?m2/??21996/(3600?994)?0.00615m3/s Si?0.785?0.020?80/4?0.00628m

22ui?Vc/Si?0.00615/0.00628?0.979m/s

Rei?diui??0.02?0.979?994?26237?10000

0.742?10?3?

2.020?103?7.42?10?4Pri???4.85

?0.624Cp?所以：

?i?0.023

?diRe0.8Pr0.4（液体被加热）?0.023?0.624?262370.8?4.850.4?4627.1W/(m2??C)0.02

(2)、计算壳程对流传热系数?o

换热器中心附近管排中流体流通截面积为

(1? So?BDdo0.025)?0.0?90.?36?(1t0.032?)20.m 0071 由于换热器为两壳程，所以煤油的流速为：

uo?2020?0.096m/s

3600?825?0.0071 由于管为三角形排列，则有

4(deo?32?23?t?do)4?(?0.0322??0.0252)2424??0.02m ?do3.14?0.025煤油在壳程中流动的雷诺数为

Reo?deuo???0.02?0.096?825?2215.4

0.715?10?336因为Reo在2?10~1?10范围内，故可采用凯恩(Kern)法求算?o，即

?o?0.36?deRe0.55Pr1/3??

2.22?103?0.715?10?3Pro???11.34

?0.14Cp?由于液体被冷却 取???0.95，所以

?o?0.36?deRe0.55Pr1/3???0.36?0.14?2215.40.55?11.341/3?1?659.01W/(m2??C) 0.02（3）、确定污垢热阻

Rsi?3.44?10?4m2??C/W（自来水） Rso?1.7179?10?4m2??C/W（煤油）（4）、计算总传热系数K0（管壁热阻可忽略时，总传热系数K0为：）

K0?11ddbd?Rso?Rsio?o?0?odi?idi?dm1

10.0250.0250.0025?0.025?1.7179?10?4?3.44?10?4???659.010.024627.1?0.0245?0.0225?407.86W/(m2??C)?选用该换热器时，要求过程的总传热系数为408W/(m2??C)。 传热面积s?Q124567??11.31m2 K?tm408?27该换热器的实际换热面积Sp??d0LNT?3.14?0.025?(2?0.06)?80?12.18m2 面积裕度为H?Sp?SS?100%?12.18?11.31?100%?13.43%

11.31则该换热器传热面积的裕度符合要求。 （5） 核算壁温

因管壁很薄且管壁热阻很小，故管壁壁温按下式计算：

Tm(t?1?c1?Rc)?tm(?Rc?11?h?Rh)

?cTm??h?RhT1?T2140?40??90?C 22tm?0.4t2?0.6t1?0.4?35?0.6?30=32?C 取两侧污垢热阻为零计算壁温，得传热管平

均壁温：

9032???h4627.1659.01t?c??39.23?C 壳体平均壁温近似取壳程流体的平均壁温即

1111???c?h4627.1659.01?90?C，壳体平均壁温与传热管平均壁温之差:90-39.23=50.77?C＞50?C

Tmtm4、计算压强降

（1）、计算管程压强降 ??Pi?(?p1??p2)FtNpNs

前已算出：ui?1.0m/s Rei?26237 取不锈钢管壁的粗糙度??0.1mm，则由摩擦系数图查得??0.0248 所以

?di?0.1?0.005 20L?ui22994?0.9792?P?0.0248???1181.34Pa 1??di20.0223?ui23?994?0.9792?P2???1429.04Pa

22对于?25?2.5mm的管子，有Ft?1.5,且Np?4,Ns?1

??Pi?(?p1??p2)FtNpNs?(1181.34?1429.04)?1.5?4?1?15662.28Pa

(2)、计算壳程压强降

????Po?(?p1??p2)FsNs

由于Fs?1.15,Ns?1

2?uo?所以?P1?Ff0nc(NB?1)2

管子为正三角形排列，则取F=0.5

nc?1.19n?1.19?80?11(根)

折流挡板间距B?90mm 折流板数NB?L2?1??1?22(块) B0.09由所得数据：uo?0.096m/s；R0?2215.4

?0.228?0.228?5?（2215.4）?0.86 fo?5Ro所以

825?0.0962??P?0.5?0.86?11?(22?1)??413.58Pa 1?Ff0nc(NB?1)2222B?uo2?90825?0.0962?P2??NB(3.5?)?22?(3.5?)??250.91Pa

D236022?uo????Po?(?p1??p2)FsNs?(413.58?250.91)?1.15?1?764.16Pa

从上面计算可知，??Po、??Pi﹤10，该换热器管程与壳程的压强降均满足题设要

5

求，故所选换热器合适。

第五部分 工艺设计计算结果汇总表

工艺设计计算结果汇总表

参数 流率/(kg/h) 温度(进/出)/℃ 定性温度/℃ 物性参数 设备 结构参数 密度/(kg/m3) 比热容/[kJ/(kg/℃)] 黏度/mPa·s 热导率/[W/(m·℃)] 普朗特数 型式 壳体内径/mm 管子规格/mm 管长 管子数目/根 传热面积m2 管程数 主要设计结果 流速/(m/s) 传热膜系数/[W/(m2·℃)] 污垢热阻/(m2·℃/W) 阻力损失/Pa 传热温差/℃ 传热系数/[W/(m·℃)] 裕度% 管程 124567 30/35 32.5 994 4.08 0.742 0.626 4.85 固定列管式 360 ?25?2.5mm 2000 80 12.18 4 管程 0.979 4627.1 0.000344 15.662.28 50.77 408 13.34 台数 壳程数 管心距/mm 管子排列 折流板数/块 折流板距/mm 材质 壳程 2020 140/40 90 825 2.22 0.715 0.14 11.34 1 1 32 正三角形 22 90 碳钢 壳程 0.096 659.01 0.00017179 764.16

参考文献

[1]《化工原理》（上册）修订版.夏清 陈常贵 主编.天津:天津大学出版,2005 [2]《化工设备设计手册》. 潘国昌、郭庆丰主编.北京:清华大学出版社,1988 [3] 《化工流体流动与传热》.张国亮 主编.北京:化学工业出版社,1992

[4] 《化工工艺制图》.周大军 揭嘉 主编.北京:化学工业出版社,2003 [5] 中国石化集团上海工程有限公司 编.《化工工艺设计手册》

（第三版）.北京:化学工业出版社,1987

[6] 柴诚敬 王军 张缨 编. 《化工原理课程设计》.天津: 天津科学技术出版社,2005 [7] 《化工工艺算图手册》.刘光启 马连湘 主编 . 北京: 化学工业出版社,1990 [8] 《化工工程设计》.韩冬冰 李叙凤 主编.北京:学苑出版社,2000 [9] 《工程制图》.朱泗芳 徐绍军 主编 . 北京:高等教育出版社,2002

[10] 《化工设备机械设计基础》.潘永亮 刘玉良 编.北京:科学出版社,1991

后记

化工课程设计是培养我们综合运用所学的相关知识,去发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程.

经过两周的奋战我的课程设计终于完成了。在没有做课程设计以前我就一直期待着，觉得课程设计是对这几年来所学知识的总结及应用，也想对课程设计有更深的认识，同时检验一下自己所学的知识。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺，有很多方面是不可能都优化的，我们设计者能做的就是把它尽量朝着目标最大化的优化。在这次课程设计中，我发现资料的搜集，数据的查找都是很难的，因为资源有限。学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

在这次课程设计中我认识到合作的重要性.我和组员共同查阅以前学长的课题，再进行讨论，遇到难的地方，就查找资料，询问老师或同学，在这个过程中遇到了很多困难，总有那么一两个指标不合格，在我们的积极讨论中终于找到了最佳方案，我想同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/exv3.html