化工原理課程設(shè)計(jì)-煤油冷卻器的設(shè)計(jì)

1、廣西工學(xué)院化工原理 課程設(shè)計(jì)說 明 書設(shè)計(jì)題目 煤油冷卻器的設(shè)計(jì) 系 別 生化系 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 日 期 設(shè)計(jì)成績 一、化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書（換熱器的設(shè)計(jì)）（一） 設(shè)計(jì)題目：煤油冷卻器的設(shè)計(jì)（二） 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件：1. 處理能力：（19.8×104+5×17）噸/年煤油2. 設(shè)備型式：列管式換熱器3. 操作條件：（1） 煤油入口溫度140，出口溫度40；（2） 冷卻介質(zhì)循環(huán)水，入口溫度30，出口溫度40；（3） 允許壓強(qiáng)降不大于105Pa;（4） 煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度為825kg/m3；粘度為：7.5×10-4Pa.S;比熱容

2、為：2.22kJ/（kg. ）；導(dǎo)熱系數(shù)為：0.14W/（m. ）（5） 每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。（三） 設(shè)計(jì)項(xiàng)目1. 選擇適宜的列管換熱器并進(jìn)行核算。2. 畫出工藝設(shè)備圖及列管布置圖。目錄一、 設(shè)計(jì)任書.1二、 工藝流程草圖及說明.5三、 工藝計(jì)算及主要設(shè)備設(shè)計(jì).61、 確定設(shè)計(jì)方案.61.1 選擇換熱器的類型61.2 流程安排62、 確定物性數(shù)據(jù).63、 估算傳熱面積.73.1 熱流量73.2 平均傳熱溫差73.3 傳熱面積73.4 冷卻水用量74、 工藝結(jié)構(gòu)尺寸.74.1 管徑和管內(nèi)流速74.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)74.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)84.4 傳熱管排列和分程

3、方法84.5 殼體內(nèi)徑84.6 折流板84.7 其他附件84.8 接管85、 換熱器核算.95.1 熱流量核算95.1.1 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)95.1.2 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)95.1.3 污垢熱阻和管壁熱阻95.1.4 傳熱系數(shù)KC.105.1.5 傳熱面積裕度.105.2 壁溫核算.105.3 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力.115.3.1 管程流體阻力.115.3.2 課程阻力.11四、 輔助設(shè)備的計(jì)算和選型.12五、 設(shè)計(jì)結(jié)果概要.13六、 設(shè)計(jì)評(píng)述.15七、 附圖.16八、 參考資料.17九、 主要符號(hào)說明.18二、 工藝流程草圖及說明工藝流程草圖主要說明：由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，

4、應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。如圖，煤油經(jīng)泵抽上來，經(jīng)加熱器加熱后，再經(jīng)管道從接管C進(jìn)入換熱器殼程；冷卻水則由泵抽上來經(jīng)管道從接管A進(jìn)入換熱器管程。兩物質(zhì)在換熱器中進(jìn)行換熱，煤油從110被冷卻至40之后，由接管D流出；循環(huán)冷卻水則從30變?yōu)?0，由接管B流出。三、 工藝計(jì)算及主要設(shè)備設(shè)計(jì)1、確定設(shè)計(jì)方案1.1選擇換熱器的類型：兩流體溫度變化情況：煤油進(jìn)口溫度為140，出口溫度40，冷流體進(jìn)口溫度30，出口溫度40；設(shè)煤油壓力為0.3MPa，冷卻水壓力為0.4MPa。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用浮

5、頭式換熱器。1.2流程安排: 由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。選用25×2.5的碳鋼管（換熱管標(biāo)準(zhǔn)：GB8163）。2、確定物性數(shù)據(jù)：2.1定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。 管程流體的定性溫度為：（）煤油90下的物性數(shù)據(jù)： ()根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。 煤油在90下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水在35下的物性數(shù)據(jù)密度o=825 kg/m3密度i=994 kg/m3定壓比熱容cpo=2.22 kJ/(kg·K)定壓比熱容cpi=4.08 kJ/(kg·K)導(dǎo)熱系數(shù)o=0.140 W/(m·K)

6、導(dǎo)熱系數(shù)i=0.626 W/(m·K)粘度o=0.000715 Pa·s粘度i=0.000725 Pa·s3、估算傳熱面積3.1熱流量m0=（kg/h）Qo=m0cp0t0=25011×2.22×(140-40)=5.55×106kJ/h=1542 (kW)3.2平均傳熱溫差()3.3傳熱面積 假設(shè)K=313W/(m2·K),則估算面積為：AP=Q0/(K×tm)=1542×103/(313×39)=126(m2) 3.4冷卻水用量（kg/h）4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸4.1管徑和管內(nèi)流速選用25

7、5;2.5較高級(jí)冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速ui= 1.5m/s4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)=80.781（根）按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為：=20（m）按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長為l=5m，則該換熱器的管程數(shù)為：NP=L/l=20/5=4；傳熱管總根數(shù)： NT=81×4=324（根）4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)：平均傳熱溫差校正系數(shù)：R=(140-40)/(40-30)=10;P=(40-30)/(140-30)=0.091按單殼程，4管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表可得t

8、=0.86平均傳熱溫差tm=ttm塑=0.86×39=33.54（）由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取単殼程合適。4.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。（見化工過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)書本圖3-13）取管心距t=1.25d0，則t=1.25×25=31.2532(mm)隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+6=32/2+6=22（mm）。各程相鄰的管心距為44mm。管束的分程方法，每程各有傳熱管81根，其前后箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按化工過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)書本圖3-14選取。4.5殼體內(nèi)徑

9、采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率0.8，則殼體內(nèi)徑為D=676(mm)按卷制殼體的進(jìn)級(jí)擋，圓整可取D=700mm。4.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25，則切去的圓缺高度為h0.25×700=175（mm）。折流板間距B=0.3D,則B=0.3×700=210mm。折流板數(shù) NB=傳熱管長/折流板間距-1=5000/180-1=26.827(塊)，折流板圓缺面水平裝配見化工過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)書本圖3-15。4.7其他附件拉桿數(shù)量與直徑按化工過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)書本圖表3-9選取，本換熱器傳熱管外徑為25mm故其拉桿直徑為16，拉桿數(shù)為6個(gè)。殼程入口處，應(yīng)

10、設(shè)置防沖擋板。4.8接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為u1.0m/s，則接管內(nèi)徑為：D1=（m），圓整后可取管內(nèi)徑為110mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為(m)=180mm。5. 換熱器核算5.1熱流量核算5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，用克恩法計(jì)算：當(dāng)量直徑，由正三角排列得：de=（m）殼程流通截面積：=0.03（m2）殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：u0=（m/s）Re0=6000普朗特?cái)?shù)：Pr=；粘度校正：h0=677.5W/(m2·K) 5.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：hi管程流體流通截面積：Si=0.785×0.022&#

11、215;324/2=0.051（m2）管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：ui=0.75（m/s）Rei=20566普朗特?cái)?shù)：Pr=hi=0.023×=3782W/ (m2·K)5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻 查有關(guān)文獻(xiàn)知可?。汗芡鈧?cè)污垢熱阻 R0=0.00017 m2·K/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Ri=0.00034 m2·K/W管壁熱阻 查有關(guān)文獻(xiàn)知碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50W/(m·K)。故RW=0.0025/50=0.00005（m2·K/W）5.1.4計(jì)算傳熱系數(shù)KC：KC=417.5w/（m·）計(jì)算傳熱面積AC:AC=Q/(

12、KC×tm)=1542×103/（417.5×33.54）=110（m2）該換熱器的實(shí)際傳熱面積A：A=3.14×0.025×5×324=127.2（m2）5.1.5該換熱器的面積裕度為：H=×100%=×100%=15.64%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。5.2壁溫核算 因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁溫度可按式（3-42）計(jì)算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時(shí)，循環(huán)水的進(jìn)口溫度將會(huì)降低。為確保可靠，取循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為16，出口溫度為40計(jì)算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)

13、使傳熱管壁溫升高，降低了殼程和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管壁溫差肯能較大。計(jì)算中，應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。于是有tw=式中液體的平均溫度tm=和氣體的平均溫度分別按式（3-44）和式（3-45）計(jì)算為tm=0.4×40+0.6×16=25.6（） Tm=0.5（140+40）=90（）hc=hi=5833W/ (m2·K) hh=h0=806.6W/ (m2·K)傳熱管平均壁溫t=33.4（）殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=90。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為t=90-33.

14、4=56.6（）>50該溫差較大，故需設(shè)溫度補(bǔ)償裝置。因此，需選用浮頭式換熱器較為適宜。5.3換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力5.3.1管程流體阻力 計(jì)算公式如下：Pt=（Pi+Pr）NSNpFS; NS=1, Np=2，F(xiàn)S=1.5; Pi=。由Re=35345，傳熱管相對(duì)粗糙度0.2/20=0.01，查莫狄圖得=0.0388，流速u=1.268m/s，=994kg/m3，故 Pi=7751.2（Pa）；Pr=2397（Pa） Pt=（7751.2+2397）×4×1.5=56829.92（Pa）<105 Pa管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。5.3.2殼程阻力 公式有：PS

15、=（P0+Pi）FSNS 其中 FS=1.15 ；NS=1 ；P0= Ff0NTC(NB+1) ; 又F=0.5,f0=5×6000-0.228=0.688, NTC=1.1 NT0.5=1.1×3240.5=19.8NB=27;u0（按流通面積S0=B(D- NTCd0)計(jì)算）=0.2m/s則流體流經(jīng)管束的阻力：P0=0.5×0.688×19.8×（27+1）×825×0.22/23146.77（Pa）流體流過折流板缺口的阻力Pi =NB（3.5-2B/D）,其中 B=0.21m; D=0.7m；故Pi=27×（

16、3.5-2×0.21/0.7）×825×0.22/21291.95（Pa），則總阻力： PS=3146.77+1291.95=4438.72（Pa）<105 Pa。故殼程流體的阻力也適宜。四、輔助設(shè)備的計(jì)算和選1.泵的選擇以下是兩種不同類型泵的性能參數(shù)：對(duì)殼程流體苯所需的泵進(jìn)行計(jì)算選擇：ISWB型臥式管道油泵性能參數(shù)表型 號(hào)流 量q（m3/h）揚(yáng)程m效率%轉(zhuǎn)速r/min電機(jī)功率kw允許汽蝕余量m80-315c4185512900223.080-35050150662900553.080-350a44.5142652900453.080-350b4113562

17、2900373.080-100(i)10012.57629005.54.580-100(i)a891074290044.580-125(i)10020762900114.580-125(i)a89167429007.54.580-160(i)10032762900154.580-160(i)a93.528742900114.580-160(i)b86.624722900114.580-200(i)1005074290024.580-200(i)a93.54473290018.54.580-200(i)b8738712900154.580-250(i)10080692900374.580-250

18、(i)a93.570682900304.580-250(i)b8760662900304.580-315(i)100125662900754.5由=25011Kg/h，可得=30.3()考慮經(jīng)濟(jì)因數(shù)，從上表中選用ISWB-80-160(i)b型的泵：r=2900 r/min，=30()（便于調(diào)節(jié)）H=24（m）（1.1m，可以將換熱器安裝在高處），=4.5 (m)對(duì)管程循環(huán)水所需的泵進(jìn)行計(jì)算選擇：isw型臥式離心泵性能參數(shù)表型 號(hào)流 量q揚(yáng)程m效率%轉(zhuǎn)速r/min電機(jī)功率kw允許汽蝕余量mm3/hl/s80-315(i)a9526.4113662900554.080-315(i)b902510

19、1652900454.080-315(i)c8222.885632900374812.57629005.54.5100-100a89471074290044.5100-12510027.820762900114.5100-125a8924.7167429007.54.5100-16010027.832762900154.5100-160a93.526.028742900114.5100-160b86.624.124722900114.5100-20010027.850742900224.0100-200a93.526.04473290018.54.0100-200

20、b8724.238712900154880692900374.0100-250a93.526.0706829003048125662900754.0100-315c8222.885632900374.0100-100(i)16044.412.5732900114.5100-125(i)16044.420742900154.5100-125(i)a1403917722900114.5100-160(i)16044.432322900225.6100-160(i)a140392828290018.55.0100-200(i)10044.4

21、50502900375.2125-160a15041.72828290018.54.0125-160b13838.324242900154450502900375.5125-200a15041.744442900305.5125-200b13838.337.537.52900225.5由，=136.9()，經(jīng)過上表的參數(shù)對(duì)比，應(yīng)選用isw-125-160a型泵：r=2900 r/min，=140()（便于調(diào)節(jié)），H=28（m），=4.0(m)五、設(shè)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)一覽表換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見下表。參數(shù)管 程殼 程流率/（kg/h/出溫度

22、/30/40140/40壓力/ MPa0.40.3物性定性溫度/3590密度/（kg/m3）994825定壓比熱容/（kJ/（kg·K）4.082.22粘度/（Pa·s）0.0007250.000715熱導(dǎo)率/w/（m·K）0.6260.140普朗特?cái)?shù)4.7311.34設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm700殼程數(shù)1管徑/mm25×2.5管心距/mm32管長/mm5000管子排列管數(shù)目/根324折流板數(shù)/個(gè)27傳熱面積/m2127.2折流板間距/mm210管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）1.2680.260表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/w/（

23、m2·K）3782677.5污垢阻力/（w/m2·K）0.000340.00017阻力/MPa0.570.0044熱流量/kW1542傳熱溫差/K33.54傳熱系數(shù)/w/（m2·K）417.5裕度/%15.64六、設(shè)計(jì)評(píng)述本次化工課程設(shè)計(jì)是對(duì)列管式換熱器的設(shè)計(jì)，通過查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料、上網(wǎng)搜索資料以及反復(fù)計(jì)算核實(shí)，本列管式換熱器的設(shè)計(jì)可以說基本完成了。下面就是對(duì)本次設(shè)計(jì)的一些評(píng)述。本設(shè)計(jì)所需要的換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，故本次設(shè)計(jì)確定選用浮頭式換熱器。易析出結(jié)晶、沉淀、淤泥及其他沉淀物的流

24、體，最好通入比較容易進(jìn)行機(jī)械清洗的空間，而浮頭式換熱器的管束可以從殼體中抽出，便于清洗管間和管內(nèi)管束可以在殼體內(nèi)自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)力。對(duì)于浮頭式換熱器，一般易在管內(nèi)空間進(jìn)行清洗。所以選擇浮頭式換熱器較合適。本設(shè)計(jì)選擇了冷卻水走管程，煤油走殼程的方案。由于本設(shè)計(jì)所要冷卻的煤油的流量不是很大，故選擇所需的換熱器為單殼程、4管程，可以達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，且設(shè)計(jì)的列管式換熱器所需的換熱面積較合適，計(jì)算得的面積裕度也較合適，這樣所損耗的熱量相對(duì)來說不會(huì)很大。至于本設(shè)計(jì)能否用在實(shí)踐中生產(chǎn)，或者生產(chǎn)的效率是否會(huì)很低，這些只有在實(shí)踐中才能具體的說明。課程設(shè)計(jì)需要學(xué)生自己做出決策，自己確定實(shí)驗(yàn)方案、選擇流程、查取資料、進(jìn)行過程和設(shè)備的計(jì)算，并要對(duì)自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計(jì)。所以，課程設(shè)計(jì)是增強(qiáng)工程觀念、培養(yǎng)提高學(xué)生獨(dú)立工作能力的有益實(shí)踐。通過本次設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了如何根據(jù)工藝過程的條件查找相關(guān)資料，并從各種資料中篩選出較適合的資料，根據(jù)資料確定主要工藝流程，主要設(shè)備，及計(jì)算出主要設(shè)備及輔助設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)及數(shù)據(jù)。了解到了工藝設(shè)計(jì)計(jì)算過程中要進(jìn)行工藝參數(shù)的計(jì)算。通過設(shè)計(jì)不但鞏固了對(duì)主體設(shè)備圖的了解，還學(xué)習(xí)到了工藝流程圖的制法。