煤油冷却器设计

课程设计报告(2016—2017年度第一学期)名称：化工原理题目：煤油冷却器的设计院系：环境科学与工程学院班级：能化1402学号：201405040207学生姓名：冯慧芬指导教师：朱洪涛设计周数：1成绩：日期：2016年11月目录一．任务书1.1目的与要求1.2.主要内容二．设计方案简介2.1.换热器概述2.2列管式换热器2.3.设计方案的拟定三．工艺计算及主体设备设计3.1热量设计3.1.1.初选换热器的类型3.1.2.管程安排（流动空间的选择）及流速确定3.1.3.确定物性数据3.1.4.计算总传热系数3.1.5.计算传热面积3.2工艺结构设计3.2.1管径和管内流速3.2.2管程数和传热管数3.2.3平均传热温差校正及壳程数3.2.4传热管排列和分程方法3.2.5折流板3.2.6壳程内径及换热管选型汇总3.3换热器核算3.3.1热量核算3.3.2压力降核算四．辅助设备的计算及选型4.1封头4.2缓冲挡板4.3放气孔、排液管4.4假管4.5拉杆和定距管4.6膨胀节4.7接管五．设计结果一览表六．心得体会七．参考文献八．主体设备的工艺条件图一．任务书1.1目的与要求1.要求学生能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成列管换热器设计任务。2.使学生了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的主要程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。3.熟悉和掌握查阅技术资料、国家技术标准，正确地选用公式和数据。1.2主要内容1.2.1处理能力：25000kg/h煤油1.2.2设备型式：列管换热器1.2.3操作条件：煤油：入口温度：140℃出口温度：40℃冷却介质：自来水入口温度：30℃出口温度：40℃允许压强降：不大于100kPa煤油定性温度下的物性参数：密度825kg/m3粘度7.15×10-4Pa·s比热容2.22kJ/kg·℃导热系数0.14W/m·℃水定性温度下的物性参数：密度994kg/m3粘度7.28×10-4Pa·s比热容4.174kJ/kg·℃导热系数0.626W/m·℃1.2.4主体设备工艺条件图。二．设计方案简介2.1.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。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。2.2列管式换热器列管式换热器又称管壳式换热器，在化工生产中被广泛应用。它的结构简单、坚固、制造较容易，处理能力大，适应性能，操作弹性较大，尤其在高温、高压和大型装置中使用更为普遍。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6×105Pa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。2.3设计方案的拟定根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热器的固定管板式换热器；再根据冷热流体的性质，判断其是否容易结垢，来选择管程走什么，壳程走什么。本设计中选择使循环工业硬水走管程，煤油走壳程。任务书中已知冷热流体的物性数据，有比热容，密度，粘度，导热系数等。计算出总传热系数，再计算传热面积。根据管径，管内流速确定传热管数，算出传热管程，传热管总根数等。然后校正传热温差及壳程数，确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤，计算出壳体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等；接着再对换热器的热量，官称对流传热系数，传热系数，传热面积进行核算，再算出面积裕度，最后，对流体的流动阻力进行计算。三．工艺计算和主体设备设计3.1热量设计3.1.1初选换热器类型两流体的温度变化情况如下：（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40℃；该换热器用循环冷却自来水进行冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计所需换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，需考虑热膨胀的影响，相应地进行热膨胀的补偿，故而初步确定选用带有膨胀节的管板式换热器。3.1.2管程安排及流速确定已知两流体允许压强降不大于100kPa；两流体分别为煤油和自来水。与煤油相比，水的对流传热系数一般较大。由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，考虑到散热降温方面的因素，应使循环自来水走管程，而使煤油走壳程。选用Φ25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=1.5m/s。列管式换热器内的适宜流速范围流体种类流速/（m/s）管程壳程一般液体0.5~30.2~1.5易结垢液体10.5气体5~303~153.1.3确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。壳程流体（煤油）的定性温度为：℃90240140T管程流体（硬水）的定性温度为：℃3524030t根据定性温度，可分别查取壳程和管程流体的有关物性数据,但任务书已经给定了。3.1.4计算总传热系数(1).煤油的流量Wh=25000kg/hWh----热流体的流量，kg/h；(2).热流量由以上的计算结果以及题目已知，代入下面的式子，有：Q=WhCph(T1-T2)=25000Kg/h×2.22kJ/kg.℃×（140-40）℃=5550000KJ/h=1541.7kW(3).平均传热温差计算两流体的平均传热温差，先按单壳程、多管程计算逆流时，我们有煤油：140℃→40℃水：40℃←30℃从而Δtm＇=304040140ln30-40-40-140=39℃103040401402121ttTTR091.03014030401112tTttP查有关温差校正系数表，可得温度校正系数82.0t，所以校正后温度为0.3282.00.39'tmmtt，又因为82.0t0.8，故可选用单壳程的列管式换热器。又因T-t=55℃50℃,所以应选择补偿圈补偿热方式，在固定管板上加膨胀节。(4).冷却水用量由以上的计算结果以及已知条件，很容易算得：Wc=)(12ttCQpc=132966)3040(174.45550000kg/h(5).总传热系数K选择时，除要考虑流体的物性和操作条件外，还应考虑换热器的类型。1.管程传热系数：Re1=5.40961000728.09945.102.0iiiiudPr1=85.4626.0000728.04174iipcαi=0.0234.08.0)()(iipiiiiiicudd=0.0234.08.04.018.01e85.45.4096102.0626.0023.0)(Pr)(Riid=6629.3W/m2•℃2.壳程传热系数：假设壳程的传热系数是：o=600W/m2•℃污垢热阻：Rsi=0.000344m2℃/WRso=0.000172m2℃/W管壁的导热系数：=45m2℃/W管壁厚度：b=0.0025内外平均厚度：dm=0.0225在下面的公式中，代入以上数据，可得osoioiosiiioRdbdddRddK11=395.8℃）2/(mW(6).计算传热面积由以上的计算数据，代入下面的公式，计算传热面积：27.1210.328.3951541700'mtKQSm考虑15%的面积裕度，则：2140'15.1mSS3.2工艺设计3.2.1管径和管内流速选用Φ25×2.5的碳钢管，管长6m，管内流速取ui=1.5m/s。3.2.2管程数和传热管数根据传热管的内径和流速，可以确定单程管子根数：ns=)(799.785.102.0785.0)9943600/(132966422根iiiudV按单程计算，所需传热管的长度是：mndSLso2379025.014.3140若按单程管计算，传热管过长，宜采用多管程结构，可见取传热管长l=6m，则该传热管程数为：（管程）4623lLNp则传热管的总根数为：)(316794根sPnNN3.2.3平均传热温差校正及壳程数Δtm＇=304040140ln30-40-40-140=39℃此时：平均传热温差校正系数103040401402121ttTTR091.03014030401112tTttP按单壳程，多管程结构，查有关温差校正系数表，以1/R代替R，PR代替P，查同一直线，可得温度校正系数82.0t，所以校正后温度为0.3282.00.39'tmmtt，又因为82.0t0.8，故可选用单壳程的列管式换热器。3.2.4.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t=1.25d0，则)(3225.312525.1mmt横过管束中心线的管数根）(2231619.119.1Nnc3.2.5壳程内径和换热管的选型汇总(1)采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体内径为mmNtD7147.03163205.105.1圆整可取D=800mm3.2.6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25%,则切去的圆缺高度为h=0.25×800=200mm故可取h=200mm，取折流板间距B=0.3D,则B=0.3×800=240mm，可取B为250mm。折流板数（块）折流板间距传热管长231-25060001-BN折流板圆缺水平装配。3.2.7壳程内径及换热管选型汇总外壳直径D800mm管排方式—正三角形管程流通面积S0.025m2公称面积S140m2管数n316管程数4管长L6m管尺寸碳钢管）(5.225mm中心距32mm3.3换热器核算3.3.1热量核算（1）壳程对流传热系数对圆缺形的折流板，可采用克恩公式：14.03/155.000)()()(36.0wpeecudd计算壳程当量直径，由正三角形排列可得：342ed200（t-d）4d=025.014.3)025.0785.0032.023(422=0.020m壳程流通截面积：200042.0)032.0025.01(8.024.0)1(mtdBDS壳程流体流速为：由于管为三角形排列，则有smSqSqumvo/20.0042.0)8253600/(250000000由于管为三角形排列，则有mddtde0202.0025.014.3)025.0032.0(4)(42422302042230雷诺准数为：54.4661000715.082520.00202.0R00000eude普朗特准数：34.1114.0000715.02220P00rc粘度校正1)(14.0w14.03/155.000)()()(36.0wpeecudd