化工原理課程設計---煤油冷卻器的設計

1、<p><b>　　課程設計</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1　《化工原理》課程設計任務書- 1 -</p><p>　　1.1 設計題目- 1 -</p><p>　　1.2 原始數據及操作條件- 1 -</p><

2、p>　　1.3 設計要求- 1 -</p><p>　　2　《化工原理》課程設計說明書- 2 -</p><p>　　2.1 前言- 2 -</p><p>　　2.2 工藝流程圖及說明- 3 -</p><p>　　3　生產條件的確定- 4 -</p><p>　　4　換熱器的設計計算- 4 -&l

3、t;/p><p>　　4.1 選擇換熱器類型- 4 -</p><p>　　4.2 流動空間及流速的確定- 4 -</p><p>　　4.3 確定物性數據- 4 -</p><p>　　4.4 計算總傳熱系數- 5 -</p><p>　　4.4.1 熱流量- 5 -</p><p>　

4、　4.4.2 平均傳熱溫差- 5 -</p><p>　　4.4.3 冷卻水用量- 6 -</p><p>　　4.4.4 總傳熱系數- 6 -</p><p>　　4.5 計算傳熱面積- 7 -</p><p>　　4.6 工藝結構尺寸- 7 -</p><p>　　4.6.1 管徑和管內流速- 7 -&

5、lt;/p><p>　　4.6.2 管程數和傳熱管數- 7 -</p><p>　　4.6.3 平均傳熱溫差校正及殼程數- 7 -</p><p>　　4.6.4 傳熱管排列和分程方法- 8 -</p><p>　　4.6.5 殼體內徑- 8 -</p><p>　　4.6.6 折流板- 8 -</p>

6、;<p>　　4.6.7 接管- 9 -</p><p>　　4.7 換熱器核算- 9 -</p><p>　　4.7.1熱量核算- 9 -</p><p>　　4.7.2 換熱器內流體的流動阻力- 11 -</p><p>　　5　設計結果匯總表- 13 -</p><p>　　6　設計評述

7、- 14 -</p><p>　　7 心得體會- 15 -</p><p>　　8 參考文獻- 16 -</p><p><b>　　煤油冷卻器的設計</b></p><p>　　1　《化工原理》課程設計任務書</p><p><b>　　1.1 設計題目</b><

8、;/p><p><b>　　煤油冷卻器的設計</b></p><p>　　1.2 原始數據及操作條件</p><p>　　1、處理能力 39.6×104 t/a</p><p>　　2、設備形式 列管式</p><p>　　3、煤油 T入= 140℃，T出= 40℃</p>

9、<p>　　4、冷水 T入= 30℃，T出= 40℃ </p><p>　　5、⊿P<=105Pa</p><p>　　6、煤油 ρ=825Kg/m3，µ=7.15×10-4Pa.S CV=2.22kJ/(Kg.℃)</p><p>　　7、λ= 0.14W/（m.℃）</p><p>　　8、每年按3

10、00天計，每天24小時連續(xù)進行。</p><p><b>　　1.3 設計要求</b></p><p>　　試設計一臺適宜的列管式換熱器完成該生產任務，繪制設備圖，編制一份設計說明書（電子稿）。</p><p>　　2　《化工原理》課程設計說明書</p><p><b>　　2.1 前言</b>&l

11、t;/p><p>　　在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各換熱器，且它們是這些行業(yè)的通用設備，并占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設計、制造、結構改進及傳熱機理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。</p><p>　　隨著換熱器在工業(yè)生產中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型

12、的換熱器各有優(yōu)缺點，性能各異。在換熱器設計中，首先應根據工藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器大的機構尺寸。</p><p>　　列管式換熱器的應用已有很悠久的歷史。在化工、石油、能源設備等部門，列管式換熱器仍是主要的換熱設備。列管換熱器的設計資料已較為完善，已有系列化標準。目前我國列管換熱器的設計、制造、檢驗、驗收按“鋼制管殼式（即列管式）換熱器”（GB151）標準執(zhí)行。</p&g

13、t;<p>　　列管式換熱器主要有固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U型管換熱器和填料函式換熱器等。</p><p>　　固定管板式換熱器有結構簡單、排管多等優(yōu)點。但由于結構緊湊，固定管板式換熱器的殼側不易清洗，而且當管束和殼體之間的溫差太大時，管子和管板易發(fā)生脫離，故不適用與溫差大的場合。</p><p>　　浮頭式換熱器針對固定管板式換熱器的缺陷進行了改進。兩端管板只有一端

14、與殼體完全固定，另一端可相對與殼體移動。故這種換熱器的管束膨脹不受殼體的約束，而且易于清洗和檢修，所以能適用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結垢的場合。但其結構復雜、笨重、造價高限制了它的使用。</p><p>　　U型管換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上。這類換熱器的特點有：管束可以自由伸縮，熱補償性能好；雙管程，流程長，流速高，傳熱性能好；承壓能力強；管束可以從殼體中抽出，且結構簡單，造價低。

15、但其管數少且易短流。故僅適用于管殼壁溫差較大，或殼程介質易結垢而管程介質不易結垢，高溫、高壓、腐蝕性強的情形。</p><p>　　填料函式換熱器也只有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封。它的管束也可自由膨脹，結構比浮頭式簡單，造價較低。但填料函易泄露，故殼程壓力不宜過高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場合。</p><p>　　列管式換熱器的設計和分析包括熱力設計、流動設計、結構

16、設計以及前度設計。其中以熱力設計最為重要。不僅在設計一臺新的換熱器時需要進行熱力設計，而且對于已生產出來的，甚至已投入使用的換熱器在檢驗它是否滿足使用要求，均需進行這方面的工作。</p><p>　　熱力設計是指，根據使用單位提出的基本要求，合理地選擇運行參數，并根據傳熱學的知識進行傳熱計算。</p><p>　　流動設計主要是計算壓降，其目的就是為換熱器的輔助設備。</p>

17、<p>　　結構計算指的是根據傳熱面積的大小計算器主要零部件的尺寸，例如管子的直徑、長度、根數、殼體的直徑、折流板的長度和數目及布置以及連接管的尺寸，等等。</p><p>　　列管式換熱器的工藝設計主要包括以下內容：</p><p>　　根據換熱任務和有關要求確定設計方案；</p><p>　　初步確定換熱器的結構和尺寸；</p><

18、;p>　　核算換熱器的傳熱面積和流體阻力；</p><p>　　確定換熱器的工藝結構。</p><p>　　2.2 工藝流程圖及說明</p><p><b>　　工藝流程圖</b></p><p>　　主要說明：由于循環(huán)冷卻水較易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。如圖，煤油經泵抽上來，經加熱器加熱

19、后，再經管道從接管C進入換熱器殼程；冷卻水則由泵抽上來經管道從接管A進入換熱器管程。兩物質在換熱器中進行換熱，煤油從140℃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。</p><p><b>　　3　生產條件的確定</b></p><p>　　設計一列管式煤油換熱器，完成年冷卻39.6×104 t煤油的任務，具體要求如下

20、：煤油進口溫度140℃，出口溫度40℃；冷流體進口溫度30℃，出口溫度40℃；每年按300天計，24小時/天連續(xù)進行。</p><p>　　4　換熱器的設計計算</p><p>　　4.1 選擇換熱器類型</p><p>　　兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度140℃，出口溫度40℃；冷流體進口溫度30℃，出口溫度40℃。由于該換熱器的管壁溫度和殼體溫度有較大溫差，

21、故選用帶膨脹節(jié)的固定版式換熱器。</p><p>　　4.2 流動空間及流速的確定</p><p>　　實際生產中，冷卻水一般為循環(huán)水，而循環(huán)水易結垢，為便于清洗，應采用冷卻水走管程，煤油走殼程。選用φ25×2.5的碳鋼管，管內流速設為ui=1m/s。</p><p>　　4.3 確定物性數據</p><p>　　定性溫度：可取流體

22、進口溫度的平均值。</p><p>　　殼程煤油的定性溫度：</p><p><b>　　T= =90（℃）</b></p><p>　　管程流體的定性溫度：</p><p>　　T= =35(℃)</p><p>　　根據定性溫度，分別插取殼程和管程流體的有關物性數據。</p>

23、<p>　　煤油在90℃的有關物性數據如下：</p><p>　　密度 ρo=825kg/m3</p><p>　　定壓比熱容 Cpo=2.22kJ/(kg·℃)</p><p>　　導熱系數 λ。=0.140W/(m·℃)<

24、/p><p>　　粘度 µo=0.000715Pa·s</p><p>　　循環(huán)冷卻水在35℃的有關物性數據如下：</p><p>　　密度 ρi=994kg/m3</p><p>　　定壓比熱容 Cpi=4.08

25、kJ/(kg·℃)</p><p>　　導熱系數 λi=0.626W/(m·℃)</p><p>　　粘度 µi=0.000725Pa·s</p><p><b>　　4.4.1 熱流量</b></p><p&

26、gt;<b>　　每小時處理力 </b></p><p>　　式中 —流體的質量流量 kg／h</p><p>　　Cpo—流體的平均定壓比熱容，kJ／（kg·℃）</p><p>　　To—熱流體的溫度，℃</p><p>　

27、　4.4.2 平均傳熱溫差</p><p><b>　　(℃)</b></p><p>　　4.4.3 冷卻水用量</p><p>　　式中 t—冷流體的溫度，℃</p><p>　　4.4.4 總傳熱系數</p><p><b>　　管層傳熱系數</b></p>

28、<p><b>　　Re=</b></p><p><b>　　殼程傳熱系數</b></p><p>　　假設殼程傳熱系數 </p><p><b>　　污垢熱阻</b></p><p><b>　　管壁的導熱系數</b></p>

29、;<p><b>　　=</b></p><p>　　4.5 計算傳熱面積</p><p>　　考慮15%的面積裕度，</p><p>　　4.6 工藝結構尺寸</p><p>　　4.6.1 管徑和管內流速</p><p>　　選用φ25×2.5傳熱管（碳鋼），取管內流速

30、</p><p>　　4.6.2 管程數和傳熱管數</p><p>　　依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數</p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度</p><p>　　按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。取傳熱管長l=6m,則該換熱器管程數為</p><p>　　傳熱管總根數 (根)</p&

31、gt;<p>　　4.6.3 平均傳熱溫差校正及殼程數</p><p>　　平均傳熱溫差校正系數</p><p>　　按單殼程，雙管程結構，溫差校正系數應查有關圖表。但R=10的點在圖上難以讀出，</p><p>　　因而相應以1/R代替R，PR代替P，查同一圖線，可得</p><p><b>　　0.82</b

32、></p><p><b>　　平均傳熱溫差</b></p><p>　　采用組合排列法，即每程內均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。</p><p><b>　　取管心距，則</b></p><p>　　橫過管束中心線的管數</p><p><b>　

33、　（根）</b></p><p>　　采用多管程結構，取管板利用率，則殼體內徑</p><p>　　取整D=1400mm</p><p><b>　　4.6.6 折流板</b></p><p>　　采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的，則切去的圓缺高度為。</p><p>

34、<b>　　取折流板間距，則</b></p><p><b>　　折流板數塊</b></p><p>　　折流板圓缺水平裝配。</p><p><b>　　4.6.7 接管</b></p><p>　　殼程流體進出口接管：取接管內循環(huán)油品流速為，則接管內徑為</p>

35、<p><b>　　取標準管徑為。</b></p><p>　　管程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速為，則接管內徑為</p><p><b>　　取標準管徑為。</b></p><p><b>　　4.7 換熱器核算</b></p><p><b>　

36、　4.7.1熱量核算</b></p><p>　　4.7.1.1 殼程對流傳熱系數 </p><p>　　對圓缺形折流板，可采取克恩公式</p><p>　　當量直徑，由正三角形排列得</p><p><b>　　殼程流通截面積</b></p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數分

37、別為</p><p><b>　　普蘭特準數</b></p><p><b>　　粘度校正 </b></p><p>　　4.7.1.2 管程對流傳熱系數</p><p><b>　　管程流通截面積</b></p><p>　　管程流體流速及其雷諾數分

38、別為</p><p><b>　　普蘭特準數</b></p><p>　　4.7.1.3 傳熱系數</p><p><b>　　查有關文獻知可?。?lt;/b></p><p>　　管外側污垢熱阻 Rs0=0.000172 m2*0C /W</p><p>　　管內側污垢熱阻

39、 Rs1=0.000344 m2*0C /W</p><p>　　碳鋼在該條件下的熱導率 =45W/(m*0C)</p><p><b>　　傳熱面積 </b></p><p><b>　　K=</b></p><p><b>　　=</b></p>&

40、lt;p>　　該換熱器的實際傳熱面積</p><p>　　= =3.14×0.025×(6-0.06)×(1068-39)=479.8</p><p><b>　　該換熱器的面積裕度</b></p><p>　　傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。</p><p>　　4.7.

41、2 換熱器內流體的流動阻力</p><p>　　4.7.2.1 管程流動阻力</p><p><b>　　,,</b></p><p><b>　　，</b></p><p>　　由，傳熱管相對粗糙度，查莫狄圖得 ，流速，，所以</p><p><b>　　，&l

42、t;/b></p><p><b>　　，</b></p><p>　　管程流動阻力在允許范圍之內。</p><p>　　4.7.2.2 殼程阻力</p><p>　　其中，△P1,流體橫過管束的壓強降，Pa</p><p>　　△P2,流體通過折流板缺口的壓強降，Pa</p>

43、<p>　　FS壓強降的結垢校正因數,</p><p><b>　　FS=1 , </b></p><p>　　流體流經管束的阻力 </p><p>　　△P1,=Ffonc(NB+1)</p><p>　　其中，F---管子排列方法對壓強降的校正因數，對三角形排列取F=0.5</p><

44、p>　　fo---殼程流體的摩擦系數，Reo>500時，取fo=5.0×Reo-0.228</p><p>　　nc---橫過管束中心線的管子數</p><p>　　NB---折流擋板數</p><p>　　故 fo=5×1993.15-0.228=0.884</p><p>　　流體流過折流板缺口的阻力&l

45、t;/p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　總阻力</b></p><p>　　殼程流動阻力也比較合適。</p><p>　　5　設計結果匯總表 </p><p>　

46、　換熱器主要結構尺寸和計算結果見下表。</p><p><b>　　6　設計評述</b></p><p>　　我們設計的是煤油冷卻器，冷卻器是許多工業(yè)生產中常用的設備。列管式換熱器的結構簡單、牢固，操作彈性大，應用材料廣。列管式換熱器有固定管板式、浮頭式、U形管式和填料函式等類型。列管式換熱器的形式主要依據換</p><p>　　熱器管程與殼程

47、流體的溫度差來確定。由于兩流體的溫差大于50 ，故選用</p><p>　　帶補償圈的固定管板式換熱器。這類換熱器結構簡單、價格低廉，但管外清洗困難，宜處理殼方流體較清潔及不易結垢的物料。因水的對流傳熱系數一般較大，并易結垢，故選擇冷卻水走換熱器的管程，煤油走殼程。</p><p><b>　　7 心得體會</b></p><p>　　課程設

48、計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現,提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.</p><p>　　經過近一周的努力，我的課程設計終于完成了。在沒有做課程設計以前覺得課程設計只是對這幾年來所學知識的單純總結，但是通過這次做課程設計發(fā)現自己的看法有點太片面。課程設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次課程設計使我明白了自己原來知識還

49、比較欠缺。自己要學習的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次課程設計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質。 </p><p>　　在這次課程設計中也使我們的同學關系更進一步了，使我認識到合作的重要性.我和幾位相互設計不同的方案，然后集中討論，選擇最佳的設計方案。遇到難的地方，就各自查找資料，既而進行攻堅，團隊的

50、力量是無窮的，沒有克不了的難關。同學之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學。 </p><p>　　在此也要感謝我們的指導老師*老師對我們課程設計前的指導，讓我不盲目的查閱資料。在設計過程中，我通過查閱有關資料，與同學交流經驗和自學，使自己學到了不少知識，也經歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，

51、樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設計做的不是太好，但是在設計過程中所學到的東西是這次課程設計的最大收獲和財富，使我有很大受益。</p><p><b>　　8 參考文獻</b></p><p>　　[1] 賈紹義、柴誠敬，化工原理課程設計[

52、M]，天津大學出版社，2002年，第一版。</p><p>　　[2] 王國勝，化工原理課程設計[M]，大連理工大學出版社，2006年，第1版。</p><p>　　[3] 匡國柱、史啟材，化工單元過程及設備課程設計[M]，化學工業(yè)出版社，2002年，第1版。</p><p>　　[4] 時鈞、汪家鼎、余國琮等，化學工程手冊[M]，化學工業(yè)出版社，1996年，第2版