课程设计——煤油冷却器.doc

化工原理课程设计

题 目 煤油冷却器
学院名称 化学化工学院
指导教师
职 称 教授
班 级
学 号
学生姓名

2015年9月8日

目录
目录
目录 II
前言 III
概述 1
第二章 设计任务与条件 4
第三章 工艺设计 5
3.1生产条件的确定 5
3.2换热器的设计计算 5
3.2.1确定设计方案 5
3.2.2确定物性数据 5
3.2.3计算总传热系数 6
3.2.4计算传热面积 7
3.2.5工艺结构尺寸 7
3.2.6换热器核算 9
第四章 设计结果列表 13
4.1换热器主要结构尺寸和计算结果 13
4.2设计结果的讨论 14
结束语 15
参考文献 16
符号说明 17
附 录 18

前言
煤油一般是通过对石油进行分馏而制得，刚刚分馏得到的煤油温度会比较高，不利于保存和运输等，需要进行冷却。在工业大生产过程中自然冷却远远达不到煤油冷却的时间要求，选用低温水进行冷却是比较好的冷却方式。设计性能优良的冷却器就十分的必要了，本文通过大量数据运算得到的理论冷却器比较接近现实生产要求，有待于进一步的实践证实和运用。
关键词：煤油；水；换热器
概述
在化工、石油、能源、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,它们也是这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。; }$ m: s0
    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，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。
7 U6 m) N+ d7 G列管式换热器有以下几种：4P# r& ]; a. d
C9 q4 P* r' k" C7 r
1、浮头式
" F" a/ \' b* W   换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完佺消除了温差应力。
. W: s0 \- l4 z% G9 d   特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，消除温差应力，应用普遍。
设计评述：
1.在换热器选型的时候，考虑各种常用的换热器优缺点：
⑴固定板式换热器：结构简单，在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑，使壳侧清洗困难。当管子与壳体壁温相差大于50°C时，应在壳体上设置温差补偿--膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应力。但是当壳体与管子的温差大于60°C及壳程压力超过时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿作用，就应考虑其他结构。
⑵U型管式换热器：其结构特点是只有一个管板。换热管为U形，管束可以自由伸缩，当壳体与U型换热管有温差时，不会产生温差应力。密封面少，运行可靠，造价较低，管间清洗较方便。但是由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率低；管束最内层管间距较大，壳程易短路；内层管子坏了不能更换，因而报废率较高。一般用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢而管程介质清洁以及高温高压、腐蚀性强的场合。
⑶浮头式换热器：当换热管与壳体有温差存在时，壳体与换热管膨胀，互不约束，不会产生温差应力，管内与管间的清洗均方便。但是由于结构复杂、笨重，造价较高，适用于壳体与管束间温差较大，或壳程介质易结垢的场合。
在综合各方面因素，该设计任务的管束与壳体的平均温度差，同时壳程压力为，都不是很大，因此选择造价较低的带膨胀圈的固定管板是换热器，在经济的情况下能达到生产任务需求。
2. 冷却过程中最好采用容积较大的贮槽或者直接采用小型水库，这样可以充分使循环水冷却。
3. 泵的选型，由于泵所提供的流量Q与扬程H均稍大于管路系统要求值，所以应减小标准阀的开度，藉此增大管路长度当量，从而使轴功率N增大。
设计总评：对于该生产任务，这个设计还有诸多不足需要弥补。例如，循环水为以结垢的流体，最好选择大管径的换热管，但是考虑到流速，选择了小管径的换热管；所设计的换热器不在固定管板式换热器的系列标准之内，制造比较麻烦；
泵的吹入管等管路有点短，若是直接以水库中的水作为循环水，则设备距离不够。等等。此次设计是以理论作为指导，难免会有以上疏漏，希望在老师的指导下，能以实践作为基础，进一步完善有关化工知识。

第二章 设计任务与条件
原料：煤油，水
处理量：25万吨／年
原料温度：入口温度145oC，出口温度40oC
冷却介质：循环水，入口温度30oC，出口温度40oC
生产时间：300天∕年，每天24h连续运行
允许压降不大于105Pa

第三章 工艺设计
3.1生产条件的确定
设计一列管式煤油换热器，完成年冷却17wt煤油的任务，具体要求如下：煤油进口温度145℃，出口温度40℃；冷流体进口温度30℃，出口温度40℃；每年按300天计，24小时/天连续进行。
3.2换热器的设计计算
3.2.1确定设计方案
（1）选择换热器类型
两流体温度变化情况：热流体进口温度145℃，出口温度40℃；冷流体进口温度30℃，出口温度40℃。由于该换热器的管壁温度和壳体温度有较大温差，选用浮头式换热器。
(2)流动空间及流速的确定
实际生产中，冷却水一般为循环水，而循环水易结垢，为便于清洗，应采用冷却水走管程，煤油走壳程。选用φ25×2.5的碳钢管，管内流速设为ui=0.5m/s。
3.2.2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：
T= =92.5（℃）
管程流体的定性温度：
t==35(℃)
根据定性温度，分别插取壳程和管程流体的有关物性数据。
煤油在92.5℃的有关物性数据如下：
密度 ρ0=825kg/m3
定压比热容 Cpo=2.22kJ/(kg×℃)
导热系数 λo=0.140W/(m×℃)
粘度 υo=0.000715Pa×s
冷却水在35℃的有关物性数据如下：
密度 ρi=994kg/m3
定压比热容 Cpi=4.08kJ/(kg×℃)
导热系数 λi=0.626W/(m×℃)
粘度 υi=0.000725Pa×s
3.2.3计算总传热系数
（1）煤油传热热量和流量

Qo=moCpoto= =2248KW
（2）平均传热温差
(℃)
（3）冷却水用量
（kg/h）
（4）总传热系数
1)管程传热系数

2)壳程传热系数
假设壳程的传热系数 W/（m2×℃）
污垢热阻
Rsi=0.000344m2×℃/W
Rso=0.000172m2×℃/W
管壁的导热系数

3.2.4计算传热面积

考虑15%的面积裕度，S=1.15S’=1.15247.2=284.3
3.2.5工艺结构尺寸
（1）管径和管内流速
选用φ25×2.5传热管（碳钢），取管内流速
（2）管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数
（根）
按单程管计算，所需的传热管长度

按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。取传热管长L=6m,则该换热器管程数为
（管程）
传热管总根数 (根)
（3）平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数

按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表可得

平均传热温差

（4）传热管排列和分程方法
采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。
取管心距，则

横过管束中心线的管数
（根）
（5）壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径

圆整可取
（6）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，则切去的圆缺高度为。
取折流板间距，则
B取330mm
折流板数 块
折流板圆缺水平装配。
（7）接管
壳程流体进出口接管：取接管内循环油品流速为，则接管内径为

取标准管径为。
管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为，则接管内径为

3.2.6换热器核算
（1）热量核算
1)壳程对流传热系数
对圆缺形折流板，可采取克恩公式

当量直径，由正三角形排列得

壳程流通截面积

壳程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

粘度校正

2)管程对流传热系数

管程流通截面积

管程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

3)传热系数

4)传热面积

该换热器的实际传热面积

该换热器的面积裕度

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
（2）换热器内流体的流动阻力
1）管程流动阻力

，，
，
由，传热管相对粗糙度，查莫狄图得，流速，，所以
，
，

管程流动阻力在允许范围之内。
2）壳程阻力

，
流体流经管束的阻力

流体流过折流板缺口的阻力
，

，
总阻力

壳程流动阻力也比较合适。
第四章 设计结果列表
4.1换热器主要结构尺寸和计算结果
表1 换热器主要结构尺寸和计算结果
换热器型式：浮头式列管换热器
换热器面积（㎡）：284.3
工艺参数
名称
管程
壳程
物料名称
循环水
煤油
操作压力，MPa
0.1
0.03
操作温度，℃
30/40
40/145
流量，kg/h
5501160
198284
流体密度，kg/
994
825
流速，m/s
0.499
0.147
传热量，kw
108
总传热系数，w/㎡·k
308
对流传热系数，w/㎡·k
2732.8
470.6
污垢系数，㎡·k/w
0.000344
0.000172
阻力将，Pa
4918.2
2629.86
程数
2
1
使用材料
碳钢
碳钢
管子规格
Φ
管数 603
管长，mm
6000
管间距，mm
32
排列方式
正三角形
折流挡板型式
上下
间距，mm
100
切口高度25%
壳体内径，mm
330
保温层厚度，mm

4.2设计结果的讨论
换热器的种类繁多，不同的换热器由其各自的优点和使用局限。本课程设计中选用浮头式换热器，这种换热器相比其他换热器有以下几点明显的优势：
1. 管束可抽出，以方便清洗管、壳程；
2. 介质间温差不受限制；
3. 可在高温、高压下工作；可用于结垢比较严重的场合；
4. 可用于管程易腐蚀的场合。
但同时也有一些缺点，例如，造价高、结构复杂等等。

结束语
经过几天的努力终于完成了本次课程设计。课程设计不只是对这几年来所学知识的单纯总结，同时也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。通过这次的设计，发现我们要学的东西还很多，不能眼高手低。在以后的学习生活中也要像这样不断在实践中提高自己的综合素质。本次设计在遇到困难时总是我们四个组员一起讨论和查看参考文献，既而进行攻坚，所以在此感谢我的团队，感谢帮助我的同学们。
在这次的课程设计过程中我感觉我理论运用于实际的能力得到了提高，主要有以下几点：
（1）掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据的能力；
（2）树立了既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到了操作时的劳动条件和各方面的因素的正确的设计思想，在这种思想的指导下去分析和解决问题的能力；
（3）培养了迅速准确的进行工程计算的能力；
（4）学会了用简洁的文字和清晰的图纸来表达自己思想的能力；
（5）队员之间相互合作，了解了团队的力量。

参考文献
[1] 王志魁，刘丽英，刘伟．化工原理 [M]（第四版）．北京：化学工业出版社，2010．5
[2] 刘巍，冷换设备工艺计算手册［M］北京：中国石化出版社，2003
[3] 贾绍义，柴诚敬主编．化工原理课程设计［M］．天津：天津大学出版社，2002
[4] 化工过程及设备设计［M］．广州：华南工学院出版社，1986
[5] 李功样，陈兰英，崔英德主编．常用化工单元设备设计［M］．广州：华南理工大学出版社，2003
[6] 涂伟萍，陈佩珍，程达芬主编．化工工程及设备设计［M］．北京：化学工业出版社，2000　

符号说明
英文字母
B——折流板间距，m； Re——雷诺准数；
C——系数，无量纲； S（或A）——传热面积，m²
d——管径，m； t——冷流体温度，°C；
D——换热器外壳内经，m a（或t）——管心距，m
f——摩擦系数； T——热流体温度，°C；
F——系数； u——流速，m³/s
h——圆缺高度，m W（或）——质量流体，kg/s
K——总传热系数，W/(m².°C) V（或）——体积流量，m³/s
L——管长，m 希腊字母：
m——程数； α——对流传热系数，W/(m².°C)
n——指数、管数、程数； Δ——有限差值；
N——管数、程数； λ——导热系数，W/(m. °C)
——折流板数； μ——黏度，.s
——努赛尔特准数； ρ——密度，kg/m³;
P——压力，Pa Ψ——校正系数。
因数； 下标；
Pr——普兰特准数； c——冷流体；
q——热通量，W/m²; h——热流体；
Q——传热速率，W； i——管内；
r——半径，m； m——平均；
汽化潜热，kJ/kg; o——管外；
R——热阻，m².°C/W; s——污垢。
因数；

附 录

17