煤油冷卻器的設計原版

1、設計題目煤油冷卻裝置的設計一. 設計要求：1. 處理能力：(32.4 X 104)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140C，出口溫度40C;(2) 冷卻介質自來水，入口溫度30C，出口溫度40C;(3) 允許壓強降不大于105Pa;(4) 煤油定性溫度下的物性數據：密度為 825kg/m3,粘度為7.15 X10 4Pa.s,比熱容為 2.22kj/(kg. C)，導熱系數為 0.14W/(m. C)。每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行。三.設計項目1. 選擇適宜的列管換熱器并進行核算。2. 繪制帶控制點的工藝流程圖、主體設備圖(含列管布置圖)。、

2、摘要換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，以實現不同溫度流體間的熱能傳 遞，又稱熱交換器。 換熱器是實現化工生產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。 根據不同的目的， 換熱器可以是熱交換器、 加熱器、

3、 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 。目錄一、概述、工藝流程草圖及設計標準2.1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 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

4、.3.4冷卻水用量 43.4工藝結構尺寸 43.4.1管徑和管內流速 43.4.2管程數和傳熱管數 43.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數 43.4.4傳熱管排列和分程方法 53.4.5殼體內徑 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?63.5.1.2管內表面?zhèn)鳠嵯禂?73.5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻 73.5.1.4計算傳熱系數Kc 73.5.1.5換熱器的面積裕度 83.5.2換熱器內流體的流動阻力 83.5.2.1管程流體阻力 83.522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

5、 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，

6、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

7、。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a T Td泵2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經過管程沿所示方向 流動，煤油由泵 1 經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140C降溫至，40C冷卻循環(huán)水由初溫升30C溫至40C。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.GB151-8

8、9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(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，

9、工藝要求煤油(熱流體)的入口溫度 140C，出口 溫度40C。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 30r，根據經 驗結合選廠地址的水資源現狀況，選定冷卻水的出口溫度 40C。根據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120C,選用固定管板式換熱器，又因為管殼兩流體溫差大于60C，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。3.2確定物性參數定性溫度：可取

10、流體進口溫度的平均值。管程流體的定性溫度為：14040290C)煤油90C下的物性數據:35煤油在90C下的有關物性數據循環(huán)冷卻水在35 C下的物性數據密度3p o=825 kg/m密度p i=994 kg/m3定壓比熱容Cpo=2.22kJ/(kg K)定壓比熱容Cp=4.08kJ/(kg K)導熱系數入 o=0.140 W/(m K)導熱系數入 i=0.626 W/(m K)粘度卩 o=0.000715 Pa s粘度卩 i =0.000725 Pa s30402根據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數據3.3、估算傳熱面積3.3.1熱流量mo=419.8 103002427500(

11、kg/h )Q=mCp。t=27500X 2.22 X (140-40)=6.15 X 106kJ/h=1695.8 kW3.3.2平均傳熱溫差t1t2(14040)(4030)Int1t214040ln -403039( C)3.3.3傳熱面積假設殼程傳熱系數：a0=400 w（ m?c）,管壁導熱系數入=45 W( m?c)則K=298.7W/（m K）,則估算面積為:S' =Q/(K XAtm)=1.696 X 106/(298.7 X 39)=145.86(m2) 考慮 15%勺面積裕度則：S=1.15X 145.86=167.74(m2)3.3.4冷卻水用量Q0cpi ti6

12、.1051064. 08103(4030)149632 4 (kg/h )3.4、工藝結構尺寸3.4.1管徑和管內流速選用巾25X 2.5較高級冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內流速u= 1.5m/s3.4.2管程數和傳熱管數依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數qV149632.4 / 360020. 7850. 022994=88.78 89 (根)1. 5按單程管計算，所需的傳熱管長度為:,S167. 78小 /、Ld(A3. 140. 02589 2按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構，根據本設計實際情況，采用標準設計, 現取傳熱管長為l=6m，貝夠換熱器的管程數為：NP=L/l=24

13、/6=4傳熱管總根數：Nt=89X 4=356 (根)3.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數平均傳熱溫差校正系數：R=(140-40)/(40-30)=10;P=(40-30)/(140-30)=0.091按單殼程，4管程結構，溫差校正系數應查有關圖表可得0A t=0. 82平均傳熱溫差Atrr=A t At m =0.82 X3 9=32 (°C)由于平均傳熱溫差校正系數大于 0.8，同時殼程流體流量較大，故取単殼程合適。344傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距 t=1.25d0，則t=1.25 X 25=31.25 32(m

14、n)橫過管束中心線的管數nc 1.19 . N 1.19.356 2(根)3.4.5殼體內徑采用多管程結構，取管板利用率n= 0.7，則殼體內徑為,N1356D=1.05j1.0532一=757.7 (mm)V、0. 7按卷制殼體的進級擋，圓整可取 D=800mm3.4.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為h = 0.25 X 800=200 (mr)折流板間距B=0.3D,則B=0.3X 800=240mr取 250mm折流板數K1傳熱管長N b=折流板間距-1=6000250-1=23 （塊）3.4.7接管殼程流體進出口接管：取接管內煤油流速為

15、u= 1.0m/s，則接管內徑為：427500Di=J(36001. 10 (m)，取管內徑為 110mm丫 53.141.0管程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速u = 1.5 m/s，則接管內徑為：4 149632. 4/廠 / (3600994)D2314175圓整可取D2 =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)鳠嵯禂悼刹捎每硕鞴剑?. 14 00. 36Re)0.55 Pr'3 -0-dew193 mm當量直徑，由正三角排列得:dedt2d 卅d04 (0. 03220.7850. 0252)3.140. 025.020 (m殼程流通截面積

16、:plSoBD1 p0. 80. 25(1 將0044殼程流體流速及其雷諾數分別為:275000. 21(m/s)u0=(3600 825)0. 0440. 020.21825Re=48460.000715普朗特準數Pr=10715100. 14011. 34 ；0.141粘度校正0. 1400 55/3-K)口36 花 48460.5511.33=1013.57 W/(m3.5.1.2管內表面?zhèn)鳠嵯禂礱 0. 023Re0'8 Rr0'4di管程流體流通截面積：S =0.785 X 0.022 X 356/4=0.028 (吊)管程流體流速及其雷諾數分別為：149632.4/

17、( 3600994)Ui=1.499 ( m/s)0. 0279Re=0.°2 h4990. 000725994 =40939.1普朗特準數pr=_107250. 62610 64. 73a=0.023 X0. 6260. 0240939.1 0.84. 730.4 =6560.4 W/ (m 2 K)3.5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻查有關文獻知可?。汗芡鈧任酃笩嶙鑂0=0.000172 m 2 K/W管內側污垢熱阻Ri=0.000344m K/W管壁熱阻查有關文獻知碳鋼在該條件下的熱導率為入=45 W/(m K)3.5.1.4計算傳熱系數doidiRsido dibdo0.0256

18、560. 40. 0200. 000340. 0250. 00250. 0250. 0200. 0225450. 0001721013 57=436.9 W/ (m- C)計算傳熱面積S:S=V95.8103 =121.3 (斥)K t m 436. 932該換熱器的實際傳熱面積:Sp = d0L(Nnc)=3.14 X 0.025 X (6-0.06) X (356-23)=155.273.5.1.5換熱器的面積裕度H=Sp S X 100%爐 12蟲 X 100%=28.01%S121. 3傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。3.5.2換熱器內流體的流動阻力3.5.2.1管程流體阻

19、力計算公式如下:藝 Pi= ( P1+AP2) NSNpFt;Ns=1, N p=4, Fs=1.4;l2 P1= i cT 專,際二由Re=41103.6,傳熱管相對粗糙度0.01/20=0.05，查莫狄圖得i=0.034(W/ (m2C ),流速 u=1.499m/s,p =994kg/m3，所以 R=0.038859941.2680.02 22-=10643.7 (Pa); P2=3 994=3130.5 (Pa)2藝 Pt= (10643.7+3130.5 ) X 1.4 X 1 X 4=77135.5 (Pa) <100 KPa管程流體阻力在允許范圍之內。3.5.2.2殼程阻力

20、藝 Po= ( R+A P2) FsNsFs=1.15 N=1 Pi= Ff 0nc(NB+1)UoF=0.5 f o=5X 41103.6-0.228=0.722nc=23N=23,U0=0.21m/s Pi=0.5 X 0.722 X 23X( 23+1)X 825X 0.212/2 3625 (Pa)流體流過折流板缺口的阻力 P2 =Nb (3.5-2B/D )2U。2B=0.25m; D=0.8m ;故厶 R=23X( 3.5-2 X 0.25/0.8 ) X 825 X 0.22/2 1202 (Pa), 則總阻力： P°=3625+1202=4827( Pa) <1

21、00 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 200X6冷卻循環(huán)水入口平面名稱管程殼程 200X6冷卻循環(huán)水出口平面物料循環(huán)水煤油 100X4煤油入口平面操作壓力，MPa 100X4煤油出口平面操作溫度，C30/40140/40流量，kg/h149632.46.105X 106流體密度，kg/m3994.3825流速，m/s0.9930.0784熱負荷，kW總傳熱系數，W/(m 2 -c )對流傳熱系數污垢熱阻，m2 c /W壓降，MPa程數推薦使用材料列管管子規(guī)格0 25X 2.5

22、1695.8263.94734350.40.0003440.0001720.02630.000370低碳鋼低碳鋼管數356管長，mm6000管間距，mm32排列方式正三角形圖 附 57X 3.5 . -排氣口平面折流板型式弓形水平間距，mm600切口咼度25%殼體內徑，mm800五、設計自我評價作為化工專業(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，進行適當的 設計訓練對于加深我對課程的理解是非常重要和有意義的。通過本次設計，我學會了如何根據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及數據。

23、 了解到了工藝設計計算過 程中要進行工藝參數的計算。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。首先，本次設計能夠順利完成，離不開羅老師的悉心指導和耐心講解，有了她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。老師傳授給我們的專業(yè)知識是我們不斷 成長的源泉，也是完成本設計的基礎。在跟隨老師學習的過程中，我們學到了掌握了全新而實 用的學術思想和設計方法。再次感謝羅老師在百忙之中抽出時間對本設計進行查閱和審核，我們在此表示衷心的感謝！本設計是我們第一次做化工原理課程設計，設計過程中我們逐步摸索， 反復推敲和修改，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，正是有你們在一