煤油冷却器的设计.docx

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煤油冷却器的设计

2008级环境与安全工程专业

《化工原理》课程设计说明书

题目：

煤油冷却器的设计

姓名：

班级学号：

指导老师：

同组人员

完成时间：

2010年11月14日

第一部分设计任务书

一、设计题目

煤油冷却器的设计

二、设计任务

1.处理能力：

1.98×105吨/年煤油

2.设备形式：

列管式换热器（卧式）

三、操作条件

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℃

③允许压强降：

不大于105Pa

④每年按330天计，每天24小时连续运行

四、设计内容

①设计方案简介：

对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。

②换热器的工艺计算：

确定换热器的传热面积。

③换热器的主要结构尺寸设计。

④主要辅助设备选型。

⑤绘制换热器总装配图。

五、设计日期

开始日期：

2010年11月1日

结束日期：

2010年11月14日

六、设计评述

换热器是许多工业生产中常用的设备,尤其是石油、化工生产应用更为广泛。

在化工厂中换热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。

换热器的类型很多，性能各异，个具特点，可以适应绝大多数工艺过程对换热器的要求。

进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。

换热器类型虽然很多，但计算传热面积所依据的传热基本原理相同，不同之处仅是在结构上需根据各自设备特点采用不同的计算方法而已。

第二部分设计方案简介评述

我们设计的是煤油冷却器，冷却器是许多工业生产中常用的设备。

列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广。

列管式换热器有固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式等类型。

列管式换热器的形式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。

由于两流体的温差大于50，故选用带补偿圈的固定管板式换热器。

这类换热器结构简单、价格低廉，但管外清洗困难，宜处理壳方流体较清洁及不易结垢的物料。

因水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。

第三部分换热器设计理论计算

１、试算并初选换热器规格

（1）、定流体通入空间两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。

（2）、确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管式换热器的形式：

被冷却物质为煤油，入口温度为140℃,出口温度为

冷却介质为自来水，入口温度为，出口温度为

煤油的定性温度：

水的定性温度：

两流体的温差：

由于两流体温差大于50℃，故选用带补偿圈的固定管板式列管换热器。

两流体在定性温度下的物性数据

物性

流体

煤油

90

825

0.715

2.22

0.14

水

35

994

0.728

4.174

0.626

（3）、计算热负荷Q按管内煤油计算,即

若忽略换热器的热损失，水的流量可由热量衡算求得,即

（4）、计算两流体的平均温度差，并确定壳程数

逆流温差

由R和P查图……得温度校正系数为，所以

校正后的温度为

又因，故可选用单壳程的列管式换热器。

（5）、初步选择换热器规格根据管内为水，管外为有机液体，K值范围为280~710，假设K=430故

由于，因此需要考虑热补偿。

初选固定板式换热器规格尺寸如下：

外壳直径D600mm管排方式——正三角形排列

管程流通面积S0.0364m2公称压力P4.00Mpa

管数n232管程数2

管长L6m管尺寸φ25×2.5mm（不锈钢管）

中心距32mm公称面积S107.5m2

换热器的实际传热面积

采用此换热面积的换热器，则要求换热过程的总传热系数为：

2、核算总传热系数K0

（1）、计算管程对流传热系数，因为

管中水的质量流量为，则

水的体积流量为

所以：

（2）、计算壳程对流传热系数

换热器中心附近管排中流体流通截面积为

式中h——折流挡板间距，取

煤油的质量流量为，则

煤油的体积流量为

由于换热器为两壳程，所以煤油的流速为：

由于管为三角形排列，则有

煤油在壳程中流动的雷诺数为

因为在范围内，故可采用凯恩（Kern）法求算，即

由于液体被冷却取0.95，所以

（3）、确定污垢热阻

（4）、计算总传热系数（管壁热阻可忽略时，总传热系数为：

）

选用该换热器时，要求过程的总传热系数为431.8，在传热任务所规定的流动条件下，计算出的=488.8，所选择的换热器的安全系数为：

则该换热器传热面积的裕度符合要求。

3、计算压强降

（1）、计算管程压强降

前已算出：

取不锈钢管壁的粗糙度，则

由摩擦系数图查得

所以

对于的管子，有

（2）、计算壳程压强降

由于

所以

管子为正三角形排列，则取F=0.5

折流挡板间距

折流板数

所以

从上面计算可知，、﹤105，该换热器管程与壳程的压强降均满足题设要求，故所选换热器合适。

第四部分换热器主要结构尺寸

一、管子的规格和排列方法

考虑到流体的流速，选用规格的管子。

我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列，它的优点有：

管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同壳程内可排列更多的管子。

所以选择正三角形排列。

二、管程和壳程数的确定

管程数m可按下式计算，即

式中——管程内流体的适宜速度，m/s；

——单管程时管内流体的实际速度，m/s。

取（参考《化工原理》上册）

水的流量为=，对于φ25×2.5mm的管子，

求得

所以选用2管程。

在单壳程中，由R和P查得温度校正系数为大于0.8，所以采用单壳程。

三、外壳直径的确定

初步设计中可用下式计算壳体的内径，即

式中

其中

则

按照此方法计算得到的壳内径应圆整，标准尺寸如下表：

壳体外径/mm

325

400，500，600，700

800，900，1000

1100，1200

最小壁厚/mm

8

10

12

14

所以取=600mm。

四、折流板形式的确定

折流挡板的主要作用是引导壳程流体反复的改变方向做错流流动，以加大壳程流体流速和湍动速度，致使壳程对流传热系数提高。

选择水平圆缺形折流板，切去的弓形高度为外壳内径的25.0%（圆缺率的范围一般为15%~45%），即为：

。

折流板的间距，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。

一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50mm。

折流板间距取h=150mm。

折流板的最大无支撑间距如表所示：

换热管外径（mm）

14

16

19

25

32

38

最大无支撑间距（mm）

1100

1300

1500

1850

2200

2500

折流板的厚度可由下表得出：

（参考文献：

化工设备设计手册朱有庭，曲文海主编）

公称直径DN（mm）

换热管无支撑跨距

<300

300~600

600~900

900~1200

1200~1500

1500

折流板的最小厚度（mm）

<400

3

4

5

8

10

10

400~700

4

5

6

10

10

12

700~900

5

6

8

10

12

16

900~1500

6

8

10

12

16

16

所以取值为12mm

五、主要附件的尺寸设计

（1）、封头封头有方形和圆形两种，方形用于直径小（一般小于400mm）的壳体，圆形用于大直径的壳体。

壳径为600mm，选用圆形封。

（2）、缓冲挡板它可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动，还有使流体沿管束均匀分布的作用。

（3）、放气孔、排液孔换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝气体和冷凝液等。

（4）、接管换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即

式中——流体的体积流量，

——流体在接管中的流速，m/s。

流速的经验值可取为对流体u=1.5~2m/s取液体流速=1.5m/s，自来水进出口接管的内径

煤油进出口接管的内径

（5）、假管为减少管程分程所引起的中间穿流的影响，可设置假管。

假管的表面形状为两端堵死的管子，安置于分程隔板槽背面两管板之间但不穿过管板，可与折流斑焊接以便固定。

假管通常是每隔3~4排换热管安置1根。

（6）、拉杆和定距管为了使折流板能牢固地保持在一定的位置上，通常采用拉杆和定距管。

所选择的拉杆直径为12mm，拉杆数量为4，定距管（参考文献《化工设备手册》曲文海主编）

（7）、膨胀节膨胀节又称补偿圈。

膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体的温差低于700C且壳方的流体压强不高于600KPa的情况。

换热器的膨胀节一般分为带衬筒的膨胀节和不带衬筒的膨胀节。

根据换热器壳侧介质的不同，使用的膨胀节就不同，通常为了减小膨胀节对介质的流动阻力，常用带衬筒的膨胀节。

衬筒应在顺介质流动的方向侧与壳焊接。

对于卧式换热器，膨胀节底部应采用带螺塞结构，这样便于排液。

第五部分工艺设计计算结果汇总表

工艺设计计算结果汇总表

参数数据

煤油流量kg/h

25000

自来水流量/kg/h

132984

实际传热面积S/㎡

107.5

要求过程的总传热系数/W/（㎡℃）

总传热系数/W/（㎡℃）

安全系数/%

13.2

管程压强降/Pa

壳程压强降/Pa

1230

参数数据

壳径D/mm

600

公称压强/Mp

4.00

公称面积S/㎡

107.5

管程数Np

2

管子尺寸/mm

φ25×2.5　

管长/m

6

管子总数n

232

管子排列方法

正三角形

管心距/mm

32

折流板数

49

板间距/mm

150

弓高/mm

75

拉杆直径/mm

12

拉杆数量

4

参考文献

[1]《化工原理》（上册）修订版.夏清陈常贵主编.天津:

天津大学出版,2005

[2]《化工设备设计手册》.潘国昌、郭庆丰主编.北京:

清华大学出版社,1988

[3]《化工流体流动与传热》.张国亮主编.北京:

化学工业出版社,1992

[4]《化工工艺制图》.周大军揭嘉主编.北京:

化学工业出版社,2003

[5]中国石化集团上海工程有限公司编.《化工工艺设计手册》

（第三版）.北京:

化学工业出版社,1987

[6]柴诚敬王军张缨编.《化工原理课程设计》.天津:

天津科学技术出版社,2005

[7]《化工工艺算图手册》.刘光启马连湘主编.北京:

化学工业出版社,1990

[8]《化工工程设计》.韩冬冰李叙凤主编.北京:

学苑出版社,2000

[9]《工程制图》.朱泗芳徐绍军主编.北京:

高等教育出版社,2002

[10]《AutoCAD2002应用教程》.刘苏编著.北京:

科学出版社,2003

[11]《化工设备机械设计基础》.潘永亮刘玉良编.北京:

科学出版社,1991

后