化工设计煤油冷却器.docx
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化工设计煤油冷却器
化工设计
说明书
设计题目:
煤油冷却器的设计
专业班级:
设计人:
学号:
指导老师:
时间:
刖言
化工原理课程设计是化工原理教学的一个重要环节,是综合应用本门课程和有关先修课
程所学知识,完成以单元操作为主的一次设计实践。
通过课程设计使学生掌握化工设计的基
本程序和方法,并在查阅技术资料、选用公式和数据、用简洁文字和图表表达设计结果、制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练,在设计过程中能够培养学生树立正确
的设计思想和实事求是、严肃负责的工作作风。
化工原理课程设计是化工原理课程教学的一个实践环节,是使学生得到化工设计的初步训练,为毕业设计奠定基础。
其基本内容为:
(1)设计方案简介:
对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。
(2)主要设备的工艺设计计算(含计算机辅助计算):
物料衡算,能量衡量,工艺参数的选定,设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算。
(3)辅助设备的选型:
典型辅助设备主要工艺尺寸的计算,设备的规格、型号的选定。
⑷工艺流程图:
以单线图的形式绘制,标出主体设备与辅助设备的物料方向,物流量、能流量,主要测量点。
(5)主要设备的工艺条件图:
图面应包括设备的主要工艺尺寸,技术特性表和接管表。
(6)设计说明书的编写。
设计说明书的内容应包括:
设计任务书,目录,设计方案简介,工艺计算及主要设备设计,辅助设备的计算和选型,设计结果汇总,设计评述,参考文献。
整个设计由论述,计算和图表三个部分组成,论述应该条理清晰,观点明确;计算要求方法正确,误差小于设计要求,计算公式和所有数据必需注明出处;图表应能简要表达计算的结果。
在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,且是上述这些行业的通用设备,占有十分重要的地位。
随着我国工业的不断发展,对能源利用、开发和节约的要求不断提高,因而对换热器的要求也日益加强。
换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃,一些新型高效换热器相继问世。
完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求:
(1)合理地实现所规定的工艺条件;
(2)结构安全可靠;
(3)便于制造、安装、操作和维修;
(4)经济上合理。
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
型的换热器各有优缺点,性能各异。
在换热器设计中,首先应根据工艺要求选择适用的类型,然后计算换热所需传热面积,并确定换热器的结构尺寸。
第一章设计任务书
设计题目:
煤油冷却器的设计
二
设计任务及操作条件
1.
处理能力:
15+0.1*2*34=23.8万吨/年煤油
2.
设备形式:
列管式换热器
3.
操作条件
(1)煤油:
入口温度140C,出口温度40C
(2)冷却介质:
自来水,入口温度25C,出口温度40C
(3)允许压强降:
不大于100kPa
(4)煤油定性温度下的物性数据:
密度825kg/m3,黏度7.15xi0-4Pa.s,比热容
2.22kJ/(kg.C),导热系数0.14W/(m.C)
(5)每年按330天计,每天24小时连续运行
三选择适宜的列管式换热器并进行核算
1、传热计算
2、管程计算及管程结构计算
3、壳程计算及壳程结构计算
4、阻力计算
四绘制换热器装配图(A4图纸)
第二章设计方案简介
设计目的
课程设计是化工原理课程教学中综合性和实际性较强的教学环节,是理论联系实际的桥梁,是使学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试。
通过化工原理课程设计,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指
定的化工设计任务,从而得到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。
同时,通过课程设计,还可以培养学生树立正确的设计思想,培养实事求是,严肃认真,高度负责的工作作风。
二、该设备的作用及在生产中的应用
换热器是实现传热过程的基本设备。
而此设备是比较典型的传热设备,它在工业中的应
用十分广泛。
例如:
在炼油厂中作为加热或冷却用的换热器、蒸馏操作中蒸馏釜和冷凝器、化工厂蒸发设备的加热室等。
三、工艺流程示意图
饱和水蒸气应从换热器壳程上方进入,冷凝水由壳程下方排出,冷却水从换热器下方的
入口进入,上方的出口排除。
四、说明运用该设备的理由
这种换热器的特点是壳体和管板直接焊接,结构简单、紧凑。
在同样的壳体直径内,排
管较多。
管式换热器具有易于制造、成本较低、处理能力达、换热表面清洗比较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点,由于两管板之间有管子相互
持撑,管板得到加强,故在各种列管换热器中他的管板最薄,其造价比较低,因此得到了广
泛应用。
五、设备的结构特点
该结构能够快速的降低物料的温度,工作时热流体走壳程,冷流体走管程,使接触面积大大增加,加快了换热速度。
同时,对温差稍大时可在壳体的适当部位焊上补偿圈(或称膨
胀节),通过补偿圈发生弹性变形(拉伸或压缩)来适应外壳和管束不同的膨胀程度。
六、设计方案的确定
(1)对于列管式换热器,首先根据换热流体的腐蚀性或其它特性选项定其结构材料,然后再根据所选项材料的加工性能,流体的压强和温度、换热的温度差、换热器的热负荷、安装检修和维护清洗的要求以及经济合理性等因素来选项定其型式。
设计所选用的列管换热器的类型为固定管板式。
列管换热器是较典型的换热设备,在工
业中应用已有悠久历史,具有易制造、成本低、处理能力大、换热表面情况较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点,故在大型换热器中占优势。
固定管板式列管换热器的特点是,壳体与管板直接焊接,结构简单紧凑,在同样的壳体直径
内排管最多。
由于两管板之间有管板的相互支撑,管板得到加强,故各种列管换热器中它的
管板最薄,造价最低且易清洗。
缺点是,管外清洗困难,管壁与壳壁之间温差大于50C时,
需在壳体上设置膨胀节,依靠膨胀节的弹性变形以降低温差压力,使用范围仅限于管、壳壁
的温差不大于70C和壳程流体压强小于600kpa的场合,否则因膨胀节过厚,难以伸缩而失去温差补偿作用。
(2)工艺流程图
(3)流体流经的空间:
冷却水走管程原因有以下几个方面,冷却水常常用江水或井水,比较脏硬度较高,受热容易结垢,在管内便于清理,此外,管内流体易于维持高速,可避免
悬浮颗粒的沉积。
管程可以采用多管程来增大流速,用以提高对流传热系数。
被加热的流体
应走管程,以提高热的有效利用,被冷却的流体走壳程,以便于热量散失。
饱和蒸汽由于比
较清洁应于壳程流过,易便于冷凝液的排出。
综上所述冷却水走管程蒸汽走壳程。
(4)流体的流动方向选择:
饱和水蒸气应从换热器壳程上方进入,冷凝水从壳程的下方排出,这样既便于冷凝水的排放,又利于传热效率的提高;冷却水一般从换热器的下方的
入口进入,上方的出口排出,可减少冷却水流动中的死角,以提高传热面积的有效利用•故采用逆流•
(5)流速的选择:
换热器内流体的流速大小,应有经济衡算来决定•增大器内流体的流速,可
增强对流传热,减少污垢在换热管表面上沉积的可能性,即降低了污垢的热阻,使总传热系数
增大,从而减少换热器的传热面积和设备的投资经费,但是流速增大,又使流体阻力增大,动力
消耗也就增多,从而致使操作费用增加,若流速过大,还会使换热器产生震动,影响寿命,因此选取合适的流速是十分重要的•
(6)冷却剂及出口温度的确定:
选取水做冷却剂,它们可以直接取自大自然,不必特别加工•由于水源丰富,可以降低传热面积,减少设备费用,故取出口温度为25C•
第三章设计条件及主要物性参数
-、设计条件
依据GB151-98对热交换器进行工艺计算,掌握热交换器的工艺设计过程。
要求:
1、选择换热管的规格,管子的布置方式,折流板的形式和间距,壳体的内径,管程和壳程的压降,接管的大小。
2、做出换热器工艺计算结果的结构图。
3、作出布管图。
4、按照工艺计算的过程,写出详细的换热器工艺计算说明书。
二、初步设计
1、选择换热器的类型:
两流体温度变化情况:
热流体进口温度140C,出口温度40C;冷流体(循环水)进口温度30C,出口温度40C.由于该换热器用循环冷却水冷却,冬季操作时进口温度会降低,考虑到这一因素,估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大,因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。
2、流体空间及流速的确定:
根据流体流径选择的基本原则,循环冷却水易结垢,而固定管板式换热器的壳程不易清洗,且循环冷却水的推荐流速应大于煤油的推荐流速,故选择循环冷却水为管城流体,煤油为壳程流体。
根据流体在直管内常见适宜流速,
管内循环冷却水的流速初选为5=1.0m/s用$25x2.5mm的碳钢管(换热
管标准:
GB8163)。
三、主要物性参数
表1设计基础数据
项目
煤油进口温度
煤油出口温度
水进口
温度
水出口
温度
煤油工作
表压力
水工作表压力
煤油流量
符号
t1
II
t2
11
t2
P1
P2
M1
单位
C
C
C
C
MPa
MPa
Kg/h
数值
140
40
25
40
1.0
0.6
30051
1、煤油的物性参数:
x「匕140+40“
煤油定性温度:
tm「2二2=90C
表2煤油物性参数
温度
密度
热容
粘度
导热系数
(匸)
(kg/m3)
(kJ/(kg-C)
(*104Pas)
(W/(m-C)
90
825
2.22
7.15
0.14
煤油普兰德数P”二UC巴二7.15*1°*2.22*io3=11.34
入0.14
2、水的物性参数
IH
水的定性温度:
tm2二匕乞=2540=32.5;C
22
有参考文献6查饱和水物性参数得:
表2-3水的物性参数
温度
密度
热容
粘度
导热系数
(C)
(kg/m3)
(kJ/(kg
•C)
(*104Pas)
(W/(m-C)
30
995.7
4.174
8.015
0.618
40
992.6
4.174
6.533
0.635
32.5
995
4.174
7.645
0.622
32.5C时水的物性参数为:
、32.5—30
込=995.7(995.7-992.6)=995
40-30
二801.5-一一(801.5—653.3)10^=7.64510*巳S
IL40-30
2\61.8-40^30-理5-6「8)仿“622
0.622
水的普兰德数Pr2^^Cp^^7.645*10*4.174*10^5.13
'-2
第四章工艺计算及主体设备设计
一列管换热器介绍
列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。
它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。
列管式换热器又称为管壳式换热器,是最典型的间壁式换热器。
优点:
单位体积设备所能提供的传热面积大,传热效果好,结构坚固,可选用的结构材
料范围宽广,操作弹性大,大型装置中普遍采用。
结构:
壳体、管束、管板、折流挡板和封头。
一种流体在管内流动,其行程称为管程;
另一种流体在管外流动,其行程称为壳程。
管束的壁面即为传热面。
列管式换热器,按材质分为碳钢列管式换热器,不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种,按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器,按结构分为单管
程、双管程和多管程,传热面积1〜500m2,可根据用户需要定制。
在进行换热时,一种流体由封头的连结管处进入,在管流动,从封头另一端的出口管流出,这称之管程;另-种流
体由壳体的接管进入,从壳体上的另一接管处流出,这称为壳程。
固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体,当两流体的温度差较大时,在外
壳的适当位置上焊上一个补偿圈(或膨胀节)。
当壳体和管束热膨胀不同时,补偿圈
发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。
固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。
固定管板式
换热器的结构特点是在壳体中设置有管束,管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定
在管板上,两端管板直接和壳体焊接在一起,壳程的进出口管直接焊在壳体上,管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固,管程的进出口管直接和封头焊在一起,管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。
这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。
这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜,但壳程清洗困难,对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。
此种换热器管束连接在管板上,管板分别焊在外壳两端,并在其上连接有顶盖,顶盖和壳体装有流体进出口接管。
通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。
同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的,而管内管外是两种不同温度的流体。
因此,当管
壁与壳壁温差较大时,由于两者的热膨胀不同,产生了很大的温差应力,以至管子扭弯或使管子从管板上松脱,甚至毁坏换热器。
为了克服温差应力必须有温差补偿装置,一般在管壁与壳壁温度相差50C以上时,为
安全起见,换热器应有温差补偿装置。
但补偿装置(膨胀节)只能用在壳壁与管壁温差低于
60〜70C和壳程流体压强不高的情况。
一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚,难以
伸缩,失去温差补偿的作用,就应考虑其他结构。
固定管板式换热器的特点
1、旁路渗流较小;
2、造价低;
3、无内漏;
固定管板式换热器的缺点是,壳体和管壁的温差较大,易产生温差力,壳程无法清洗,
管子腐蚀后连同壳体报废,设备寿命较低,不适用于壳程易结垢场合。
二工艺计算
经过前面基础理论及设计流程的学习,下面开始进行换热器的设计。
一、确定设计方案.
1.选择换热器的类型•
两流体温度变化情况,热流体进口温度140°C,出口温度40°C;冷流体进口温度25°
C,出口温度40°C。
该换热器用自来水冷却煤油,考虑到清洗等各种因素,初步确定为固定管板式的列管式换热器。
2.流动空间及流速的确定
由于冷却水容易结垢,为便于清洗,应使水走管程,煤油走壳程。
从热交换角度,煤油走壳程可以与空气进行热交换,增大传热强度。
选用①25X2.5mm的10号碳钢管。
二、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为
''''''
t|=140°C,t|=40°C,t2=25°C,t2=40°C
tm1=(140+40)/2=90(°C)
管程水的定性温度为
tm2=(25+40)/2=32.5(C)
三、计算总传热系数
1.热流量
M1=23.8XI04X103/(330&4)=30051(kg/h)=8.35kg/s
Q=M1Cp1:
t1=30051X2.22X140-40)=6671322kJ/h=1853.15(kw)
Q=nQ'=0.98*1853=1816(kw)
2.平均传热温差
:
tm=(AtA2)/ln(AtM=[(140-40)-(40-25)]/ln[(140-40)/(40-25)]=44.8(°)
3.水用量-
In
t-tl
平均温差R=4丁
t?
」2
14口0=6.7
h—t?
40—25
=0.131
40—25
140—25
2可得\=0.82。
选择卧式冷凝器,冷凝在壳程,为一壳程二管程,查图
校正系数可根据R和P两参数从下图查得。
»0.1120.30.4050.£0.70.BD.9L0
0“r
草査程抉热as
一台
(菅程®-2,4價数)
图blQ(a)对数甲均温差校正團<壳程)⑴
:
tm=t:
tm=44.8>0.82=36.7C
壳程二管程。
三角形管束排列方式心=0.175,口=2.285。
四、传热面积初值计算
兀d
(1)由m2-;-\v2nL,得:
4
(2)由换热面积确定管子长度L
L135
取管程数Z=4,则I6.7圆整到标准值L=6m
Z2
故总列管数Nt为100*2=200根
横过管束中心线的管数
nc=1.19,N(2-13)
nc=1.19、、N=1.19•、20017(根);
平行流向管距:
27.7mm垂直流向管距:
16mm
拉杆直径:
12mm[当管径在25mm到57mm之间]
拉杆数:
4根[壳体直径估计在500到700mm之间]
2、壳体内径
采用多管程结构,取管板利用率=0.7,则壳体内径为
(2-14)
D=1.05tNn
T°5t:
Nn
=1.0532200=568(mm)
Y0.7
圆整后取D=600(mm)
长径比:
6/0.6=10卧式合理
五、管侧传热系数
估计壳体壁温Tw
假设冷凝给热系数为1000W/(m2K)。
平均温差:
壳程平均温度:
T=(140+40)/2=90(°C)
管程平均温度:
t=(25+40)/2=32.5(°C)
Tw
=43.5°C
=66.8°C
66.8°时煤油物性:
密度
Po=825
kg/m
定压比热容C°=2.22kJ/(kg•)
导热系数花=0.140W/(m-k)
粘度丘=9X10-4N-s/m2
12626.26
与假设值接近,不需重新假设冷凝给热系数。
六、管内给热系数
080208022
K))
:
i=4200(1.320.02t)u./dj.=4200(1.320.0232.5)1.83./20.=7369(W/(m
七、传热核算
取水的污垢热阻为Rsi=3.44>0-4m2K/W
煤油污垢热阻为Rso=1.72>0-4m2K/W
管壁导热系数为
入=5/(mK)
:
o
do
R段bd。
R
siso
二dd■d
11im
2510^
73692010^
3.4410-空2.51屮2510^1.7210"丄
1004
204522.510^
=547(W/(m2K))
比假定K值相近,试差结束。
八、壳侧压力降
1)折流板计算
Ds=Db+16=609+13=722mm
取Ds=600mm
折流板选择为圆缺度为25%的圆缺型折流板。
则圆缺高度为:
H=0.25X600=150mm
取标准圆缺高度为150mm
折流板板间距为B=0.3Ds=0.3W00=180mm
取折流板板间距为200mm
折流板数Nb=L/B-仁6000/200-仁29
2)用Kern's法计算压降
管子横截面积虫DsB-322560020010」=0.02625(m2)
t32
30051
则壳侧质量流速则Gs=唤二318(kg/(sm2))
AS0.02625
G318
壳侧流体流速UsS0.4(m/s)
P。
825
1102211022
壳体当量直径de(t2-0.917d。
)(322-0.917252)=19.8mm
do25
_3
雷诺数Re=T=3189:
:
_410=6996
查壳侧阻力因子图得jf°=5.9X10'2
取"-''w,忽略粘度得影响,应用进口流速,其压降为式:
F^-8jfoDsLUs()』14的
deB2叱
50%。
而
68250.162
J3
=85.91。
2空
19.8200汉10
=4531Pa
则壳压降为2.27kFa
九、管侧压降计算
查壳侧阻力因子图得jfi=3.6X0-3
管压降
十、裕度计算
传热面积裕度合适,该换热器能够生产任务。
十二、壳程计算
采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内的2500;
则切去的圆缺高度为h=0.25600=150(mm),故可取h=150(mm)
折流板的圆心角:
120o
取折流板间距
B=1000(mm)
式中6壳体的计算厚度;mm
Pc壳体的计算压力;MPa
Di壳体的内直径;mm
壳体材料在设计温度下的许用应力MPa;%Mpa;
0.6600
壳体的焊接接头系数;■*=0,85;
则'一21130.85-0.6_1.9(mm)
十三、管程计算
取标准接管为©200*6mm。
十四、零件计算
第一节壳体、管箱壳体和封头的设计
1、壁厚的确定
壳体、管箱壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳。
管壳式换热器的壳体通常是由
管材或板材卷制而成的。
当直径小于400mm时,通常采用管材和管箱壳体。
当直径不小于
400mm时,采用板材卷制壳体和管箱壳体。
其直径系列应与封头、连接法兰的系列匹配,以便于法兰和封头的选型。
一般情况下,当直径小于1000mm时,直径相差100mm为一个
系列;当直径大于1000mm时,直径相差200mm为一个系列,若采用旋压封头,其直径系列的间隔可取100mm。
表4-1-1碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度
公称直径
400~<700
>800~<1000
>1100~<1500
>1600~<200
>2000~<2600
浮头式:
8
10
12
14
16
U型管式:
8
10
12
14
16
固定管板式
6
8
10
12
14
表4-1-2壳体、管箱壳体厚度
DN,mm
材料
壳程或管程公称压力PN,MPa
0.6
1.0
1.6
2.5
4.0
6.4
厚度,mm
600
Q235-A/B/C
8
8
8
10
16MnR
8
8
8
8
12
16
1Cr18Ni9Ti
5
5
6
8
12
18
由之前的计算知,壳体和管箱壳体外径为
600mm。
选用Q235-A碳素钢板材制
刖壳体和
管箱壳体,在90°C时[<]113MPa下面确定其壁厚。
取工作压力等于设计压力,则Pc=0.6MPa,提高到管程设计压力计算,焊接接头系数
0=0.85。
计算壁厚SPctDo16003.1mm
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