化工原理课程设计题目煤油冷却器学院名称化学化工学院指导教师职称教授班级学号学生姓名2015年9月8日目录目录目录 (I)前言.............................................................. I I 概述 (1)第二章设计任务与条件 (2)第三章工艺设计 (3)3、1生产条件的确定 (3)3、2换热器的设计计算 (3)3、2、1确定设计方案 (3)3、2、2确定物性数据 (3)3、2、3计算总传热系数 (4)3、2、4计算传热面积 (5)3、2、5工艺结构尺寸 (5)3、2、6换热器核算 (7)第四章设计结果列表 (11)4、1换热器主要结构尺寸与计算结果 (11)4、2设计结果的讨论 (12)结束语 (12)参考文献 (13)符号说明 (13)附录 (14)前言煤油一般就是通过对石油进行分馏而制得,刚刚分馏得到的煤油温度会比较高,不利于保存与运输等,需要进行冷却。
在工业大生产过程中自然冷却远远达不到煤油冷却的时间要求,选用低温水进行冷却就是比较好的冷却方式。
设计性能优良的冷却器就十分的必要了,本文通过大量数据运算得到的理论冷却器比较接近现实生产要求,有待于进一步的实践证实与运用。
关键词:煤油;水;换热器概述在化工、石油、能源、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,它们也就是这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。
随着换热器在工业生产中的地位与作用不同,换热器的类型也多种多样,不同类型的换热器也各有优缺点,性能各异。
列管式换热器就是最典型的管壳式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。
列管式换热器有以下几种:1、浮头式换热器两端的管板,一端不与壳体相连,该端称浮头。
管子受热时,管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩,完佺消除了温差应力。
特点:结构复杂、造价高,便于清洗与检修,消除温差应力,应用普遍。
设计评述:1、在换热器选型的时候,考虑各种常用的换热器优缺点:⑴固定板式换热器:结构简单,在相同的壳体直径内,排管最多,比较紧凑,使壳侧清洗困难。
当管子与壳体壁温相差大于50°C 时,应在壳体上设置温差补偿--膨胀节,依靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应力。
但就是当壳体与管子的温差大于60°C 及壳程压力超过Pa 5106 时,由于补偿圈过厚,难以伸缩,失去温差补偿作用,就应考虑其她结构。
⑵U 型管式换热器:其结构特点就是只有一个管板。
换热管为U 形,管束可以自由伸缩,当壳体与U 型换热管有温差时,不会产生温差应力。
密封面少,运行可靠,造价较低,管间清洗较方便。
但就是由于管子需要一定的弯曲半径,故管板的利用率低;管束最内层管间距较大,壳程易短路;内层管子坏了不能更换,因而报废率较高。
一般用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢而管程介质清洁以及高温高压、腐蚀性强的场合。
⑶浮头式换热器:当换热管与壳体有温差存在时,壳体与换热管膨胀,互不约束,不会产生温差应力,管内与管间的清洗均方便。
但就是由于结构复杂、笨重,造价较高,适用于壳体与管束间温差较大,或壳程介质易结垢的场合。
在综合各方面因素,该设计任务的管束与壳体的平均温度差C 40︒,同时壳程压力为Pa 4106.83⨯,都不就是很大,因此选择造价较低的带膨胀圈的固定管板就是换热器,在经济的情况下能达到生产任务需求。
2.冷却过程中最好采用容积较大的贮槽或者直接采用小型水库,这样可以充分使循环水冷却。
3.泵的选型,由于泵所提供的流量Q 与扬程H 均稍大于管路系统要求值,所以应减小标准阀的开度,藉此增大管路长度当量,从而使轴功率N 增大。
设计总评:对于该生产任务,这个设计还有诸多不足需要弥补。
例如,循环水为以结垢的流体,最好选择大管径mm mm 5.225⨯φ的换热管,但就是考虑到流速,选择了小管径mm mm 219⨯φ的换热管;所设计的换热器不在固定管板式换热器的系列标准之内,制造比较麻烦;泵的吹入管等管路有点短,若就是直接以水库中的水作为循环水,则设备距离不够。
等等。
此次设计就是以理论作为指导,难免会有以上疏漏,希望在老师的指导下,能以实践作为基础,进一步完善有关化工知识。
第二章 设计任务与条件原料:煤油,水处理量:25万吨／年原料温度:入口温度145o C,出口温度40oC冷却介质:循环水,入口温度30o C,出口温度40o C生产时间:300天∕年,每天24h 连续运行允许压降不大于105Pa第三章工艺设计3、1生产条件的确定设计一列管式煤油换热器,完成年冷却17wt煤油的任务,具体要求如下:煤油进口温度145℃,出口温度40℃;冷流体进口温度30℃,出口温度40℃;每年按300天计,24小时/天连续进行。
3、2换热器的设计计算3、2、1确定设计方案(1)选择换热器类型两流体温度变化情况:热流体进口温度145℃,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与壳体温度有较大温差,选用浮头式换热器。
(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φ25×2、5的碳钢管,管内流速设为ui=0、5m/s。
3、2、2确定物性数据定性温度:可取流体进口温度的平均值。
壳程煤油的定性温度:T=240145+=92、5(℃) 管程流体的定性温度:t=24030+=35(℃)根据定性温度,分别插取壳程与管程流体的有关物性数据。
煤油在92、5℃的有关物性数据如下:密度 ρ0=825kg/m 3定压比热容 C po =2、22kJ/(kg×℃)导热系数 λo=0、140W/(m×℃)粘度 υo=0、000715Pa×s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 υi =0、000725Pa×s3、2、3计算总传热系数(1)煤油传热热量与流量h kg m o /347222430010102534=÷÷⨯⨯=Qo=moCpoto=()h kj /109.804014522.2347225⨯=-⨯⨯ =2248KW(2)平均传热温差=∆'m t 4.40304040145ln )3040()40145(ln 2121=-----=∆∆∆-∆t t t t (℃) (3)冷却水用量198284)3040(08.4109.805=-⨯⨯=∆=i pi oi t c Q w (kg/h) (4)总传热系数1)管程传热系数137********.09945.002.0Re =⨯⨯==i i i i u d μρ )/(20.2733)626.0000725.04080()13710(020.0626.0023.0023.024.08.04.08.0C m W c u d d i i pi i i i i i i i ︒⨯=⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=λμμρλα2)壳程传热系数假设壳程的传热系数 3000=αW/(m 2×℃)污垢热阻R si =0、000344m 2×℃/WR so =0、000172m 2×℃/W管壁的导热系数)/(1.225000.00225.045025.00025.0020.0025.0000344.0020.02.2733025.01112C m W R kd bd d d R d d K oso m o i o si i i o ︒⨯=+⨯⨯+⨯+⨯=++++=αα3、2、4计算传热面积)(2.2474.401.22522480002'm t K Q S m =⨯=∆=考虑15%的面积裕度,S=1、15⨯S’=1、15⨯247、2=284、3)(2m 3、2、5工艺结构尺寸(1)管径与管内流速选用φ25×2、5传热管(碳钢),取管内流速s m u i /5.0=(2)管程数与传热管数依据传热管内径与流速确定单程传热管数3535.002.0785.0)9943600/(19828442≈⨯⨯⨯==u d Vn i s π(根) 按单程管计算,所需的传热管长度)(26.10353025.014.33.284m n d S L s o ≈⨯⨯==π根6036025.014.33.284≈⨯⨯==L d S n o s 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=6m,则该换热器管程数为2626.10≈==l L N p (管程) 传热管总根数 3022603==N (根) (3)平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数0869.03014530405.10304040145=--==--=P R 按单壳程,双管程结构,温差校正系数应查有关图表可得)(82.0C t ︒=∆ϕ平均传热温差)(1.334.4082.0'C t t m t m ︒=⨯=∆⨯=∆∆ϕ(4)传热管排列与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)(3225.312525.1mm t ≈=⨯=横过管束中心线的管数3219.1==N n c (根)(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)(10677.0/7063205.1/05.1mm N t D =⨯⨯==η圆整可取mm D 1100=(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mm h 22590025.0=⨯=。
取折流板间距D B 3.0=,则mm B 33011003.0=⨯= B 取330mm折流板数 18133060001=-=-=B L N B 块 折流板圆缺水平装配。
(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 m u Vd 1220.00.114.3)8253600/(3472244=⨯⨯⨯==π 取标准管径为mm 30。
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 m u Vd 2169.05.114.3)9943600/(19828444=⨯⨯⨯==π3、2、6换热器核算(1)热量核算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)(020.0025.014.3025.0414.3032.023*********m d d t d o o e =⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯-⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=ππ壳程流通截面积）m （0794.0032.0025.0133.01.11=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=t d BD S o o 壳程流体流速及其雷诺数分别为 s m u o /147.00794.0)8253600/(34722=⨯= 3.3392000715.0825147.0020.0Re =⨯⨯=o 普兰特准数34.1114.0000715.01022.2Pr 3=⨯⨯= 粘度校正 114.0≈⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛w μμ)/(10.49534.11339202.0140.036.023/155.0C m W o ︒⨯=⨯⨯⨯=α 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 )(11084.0270602.0785.022m S i =⨯⨯= 管程流体流速及其雷诺数分别为 s m u o /4999.011084.0)9943600/(198284=⨯= 137********.09944999.0020.0Re =⨯⨯=o 普兰特准数725.4626.0000725.01008.4Pr 3=⨯⨯= )/(8.2732)725.4()13708(020.0626.0023.024.08.0C m W i ︒⨯==α3)传热系数 K)/(6.3171.4951000172.0020.045025.00025.0020.0025.0000344.0020.08.2732025.01112C m W R d bd d d R d d K oso m o i o si i i o ︒⨯=++⨯⨯+⨯+⨯=++++=αλα4)传热面积 S)(84.2131.336.31722480002m t K Q S m =⨯=∆=该换热器的实际传热面积p S)(5.275)18603(6025.014.3)(2m n N L d S c o p =-⨯⨯⨯=-=π 该换热器的面积裕度%83.28%10084.21384.2135.275%100=⨯-=-=S S S H p 传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。