化工原理課程設計說明書-煤油冷卻器的設計.doc

課 程 設 計 任 務 書設計題目煤油冷卻器的設計一設計要求： 1.處理能力：（19.8104）噸/年煤油 2.設備型式：列管式換熱器 二操作條件：（1） 煤油入口溫度140，出口溫度40；（2） 冷卻介質循環(huán)水，入口溫度30，出口溫度40；（3） 允許壓強降不大于100 KPa；（4） 煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)；密度為825kg/m3；粘度為：7.510-4Pa.S；比熱容為：2.22kJ/（kg. ）；導熱系數(shù)為：0.14W/（m. ）；（5）每年按300天計，每天24小時連續(xù)運行。學生應完成的工作：1.選擇適宜的列管換熱器并進行核算。2.畫出工藝設備圖及列管布置任務下達日期： 2010 年 11 月 08 日 任務完成日期： 2010 年 11 月 22 日 指導教師： 學生： 一、 摘要 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，以實現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，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，且它們是上述這些行業(yè)的通用設備，占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，對換熱器的要求也日益增強。換熱器的設計制造結構改進以及傳熱機理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。根據(jù)不同的目的，換熱器可以是熱交換器、加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器等。由于使用條件的不同，換熱器可以有各種各樣的形式和結構。在生產(chǎn)中，換熱器有時是一個單獨的設備，有時則是某一工藝設備的組成部分。衡量一臺換熱器好的標準是傳熱效率高、流體阻力小、強度足夠、結構合理、安全可靠、節(jié)省材料、成本低，制造、安裝、檢修方便、節(jié)省材料和空間、節(jié)省動力。二、 關鍵字煤油 換熱器 列管式換熱器 膨脹節(jié) 固定管板式 封頭 管板 目 錄 一、概述 1 二、工藝流程草圖及設計標準 12.1工藝流程草圖 12.2設計標準 2三、換熱器設計計算 23.1確定設計方案 23.1.1選擇換熱器的類型23.1.2流體溜徑流速的選擇23.2確定物性的參數(shù) 33.3估算傳熱面積 33.3.1熱流量33.3.2平均傳熱溫差33.3.3傳熱面積 33.3.4冷卻水用量 43.4工藝結構尺寸 43.4.1管徑和管內(nèi)流速4 3.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)4 3.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)43.4.4傳熱管排列和分程方法53.4.5殼體內(nèi)徑53.4.6折流板53.4.7接管53.5換熱器核算 63.5.1熱流量核算63.5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)63.5.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)73.5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻73.5.1.4計算傳熱系數(shù)KC73.5.1.5換熱器的面積裕度83.5.2換熱器內(nèi)流體的流動阻力83.5.2.1管程流體阻力83.5.2.2殼程阻力8四、設計結果設計一覽表 10五、設計自我評價 11六、參考資料 12七、主要符號說明 13 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,簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體,一種流體溫度較高,放出熱量;另一種流體則溫度較低,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)中的地位和作用不同，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)上的應用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導地位。列管式換熱器有以下幾種： 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，當兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當位置上焊上一個補償圈，（或膨脹節(jié)）。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。 特點：結構簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結垢的物料。2、U形管式 U形管式換熱器每根管子均彎成U形，流體進、出口分別安裝在同一端的兩側，封頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。 特點：結構簡單，質量輕，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垢的物料。3、浮頭式 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，完全消除了溫差應力。 特點：結構復雜、造價高，便于清洗和檢修，消除溫差應力，應用普遍。二、 工藝流程草圖及設計標準2.1工藝流程草圖adbc泵2泵1 由于循環(huán)冷卻水易結垢，為便于水垢的清洗，選擇循環(huán)水做管程流體，煤油做殼程流體。管程與殼程流體的進出方向為上圖所示，并選擇逆流傳熱。圖中水由泵1經(jīng)過管程沿所示方向流動，煤油由泵1經(jīng)過殼程沿所示方向流動。冷卻循環(huán)水與煤油在設計的換熱器中進行熱交換，煤油由初溫140降溫至，40冷卻循環(huán)水由初溫升30溫至40。2.2設計標準（1）JB1145-73列管式固定管板熱交換器（2）JB1146-73立式熱虹吸式重沸器（3）中華人民共和國國家標準.GB151-89鋼制管殼式換熱器.國家技術監(jiān)督局發(fā)布，1989（4）鋼制石油化工壓力容器設計規(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)設備簡圖設計規(guī)定（7）HG20519-92全套化工工藝設計施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一規(guī)定（8）中華人民共和國國家標準 JB4732-95 鋼制壓力容器分析設計標準（9）中華人民共和國國家標準 JB4710-92 鋼制塔式容器（10）中華人民共和國國家標準 GB16749-1997 壓力容器波形膨脹節(jié)三、換熱器設計計算3.1確定設計方案3.1.1選擇換熱器的類型 本次設計為煤油冷卻器的工藝設計，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沒有溫度，冷卻水的入口溫度30，根據(jù)經(jīng)驗結合選廠地址的水資源現(xiàn)狀況，選定冷卻水的出口溫度40。 根據(jù)間壁式換熱器的分類與特性表，結合上述工藝要求，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。根據(jù)流體在直管內(nèi)常見適宜流速，管內(nèi)循環(huán)冷卻水的流速初選為ui=1.0m/s,管子選用的較好級冷拔換熱管（換熱管標準：GB8163）。3.2確定物性參數(shù) 定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。 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物性數(shù)據(jù)。 煤油在90下的有關物性數(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/(kgK)定壓比熱容Cpi=4.08kJ/(kgK)導熱系數(shù)o=0.140 W/(mK)導熱系數(shù)i=0.626 W/(mK)粘度o=0.000715 Pas粘度i=0.000725 Pas3.3、估算傳熱面積3.3.1熱流量m0=（kg/h）Qo=m0cp0t0=275002.22(140-40)=6.15106kJ/h=1695.8 kW3.3.2平均傳熱溫差()3.3.3傳熱面積 假設殼程傳熱系數(shù)：0=400 W（m2），管壁導熱系數(shù)=45 W（m2）則K=298.7W/(m2K),則估算面積為：S=Q0/(Ktm)=1.696106/(298.739)=145.86(m2) 考慮15%的面積裕度則：S=1.15145.86=167.74(m2)3.3.4冷卻水用量（kg/h）3.4、工藝結構尺寸3.4.1管徑和管內(nèi)流速選用252.5較高級冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速ui= 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)=88.7889（根）按單程管計算，所需的傳熱管長度為：=24（m）按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構，根據(jù)本設計實際情況，采用標準設計，現(xiàn)取傳熱管長為l=6m，則該換熱器的管程數(shù)為：NP=L/l=24/6=4傳熱管總根數(shù)： NT=894=356（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管程結構，溫差校正系數(shù)應查有關圖表可得t=0.82平均傳熱溫差tm=ttm =0.8239=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，隔板兩側采用正方形排列。取管心距t=1.25d0，則t=1.2525=31.2532(mm) 橫過管束中心線的管數(shù) 3.4.5殼體內(nèi)徑采用多管程結構，取管板利用率0.7，則殼體內(nèi)徑為D=757.7 (mm)按卷制殼體的進級擋，圓整可取D=800mm。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h0.25800=200（mm）折流板間距B=0.3D,則B=0.3800=240mm取250mm。折流板數(shù) NB= -1=-1=23 (塊) 3.4.7接管殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為u1.0m/s，則接管內(nèi)徑為：D1=（m），取管內(nèi)徑為110mm。管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為mm圓整可取 =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：當量直徑，由正三角排列得：de=（m）殼程流通截面積：=0.044（m2）殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：u0=（m/s）Re0=4846普朗特準數(shù) Pr=；粘度校正 0=1013.57 W/(m2K) 3.5.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)i管程流體流通截面積：Si=0.7850.022356/4=0.028（m2）管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：ui=1.499（m/s）Rei=40939.1普朗特準數(shù)Pr=i=0.023=6560.4 W/ (m2K)3.5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻查有關文獻知可?。汗芡鈧任酃笩嶙?R0=0.000172 m2K/W管內(nèi)側污垢熱阻 Ri=0.000344m2K/W管壁熱阻 查有關文獻知碳鋼在該條件下的熱導率為=45 W/(mK)。3.5.1.4計算傳熱系數(shù)K =436.9 W/（m）計算傳熱面積S:S=121.3（m2）該換熱器的實際傳熱面積：S=3.140.025(6-0.06)(356-23)=155.27（m2）3.5.1.5換熱器的面積裕度H=100%=100%=28.01%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。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：Pi=（P1+P2）NSNpFt; NS=1, Np=4，F(xiàn)S=1.4; P1=,P2=由Re=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P1=10643.7（Pa）；P2=3130.5（Pa） Pt=（10643.7+3130.5）1.414=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=541103.6-0.228=0.722 nC=23 NB=23,u0=0.21m/s P1=0.50.72223（23+1）8250.212/23625（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（3.5-20.25/0.8）8250.22/21202（Pa），則總阻力：P0=3625+1202=4827（Pa）100 KPa故殼程流體的阻力也適宜。四、設計結果設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：155.27m2符號尺寸用途連接形式工藝參數(shù)a2006冷卻循環(huán)水入口平面名稱管程殼程b2006冷卻循環(huán)水出口平面物料循環(huán)水煤油c1004煤油入口平面操作壓力，MPad1004煤油出口平面操作溫度，30/40140/40e573.5排氣口平面流量，kg/h149632.46.105106流體密度，kg/m3994.3825附圖流速，m/s0.9930.0784熱負荷，kW1695.8總傳熱系數(shù)，W/(m2)263.9對流傳熱系數(shù)4734350.4污垢熱阻，m2/W0.0003440.000172壓降，MPa0.02630.000370程數(shù)41推薦使用材料低碳鋼低碳鋼列管管子規(guī)格252.5管數(shù)356管長，mm6000管間距，mm32排列方式正三角形折流板型式弓形水平間距，mm600切口高度25%殼體內(nèi)徑，mm800五、設計自我評價作為、專業(yè)的學生，我深知化工原理是一門非常重要的專業(yè)基礎課程，進行適當?shù)脑O計訓練對于加深我對課程的理解是非常重要和有意義的。這是第一次做化工原理課程設計，通過本次設計，我認為自己已經(jīng)初步掌握化工設計的一些基本知識了。本次設計的是煤油冷卻器，根據(jù)溫差和物性確定本設計的換熱器為帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器或浮頭式換熱器，而鑒于浮頭式換熱器的造價一般比固定管板式換熱器的造價高出二十多個百分點，以降低投資成本為目的，選擇帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。通過本次設計，我學會了如何根據(jù)工藝過程的條件查找相關資料，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，主要設備，及計算出主要設備及輔助設備的各項參數(shù)及數(shù)據(jù)。了解到了工藝設計計算過程中要進行工藝參數(shù)的計算。通過設計不但鞏固了對主體設備圖的了解，還學習到了工藝流程圖的制法。通過本次設計不但熟悉了化工原理課程設計的流程，加深了對冷卻器設備的了解，而且學會了更深入的利用圖書館及網(wǎng)上資源，對前面所學課程有了更深的了解。但由于時間較為倉促，查閱的文獻有限，本次設計還有很多不完善的地方。本次設計非常感謝。老師的指導，有了他的指導使得我們更快的進入課程設計的狀態(tài)，使我們少走彎路。同時非常感謝我的同學，正是有他們在一起討論，才使我較快及順利地在較短時間內(nèi)完成本設計。六、參考文獻1 賈紹義、柴誠敬主編化工原理課程設計天津：天津大學出版社，20022 柴誠敬、張國亮主編化工流體流動與傳熱北京：化學工業(yè)出版社，20083 中國石化集團上海工程有限公司石油化工設備設計選用手冊換熱器北京：化學工業(yè)出版社，20094 李國庭等編著化工設計概論北京：化學工業(yè)出版社，20085 楊世銘、陶文銓編著傳熱學北京：高等教育出版社，20066 上海醫(yī)藥設計院化工工藝設計手冊北京：化學工業(yè)出版社，19968 李國庭等編著化工設計概論北京：化學工業(yè)出版社，2008 9 刁玉瑋