(完整版)化工原理课程设计---煤油冷却器的设计

课程设计

课程名称化工原理课程设计题目名称煤油冷却器的设计

专业班级08级食品科学与工程（2）班学生姓名纪平平

学号50806022006

指导教师赵大庆

二O一O年十二月三十日

目录

1 《化工原理》课程设计任务书.......................................................................................................... - 1 -

1.1 设计题目..................................................................................................................................... - 1 -

1.2 原始数据及操作条件................................................................................................................. - 1 -

1.3 设计要求..................................................................................................................................... - 1 -

2 《化工原理》课程设计说明书.......................................................................................................... - 2 -

2.1 前言............................................................................................................................................. - 2 -

2.2 工艺流程图及说明..................................................................................................................... - 3 -

3 生产条件的确定.................................................................................................................................. -

4 -

4 换热器的设计计算.............................................................................................................................. - 4 -

4.1 选择换热器类型......................................................................................................................... - 4 -

4.2 流动空间及流速的确定............................................................................................................. - 4 -

4.3 确定物性数据............................................................................................................................. - 4 -

4.4 计算总传热系数......................................................................................................................... - 5 -

4.4.1 热流量............................................................................................................................ - 5 -

4.4.2 平均传热温差................................................................................................................ - 5 -

4.4.3 冷却水用量.................................................................................................................... - 6 -

4.4.4 总传热系数.................................................................................................................... - 6 -

4.5 计算传热面积............................................................................................................................. - 7 -

4.6 工艺结构尺寸............................................................................................................................. - 7 -

4.6.1 管径和管内流速............................................................................................................ - 7 -

4.6.2 管程数和传热管数........................................................................................................ - 7 -

4.6.3 平均传热温差校正及壳程数 ........................................................................................ - 7 -

4.6.4 传热管排列和分程方法................................................................................................ - 8 -

4.6.5 壳体内径........................................................................................................................ - 8 -

4.6.6 折流板............................................................................................................................ - 8 -

4.6.7 接管................................................................................................................................ - 9 -

4.7 换热器核算................................................................................................................................. - 9 -

4.7.1热量核算......................................................................................................................... - 9 -

4.7.2 换热器内流体的流动阻力...........................................................................................- 11 -

5 设计结果汇总表................................................................................................................................ - 13 -

6 设计评述............................................................................................................................................ - 14 -

7 心得体会.............................................................................................................................................. - 15 -

8 参考文献............................................................................................................................................ - 16 -

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煤油冷却器的设计

1 《化工原理》课程设计任务书1.1 设计题目

煤油冷却器的设计

1.2 原始数据及操作条件

1、处理能力 2.6×104 t/Y

2、设备形式列管式

3、煤油T入= 140℃，T出= 40℃

4、冷水T

入= 30℃，T

出

= 40℃

5、⊿P<=105Pa

6、煤油ρ=825Kg/m3，μ=7.15×10-4Pa.S C V=2.22kJ/(Kg.℃)

7、λ= 0.14W/（m.℃）

8、每年按330天计，每天24小时连续进行。

1.3 设计要求

试设计一台适宜的列管式换热器完成该生产任务，绘制设备图，编制一份设计说明书（电子稿）。

纪平平：列管式换热器的设计

2 《化工原理》课程设计说明书

2.1 前言

在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各换热器，且它们是这些行业的通用设备，并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，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进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。

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，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器大的机构尺寸。

列管式换热器的应用已有很悠久的历史。在化工、石油、能源设备等部门，列管式换热器仍是主要的换热设备。列管换热器的设计资料已较为完善，已有系列化标准。目前我国列管换热器的设计、制造、检验、验收按“钢制管壳式（即列管式）换热器”（GB151）标准执行。

列管式换热器主要有固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管换热器和填料函式换热器等。

固定管板式换热器有结构简单、排管多等优点。但由于结构紧凑，固定管板式换热器的壳侧不易清洗，而且当管束和壳体之间的温差太大时，管子和管板易发生脱离，故不适用与温差大的场合。

浮头式换热器针对固定管板式换热器的缺陷进行了改进。两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端可相对与壳体移动。故这种换热器的管束膨胀不受壳体的约束，而且易于清洗和检修，所以能适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和易于结垢的场合。但其结构复杂、笨重、造价高限制了它的使用。

U型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。这类换热器的特点有：管束可以自由伸缩，热补偿性能好；双管程，流程长，流速高，传热性能好；承压能力强；管束可以从壳体中抽出，且结构简单，造价低。但其管数少且易短流。故仅适用于管壳壁温差较大，或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。

填料函式换热器也只有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封。它的管束也可自

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由膨胀，结构比浮头式简单，造价较低。但填料函易泄露，故壳程压力不宜过高，也不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒的场合。

列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及前度设计。其中以热力设计最为重要。不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投入使用的换热器在检验它是否满足使用要求，均需进行这方面的工作。

热力设计是指，根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。

流动设计主要是计算压降，其目的就是为换热器的辅助设备。

结构计算指的是根据传热面积的大小计算器主要零部件的尺寸，例如管子的直径、长度、根数、壳体的直径、折流板的长度和数目及布置以及连接管的尺寸，等等。

列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：

1.根据换热任务和有关要求确定设计方案；

2.初步确定换热器的结构和尺寸；

3.核算换热器的传热面积和流体阻力；

4.确定换热器的工艺结构。

2.2 工艺流程图及说明

工艺流程图

纪平平：列管式换热器的设计

主要说明：由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。如图，煤油经泵抽上来，经加热器加热后，再经管道从接管C进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管A进入换热器管程。两物质在换热器中进行换热，煤油从140℃被冷却至40℃之后，由接管D流出；循环冷却水则从30℃变为40℃，由接管B流出。

3 生产条件的确定

设计一列管式煤油换热器，完成年冷却2.6×104t煤油的任务，具体要求如下：煤油进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体进口温度30℃，出口温度40℃；每年按330天计，24小时/天连续进行。

4 换热器的设计计算

4.1 选择换热器类型

两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体进口温度30℃，出口温度40℃。由于该换热器的管壁温度和壳体温度有较大温差，故选用带膨胀节的固定版式换热器。

4.2 流动空间及流速的确定

实际生产中，冷却水一般为循环水，而循环水易结垢，为便于清洗，应采用冷却水走管程，煤油走壳程。选用φ20×2.5的碳钢管，管内流速设为u

i

=0.5m/s。

4.3 确定物性数据

定性温度：可取流体进口温度的平均值。

壳程煤油的定性温度：

T=

240

140

=90（℃）管程流体的定性温度：

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T= 40302

+ =35(℃) 根据定性温度，分别插取壳程和管程流体的有关物性数据。

煤油在90℃的有关物性数据如下：

密度 ρo =825kg/m 3

定压比热容 C po =2.22kJ/(kg·℃)

导热系数 λ。=0.140W/(m·℃)

粘度 μo =0.000715Pa·s

循环冷却水在35℃的有关物性数据如下：

密度 ρi =994kg/m 3

定压比热容 C pi =4.08kJ/(kg·℃)

导热系数 λi =0.626W/(m·℃)

粘度 μi =0.000725Pa·s

4.4 计算总传热系数

4.4.1 热流量

每小时处理力 0w 2600010003283/3302433024

kg h m ?===?? 00053283 2.22(14040)7.2910/202.5o p Q m C t kJ h kW ==??-=?=

式中 W o —流体的质量流量 kg ／h

C po —流体的平均定压比热容，kJ ／（kg ·℃）

T o —热流体的温度，℃

4.4.2 平均传热温差

=?'m t

121n n 2(14040)(4030)39140404030t t t t ?-?---==?--?l l (℃)

纪平平：列管式换热器的设计

4.4.3 冷却水用量

5

47.2910 1.7910/4.08(4030)

o i pi i Q w kg h c t ?===???- 式中 t —冷流体的温度，℃

4.4.4 总传热系数

管层传热系数 Re=0.0150.5994102830.000725

i i i i d u ρ??==μ 0.80.40.023

)()p i i i i i i i i i c d u d μλρα=(μλ =0.80.42×0.626 4.082.16750.023

(10283)()4838/(.)0.0150.626

W m C =° 壳程传热系数 假设壳程传热系数 20290/(.)W m C α=°

污垢热阻

20.000344./si R m C W =°

20.000172./so R m C W =°

管壁的导热系数 245/.W m C λ=°

11o o o si so i i i i o

K d d bd R R d d d =++++αλα 1

0.020.020.00250.0210.0003440.0001720.0150.015450.015290××4838?×=++++

=2

226.8/(.)W m C °

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4.5 计算传热面积

'220250022.9()226.839

m Q S m K t ===?? 考虑15%的面积裕度，2S=1.15S'=1.1522.9=26.3(m )??

4.6 工艺结构尺寸

4.6.1 管径和管内流速

选用φ20×2.5传热管（碳钢），取管内流速0.5/i u m s =

4.6.2 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

217900/(3600994)56.7570.7850.0150.54

s i V n d u π?===≈??（根） 按单程管计算，所需的传热管长度

26.37.3()3.140.0257

o s S L m d n π===?? 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。取传热管长L O =6m,则该换热器管程数

为

7.326

P L N l ==≈（管程） 传热管总根数572114N =?= (根)

4.6.3 平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数

1404010403040300.09114030R P -=

=--==- 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，

纪平平：列管式换热器的设计

因而相应以1/R 代替R ，PR 代替P ，查同一图线，可得

t φ?=0.82

平均传热温差

'0.823932()m t m t t C φ??=??=?=?

4.6.4 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o d t 25.1=，则

1.252025()t mm =?=

横过管束中心线的管数

1.191

2.713c n ===≈（根）

4.6.5 壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率7.0=η，则壳体内径

1.05 1.0525335()D mm ==?=

取整D=350mm

4.6.6 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。

0.2535082.5h mm =?=,取h=90mm 。

取折流板间距，则

0.4B D =

0.4140B mm ==

取板间距B=150mm

折流板数块

60001139150B L N B =-=-=(快) 折流板圆缺水平装配。

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4.6.7 接管

壳程流体进出口接管：取接管内循环油品流速为s m u /0.1=，则接管内径为

0.0375d m === 取标准管径为40mm 。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为s m u /5.1=，则接管内径为

0.080d m === 取标准管径为80mm 。

4.7 换热器核算

4.7.1热量核算

4.7.1.1 壳程对流传热系数

对圆缺形折流板，可采取克恩公式

14.03/155.0Pr Re 36.0???? ??=w o o e o o d μμλα

当量直径，由正三角形排列得

22223.14440.0250.02440.014()3.140.02

o e o d d m d ππ??-?-???????===? 壳程流通截面积

20.0210.150.3510.0105()0.025o

o d S BD m t ????=-=??-= ? ?????

壳程流体流速及其雷诺数分别为

3283/(3600825)0.075/0.1476

o u m s ?== 0.0200.075825Re 17310.000715

o ??== 普兰特准数

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34.11140

.0000715.01022.2Pr 3=??= 粘度校正 114.0≈???? ??w μμ

0.551/320.1400.36316111.34489/(.)0.014

o W m C α=???=? 4.7.1.2 管程对流传热系数 4.08.0023.0???? ?????

? ??=i i pi i i i i i i i c u d d λμμρλα 管程流通截面积

221140.7850.0150.0101()2

i S m =??= 管程流体流速及其雷诺数分别为

4i 1.7910/(3600994)0.495/0.0101

u m s ??== 0.0150.495994Re 101800.000725

??=

= 普兰特准数 34.08100.000725Pr 4.730.626

??== 0.80.420.6220.023(10180)(4.73)2873/()0.015i W m C α=?

??=?? 4.7.1.3 传热系数

查有关文献知可取：

管外侧污垢热阻 R s0=0.000172 m 2*0C /W

管内侧污垢热阻 R s1=0.000344 m 2*0C /W

碳钢在该条件下的热导率 λ=45W/(m *0

C )

4.7.1.4 传热面积 S

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o m 21

1

1

0.020.020.00250.02

1

0.0003440.00017228730.0150.015450015489

318.5/()

o

o o si so i i i o

K d d bd R R d d d W m C αλα=++++

=?+?+++???=??

220250025.4()318.525

m Q

S m K t ===??

该换热器的实际传热面积p S

23.140.0260.06(1141337.7()p o S d LN m π==??-?-=（））

该换热器的面积裕度

37.725.4

×100%100%48.4%25.4p S S H S --==?=

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

4.7.2 换热器内流体的流动阻力

4.7.2.1 管程流动阻力

P s t i N N F P P P ∑?+?=?)(21

1=s N 2p N = 1.5t F =

221u d l P i ρλ=?，22

2u P ρζ=?

由Re 10180=，传热管相对粗糙度005.02001

.0=，查莫狄图得0.038/(.)

i W m C λ=? ，流

速0.495/i u m s =，3

994/kg m ρ=，所以

2

16

9940.4950.0381826.6()0.0152P Pa ??=??=，

2

29940.4953365.3()2P Pa ??=?=，

5

(1826.6365.3) 1.526575.7()10i P Pa Pa ?=+??=<∑

纪平平：列管式换热器的设计

管程流动阻力在允许范围之内。

4.7.2.2 壳程阻力

∑?+?=?s s o N F P P P )''(21

其中，△P 1,流体横过管束的压强降，Pa

△P 2,流体通过折流板缺口的压强降，Pa

F S 压强降的结垢校正因数,

F S =1 , 1=s N

流体流经管束的阻力

△P 1,=Ff o n c (N B +1)22o o u ρ

其中，F---管子排列方法对压强降的校正因数，对三角形排列取F=0.5

f o ---壳程流体的摩擦系数，Re o >500时，取f o =5.0×Re o -0.228

n c ---横过管束中心线的管子数

N B ---折流挡板数

故 f o =5×1731-0.228=0.7962

2

18250.075'0.50.796213(391)480.32

P Pa ??=???+?= 流体流过折流板缺口的阻力

222'(3.5)2

o B B u P N D ρ?=-， 0.15,0.35B m D m ==

2

28250.07520.15'39(3.5)239.1()0.352

P Pa ???=?-?=， 总阻力

5

(480.3239.1)719.4()10P Pa Pa =+=<∑ 壳程流动阻力也比较合适。

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5 设计结果汇总表换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。

纪平平：列管式换热器的设计

6 设计评述

我们设计的是煤油冷却器，冷却器是许多工业生产中常用的设备。列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广。列管式换热器有固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式等类型。列管式换热器的形式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。由于两流体的温差大于50 ，故选用带补偿圈的固定管板式换热器。这类换热器结构简单、价格低廉，但管外清洗困难，宜处理壳方流体较清洁及不易结垢的物料。因水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。

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7 心得体会

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.

经过近一周的努力，我的课程设计终于完成了。在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，使我认识到合作的重要性.我和几位相互设计不同的方案，然后集中讨论，选择最佳的设计方案。遇到难的地方，就各自查找资料，既而进行攻坚，团队的力量是无穷的，没有克不了的难关。同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

在此也要感谢我们的指导老师赵老师对我们课程设计前的指导，让我不盲目的查阅资料。在设计过程中，我通过查阅有关资料，与同学交流经验和自学，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的不是太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我有很大受益。

纪平平：列管式换热器的设计

8 参考文献

[1] 贾绍义、柴诚敬，化工原理课程设计[M]，天津大学出版社，2002年，第一版。

[2] 王国胜，化工原理课程设计[M]，大连理工大学出版社，2006年，第1版。

[3] 匡国柱、史启材，化工单元过程及设备课程设计[M]，化学工业出版社，2002年，

第1版。

[4] 时钧、汪家鼎、余国琮等，化学工程手册[M]，化学工业出版社，1996年，第2版。

[5] 刘光启等，化工物性算图手册[M]，化学工业出版社，2002年，第1版。