精品年处理量8464104吨煤油冷却器的设计毕业论文任务书.docx

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精品年处理量8464104吨煤油冷却器的设计毕业论文任务书

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食品工程原理课程设计任务书

设计题目：

年处理量8.4×104吨煤油冷却器的设计

一、操作条件

1.煤油：

入口温度156℃出口温度50℃

2.冷却介质：

循环水入口28℃，出口温度40℃

3.允许压力降：

不大于30kPa

4.年开工天数：

300天；每天24h连续生产

5.定性温度下煤油的物性数据：

密度=825kg﹒m-3，黏度=7.15×10-4Pa﹒s，比热=2.22kJ﹒（kg·℃）-1，

热导率=0.14W（m·℃）

二、设计任务

1.处理量：

84×103t年

2.设备形式：

列管式换热器

3.选择事宜的列管换热器并进行核算

4.绘制工艺流程图和设备结构图

5.输送机械的设计：

循环水泵

三、设计要求

使用统一课程设计格式（详见许昌学院课程设计编写要求）。

主要项目及编排顺序为：

①设计说明书封面（使用统一模板）；②任务书；③摘要；④目录；⑤设计方案简介；⑥工艺过程计算及设备工艺尺寸的计算；⑦辅助设备的计算及选型；⑧附录：

工艺流程图及设备结构图；⑨参考文献⑩设计评述；

指导教师：

孙国富徐静莉

完成日期：

2012年12月17日～12月28

摘要

本设计是进行煤油冷却器的设计，主要进行了换热器的选型以及水泵的型号选择。

设计的前半部分是换热器的选型，根据给定的条件估算换热面积，进行换热器的选择，校核传热系数，计算出实际的换热面积，最后进行压力降的计算。

设计的后半部分是关于水泵的选择，根据换热器以及给定的条件计算出最大流量和压头确定水泵的型号。

关键词：

浮头式换热器传热系数水泵

目录

1引言1

1.1热换器的类型1

1.2热换器的选择1

1.2浮头式热换器特点2

2正文2

2.1确定设计方案2

2.1.1.选择换热器的类型2

2.1.2确定流体通入的空间3

2.2确定物性数据3

2.2.1确定定性温度3

2.2.2确定物性数据3

2.3估算传热面积3

2.3.1计算传热热负荷Q3

2.3.2计算平均传热温差3

2.3.3初选总传热面积4

2.3.4初选管径4

2.3.5初选换热器型号5

2.4热换器的核算5

2.5传热系数的校核6

2.5.1管程的对流传热系数6

2.5.2壳程的对流传热系数6

2.5.3确定污垢热阻7

2.5.4计算总传热系数K7

2.5.5计算热传热面积7

2.6热换器压力降的核算7

2.6.1管程阻力损失7

2.6.2壳程阻力损失8

2.7水泵的选择9

2.7.1流量的计算9

2.7.3选择水泵的型号9

3设计小结11

3.1主要结构尺寸和计算结果11

3.2设计评述12

参考文献13

年处理量8.4×104吨煤油冷却器的设计

1引言

1.1热换器的类型

热换器是许多工业生产部门的通用工艺设备，尤其是石油、化工生产中应用最为广泛，在化工中热换器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。

热换器的类型很多，性能各异，根据冷、热流体换热方式的不同可将换热器分为混合式换热器、蓄热式换热器和间壁式换热器三种。

以上三种换热器中以间壁式换热器应用最为广泛，型式也最为多样。

按热换器传热面形状和结构的特点，间壁式换热器又可分为管壁式换热器、板式换热器和特殊型式换热器三类。

管式换热器通过管子壁面进行传热，按传热管的结构可分为管壳式热换器、蛇管式换热器、套管式换热器、翅片管式换热器等几种;板式换热器通过板面进行传热，按传热板的结构可分为平板式换热器、螺旋式换热器、热板式换热器及板翅式换热器等几种；而特殊型式换热器是指根据工艺特殊要求而设计的，具有特殊结构的换热器。

如回旋式换热器、热管换热器、同流式换热器等。

其中管壳式换热器又称为列管式换热器，是一种通用的标准热换设备。

它因结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等有点而在换热设备中占据主导地位。

根据其结构特点又可分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管换热器。

1.2热换器的选择

1.类型的选择

热换器的种类很多，选择时应根据操作温度、压力、热换器的热负荷、管程与壳程的温度差、热换器的腐蚀性能及其他特性、检修与清洗要求等因素综合考虑。

2.流体通道的选择[4]

在列管式换热器设计中，哪种流体走管程，哪种流体走壳程，需要合理安排。

选择原则：

传热效果好、结构简单、检修与清洗方便。

3.加热剂或冷却剂的选择

一般情况下，用加热剂或冷却剂的流体是由实际情况决定的。

但有些时候需要设计者自行选择。

在选用加热剂或冷却剂时，除首先应满足所能达到的加热或冷却温度外，还应考虑到其来源方便、价格低廉、使用安全。

4.流体出口温度的确定

在换热器的设计中，被处理物料的进出口温度为工艺要求所规定，加热剂或冷却剂的进出口温度一般有来源而定，但它的出口温度应由设计者根据经济核算来确定。

5.流体流速的选择

提高流体在换热器中的流速，将增大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增加，所需传热面积减少，设备费用降低。

但是流速增加，流体阻力将增大，操作费用增加。

因此，选择适宜的流速十分重要，适宜的流速应通过经济核算来确定。

6.流体方式的选择

流向有逆流、并流、错流和折流四种类型。

在流体进出口温度相同的情况下，逆流的平均温度差大于其他流向的平均温度差，因此，若无其他工艺要求，一般采用逆流操作。

7.材质的选择

在进行热换器设计时，热换器各种零部件的材料应根据操作压力、温度和流体的腐蚀性以及对材料的制造工艺以及性能等的要求来选取。

最后还要考虑材料的经济合理性

1.2浮头式热换器特点

本设计采用浮头式设计，其结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接,可以在壳体内沿轴向自由伸缩,该端称为浮头。

当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内自由伸缩，可完全消除热应力。

此种换热器的优点是换热管与壳体与壳体不会产生温差应；管束可以从壳体抽出,便于清洗。

缺点是结构复杂,需要大量金属材料,造价高；浮头盖与浮动管板之间若密封不严，发生内漏，造成两种介质的混合。

但因其使用于壳体与管束温差较大或壳程流体容易结垢的场合及优良的性能,以此在工业中广泛应用。

2正文

2.1确定设计方案

2.1.1.选择换热器的类型

该换热器用循环冷却水，根据给定条件，结合两流体的温差，估计该换热器管壁温度和壳体温度之差较大，初步确定用浮头式换热器

2.1.2确定流体通入的空间

因水易结垢应走易清洗的一侧，且为增加散热需使热流体走壳程，又因两流体温差较大，故选浮头式换热器

2.2确定物性数据

2.2.1确定定性温度

热流体（煤油）℃

冷流体（循环水）℃

2.2.2确定物性数据

表2-1水和煤油的物性数据[5]

流体类别

温度℃

密度ρ（㎏﹒m-3）

黏度μPa﹒s

比热容Cp[kJ﹒（㎏﹒℃）-1]

热导率λ[w﹒（㎡·℃）-1]

水

34

994.3

7.42×10-4

4.174

0.62358

煤油

103

825

7.15×10-4

2.22

0.14

2.3估算传热面积

2.3.1计算传热热负荷Q

按煤油所需的热量计算

（2-1）

2.3.2计算平均传热温差

当热换器中两流体无相变时，应尽可能从结构上采用逆流或接近逆流的流向以得到较大的传热温差，来强化传热[1]。

所以选为逆流

热流体（煤油）156℃→50℃

冷流体（循环水）40℃←28℃

△T116℃22℃

两流体的对数平均传热温差[1]

℃（2-2）

选热换器为单壳程、偶管程[1]，

（2-3）

（2-4）

由P和R得温差校正系数[3]

（2-5）

=0.92

因﹥0.8[2]，可行

两流体的平均温差[2]226

℃（2-6）

2.3.3初选总传热面积

初选K=350W·（㎡·℃）-1

按煤油所需的热量计算

Wh=8.4×103t年=3.241㎏·s-1

W

则估算总传热面积

㎡（2-7）

2.3.4初选管径

选用Φ25mm×2.5mm碳钢传热管[3]

2.3.5初选换热器型号

根据传热面积初选热换气型号[1]

表2-2浮头式换热器主要性能参数

项目

参数

项目

参数

外壳直径Dmm

600

管子尺寸mm

Ф25×2.5

公称压强MPa

1.6

管长Lm

3

公称面积

50

管数N

208

管程数Np

4

管中心距tmm

32

管子排列形式

正方形

管程流通截面积㎡

0.01634

2.4热换器的核算

按上列数据核算壳程、管程的流速及雷诺数

管程

循环水的质量流量

㎏·s-1

管内水的流速

（2-8）

雷诺数

（2-9）

壳程

流通截面积（2-10）

当管子按正方形排列时[3]（2-11）

取nc=18,折流挡板间距z=0.15

则

煤油流速

m·s-1

当量直径[2]

m2（2-12）

雷诺数

由以上核算看出，所选用的热换器，管程、壳程的流速和雷诺数都是合适的。

2.5传热系数的校核

已选定的热换器型号是否适用，还要核算K值和传热面积A才能确定

2.5.1管程的对流传热系数

>104流体在圆形管道内作强制湍流[1]

（2-13）

流体被加热时n=0.4,l流体被冷却时n=0.3[2]

（2-14）

W·（㎡·℃）-1

2.5.2壳程的对流传热系数

对于壳体是圆筒，管束中各列的管子数目并不相同，而且大都装有折流挡板，使得流体的流向和流速不断的变化，因而在Re>100时即可达到湍流。

当换热器内装有圆缺形挡板（缺口面积约为25﹪的壳体内截面积）时，壳程流体的对流传热系数可用凯恩法求算[2]，即

（2-15）

式中是考虑热流方向的校正系数，可以用表示。

流体被加热时=1.05，流体被冷却时=0.95.[2]。

W·（㎡·℃）-1

2.5.3确定污垢热阻

查食品工程原理附表得[1]，自来水的Rsi=1.72×10-4W·（㎡·℃）-1

煤油Rso=1.72×10-4W·（㎡·℃）-1

2.5.4计算总传热系数K

以外表面为基准[1]

由化工原理第二册附录可取

W·（㎡·℃）-1

（2-16）

2.5.5计算热传热面积

实际传热面积

％

2.6热换器压力降的核算

2.6.1管程阻力损失

因进出口阻力较小，可忽略不计[2]

（2-17）

式中——直管阻力损失，Pa；

——回弯的阻力损失，Pa；

Ft——结垢校正系数；

Ns——串联的壳程数

因

（2-18）

（2-19）

（2-20）

对于的管=1.4[2]

2.6.2壳程阻力损失

（2-21）

（2-22）

式中：

F——管子排列方式对压强降得校正系数

——壳程流体摩擦系数

Ft——壳程压力降的垢层校正系数

NB——折流挡板数

nc——水平管束在垂直列上的管数

因

（2-23）

选管列为正方形45°错列，取F=0.4[2]

挡板数（2-24）

则

（2-25）

污垢校正系数Fs=1.15[2],则

<30KPa

流程管程和壳程流体的压力均未超过30KPa，以上核算结果正确

2.7水泵的选择

2.7.1流量的计算

水的体积流量

m3·（2-27）

2.7.3选择水泵的型号

根据流量和扬程，查食品工程原理附表得[1]

泵的型号为IS—100—50—125

表2-3泵的主要性能参数

流量（m3﹒h-1）

扬程m

转速（r﹒min-1）

汽蚀余量m

效率％

功率kW

重量kg

外形尺寸（长×宽×高）mm

轴功率

配带功率

60

4

1450

3.0

71

0.92

1.5

42

485×280×340

3设计小结

3.1主要结构尺寸和计算结果

参数

管程

壳程

流体

水

煤油

质量流量（Kg﹒s-1）

15.233

3.241

进口温度℃

28

156

出口温度℃

40

50

物性

定性温度℃

34

103

密度（Kg﹒m-3）

994.3

825

定压比热容[kJ﹒（kg·℃）-1]

4.174

2.22

黏度Pa﹒s

7.42×10-4

7.15×10-4

热导率[W﹒（m·℃）-1]

0.62358

0.14

普朗特数

4.97

11.34

设备结构参数

形式

浮头式

壳程数

1

外壳直径mm

600

公称面积㎡

50

管径mm

Φ25×2.5

管心距mm

32

管长m

3

管子排列

45℃正方形

管数目根

208

折流板数个

14

传热面积m2

49

折流板间距mm

150

管程数

4

材质

碳钢

主要计算结果

管程

壳程

流速（m﹒s-1）

0.94

0.175

表面传热系数[W﹒（m2·℃）-1]

4519.45

452.5

污垢热阻[（m2·℃）﹒W-1]

1.72×10-4

1.72×10-4

阻力KPa

16.606

1.905

热流量kW

762.67

传热温差℃

52.02

传热系数[W﹒（m2·℃）-1]

340.6

裕度%

13.7

3.2设计评述

本设计所有参数经反复核算，保证各参数均在设计要求之内，准确可行。

壳程流体流速=0.94ms，流体雷诺数=25193。

管程流体流速=0.175ms，流体雷诺数Rei=5452>4000。

管程流体流动为湍流，能够较好的达到换热的要求。

每程内都采用排45℃正方形列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。

正方形排列便于机械清洗。

该换热器的面积裕度H=13.7％在10％-30％之间，则所设计换热器能够完成生产任务。

管程、壳程流动阻力为16.606KPa，1.6996KPa均小于30KPa在允许范围之内。

参考文献

[1]李云飞,葛克山.食品工程原理（第2版）[M].中国农业大学出版社.

[2]柴诚敬,张国亮,夏清等.化工原理（第二版）[M].高等教育出版

[4]蒋维钧,余立新.化工原理流体流动及传热[M].北京:

清华大学出版社,2005.295-300

[5]刘光启,马连湘,刘杰.化学化工物性数据手册[M].北京:

化学工业出版社,2002.3