化工原理课程设计——煤油换热器的设计

化工原理课程设计

题 目 名 称： 学 院（部）： 专 业： 学 生 姓 名： 班 级： 指导教师姓名： 最终评定成绩：

煤油冷却器的设计 包装与材料工程学院 应用化学 学号 刘敏 职称 副教授 2012年 06 月

湖南工业大学化工原理课程设计

目录

第一章 前言 ………………………………………………………… 1 第二章 设计题目及原始数据 2.1设计任务及操作条件 第

三

章

换

热

器

总

体

结

构

的

选

择 ……………………………………………… 1

3.1 换热器的选型……………………………………………………………… 1 3.1.1 换热器的分类………………………………………………………… 1

2.1.4 换热器的选型………………………………………………………… 2 2.2 材质的选择………………………………………………………………… 2 2.3 换热器其他结构设计…………………………………………………… 3 2.3.1 管程机构………………………………………………………… 3 2.3.2 壳程结构………………………………………………………… 3 2.3.3换热器材质的选择…………………………………………………… 3

2

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第三章 列管式换热器的设计计算 ……………………………………4

3.1 确定设计方案………………………………………………………………4 3.1.1 选择换热器类型 ……………………………………………………4 3.3.2 流动空间及流苏确定 ………………………………………………4 3.2 确定物性参数 ……………………………………………………………4 3.3 计算总传热系数 ………………………………………………………5 3.3.1 热流量………………………………………………………………5 3.3.2 平均传热温差…………………………………………………………5 3.3.3 冷却水用量……………………………………………………………5 3.3.4 总传热系数……………………………………………………………5 3.4 计算传热面积………………………………………………………………6 3.5 工艺结构尺寸………………………………………………………………6 3.5.1 管径和管内流速………………………………………………………6 3.5.2 管程数和传热管数……………………………………………………6 3.5.3 平均传热温差校正及壳程……………………………………………7 3.5.4 传热管排列和分程方法……………………………………………7 3.5.5 壳体内径……………………………………………………………7 3.6.6 折流板………………………………………………………………8 3.5.7 接管………………………………………………………………8 3.6 换热器核算………………………………………………………………8 3.6.1 热量核算………………………………………………………………8 3.6.2 换热器内流体的流动阻力…………………………………………10

第四章 计算结果一览表 ……………………………………………12 结 论……………………………………………………………………13 参 文 文 献……………………………………………………………14 附录1 油冷却器的设计任务书 ………………………………………15 附录2 符号说明 ………………………………………………………16

3

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第1章 前言

化工原理课程设计，是将所学的化工原理理论知识联系实际生产的重要环节。一方面，它要求综合运用物理，化学，化工原理，工程制图的理论知识，确定生产工艺流程和计算设备的尺寸；另一方面，又要求根据设计对象的具体特征，凭借设计者的经验（或借鉴前人的经验），灵活运用设计的诀窍，对所选设备，工艺过程以及各种参数进行合理的筛选，校正和优化，达到经济合理的生产要求。

工业生产过程，两种物料之间的热交换一般是通过热交换器完成的，所以换热器的设计就显的尤为重要。换热器的设计，首先应根据工艺要求确定换热系统的流程方案并选用适当类型的换热器，确定所选换热器中流体的流动空间及流速等参数，同时计算完成给定生产任务所在地需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸且根据实际流体的腐蚀性确定换热器的材料，根据换热器内的压力来确定其壁厚。

第二章 设计任务及操作条件 1：处理能力 10200Kg/h 煤油 2：设备形式 列管式换热器 3：操作条件

（1） 煤油： 入口温度150℃，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100Kpa

（4） 煤油定性温度下的物性数据：ρ=825Kg/m3，µ=7.15×10-4Pa·s

Cp=2.22KJ/(Kg·℃)，λ=0.14W/(m·℃) （5） 每年按330天计，每天24h连续运行 4： 设计项目

a) 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。 b) 换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。 c) 换热器的主要结构尺寸设计。 d) 主要辅助设备选型。 e)

1

绘制换热器总装配图。

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第2章 设计方案说明

2.1 换热器型式的选择

2.1.1换热器的分类

换热器是化工，炼油工业中普遍应用的工艺设备，用来实现热量的传递，使热量由高温流体传给低温流体。根据传热方式可分为混合式换热器，蓄热式换热器，和间壁式换热器，其中间壁式换热器是工业中应用最为广泛的一类。其主要特点为：冷热流体被一固体间壁隔开，通过壁面进行转热。考虑到间壁式换热器设计技术比较成熟，而且国家在该类换热器的设计，制造，检验和验收等方面已有较为完善的设设计资料和系列化标准，因此选择间壁式换热器。

2.1.2换热器的选型

本次生产设计要求中，两流体温度变化情况：热流体进口温度150℃，出口温度40℃；冷流体（循环水）进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。

固定管板式换热器两端管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单、价格低廉、管子里面易清洗。

2.2材质的选择

换热器的设计时，换热器的各种零件，部件的材料应根据设备的操作压力，操作温度，流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺要求来选取。换热器的常用材料有：碳钢和不锈钢。

据生产要求，冷热流体分别为水合煤油，均无腐蚀性化学性质比较稳定，以及生产经济合理，选择碳钢作为换热器的材料。

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第三章 列管式换热器设计

3.1确定计算方案

3.1.1选择换热器的类型

两流体温度变化情况：热流体进口温度150℃，出口温度40℃；冷流体（循环水）进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。

3.1.2流动空间及流速的确定

由于冷却循环水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用φ252.5mm的碳钢管，管内流速取错误!未找到引用源。 。

3.2 确定物性数据

定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程油的定性温度为

T=150+40\\2=95℃

管程流体的定性温度为

根据第二章所提供的数据，可知： 煤油在95℃下的有关物性数据如下： 密度：ρ=825Kg/m3

定压比热容： Cp0=2.22KJ/(Kg·℃) 导热系数：λ0=0.14W/(m·℃) 粘度：µ0=7.15×10-4Pa·s

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循环冷却水在35℃下的物性数据： 密度：错误!未找到引用源。 定压比热容： 导热系数：

粘度：错误!未找到引用源。

3.3 计算总传热系数

3.3.1热流量

推出 qm.c=1.6576×10^4kg/h

3.3.2 平均传热温差

=691900W

3.3.3 冷却水用量

Q04.58106wi109632.3(Kg/h)

Cpi.ti4.1776(3828)3.3.4 总传热系数K

管程传热系数 Rediuiii0.020.59941.3710104104

0.000725idiuii0.8cpi0.4 i0.023()()

diii4

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0.62.1741030.7251030.440.80.023(1.37110)() 0.020.6262998.06W/(m2.0C)壳程传热系数

假设壳程的传热系数：0290W/(m2.0C) 污垢热阻

Rsi0.000344(m2.0C)/WRs00.000172(m.C)/W20

管壁的导热系数 K1

dodobdo1RsiRsoaidididmo1

0.0250.0250.00250.02510.0003440.0001722998.060.0200.020450.022529020=223.55 W/(m.C)

3.4 计算传热面积

3.5 工艺结构尺寸

3.5.1管径和管内流速

选用252.5传热管，取管内流速ui0.5m/s。

5

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3.5.2 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

1.1302105Vns994.683600=201.2202 22diu0.7850.020.54按单程管计算，所需的传热管长度为 LS192.4312.16(m) dons3.140.025202按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m，则该换热管管程数为

L12.16 Np2（管程）

l6传热管总根数

N2022404（根）

3.5.3平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数

12540 R8.5

40304030P0.10512530

按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R= 10的点在图上难以读出，因而相应以1／R代替R，PR代替P，查同一图线，可得 t0.8250.8 平均传热温差

 tmttm0.92536.4233.69(C)

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3.5.4 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

nc1.19N1.1940423.8624（根）

3.5.5.壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径为 D1.05tN1.0532404805.2(mm) 0.7圆整可取: D900(mm)

3.5.6 .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900225(mm) ，故可取h=230(mm) 取折流板间距B=0.3D，则

B0.3900270(mm)，可取B=300mm

折流板数

NB=传热管长/折流板间距-1=

折流板圆缺面水平装配。

6000119（根） 3003.5.7 接管

壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为 ，则接管内径为 d4V425000/(3600825)0.1035(m) u3.141取标准管径为100 mm。

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管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为 ，则接管内径为

4V41.1032105/(3600994.68) d0.1638(m)

u3.141.5取标准管径为180mm。

3.6 换热器核算

3.6.1热量核算

（1）壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用克恩公式 00.360d0Re00.55Pr1/3(00.14) w当量直径，由正三角形排列得

4(3223td0)4(0.03220.7850.0252)2420.020(m) d03.140.025 de壳程流通截面积 d0.025 S0BD(10)0.300.9(1)0.05906(m2)

t0.032壳程流体流速及雷诺数分别为

25000/(3600779.8) u00.143(m/s)

0.059060.0250.143825 Re031

8.1104普兰特准数

2.221038.110412.84 Pr0.140cp粘度校正: (

0.14)1 w0.140310.5512.841/3536.53W/(m2.0C) 0.02（2）管程对流传热系数

00.36 i0.023idiRe0.8Pr0.4

管程流通截面积

2n4040.0634(m2) Sidis0.7850.022422管程流体流速

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ui13021/(3600994.68）0.5（m/s)

0.0634diuii Reicp0.020.5994.6813710

0.000725普兰特准数

4.081037.261044.23 Pr0.626

i0.023idiRe0.8Pr0.40.0230.626(13710)0.84.730.40.02

2734W/(m2.0C)（3）热系数K K1

dodobdo1RsiRsoaidididmo10.0250.0250.00250.02510.0003440.00017227340.0200.020450.0225536.53

310.71W/(m2.0C)（4）传热面积S

Q1310.4103145.88(m2) SKt310.7128.91该换热器的实际传热面积Sp

Spd0L(Nnc)3.140.025(60.06)(40424)177.2(m2)

该换热器的面积裕度为 HSpSS10000177.2145.880021.4700

145.88传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

3.6.2.换热器内流体的流动阻力

（1）管程流动阻力

P(PP)FNNi12tsp

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Ns1,Np2,Ft1.4

lu2u2,P2 P 1id22由Re13037.99，传热管相对粗糙度0.01/20=0.005，查莫狄图得

i0.028W/(m2.0C)，流速 ui0.5ms1,994.68Kgm3 ，所以

6994.680.521043.7Pa P10.0280.022994.680.523372.8Pa P222

u2P(PP)FNNi12tsp(1043.7372.8)1.4123966.2Pa10KPa

管程流动阻力在允许范围内。

（2）壳程阻力

'' P0(P1P2)FtNs

Ns1,Ft1

流体流经管束的阻力 PFf0nc(NB1)'12u02

F0.5,f05.0Re00.2285.0(31)0.2280.7709

nc24,NB19,u00.143m/s

PFf0nc(NB1)

'12u028250.1431560.65(Pa22

0.50.770924(191)流体流过折流板缺口的阻力

B=0.27m，D=0.90m

22Bu0PNB(3.5)D2 220.308250.14319(3.5)454.09(Pa)0.902'210

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总阻力

P(PP)FN

0'1'2ts(1862.5454.09)1.152794.39(Pa)10KPa

壳程流动阻力也比较适宜 第四章 计算结果一览表

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工艺参数 名称 物料名称 操作压力，Mpa 操作温度，C 流量，Kg/h 流体密度，Kgm 流速，m/s 传热量，KW 3a 管程 循环水 0.3 30/40 113020 994.68 0.5 1310.42 2Dn180 Dn180 Dn100 Dn100 Dn80 Dn80 壳程 油 0.4 125/40 25000 825 0.143 b c d e f 冷却循环水入平面 口 冷却循环水出平面 口 煤油入口 煤油出口 排气口 放净口 凹凸面 凹凸面 凹凸面 凹凸面 0W/mK 总传热系数，对流传热系数，310.71 2734 536.53 W/m2K 污垢系数，mK/W 阻力降，Mpa 程数 推荐使用材料 管子规格 20.000344 0.0039662 2 碳钢 管数 404 0.000172 0.0027944 1 碳钢 管长，mm 6000 252.5 32 上下 管间距，mm 折流板型式 排列方式 间距，300 mm 正三角形 切口高度25℅ 壳体内径，mm 900 保温层厚度

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结 论

化工原理课程设计是培养化工能力的的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握了化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；能画出工艺流程、塔板结构等图。在设计中要考虑理论的可行性，还要考虑生产的经济性和安全性。

这是第一次我们真正的接触到与我们专业实际相联系的事物，我呢吧都怀着十分期待的心情面对此次课程设计。

在短短的两周内，我们刚开始意识到任务的艰难，开始讨论、计算，再到各种材料的选取，我们深切的感受到理论要与实际结合的重要性。

化工原理本来是很难学的一门课程，而且课程设计带有大量的计算，画图过程对于细节的处理要求也很高，所以刚开始的时候，我们都感觉很困难，甚至还有点畏惧和抵触情绪，但是当我们开始画起开的时候，却在期中找到了乐趣，还有很高的成就感，真的应了那句古话，“万事开头难”。

在设计中，我们学到了很多平时学不到的东西。首先，我们充分地认识到我们所学的知识的重要性，深刻地体验到理论知识在实际生产中发挥的举足轻重的作用，一方面巩固了已有的知识，另一方面也拓展了新的视野。

另外，我们也学会了“活到老学到老”的道理，设计过程相当于一个探索过程，在这个过程中，我们接触到许多课本中没有的知识，对于自身的不足也有了充分的了解，并做了几十的改正。但是，对实际应用还是义一无所知，还需要大量的学习与实践。同时，诸多步骤的繁琐的计算中，充分地培养了严谨的学习态度，做事必须细致认真，尤其在工程设计中，一个小小的错误可能导致不堪设想的后果。另外，通过本次课程设计，我们也充分认识到在实际生产中，更多的药考虑设备的合理性，经济性

对于此次课程设计，历时两周，虽然有些繁杂却不乏乐趣，在设计的过程中，我们组员之间团结相互合作，有什么问题大家共同讨论，共同分享快乐和学习过程中的艰辛，共同进步。让我们加强了退队合作精神。也加强了我们的专业知识。让问更进一步的加强了以后面对社会的资本。

我还要感谢指导老师：刘敏老师和罗婕老师，感谢她们对我们的教导与帮助，感谢同学们的相互支持。

限于我们的水平，设计中难免有不足与谬误之处，恳请老师们批评指正。

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参考文献

[1] 贾绍义，柴诚敬．化工原理课程设计．天津大学出版社[M] ，2002：16-19. [2] 陈声宗．化工设计．化学工业出版社[M] ，2002：75-81.

[3] 柴诚敬．化工原理第二版上册．高等教育出版社[M] ，2009：208-2. [4] 杨树才．化工制图．化学工业出版社[M] ，2005：36-59.

[5] 韩冬冰，李叙凤．化工工程设计．学苑出版社[M] ，2005：46-69. [6] 聂清德．化工设备设计．化学工业出版社[M] ，2002：36-42.

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附录1 煤油冷却器的设计任务书

1．设计题目

煤油冷却器的设计。

2．设计任务及操作条件

（1）处理能力 6000 kg/h煤油 （2）设备型式 列管式换热器 （3）操作条件

①煤油：入口温度125℃，出口温度40℃

②冷却介质：自来水，入口温度30℃，出口温度40℃ ，循环冷却水的压力为0.4MPa

（4）设计项目

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绘制换热器设备图。

3．设计说明书的内容

（1）目录；

（2）设计题目及原始数据(任务书)；

（3）论述换热器总体结构(换热器型式、主要结构)的选择；

（4）换热器加热过程有关计算(物料衡算、热量衡算、传热面积、换热管型号、壳体直径等)；

（5）设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等)； （6）主体设备设计计算及说明； （7）参考文献； （8）后记及其它。

4．设计图要求

绘制换热器设备图一张(手绘，A2)：一主视图，一剖面图。

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附录2 符号说明

T—热流体温度，℃； t—冷流体温度，℃；

Cp—比定压热容，KJ/（Kg.℃）； λ—导热系数，W/（ｍ.℃）； Q—传热速率，Kｗ；

qｍ,h_—热流体质量流量，Kg/h ； qｍ,c—冷流体质量流量，Kg/h； Δtm—平均传热温度，℃； Re—雷诺数； d—管径，mm ； u—流速 ，m/s； µ—黏度，Pa.s；

α—对流传热系数，W/(m2.℃)； R—导热热阻，m2.℃/W； K—总传热系数，W/(m2.℃)； b—平壁厚度，mm； S—传热面积，m2； n—管数；

V—体积流量，m3/s； L—传热管长度，m； l—特性尺寸，m； N—程数； R,P—因数；

øΔt —平均温度校正系数，量纲为一； t—管心距，mm； D—壳体内径，mm； η—利用率；

h—圆缺高度，mm； B—折流板间距，mm； NB—折流板数；

de—当量直径，mm； Pr—普兰特准数； H—面积裕度； p—压力，Pa；

Ft—结垢校正系数； Ns—串联壳程数； ξ—局部阻力系数；

F—管子排列方式对压力降的校正系数； f0—壳程流体摩擦系数；

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下标

h—热流体的； c—冷流体的； e—当量的； i—管内的； o—管外的； m—平均的； s—污垢； w—壁面； 17