列管式煤油冷却器的设计

1.4
完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求[4]：
（1）合理地实现所规定的工艺条件：可以从：①增大传热系数②提高平均温差③妥善布置传热面等三个方面具体着手。
（2）在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵循我国《钢制石油化工压力容器设计规定》和《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。根据需要可添置气液排放口，检查孔与敷设保温层。
1.2
换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，其中管壳式换热器的分类见表1-1[1]。
表1-1管壳式换热器的结构分类
类型
特点
间
璧
式
换热器
管
壳
式
列
管
式
固定管板式
刚性结构
用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管间不能清洗
带膨胀节
有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力
4.提交文件
（1）设计说明书一份
（2）A3工艺流程图一张
（3）A1换热器装配图一张
《化工原理》课程设计成绩评定表
评定基元
评审要素
评审内涵
满分
指导教师实评分
评阅教师实评分
设计说明书
40%
格式规范
设计说明书是否符合规定的格式要求
5
内容完整
设计说明书是否包含所有规定的内容
5
设计方案
方案是否合理及符合选定题目的要求
能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器
螺旋管式
沉浸式
用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热
喷淋式
只用于管内流体的冷却或冷凝
1.3
列管式换热器（tubular exchanger）是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。
2.9换热器主要结构尺寸和计算结果
各主要结构和尺寸的计算结果见表2-1。
表2-1结构和尺寸的计算结果表
参数
管程
壳程
流率/(Kg/h)
68700.3
12626
进（出）口温度/℃
30，40
140，40
物性
定性温度/℃
35
90
密度/（Kg/ ）
994
825
定压比热容/[KJ/(Kg·℃)]
4.08
2.22
固定管板式换热器的特点是：（1）旁路渗流较小；（2）锻件使用较少，造价低；（3）无内；（4）传热面积比浮头式换热器大20%～30%。
固定管板式换热器的缺点是：（1）壳体和管壁的温差较大，壳体和管子壁温差t≤50℃,当t≥50℃时必须在壳体上设置膨胀节；（2）易产生温差力，管板与管头之间易产生温差应力而损坏；（3）壳程无法机械清洗；（4）管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低。
在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程列管式换热器。
1.4
固定管板式换热器由两端管板和壳体构成。由于其结构简单，运用比较广泛。固定管板式换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。
(5)每年按330天计，每天24小时连续运行
2.2
2.2.1
两流体温的变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体进口温度30℃，出口温度为40℃，该换热器用循环冷却水冷却，初步确定选用固定管板式换热器。
2.2.2
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，并且粘度大的流体应走壳程，因为壳程内的流体在折流挡板的作用下，流通截面和方向都不断变化，在较低的雷诺数下就可达湍流状态。所以从总体考虑，应使循环水走管程，煤油走壳程。选用Φ25mm×2.5mm的碳钢管，管内流速取u=1.25m/s
2.3确定物性数据
定性温度：对于一般油类和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。
故壳程煤油的定性温度为： ℃
管程流体的定性温度为： ℃
温差
故初步可取带膨胀节的固定管板式换热器。
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℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：
2.6工艺结构尺寸的计算
（1）管径和管内流速
选用Φ25×2.5传热管（碳钢），取管内流速ui=1.25m/s
（2）管程数和传热管数
根
按单程管计算，所需的传热管长度为
按单程管计算，设计传热管过长，宜采用多管程结构，现取传热管长l=6m,则该换热器管程数为 管程。
所以传热管总根数N=49×4=196根。
3.操作条件
（1）煤油：入口温度140℃，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1000kPa
（4）煤油定性温度下的物性数据：密度825kg/m3，黏度7.15*10-4Pa.s，比热容2.22kJ/(kg.℃)，导热系数0.14W/（m.℃）
（5）每年按330天计，每天按24小时连续运行
合肥工业大学
化工原理课程设计说明书
设计题目列管式煤油冷却器的设计
学生姓名谢继强
学生学号
同组学生祝尚宋响亮邓威
指导老师陈亚中
学院医学工程学院
专业班级制药工程12-2班
完成时间2014年3月27日
设计任务书
一设计题目：列管式煤油冷却器的设计
二设计任务及操作条件
1.处理能力：10万吨/年煤油
2.设备形式：列管式换热器
T=(140+40)×1/2=90℃
t=(40+30)×1/2=35℃
α0=495.9w/(m2·k)
αi=3248w/(m2·k)
∴Q=42.29℃
壳体壁温和传热壁温之差为Δt=90-42.29=47.71℃＜50℃
一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为了克服温差应为必须有温差补偿装置，故不需要设温度补偿装置。
（3）经济合理评价换热器的最终指标是：在一定时间内（通常1年内的）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费）等的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一标准就尤为重要了。
1.
通过设计把在“过程设备”及其它相关课程(机械制图、金属材料、化工原理等)中所学的理论知识在具体工作中综合地加以应用，达到了理论知识和实践密切结合的目的。其次，在设计过程中，我们可以接受到必备的基本工程技能系统训练，能够熟练地应用计算图表、手册、规范和AutoCAD制图，能熟悉有关国家标准和部颁标准(如GB、HG等)等。
10
工艺计算
过程
工艺计算过程是否正确、完整和规范
20
设计图纸
40%
图纸规范
图源自文库是否符合规范
5
标注清晰
标注是否清晰明了
5
与设计吻合
图纸是否与设计计算的结果完全一致
10
图纸质量
设计图纸的整体质量的全面评价
20
平时成绩
10%
上课出勤
上课出勤考核
5
制图出勤
制图出勤考核
5
答辩成绩
10%
内容表述
答辩表述是否清楚
第二章
2.1
1.处理能力：10万吨/年煤油
2.设备形式：列管式换热器
3.操作条件:
(1)煤油：入口温度140℃，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100 kPa
4)煤油定性温度下的物性数据：密度825kg/m3，黏度7.15×10-4Pa.s，比热容2.22kJ/(kg.℃)，导热系数0.14W/(m.℃)
折流板数NB=传热管长/折流板间距=(6000/200)-1=29块
折流板圆缺面水平配置。
（7）接管
壳程流体进，出口接管：取接管内油品流速为u=1.0m/s。则接管内径为
取标准管径为Φ78mm×2mm
管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s,则接管内径为：
取标准管径为Φ132mm×2.0mm
密度
定压比热容
导热系数
粘度
循环水在35℃下的物性数据：
密度
定压比热容
热导率
粘度
2.4计算总传热系数
我们的煤油为年产量10万吨每年，则
（1）热流量
（2）平均传热温差
（3）冷却水用量
（4）总传热系数K
管程传热系数
壳程传热系数
假设壳程的传热系数
污垢热阻
所以管壁导热系数
.
2.5计算传热面积
考虑到15%的面积裕废
5
回答问题
回答问题是否正确
5
合计
100
综合成绩成绩等级
指导教师评阅教师答辩小组负责人
(签名) (签名) (签名)
年月日年月日年月日
说明:评定成绩分为优秀(90-100)，良好(80-89)，中等(70-79)，及格（60-69）和不及格(<60)。
第一章
1.1
换热器是许多工业生产中常用的设备，尤其是石油、化工、制药生产应用更为广泛。在化工厂中换热器可用做加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、和再沸器等。换热器类型众多，性能各异，各具特点，可以适应绝大多数工艺过程对换热器的要求。进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。
2.7换热器核算
（1）热量核算
壳程对流传热系数。对圆缺形折流板，采用凯恩公式
当量直径，由正三角形排列得
壳程流通截面积：
壳程流体流速极其雷诺数分别为：
普兰特准数：
所以黏度校正
管程对流传热系数
管程流通截面积：
管程流体流速及其雷诺数和普兰特准数：
传热系数K
传热面积S
该换热器的实际传热面积Sp
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
浮头式
管内外均能承受高压，可用于高温高压场合
U型管式
管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难
填料函式
外填料函
管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质
内填料函
密封性能差，只能用于压差较小的场合
釜式
壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮
双套管式
结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中
套管式
1.6设计的方法和步骤
本次设计主要是进行换热器的工艺计算，结构设计和强度校核，主要步骤有：（1）工艺计算；（2）估算传热面积；（3）工艺结构尺寸；（4）换热器热量核算；（5）结构设计；（6）确定筒体内径；（7）确定管箱结构；（8）确定管板结构；（9）选择鞍座结构；（10）强度校核；（11）给出制造安装的原则和要求。
主要计算结果
管程
壳程
流速/(m/s)
0.62
0.162
表面传热系数/[W/(㎡·℃)]
3248
495.9
污垢热阻/(㎡·℃/W)
3.4394×10-4
1.72×10-4
阻力/Pa
3455
热流量/KW
778.6
传热温差/K
39
传热系数/[W/(㎡·℃)]
nc=17根,NB=29块, u0=0.162m/s
流体流过折流板缺口的阻力：
B=0.2m,D=0.6m
∴
∴
壳程流动阻力也比较适宜。
2.8壁温计算
由于该换热器用循环水冷却，进口温度30℃，出口温度为40℃计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑。因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温，于是
横过管束中心线的管数
（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
圆整可取D=600mm.
（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=0.25×600=150mm
取折流板间距B=0.3D=0.3×600=180mm。可取折流板间距B=200mm
（2）换热器内流体的流动阻力
管程流动阻力
由Re=17001，传热管相对粗糙度0.01/20=0.005，查莫狄图得λi=0.036
流速ui=0.62m/s密度ρ=994kg/m3。所以，
管程流动阻力在允许范围内
壳程阻力
Ns=1 , Ft=1.15
流体流经管束的阻力为
F=0.5,f0=5×3738-0.228=0.7663
粘度/Pa·s
0.
0.
热导率/[W/(m·℃)]
0.626
0.140
普朗特数
4.73
11.34
设备结构参数
型号
壳程数
1
壳体内径/mm
600
台数
1
规格
Φ25×2.5
管心距/mm
32
管长/mm
6000
管子排列
组合排列
管数目/根
196
折流板数/个
29
传热面积/㎡
86.3
折流板间距/mm
180
管程数
4
材质
碳钢
（3）平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数：
按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图标，但R=10的点在图上难以读出，因而相应以 代替R，PR代替P，查同一图线，可得ΦΔt=0.82,平均传热温差
（4）传热管排列和分程方法
采用组合排列方法，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a=1.25d。则a=1.25×25=31.25≈32（mm)