郝代强课程设计

河南城建学院化学材料工程学院《化工原理课程设计》题目：煤油冷却器的设计专业名称：高分子材料与工程学生姓名：郝代强学号：102412123指导教师：赵海鹏目录一.任务书————————————————————————————————41.1.设计题目1.2.设计任务及操作条件1.3.设计要求二.设计方案———————————————————————————————52.1.热换器概述2.2.列管式热换器2.3.设计方案的拟定2.4.工艺流程图三.工艺计算和主体设备设计—————————————————————————————83.1.初选换热器类型3.2.管程安排3.3.确定物性数据3.4.估算传热面积四.工艺结构设计————————————————————————————124.1.管径和管内流速4.2.管程数和传热管数4.3.平均传热温差校正及壳程数4.4.传热管排列和分程方法4.5.壳程内径4.6.折流板4.7.接管4.8其他附件五.换热器核算—————————————————————————————185.1.热量核算5.2.压力降核算六.辅助设备的计算和选择————————————————————————24七.设计结果表汇————————————————————————————26八.参考文献——————————————————————————————29九.心得体会——————————————————————————————29附图（主体设备设计图，工艺流程简图）一.化工原理课程设计任务书1.1煤油冷却器的设计1.2.设计任务及操作条件生产任务：处理能力16000吨/年煤油操作条件煤油入口温度130℃，出口温度40℃冷却介质：自来水，入口温度20℃，出口温度50℃允许压强降≤100kpa每年按300天计，每天24小时持续运行1.3设计要求选择合适的列管换热器进行核算1.4绘制换热器装配图（见A1纸另附）二.设计方案简介2.1.换热器概述换热器是化工，炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工产，换热器的费用约占总费用的10%~20%，在炼油厂约占总费用的35%~40%。换热器在其他部门，如动力，原子能，冶金，食品，交通，环保，家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用，高效的热换器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的意义。在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称交换器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。换热器的烈性按传热方式的不同可以分为：混合式、蓄热式、和间壁式。其中间壁式热换器应用最为广泛。根据它的结构特点可分为列固定管板式、浮头式、U形管式、填料函和釜式重沸五类。2.2.列管类换热器因设计需要，下面简单介绍笑列管式换热器列管式换热器又称为管壳式换热器，在化工生产中被广泛应用。她的结构简单，坚固，制造较容易，处理能力大，适应性能高，操作弹性较大，尤其在高温，高压和大模型装置中使用更为普遍。2.2.1固定管板式换热器固定管板式即两端管板和壳体连接成一体，因此它具有结构简单造价低廉的有点。但是由于壳程不宜检修和清洗，因此壳程流体应是较为洁净且不易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。有具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补偿圈发生弹性形变，以适应外壳和管束的不同的热膨胀度。这种热补偿方法简便，但不宜用于两流体温度差太大和壳方流体压强过高的场合。2.2.2浮头式这种换热器有一段管板不与壳体相连，可沿轴向自由伸缩。这种结构不但可以完全消除热应力，而且在清洗和检修时，整个管束可以从壳体中抽出。英雌，尽管其结构复杂，造价较高，但应用仍较为普遍。2.2.3U形管式每根管子都弯成U形，在两端固定在同一个板上，因此，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。这种结垢较为简单，质量轻，适用于高温高压条件。其缺点是管内不易清洗，并且因为管子要有一定的弯曲半径，其管板利用率较低。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。本设计中选择使用循环工业硬水走管程，煤油走壳程。从资料中查的冷热流体的物性数据，如比热容，密度，粘度，导热系数等。计算出总传热系数，在计算传热面积。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。然后校正传热温度差及壳程数，确定传热管排列昂是和分程放啊。根据实际步骤，计算出壳体内经，选择折流板，确定板间距，折流板数等；接着在对换热器的热量，管程对流体传热系数，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。2.4.工艺流程图（见附图）三.工艺计算和主体设备设计3.1.初选换热器类型两流体的温度变化情况如下：煤油：入口温度130℃，出口温度40℃;冷却介质：自来水，入口温度20℃，出口温度50℃;该换热器用循环自来水进行冷却，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3.2.管程安排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。3.3.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煤油的定性温度为T=(130+40)/2=85℃管程流体(自来水)的定性温度为t=（20+50）/2=35℃在定性温度下，分别查管程和壳程流体的物性参数表：密度/kg/m³比热容Kj/kg·℃黏度/Pa·s导热系数/W/m·℃煤油8252.220.0007150.14水994.14.1760.00072250.626根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关数据。3.4估算传热面积3.4.1.计算热负荷11ssCpmQ（21TT）=W5371023.1401301022.2243003600106.1平均传热温差计算两流体的平均传热温差，暂时按单壳程，多管程计算。逆流时，我们有煤油：130℃→40℃水：50℃←20℃mt=（80-20）/ln（80/20）=43.3℃而此时，我们有：P=（12tt）/（11tT）=（50-20）/（130-20）=0.27R=(21TT）/(12tt)=(130-40)/(50-20)=3式中;21,TT----热流体（煤油）的进出口温度21,tt--冷流体（自来水）的进出口温度由图4-25（参见化学工业出版社的《化工原理》（第四版）147页，可以看出﹤0.8，此时应增加壳程数以提高值，至少不小于0.8，因此选用双壳程，此时=0.928.0，满足要求。所以修正后的传热温差为：mt′=×mt=0.92×43.3=40.8℃冷却水用量：12tt/pccCQW=h/kg5.3534205010176.436001023.1353.4.2估算传热面积初选总传热系数K依经验取2/200mWK℃则估算传热面积mt估估KQA=251.158.402001023.1m四.工艺结构设计4.1管径和管内流速选用252.5的碳钢管，管内流速0.5m/s，4.2管程数和传热管数根据传热管的内径和流速，可以确定单程管根数：73.65.002.0785.01.9943600/5.3534422iiisudvn根按单程计算，所需传热管的长度是：m227025.014.34.100sndAL估若按单程管计算，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：4622lLNp（管程）则传热管的总根数为：2874sPnNN(根)4.3平均传热温差校正壳程数mt=（80-20）/ln（80/20）=43.3℃而此时，我们有P=（12tt）/（11tT）=（50-20）/（130-40）=0.27R=(21TT）/(12tt)=(130-40)/(50-20)=3由图4-25（参见化学工业出版社的《化工原理》（第四版）147页，可以看出﹤0.8，此时应增加壳程数以提高值，因此选用双壳程，此时8.092.0，满足要求。所以修正后的传热温差为：mt′=×mt=0.92×43.3=40.8℃，壳程数为双程，管程数为44.4传热管排列和分程方法采用组合排列法，及每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。对于直径较小的管子，要注意，管心距最小不能小于60dmm在多管程结构中，隔板占有管板部分面积，一般情况下，隔板中心到离其最近一排管中心的距离可用下式计算mmts62/设计中当使用焊接时取管心距mmdt3225.312525.125.10，隔板中心到离其最近一排管中心距离mmS2262/32，各程相邻管的管心距为44mm横过管束中心线的管数cn=1.19N=1.1928=6.37根4.5壳程内径采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为：D=1.05tN=1.05mm5.2127.02832圆整可取300mm4.6折流板采用弓形折流板，取折流板圆缺高度为壳体内径的25%，如图则切去的圆缺高度为：h=0.25*300=75mm取折流板间隔，则B=0.5D=0.5*300=150mm因而查表可得：折流板厚度为5mm，支承板厚度为8mm，之承板允许不支承最大间距为1800mm。折流板数BN=折流板间距传热管长=3911506000块折流板圆缺面水平装配4.7接管4.7.1.壳程流体进出口时接管取接管内煤油流速u=1.0m/s，则接管内径：D=uV4=0.114.38253600/2.222240.031m取标准管径30mm4.7.2管程流体进出口接管取接管内循环水流速u=1.5m/s，则接管内经为D=5.114.31.9943600/1.35444=0.029mm取标准管径30mm4.7.3接管最小位置换热器设计中，为了是换热器得以充分利用，壳程流体进出口接管应尽量靠近两端的管板，而管箱的进出口尽量靠近管箱法兰，从而减轻设备重量。所以，壳程和管程接管的最小位置的计算就显得很必要了。1）.壳程接管位置的最小尺寸所设计的为带补强圈的壳程接管，则壳程接管的最小尺寸1L可用如下公式计算：CbDLH421式子中：HD为补强圈的外圈直径，mmb为管板厚度，mmC为补强圈外缘至管板与壳体焊缝之间的距离，mm。而且SC4且32C,S为壳体厚度。经计算一的，壳程接管位置的最小尺寸为：180mm所设计的为带补强圈的管程接管，则管程接管的最小尺寸2L可用如下公式计算：CbDLH422式子中：HD为补强圈的外圈直径，mmb为管板厚度，mmC为补强圈外缘至管板与壳体焊缝之间的距离，mm。而且SC4且32C,S为壳体厚度。经计算一的，管程接管位置的最小尺寸为：200mm4.8其他附件封头：采用标准椭圆形封头（a/b=2），K=1，材料选用Q235-C。mmpDKPtcttc26.35.25.092.012523005.25.02mmC6.01mmC12mmCCtt86.416.026.321圆整取mmtn5封头总高：mmthDn1055257540(mm25,20000取hmmDN)根据(JB/T-4737--95),选择DN=300mm，直边高度25mm，曲面高度75mm，厚度4mm法兰：采用板式平焊钢制管法兰DN=300mm，PN=2.5MPa，D=485mm，K=430mm，