化工原理课程设计说明书-煤油冷却器的设计

-0-05--课程设计任务书设计题目煤油冷却器的设计一．设计要求：1.处理能力：（19.8×104）吨/年煤油2.设备型式：列管式换热器二．操作条件：（1）煤油入口温度140℃，出口温度40℃；（2）冷却介质循环水，入口温度30℃，出口温度40℃；（3）允许压强降不大于100KPa；（4）煤油定性温度下的物性数据；密度为825kg/m3；粘度为：7.5×10-4Pa.S；比热容为：2.22kJ/（kg.℃）；导热系数为：0.14W/（m.℃）；（5）每年按300天计，每天24小时连续运行。学生应完成的工作：1.选择适宜的列管换热器并进行核算。2.画出工艺设备图及列管布置任务下达日期：2010年11月08日任务完成日期：2010年11月22日指导教师：学生：-1-15--一、摘要换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们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，对换热器的要求也日益增强。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。根据不同的目的，换热器可以是热交换器、加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。由于使用条件的不同，换热器可以有各种各样的形式和结构。在生产中，换热器有时是一个单独的设备，有时则是某一工艺设备的组成部分。衡量一台换热器好的标准是传热效率高、流体阻力小、强度足够、结构合理、安全可靠、节省材料、成本低，制造、安装、检修方便、节省材料和空间、节省动力。二、关键字煤油换热器列管式换热器膨胀节固定管板式封头管板目录一、概述……………………………………………………………………1二、工艺流程草图及设计标准……………………………………………12.1工艺流程草图…………………………………………………………12.2设计标准………………………………………………………………2三、换热器设计计算………………………………………………………23.1确定设计方案…………………………………………………………23.1.1选择换热器的类型……………………………………………………23.1.2流体溜径流速的选择…………………………………………………2-2-25--3.2确定物性的参数………………………………………………………33.3估算传热面积…………………………………………………………33.3.1热流量…………………………………………………………………33.3.2平均传热温差…………………………………………………………33.3.3传热面积……………………………………………………………33.3.4冷却水用量…………………………………………………………43.4工艺结构尺寸…………………………………………………………43.4.1管径和管内流速………………………………………………………43.4.2管程数和传热管数……………………………………………………43.4.3平均传热温差校正及壳程数…………………………………………43.4.4传热管排列和分程方法………………………………………………53.4.5壳体内径………………………………………………………………53.4.6折流板…………………………………………………………………53.4.7接管……………………………………………………………………53.5换热器核算……………………………………………………………63.5.1热流量核算……………………………………………………………63.5.1.1壳程表面传热系数…………………………………………………63.5.1.2管内表面传热系数…………………………………………………73.5.1.3污垢热阻和管壁热阻………………………………………………73.5.1.4计算传热系数KC……………………………………………………73.5.1.5换热器的面积裕度…………………………………………………83.5.2换热器内流体的流动阻力……………………………………………8-3-35--3.5.2.1管程流体阻力………………………………………………………83.5.2.2壳程阻力……………………………………………………………8四、设计结果设计一览表…………………………………………………10五、设计自我评价…………………………………………………………11六、参考资料………………………………………………………………12七、主要符号说明…………………………………………………………13一、概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器,简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体,一种流体温度较高,放出热量;另一种流体则温度较低,吸收热量。在化工、石油、动力、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。列管式换热器有以下几种：1、固定管板式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。特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。2、U形管式U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。3、浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，消除温差应力，应用普遍。二、工艺流程草图及设计标准2.1工艺流程草图-4-45--由于循环冷却水易结垢，为便于水垢的清洗，选择循环水做管程流体，煤油做壳程流体。管程与壳程流体的进出方向为上图所示，并选择逆流传热。图中水由泵1经过管程沿所示方向流动，煤油由泵1经过壳程沿所示方向流动。冷却循环水与煤油在设计的换热器中进行热交换，煤油由初温140℃降温至，40℃冷却循环水由初温升30℃温至40℃。2.2设计标准（1）JB1145-73《列管式固定管板热交换器》（2）JB1146-73《立式热虹吸式重沸器》（3）中华人民共和国国家标准.GB151-89《钢制管壳式换热器》.国家技术监督局发布，1989（4）《钢制石油化工压力容器设计规定》（5）JBT4715-1992《固定管板式换热器型式与基本参数》（6）HGT20701.8-2000《容器、换热器专业设备简图设计规定》（7）HG20519-92《全套化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》（8）中华人民共和国国家标准JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》（9）中华人民共和国国家标准JB4710-92《钢制塔式容器》（10）中华人民共和国国家标准GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》三、换热器设计计算3.1确定设计方案3.1.1选择换热器的类型adbc泵2泵1-5-55--本次设计为煤油冷却器的工艺设计，工艺要求煤油（热流体）的入口温度140℃，出口温度40℃。采用循环冷却水作为冷却剂降低热的没有温度，冷却水的入口温度30℃，根据经验结合选厂地址的水资源现状况，选定冷却水的出口温度40℃。根据间壁式换热器的分类与特性表，结合上述工艺要求，最大使用温差小于120℃,选用固定管板式换热器，又因为管壳两流体温差大于60℃，故因选用带膨胀节的固定管板式换热器。3.1.2流体流径流速的选择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大于煤油的推荐流速，故选择循环冷却水为管程流体，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ui=1.0m/s,管子选用252.5mm的较好级冷拔换热管（换热管标准：GB8163）。3.2确定物性参数定性温度：可取流体进口温度的平均值。管程流体的定性温度为：90240140T（℃）煤油90℃下的物性数据：3524030T(℃)根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。煤油在90℃下的有关物性数据循环冷却水在35℃下的物性数据密度ρo=825kg/m3密度ρi=994kg/m3定压比热容Cpo=2.22kJ/(kg·K)定压比热容Cpi=4.08kJ/(kg·K)导热系数λo=0.140W/(m·K)导热系数λi=0.626W/(m·K)粘度μo=0.000715Pa·s粘度μi=0.000725Pa·s3.3、估算传热面积3.3.1热流量-6-65--m0=2750024300108.194（kg/h）Qo=m0cp0Δt0=27500×2.22×(140-40)=6.15×106kJ/h=1695.8kW3.3.2平均传热温差39304040140ln)3040()40140(21ln21'ttttmt(℃)3.3.3传热面积假设壳程传热系数：α0=400W（m2•℃），管壁导热系数λ=45W（m2•℃）则K=298.7W/(m2·K),则估算面积为：S’=Q0/(K×Δtm)=1.696×106/(298.7×39)=145.86(m2)考虑15%的面积裕度则：S=1.15×145.86=167.74(m2)3.3.4冷却水用量4.149632)3040(31008.4610105.60iticpQiw（kg/h）3.4、工艺结构尺寸3.4.1管径和管内流速选用ф25×2.5较高级冷拔传热管(碳钢10)，取管内流速ui=1.5m/s3.4.2管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数5.1202.0785.09943600/4.14963224iuidqVsn=88.78≈89（根）按单程管计算，所需的传热管长度为：89025.014.378.1670sndSL=24（m）按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，根据本设计实际情况，采用标准设计，-7-75--现取传热管长为l=6m，则该换热器的管程数为：NP=L/l=24/6=4传热管总根数：NT=89×4=356（根）3.4.3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数：R=(140-40)/(40-30)=10;P=(40-30)/(140-30)=0.091按单壳程，4管程结构，温差校正系数应查有关图表可得φΔt=0.82平均传热温差Δtm=φΔtΔtm=0.82×39=32（℃）由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取単壳程合适。3.4.4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t=1.25×25=31.25≈32(mm)横过管束中心线的管数（根）2335619.119.1Nnc3.4.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为D=7.03563205.105.1Nt=757.7(mm)按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=800mm。3.4.6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=200（mm）折流板间距B=0.3D,则-8-85--B=0.3×800=240m