煤油冷卻器設計

河西學院He*iUniversity化工原理課程設計題目:煤油冷卻器設計學院:化學化工學院專業(yè):化學工程與工藝**:2014210033**:冠雄指導教師:王興鵬2016年11月21日化工原理課程設計任務書一、設計題目煤油冷卻器的設計二、設計任務及操作條件1.設計任務生產能力〔進料量〕25000噸/年操作周期7200小時/年2.操作條件煤油入口溫度120℃，出口溫度40℃冷卻介質自來水，入口溫度20℃，出口溫度40℃允許壓降≦105Pa冷卻水溫度20℃飽和水蒸汽壓力0.25Mpa(表壓)3.設備型式列管式換熱器4.廠址〔壓力：1atm〕三、設計容1.設計方案的選擇及流程說明2.換熱器的工藝計算3.換熱器的主要尺寸設計4.輔助設備選型5.設計結果匯總6.繪制換熱器總裝配圖：主視圖、俯視圖、剖面圖、兩個局部放大圖7.設計評述目錄1概述31.1化工原理課程設計的目的、要求31.2列管式換熱器及其分類31.3換熱器的設計要求31.4符號說明32確定設計方案32.1設計任務32.2列管式換熱器形式的選擇32.3管殼程的選擇32.4流體流速的選擇33列管式換熱器的構造33.1管程構造33.2殼程構造34列管式換熱器的設計計算34.1計算步驟34.2計算傳熱系數(shù)34.3計算傳熱面積35工藝構造尺寸的計算35.1管徑和管流速35.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)35.3平均傳熱溫差校正系數(shù)35.4傳熱管排列和分程方法35.5殼體徑35.6折流板35.7接收36換熱器核算36.1熱量核算36.2面積核算36.3換熱器流體的流動阻力37換熱器主要構造尺寸和計算結果38其他部件的選擇39設計評價3參考文獻3致3附圖煤油冷卻器設計冠雄摘要：換熱器在許多行業(yè)中有非常重要的地位，尤其是在化工、石油、等行業(yè)中。本次課程設計的任務是設計年處理25000噸煤油的煤油冷卻器，采用列管式換熱器。設計過程包括方案確定、換熱器構造選擇、主要換熱設計計算并繪制列管式換熱器的裝配圖。通過熱量核算，壓力降的核算以及面積裕度的求解，該換熱器能夠完成設計任務。關鍵詞：列管式換熱器折流板法蘭管板煤油水1概述1.1化工原理課程設計的目的、要求課程設計是化工原理課程教學中綜合性和實踐性較強的教學環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是使學生體察工程實際問題復雜性的初步嘗試，進展融會貫穿的獨立思考，在規(guī)定的時間完成指定的化工設計任務，從而得到化工設計的初步訓練通過課程設計，要求學生了解工程設計的根本容，掌握化工設計的主要程序和方法，培養(yǎng)學生分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設計，還可以使學生樹立正確的設計思路，培養(yǎng)實事、嚴肅認真、高度負責的科學作風。課程設計是學生展示創(chuàng)新能力的有益實踐。在設計中需要學生作出決策，即自己確定方案、選擇流程、查閱資料、進展過程和設備計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經過反復的分析和比擬，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設計。所以，課程設計是培養(yǎng)學生獨立工作能力、增強學生創(chuàng)新意識的環(huán)節(jié)。通過課程設計，應該提高以下幾個方面的能力：熟悉查閱文獻資料、搜索有關數(shù)據、正確選用公式。當缺乏必要數(shù)據時，尚需通過實驗測定或到生產現(xiàn)場實際查定。在兼顧技術上先進性、可靠性、經濟上合理性的前提下，綜合分析設計任務的要求，確定化工工藝流程，進展設備選型，并提出保證過程正常。平安運行所需要的檢測和計量參數(shù)，同時還要考慮改善勞動條件和環(huán)境保護的有效措施。準確而迅速地進展過程設計計算及主要設備的工藝設計計算。用精練的語言、簡潔的文字、清晰地圖表來表達自己的設計思想和計算結果。1.2列管式換熱器及其分類列管式換熱器是目前化工及酒精生產上應用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質，可分別采用普通碳鋼、紫銅或不銹鋼制作。在進展換熱時，一種流體由封頭的連接收處進入，在管流動，從封頭的另一接收處流出，這稱之管程；另一種流體由管殼的接收進入，從殼體的另一接收處流出，這稱之為殼程。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補償構造來分，主要由以下幾種：⑴固定管板式換熱器：這類換熱器的構造比擬簡單、緊湊、造價廉價，但管外不能機械清洗。當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。為了克制溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50QUOTE""_D_Dd__________Ze??________________""_""____________________________________________________________⑵浮頭式換熱器換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個頂蓋，稱之為“浮頭〞，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點是：管束可以拉出，以便清洗：管束的膨脹不受殼程約束，因而當兩種換熱器介質的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產生溫差應力。其缺點為構造復雜，造價高。⑶U型管式換熱器U型管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊板上，每根管子節(jié)課自由伸縮，從而解決熱補償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點是構造簡單，質量輕，適用于高溫高壓條件。⑷填料式換熱器這類換熱器管束一端可以自由膨脹，構造比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程介質有外漏的可能，殼程中不應處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質。1.3換熱器的設計要求隨著經濟的開展，各種不同型式和種類的換熱器開展很快，新構造、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應開展的需要，我國對*些種類的換熱器已經建立了標準，形成了系列。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下根本要求：⑴合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件；⑵構造平安可靠；⑶便與制造、安裝、操作和維修；⑷經濟上合理。1.4符號說明英語字母：希臘字母：A——流通面積，m2α——對流傳熱系數(shù)，W/〔m2?QUOTE〕b——厚度，mδ——相鄰板間間距，mQUOTE——定壓比熱容，kJ/(kg?QUOTE)Δ——有限差值d——管徑，mλ——導熱系數(shù)，W/〔m2?QUOTE〕D——換熱器殼徑，mλ——摩擦系數(shù)f——摩擦因數(shù)μ——QUOTEf——溫度校正系數(shù)ρ——密度，kg/m3F——系數(shù)ψ——校正系數(shù)g——重力加速度，m/s2h——擋板間距，mK——長度，mL——長度，mn——指數(shù)下標：n——管數(shù)c——冷流體n——程數(shù)e——當量N——程數(shù)h——熱流體Nu——努賽爾特數(shù)i——管P——壓強，m——平均P——因數(shù)o——管外QUOTE——普蘭特數(shù)QUOTE——溫度差q——熱通量，QUOTEw——壁面Q——傳熱速率，QUOTEs——污垢r——半徑，ms——飽和r——汽化熱，QUOTER——熱阻，QUOTER——因數(shù)——雷諾數(shù)S——面積，QUOTEt——冷流體溫度，QUOTEt——管心距，mT——熱流體溫度，QUOTEu——流速，m/sw——質量流量，QUOTE2確定設計方案2.1設計任務年處理25000噸煤油的沒有冷卻器⑴煤油：入口溫度120QUOTE""_D_⑵冷卻介質：自來水；入口溫度：20QUOTE""⑶允許壓降：105Pa⑷每年按7200小時計算，每天24h連續(xù)運行2.2列管式換熱器形式的選擇由于煤油和自來水兩流體定性溫度差等于50℃，根據各類型列管式換熱器的優(yōu)缺點，應選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。2.3管殼程的選擇⑴宜于通入管空間的流體①不清潔的流體。因為在管空間得到較高的流速并不困難，而流速高，懸浮物不易沉積，且管空間也便于清洗。②流量小的流體。因為管空間的流動截面往往比管外空間截面小，流體易于獲得必要的理想流速，而且也便于做成多程流動。③有壓力的流體。因為管子承受能力強，而且還簡化了殼體密封的要求。④腐蝕性能強的流體。因為只有管子及管箱才需用耐腐蝕性材料。而殼體及管外空間的所有零件均可用普通材料制造，所以價格可以降低。此外，在管空間裝設保護用的襯里或覆蓋層也比擬方便，并且容易檢查。⑤與外界溫差大的流體。因為可以減少熱量逸散。⑵宜于通入管間空間的流體①當兩流體溫度差較大時，α值大的流體走管間，這樣可以減少管壁與殼壁間的溫度差，因而也減少了管束與殼體間的相對伸長，故溫差應力可以降低。②假設兩流體傳熱性能相差較大，α值小的流體走管間。此時可以用翅片管來平衡傳熱面兩側的給熱條件，使之相互接近。由于循環(huán)冷卻水較易結垢，為便于水垢清洗，本次設計應使循環(huán)水走管程，油品走殼程。2.4流體流速的選擇提高流體在換熱器中的流速將增大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子外表上沉積的可能性，降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增加，所需傳熱面積減少，設備費用降低。但是流速增加，流動阻力將相應加大，使操作費用增加。所以適宜的流速應通過經濟核算確定。此外，流速還應使換熱器管長或管程適當。因為一方面管子太長，不易清洗，且一般管長都有一定標準。另一方面管程增加，將導致管程流體阻力加大，增加動力費用，同時平均溫差較單程管時減小，降低傳熱效果。因此，選用QUOTE""_""QUOTE3列管式換熱器的構造3.1管程構造⑴管子在管板上的固定管子與管板連接方法有兩種：脹接與焊接。在高溫高壓時也常采用脹焊結合的方法。脹接是利用脹管器使管端發(fā)生塑性變形，管板孔產生彈性變形。取出脹管器后管板孔彈性收縮，管板與管子之間就會產生一定的擠緊壓力，從而到達密封和結實連接的目的。對于高溫高壓流體，多采用焊接法。焊接法比脹管法有更大的優(yōu)越性：管板孔加工要求低，加工簡便；焊接強度高，在高溫高壓下仍能保持連接的嚴密性等。當流體壓力高、滲透性強，或一側有腐蝕性介質時，要求管子與管板的連接處絕對不漏，可用賬焊結合的方法。本次設計管子在管板上的固定采用焊接。⑵管子的排列固定管板式多采用正三角形排列：正三角形排列構造緊湊。浮頭式則以正方形錯列居多：正方形排列便于機械清洗。對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。本次設計選用QUOTE""√("")_D_Dd__________????⑶管板管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來，管板與管子的連接可用脹接和焊接。固定管板常采用不可拆連接。兩端管板直接焊在外殼上并兼作法蘭，拆下頂蓋可檢修脹口或清洗管。浮頭式，U型管式等為使殼體便于清洗，常采用板夾在殼體法蘭和頂蓋法蘭之間構成可拆連接。本次設計采用不可拆連接。查得管板厚度為38mm。⑷封頭和管箱封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。①封頭當殼體直徑較小時常采用封頭。接收和封頭可用法蘭和螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。②管箱殼徑較大的換熱器大多采用管箱構造。管箱具有一個可拆蓋板，因此在檢修或清洗管子時無須卸下管箱。③分程隔板當需要的換熱面積很大時，可采用多管程換熱器，對于多管程換熱器，在管箱應設分程隔板，將管束分為順次串接的假設干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質流速，增強傳熱。3.2殼程構造⑴殼體列管式換熱器的殼體根本上呈圓筒形，殼壁上焊有接收。直徑小于400mm通常直接采用鋼管制成：大于400mm時用鋼板卷焊而成。在殼程進口接收處常裝有防沖板或稱緩沖板，以防止進口流體直接撞擊管束上的管排，因為流體的撞擊會侵蝕管子，并引起振動。采用導流體裝置不僅能起防沖板作用，而且還可以改善兩端的流體分布，提高傳熱效率。導流體不僅用于進口，還可以用于出口。大型換熱器在高流速下工作時，導流筒更顯示出其優(yōu)越性。換熱器殼體徑應等于或略大于管板直徑。殼體經計算式：QUOTE式中D——殼體經a——管中心距，焊接法a=1.25do，do為傳熱管外徑QUOTE""_D_Dd___N——傳熱管總根數(shù)⑵折流擋板折流擋板的主要作用是引導殼程流體反復的改變方向做錯流流動，以加大殼程流體流速和湍動程度，致使殼程對流傳熱系數(shù)提高。另外，折流擋板還起了支撐管子的作用，防止管束振動和彎曲。折流擋板的形式有圓缺形，環(huán)盤形和孔流形。折流板的間隔，在允許的壓力圍希望盡可能小。一般推薦的折流板的間隔最小值為殼徑的1/5或者不小于50mm，最大值決定于支持管所必要的最大間隔。本次設計折流擋板間距為90mm。⑶緩沖板在殼程進口接收處常裝有防沖擋板，或稱緩沖板。它可防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動，還有是流體沿著管束均勻分布的作用。還有的在管束兩端放置導流筒，這不僅起防沖板的作用，還可改善兩端流體的分布，提高傳熱效率。⑷其他主要①旁通擋板如果殼體和管束間間隙過大，則流體不通過管束而通過這個間隙旁通，故往往采用旁通擋板。②假管為減少管程分程所引起的中間穿流的影響，可設置假管。③拉桿和定距管為了使折流板能牢靠的保持在一定位置上，通常采用拉桿和定距管。4列管式換熱器的設計計算4.1計算步驟⑴確定設計方案①由上述諸多條件，初步選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器②由于循環(huán)水易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，油品走殼程。選用QUOTE""_""QUOTE⑵確定物性參數(shù)定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。殼程油的定性溫度為管程流體的定性溫度為根據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關數(shù)據。煤油在80℃下的有關物性數(shù)據如下：密度QUOTE定壓比熱容QUOTE導熱系數(shù)粘度QUOTE循環(huán)冷卻水在30℃下的物性數(shù)據：密度QUOTE定壓比熱容QUOTE導熱系數(shù)粘度QUOTE4.2計算傳熱系數(shù)⑴熱流量QUOTE⑵平均傳熱溫差⑶冷卻水用量⑷總傳熱系數(shù)K管程傳熱系數(shù)：殼程傳熱系數(shù)：假設殼程傳熱系數(shù)污垢熱阻QUOTE，QUOTE管壁的導熱系數(shù)QUOTE4.3計算傳熱面積考慮15QUOTE""5工藝構造尺寸的計算5.1管徑和管流速選用QUOTE""_""""QUOTE5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據傳熱管徑和流速確定單程傳熱管數(shù)。按單程管計算，所需要的傳熱管長度為按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程構造。現(xiàn)取傳熱管長L=4.5m，則該換熱器管程數(shù)為：傳熱管總根數(shù)QUOTE5.3平均傳熱溫差校正系數(shù)按單殼程，四管程構造，溫差校正系數(shù)查有關圖表得QUOTE平均傳熱溫差QUOTE5.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距QUOTE，則：管板兩側管心距為44〔mm〕橫過管束中心線的管數(shù)QUOTE5.5殼體徑采用多管程構造，取管板利用率QUOTE""√(QUOTE圓整可取325mm5.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體徑的，則切去的圓缺高度為QUOTE""____取折流板間距QUOTE折流板數(shù)QUOTE""?""QUOTE"折流板圓缺面水平裝配。5.7接收殼程流體進、出口接收：取接收油品流速為1.0m/s，則接收徑為：取標準管徑為QUOTE管程流體進出口接收：取接收循環(huán)水流速為QUOTE""√((取標準管徑為QUOTE6換熱器核算6.1熱量核算⑴殼程對流傳熱系數(shù)。對圓缺性折流板，可采用凱恩公式：當量直徑，由正三角形排列得：殼程流通面積：殼程流體流速及雷諾系數(shù)分別為：普蘭特準數(shù)：黏度校正：⑵管程對流熱系數(shù)：管程對流截面積：管程流體流速：普蘭特準數(shù)：⑶傳熱系數(shù)K6.2面積核算⑴傳熱面積S⑵該換熱器的實際傳熱面積QUOTE⑶該換熱器的面積裕度為：傳熱面積適宜，該換熱器能夠完成生產任務。6.3換熱器流體的流動阻力⑴管程流動阻力QUOTEQUOTEQUOTE由Re=5967，傳熱管相對粗糙度0.01/20=0.005，查莫狄圖得QUOTE=0.04，流速QUOTEQUOTE管程流動阻力在允許圍。⑵殼程阻力QUOTE=1，QUOTE=1.15①流體流經管束的阻力：F=0.4QUOTE=8，QUOTE=49，QUOTE=0.21〔m/s〕②流體流過折流板缺口的阻力：B=0.09〔m〕，D=0.3〔m〕總阻力殼程流動阻力也比擬適宜。7換熱器主要構造尺寸和計算結果換熱器形式固定管板式換熱面積/m216.73工藝參數(shù)名稱物料名稱操作壓力/MPa操作溫度/QUOTE流量/〔kg/h〕管程循環(huán)水0.420/407547殼程油0.3120/403472流體密度/QUOTE995.7781流速/〔m/s〕0.240.21傳熱量/kW176總傳熱系數(shù)/333傳熱系數(shù)/1464599污垢系數(shù)/QUOTE0.00020.00017阻力降/MPa0.001920.005137程數(shù)41推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格管數(shù)56管長4500mm管間距/mm32排列方式正三角形折流板形式上下間距/mm90切口高度25QUOTE殼體徑/mm3258其他部件的選擇⑴封頭管箱采用標準橢圓封頭與筒體短節(jié)焊接的組合體，及分程擋板。分程擋板厚度8mm，分程形式如圖1所示〔隔板兩側管心距c=44mm〕：圖1分程示意圖其中標準橢圓封頭EHA的徑di=325mm，厚度QUOTE=8mm，查標準有直邊高度h=25mm。筒體短節(jié)取其長度L=200mm。由校核其厚度滿足要求。如圖2所示封頭形式：圖2封頭形式h=25mm，，H=106.25mm，DD=325mm，QUOTE__⑵法蘭管板厚度h=38mm，兼作法蘭，其尺寸要求與容器法蘭對應。管板〔帶法蘭〕各尺寸及標準如圖3所示：圖3管板法蘭示意圖其中：D=460mm，D1=410mm，D2=309mm，D4=363mm，