1、化工原理课程设计 换热器的设计 齐齐哈尔大学 化工原理课程设计题 目： 煤油冷却器设计 姓 名： 潘珑 班 级： 化工102班 学 号： 2010012002 指导老师： 朱宪荣 设计日期： 2013年6月9日至2013年6月22日 目录1、设计任书.51、设计题目.52、设计任务及操作条件.53、设计日期.54、设计评述.52、物性参数的确定.63、设计方案的确定.71、选择换热器的类型.72、流程安排.74、计算传热面积.71、换热器的热负荷.72、平均传热温差.73、传热面积.75、 工艺结构寸.81、管径和管内的流速.82、管程数和传热管数.83、平均传热温差校正及壳程数.84、传热管
2、排列和分程方法.85、壳体内径.106、折流板.107、其他附件.118、接管.116、换热器核算.111、传热能力.111.1管程传热膜系数.111.2污垢热阻和管壁热阻.111.3壳程对流传热膜系数.121.4总传热系数K.131.5传热面积裕度.132、壁温的核算.133、换热器内流体的流动阻力计算143.1管程流体阻力.143.2壳程流体阻力.14七、换热器主要工艺结构尺寸和计算结果表（包括接管）.15八、设备参数计算.161、壳体壁厚.172、接管法兰.173、设备法兰.174、封头管箱.185、设备法兰用垫片.186、管法兰用垫片.187、管板.188、支座.199、设备参数总表.
3、20九、参考文献.21十、学习体会与收获.21一、设计任务书1、设计题目：煤油冷却器设计2、设计任务及操作条件 设备处理量16000kg/h煤油：入口温度140，出口温度50 冷却水：自来水，入口温度30，出口温度40 热损失可忽略。两侧污垢热阻分别为Rso=0.00017m2/wRsi=0.00034m2/w壳程压降不大于30kpa初设k=290w/ m23、设计要求 设计满足以上条件的换热器并写出设计说明书； 根据所选换热器画出设备装配（1号纸）及草稿。4、设计日期 开始日期：2013年6月9日结束日期：2013年6月22日 5、设计评述 换热器是许多工业生产中常用的设备,尤其是石油、化工
4、生产应用更为广泛。在化工厂中换热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。换热器的类型很多，性能各异，个具特点，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。 换热器类型虽然很多，但计算传热面积所依据的传热基本原理相同，不同之处仅是在结构上需根据各自设备特点采用不同的计算方法而已。二、物性参数的确定 被冷却物质为煤油，入口温度为140,出口温度为50冷却介质为自来水，入口温度为，出口温度为 煤油的定性温度：=(14050) 2=95 水的定性温度： 两流体的温差：=9535=60 根据定性
5、温度，分别插取壳程和管程流体的有关物性数据。 煤油在95的有关物性数据如下：密度 0=810kg/m3定压比热容 Cph=2.3kJ/(kg)导热系数 =0.13W/(m)粘度 =0. 9110Pas冷却水在35的有关物性数据如下：密度 c994kg/m3定压比热容 Cpc=4.187kJ/(kg)导热系数 c=0.626W/(m)粘度 =0. 727X10Pas两流体在定性温度下的物性数据 物性流体煤油958100.912.30.13水359940.7274.1870.626三、设计方案的确定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50；冷流体进口温度30，出口温
6、度40。由于该换热器的管壁温度和壳体温度有较大温差，大于50，因此需要考虑热补偿，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，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，因此初步确定选用浮头式换热器。2、流程安排本设计中的两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大，冷却水一般为循环水，而循环水易结垢，为便于清洗，应采用冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。4、计算传热面积 1、换热器的热负荷 若忽略换热器的热损失，水的流量可由热量衡算求得,即wc=Q/Cpc(t1-t2)=9203600/4.187(40-30) =79102/h 2、平均传热温差tm=(t1
7、-t2)/ln(t1/t2)=(100-20)/ln(100/20)=49.7oC 3、传热面积 K=290w A=Q/k tm=(920103)/(29036.4)=63.8m2 A0=1.1564=73.4m2五、工艺结构尺寸1、管径和管内的流速选用252.5较高级冷轧传热管（碳钢）。取管内流速为ui=1.5m/s2、管程数和传热管数可根据传热管内径和流速确定单程传热管数:n=Vs/0.785di2ui=79102/(99436000.7850.0221.5=46.947（根）按单管程计算，所需的传热管长度为L=Ao/3.14don=73.6/3.140.02547=19.9m按单管程设计
8、，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长L=6m,则该换热器的管程数为NP=L/L=19.9/6=4(管程)传热管总根数：N=474=188（根）3、平均传热温差校正及壳程数校正传热平均温度差P=(t2-t1)/(T1-t1)=(40-30)/(140-30)=0.09R=(T1-T2)/(t2-t1)=(140-50)/(40-30)=9由查图1得=0.85， 因为0.800.85，满足要求。由此得：tm=ttm逆=0.8549.7=42.4oC4、传热管排列和分程方法采用组合排列法，即毎程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方型排列。取管心距t=1.25
9、do,则t=1.2525=31.2532mm隔板中心到离其最近一排管中心距离为s=t/2+6=32/2+6=22mm各程相邻管的管心距为222=44mm管束的分程方法各程各有传热管47根。图15、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：Di=1.05t(N/)1/2=1.0532(188/0.7)1/2=551mm按卷制壳体的进级档，取Di=600mm6、折流板 折流挡板的主要作用是引导壳程流体反复的改变方向做错流流动，以加大壳程流体流速和湍动速度，致使壳程对流传热系数提高。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=0.25600=
10、150mm，故可取h=150mm取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3600=180mm，可取B为300mm。折流板数目NB=传热管长/折流板间距-1=(6/0.3)-1=19 折流板的最大无支撑间距如表所示：换热管外径（mm）141619253238最大无支撑间距(mm)110013001500185022002500折流板的厚度可由下表得出：公称直径DN（mm）换热管无支撑跨距3003006006009009001200120015001500折流板的最小厚度(mm)4003458101040070045610101270090056810121690015006810121616所以取
11、值为12mm7、其他附件本换热器壳体内径为600mm,故其拉杆直径为12，拉杆数量不得少于4.8接管壳体流体进出口接管，取接管内流体流速为u1=1m/s,则接管内径为d1= (4Vs/u1)1/2=(416000/3600/810/3.14) 1/2=0.08m.查表后选用89mm4.5mm的钢管，则894.52=80mm.故取标准内径80mm。管程流体进出口接管，取接管内流体流速为u2=1.5m/s,则接管内径为d2=(479102/36009943.141.5) 1/2=0.137m.查表后选用1464.5mm的钢管，则=1464.52=137mm.故取标准内径137mm。六、换热器核算1
12、、传热能力1.1管程传热膜系数根据公式ai=0.023（/ai）Re0.8Pr0.4管程流体流通截面积为Ai=1880.7850.020.024=0.0148 m2管程流体流速为ui=79102/ (36009940.0148 )=1.573m/s雷诺准数Re=(0.021.573994)/(0.72710-3)=41362普兰特数为Pr=Cpc/=4.1871030.72710-3/0.626=4.86所以ai=0.023(0.626/0.02)413620.84.860.4 = 6686.6 w1.2污垢热阻和管壁热阻管内侧污垢热阻 Rsi=0.00034m2oC/W(自来水)管外侧污垢热
13、阻 Rso=0.00017m2oC/W(煤油)管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为45W/(mK)。故RW=0.0025/50=0.00005（m2K/W）此值比较小所以忽略碳钢的影响。1.3壳程对流传热膜系数根据公式ao=0.36(/de)Re0.55Pr1/3de=4(-)/do =4(0.0322-0.7850.0252)/3.140.025 =0.02m壳程流体截面积为Ao=BDi(1-do/t)=0.30.6(1-0.025/0.032)=0.039m2壳程流体流速为u=16000/36008100.039=0.14m/s Re=(0.020.14810)/0.00091=
14、6197 Pr=Cp/=(23000.00091)/0.13=16.1 液体被冷却1采用凯恩法求ao= =435.73 w1.4总传热系数K=1/ao+Rso+bdo/dm+Rsido/di+do/aidiK=1/(1/435.73+0.00017+0.00250.025/0.022545+0.000340.025/0.02+0.025/6686.60.02) =318.5 w1.5传热面积裕度所需传热面积为An=Q/ktm=920103/318.542.2=68.4m2实际传热面积为Ao=doL(N-nc)=3.140.0256(188-16)=81m2面积裕度为F=（Ao-An）/An=(
15、81-68.4)/68.4=18.4%2、壁温的核算t=Tm(1/ac+Rc)+tm(1/ah+Rh)/(1/ac+Rc+1/ah+Rh)Tm=0.4T1+0.6T2=0.4140+0.650=86tm=0.4t2-0.6t1=0.440+0.630=34ac=ai=6686.6wah=ao=435.73 wt=(Tm/ac+tm/ah)/(1/ac+1/ah)=(86/6686.6+34/435.73)/(1/6686.6+1/435.73)=37.2壳体壁温T=95oC壳程避温与传热管壁温之差为t=95-37.2=57.8oC50该温差较大，故需设温度补偿装置。由于换热器壳程流体压力较高，
16、因此，需选用浮头式换热器。3、换热器内流体的流动阻力计算3.1管程流体阻力根据公式Pi=（P1+P2）FtNsNpNs=1 Np=4 Ft=1.4Re=41018 =0.04 u=1.5m/s传热管的相对粗糙度为0.2/20=0.01P1=0.0469941.52/(0.022 )=13419 PaP2=ui2/2=31.52994/2=3355PaPi=(13419+3355)1.414 = 93934Pa Pa3.2壳程流体阻力Po=(P1+P2)FsNsFs=1.15 Ns=1P1=Ffonc(NB+1)uo2/2F=0.5 fo=5=0.168P1=0.50.16816(19+1)81
17、00.14 2/2213Pa缺口阻力损失P2=NB(3.5-2B/Di).uo2/2Di=0.6m B=0.3mP2=19(3.5-20.3/0.6)0.142810/2=377PaPo=(213+377) 1.151=678.5Pa30kpa七、换热器主要工艺结构尺寸和计算结果表管程壳程流率kg/h7910216000温度进/出30/40140/50压力MPa11.6物性定性温度3595密度kg/m3994810热容kJ/(kg.)4.1872.3粘度Pa.s0.72710-50.9110-5导热系数W/(m)0.6260.13普兰特数4.8616.1设备结构参数型式浮头式台数1壳体内径mm
18、600壳程数1管径252.5管心距32管长6000管子排列管数目（根）188折流板数/个19传热面积m268.4折流板距/mm300管程数4材质碳钢接管壳程内径874.5接管管程内径1464.5主要计算结果管程壳程流速m/s1.5730.14传热膜系数w/m26686.6435.73污垢热阻m2/w0.000340.00017阻力损失kpa93.930.68热负荷kw920传热温差42.4传热系数w/m2 318.5裕度18.4八、设备参数计算1、壳体壁厚选热轧碳素钢Q-235-B。则采用双面焊接，则故查表取筒体壁厚10mm2、接管法兰Dg管子平焊法兰螺栓焊缝dHSDD1D2fbd重量（kg）
19、数量直径KH80894155150128310181.954M16561501594.5260225202316183.498M16563、设备法兰压力容器法兰(甲型) DNDD1D2fb螺柱规格数量60075570567052025M22204、封头管箱封头：以内径为公称直径的椭圆形封头 JB/154-73公称直径Dg曲面高度h1直边高度h2内表面积F（m2）容积v（m3）600150400.4640.03963、设备法兰用垫片公称直径Dg垫片内径d公称压力F(Mpa)垫片外径D60061516655由材料与零部件查得：耐油橡胶石棉板（GB539-65）,垫片厚度为s=3mm6、管法兰用垫片
20、法兰公称压力Mpa介质温度密封面型式垫片名称材料冷却水1.6200光滑橡胶垫片橡胶板煤油1.6200光滑橡胶垫片橡胶板7、管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。 管板与管子、壳体和管箱的连接采用焊接形式，管板兼法兰，材料为16MnR。 DN=600管板尺寸表PsMPaPtMPaDD1D2D3D4D5RhCD2螺柱（栓）hfb规格数量1.01.673069065559764260012.523M202432426、支座公称直径Dg每个支座允许负荷tb1LBlK1bm重量（kg）60036.81805501202604209022026.3 本换热器为卧式内压容器，应
21、该选用鞍式支座，依照JB/T4712-92双鞍式支座标准，选用DN=600mmB1型鞍式支座。鞍式支座在换热器上的布置应该按照下列原则确定：如下所示9、设备参数总表序号图号标准名称数量材料单重总量1JB1153-73筒体Dg600101A3F2982JB1167-81固定鞍式支架1A3F103JB1158-73简体法兰1A3104固定管板15JB1158-73管箱法兰1A315.96封头Dg600101A31377隔程挡板116MnR4.78GB/T8163换热管18816MnR9接管4201.53.010JB1158-73凸凹法兰4A35.120.411GB539-65垫片S=32耐油橡胶棉
22、板12折流挡板S=2.527A3F5.1147.913定距管10100.555.514GB01-88等长双头螺旋24A32.8815筒体法兰1A32.8816JB1158-73外头盖法兰G10-1001A317.217浮头钩圈1A33018浮头法兰1A319无折边球形封头120JB1154-73封头Dg600101A3F21JB1167-81活动鞍式支座1A3F九、参考文献化工原理（上册）修订版.李然 郑旭煦 主编.天津：华中科技大学出版社,2009化工工艺算图手册.杨长龙 主编 . 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社,2009.8化工设备机械基础.汤善甫 朱思明 第二版 主编. 上海:华东理工大
23、学出版社,12004.12化工设备设计基础.周志安 尹华杰 魏新利 编.北京:化学工业出版社,1996换热器.中国石化集团上海工程有限公司组织编写；董其伍 编.北京：化学工业出版社，2008.12材料与零部件.化工设备设计手册编写组上海:上海人民出版社，1973.8十、学习体会与收获化工原理课程设计是培养个人综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，也起着培养学生独立工作能力的重要作用。它也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.随着九月二日的到来，课程设计也接近了尾声。经过两周的
24、奋战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。 在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，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
