西北农林科技大学

化工原理课程设计

说 明 书

设计题目 煤油冷却器的设计

学 院 生命科学学院 专业班级 生工083 学生姓名 孙新宝 学 号 12208063 指导教师 冯吉利 日 期 2010年8月30日

一、化工原理课程设计任务书

（换热器的设计）

（一） 设计题目：无相变官壳式换热器设计 （二） 设计任务及操作条件： 1. 2. 3.

处理能力：15吨/h 煤油 设备型式：管壳式换热器 操作条件：

（1） 煤油入口温度140℃，出口温度40℃；

（2） 冷却介质循环水，入口温度30℃，出口温度40℃； （3） 允许压强降不大于30KPa;

（4） 煤油定性温度下的物性数据：密度为810kg/m3；粘度为：

9.1×10-4Pa.S;比热容为：2.3kJ/（kg. ℃）；导热系数为： 0.13W/（m. ℃）

（5） 每年按330天计，每天24小时连续运行。

（三） 设计项目 1. 2.

选择适宜的列管换热器并进行核算。 画出工艺设备图及列管布置图。

二、 工艺流程草图及说明

煤油加热器泵换热器-循环冷却水泵

工艺流程草图

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。

三、 工艺计算及主要设备设计

1、确定设计方案

1.1选择换热器的类型：

两流体温度变化情况：煤油进口温度为140℃，出口温度40℃，冷流体进口温度30℃，出口温度40℃；设煤油压力为0.3MPa，冷却水压力为0.4MPa。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。

1.2流程安排: 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。选用ф25×2.5的碳钢管（换热管标准：GB8163）。 2、确定物性数据：

2.1定性温度：可取流体进口温度的平均值。

140?40?90（℃） 230?40?35 (℃) 煤油90℃下的物性数据：T?2管程流体的定性温度为：T?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 循环冷却水在35℃下的物性数据 密度 ρo=810kg/m3 密度 ρi=994 kg/m3 定压比热容 cpo=2.3 kJ/(kg·K) 导热系数 λo=0.13 W/(m·K) 粘度 μo=0.00091Pa·s 粘度 导热系数 定压比热容 cpi=4.187 kJ/(kg·K) λi=0.626 W/(m·K) μi=0.000727 Pa·s

3、估算传热面积 3.1热流量

m0=15000（kg/h）

Qo=m0cp0Δt0=15000×2.3×(140-40)=3.45×106kJ/h=958.3

(kW) 3.2平均传热温差

?tm逆??t1??t2(140?40)?(40?30)??39(℃) ?t1140?40lnln40?30?t2

3.3传热面积

由煤油的粘度知K的范围在200～500之间，可假设K=275W/(m2·K),则估算面积为：

A估=Q0/(K×Δtm)=958.3×103/(275×39)=89.3(m2) 3.4冷却水用量

Q0958.3?103qm,c???22.9(kg/s)?82395.0（kg/h） 3cpi?ti4..187?10?(40?30)4、工艺结构尺寸 4.1管径和管内流速

选用ф25×2.5较高级冷拔传热管(碳钢10)，取管内流速u1= 1.1m/s

4.2管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单壳程传热管数

ns?Qm?4?d1u1ρ·1282395.0=≈63（根）

3.14/4?0.02?0.02?1.2?3600?994按单程管计算，所需的传热管长度为：

L?AP89.3≈18（m） ??d0ns3.14?0.025?63按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，根据本设计实际情况，采用非标准设计，现取传热管长为l=4.5m，则该换热器的管程数为：NP=L/l=18/4.5=4；传热管总根数： NT=63×4=252（根）

4.3平均传热温差校正及壳程数：

前面学过的对数平均温差?tm仅适用于纯并流或纯逆流的情况，当采用多管程或多壳程时，由于其内流动形式复杂，平均推动力?tm的计算式相当复杂。为了方便，可将这些复杂流型的平均推动力的计算结果与进出口温度相同的纯逆流相比较，求出修正系数?，即

?tm???tm逆

其中?的求法为：

??f(P,R)P?R＝t2?t140?30??0.091 T1?t1140?30T1?T2140?40??10t2?t140?30根据P，R值由图查出各种情况的?值。以单壳层换热器为例，经查表，?=0.82. 故?tm=0.82×39(℃)=32(℃)

由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取

単壳程合适。

4.4传热管排列和分程方法

采用组合排列法，即每程内均按三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25d0，则t=1.25×25=31.25≈32(mm)

隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+6=32/2+6=22（mm）。

各程相邻的管心距为44mm。管束的分程方法，每程各有传热管63根。

4.5壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率η＝0.8，则壳体内径为 D=1.05tNT??1.05?32252=596(mm) 0.8按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=600mm。？ 4.6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=125（mm）。折流板间距B=0.3D,则B=0.3×600=180mm。

折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=5000/180-1=26.8≈27(块)，折流板圆缺面水平装配见化工过程及设备课程设计书本图3-15。 4.7其他附件

拉杆数量与直径按化工过程及设备课程设计书本图表3-9选取，本换热器传热管外径为25mm故其拉杆直径为ф16，拉杆数为6个。壳程入口处，应设置防冲挡板。 4.8接管

壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u＝1.0m/s，则接管内径为：

4V?D1=?u14?25011(3600?825)?0.104（m），圆整后可取管内径为110mm。

3.14?1.0管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u＝1.5 m/s，则接管内径为

D2?4?136080(3600?994)?0.180(m)=180mm。

3.14?1.55. 换热器核算 5.1热流量核算

???5.1.1壳程表面传热系数，用克恩法计算：h0?0.36Re00.55Pr3?????de?w??10.14

当量直径，由正三角排列得：

de=

4(32?2t?d0)224?(0.032?0.785?0.025)24??0.020（m）

?d03.14?0.025壳程流通截面积：

S0?BD(1?d00.0252)?0.7?0.21(1?)=0.03（m） t0.032壳程流体流速及其雷诺数分别为：

25011(3600?825)u0=?0.26（m/s） 0.030.02?0.357?825Re0==6000

0.000715???2.22?103?715?10?6?11.34；粘度校正：?普朗特数：Pr=????0.140?w?0.14?1

h0=0.36?10.1402

?60000.55?11.343=677.5〔W/(m·K) 〕 0.025.1.2管内表面传热系数：

hi?0.023?Re0.8Rr0.4

di管程流体流通截面积：Si=0.785×0.022×324/2=0.051（m2） 管程流体流速及其雷诺数分别为：

ui=

136080/(3600?994)=0.75（m/s）

0.0510.02?0.75?994Rei==20566

0.0007254.08?103?725?10?6?4.73 普朗特数：Pr=

0.626hi=0.023×

0.6262

?205660.8?4.730.4=3782〔W/ (m·K)〕 0.025.1.3污垢热阻和管壁热阻 查有关文献知可取： 管外侧污垢热阻 R0=0.00017 m2·K/W 管内侧污垢热阻 Ri=0.00034 m2·K/W

管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为50W/(m·K)。故

RW=0.0025/50=0.00005（m2·K/W）

5.1.4计算传热系数KC： KC=

1

0.0250.0250.00005?0.02501?0.00034???0.00017?3782?0.0200.0200.0225677.5

=417.5〔w/（m·℃）〕 计算传热面积AC:

AC=Q/(KC×△tm)=1542×103/（417.5×33.54）=110（m2） 该换热器的实际传热面积A：

A=??d0?l?NT=3.14×0.025×5×324=127.2（m2） 5.1.5该换热器的面积裕度为：H=

A?AC127.2?110×100%=×

110AC100%=15.64%

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 5.2壁温核算

因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按式（3-42）计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为16℃，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，降低了壳程和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管壁温差肯能较大。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。于是有

?t/hhcmhtw=

1?1hchhTm式中液体的平均温度tm=和气体的平均温度分别按式（3-44）和式

（3-45）计算为

tm=0.4×40+0.6×16=25.6（℃） Tm=0.5（140+40）=90（℃） hc=hi=5833〔W/ (m2·K)〕 hh=h0=806.6〔W/ (m2·K)〕 传热管平均壁温

90t=

5833?25.611?5833806.6806.6?33.4（℃）

壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=90℃。 壳体壁温和传热管壁温之差为

△t=90-33.4=56.6（℃）>50℃

该温差较大，故需设温度补偿装置。因此，需选用浮头式换热器较为适宜。

5.3换热器内流体的流动阻力

5.3.1管程流体阻力 计算公式如下：

l?u2△Pt=（△Pi+△Pr）NSNpFS; NS=1, Np=2，FS=1.5; △Pi=?i?。由

di2

Re=35345，传热管相对粗糙度0.2/20=0.01，查莫狄图得?i=0.0388，流速u=1.268m/s，ρ=994kg/m3，故

5994?1.2682? △Pi=0.0388?=7751.2（Pa）； 0.022??2994?1.2682?3?△Pr=?=2397（Pa） 22 △Pt=（7751.2+2397）×4×1.5=56829.92（Pa）<105

Pa

管程流体阻力在允许范围之内。 5.3.2壳程阻力

公式有：△PS=（△P0+△Pi）FSNS 其中 FS=1.15 ；NS=1 ；△P0=

?u02-0.228

Ff0NTC(NB+1) ; 又F=0.5,f0=5×6000=0.688, NTC=1.1 NT0.5=1.1

2×3240.5=19.8

NB=27;u0（按流通面积S0=B(D- NTCd0)计算）=0.2m/s则流体流经管束的阻力：

△P0=0.5×0.688×19.8×（27+1）×825×0.22/2≈3146.77（Pa） 流体流过折流板缺口的阻力

?u02△Pi =NB（3.5-2B/D）,其中 B=0.21m; D=0.7m；故

2△Pi=27×（3.5-2×0.21/0.7）×825×0.22/2≈1291.95（Pa）， 则总阻力： △ PS=3146.77+1291.95=4438.72（Pa）<105 Pa。故壳程流体的阻力也适宜。

四、辅助设备的计算和选

1.泵的选择

以下是两种不同类型泵的性能参数：

①对壳程流体苯所需的泵进行计算选择：

ISWB型卧式管道油泵性能参数表 型 号

流 量q（m/h） 3扬程 效率 转速 电机功率 允许汽蚀余量

m 80-315c 80-350 80-350a 80-350b 80-100(i) 80-100(i)a 80-125(i) 80-125(i)a 80-160(i) 80-160(i)a 80-160(i)b 80-200(i) 80-200(i)a 80-200(i)b 80-250(i) 80-250(i)a 80-250(i)b 80-315(i) 41 50 44.5 41 100 89 100 89 100 93.5 86.6 100 93.5 87 100 93.5 87 100 85 150 142 135 12.5 10 20 16 32 28 24 50 44 38 80 70 60 125 % 51 66 65 62 76 74 76 74 76 74 72 74 73 71 69 68 66 66 r/min 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 kw 22 55 45 37 5.5 4 11 7.5 15 11 11 2 18.5 15 37 30 30 75 m 3.0 3.0 3.0 3.0 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5

由qm=25011Kg/h，可得qv1=中选用

qm?0=

25011=30.3(m3/h)考虑经济因数，从上表825ISWB-80-160(i)b型的泵：r=2900 r/min，qv泵1=30(m3/h)（便于调节） H=24（m）（＞1.1m，可以将换热器安装在高处），(NPSH)r=4.5 (m)

②对管程循环水所需的泵进行计算选择：

isw型卧式离心泵性能参数表

型 号 80-315(i)a 流 量q m3/h 95 l/s 26.4 扬程 m 113 效率 % 66 转速 r/min 2900 电机功率 kw 55 允许汽蚀余量 m 4.0

80-315(i)b 80-315(i)c 100-100 100-100a 100-125 100-125a 100-160 100-160a 100-160b 100-200 100-200a 100-200b 100-250 100-250a 100-315 100-315c 100-100(i) 100-125(i) 100-125(i)a 100-160(i) 100-160(i)a 100-200(i) 125-160a 125-160b 125-200 125-200a 125-200b 90 82 100 89 100 89 100 93.5 86.6 100 93.5 87 100 93.5 100 82 160 160 140 160 140 100 150 138 160 150 138 25 22.8 27.8 47 27.8 24.7 27.8 26.0 24.1 27.8 26.0 24.2 27.8 26.0 27.8 22.8 44.4 44.4 39 44.4 39 44.4 41.7 38.3 44.4 41.7 38.3 101 85 12.5 10 20 16 32 28 24 50 44 38 80 70 125 85 12.5 20 17 32 28 50 28 24 50 44 37.5 65 63 76 74 76 74 76 74 72 74 73 71 69 68 66 63 73 74 72 32 28 50 28 24 50 44 37.5 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 45 37 5.5 4 11 7.5 15 11 11 22 18.5 15 37 30 75 37 11 15 11 22 18.5 37 18.5 15 37 30 22 4.0 4.0 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.5 4.5 4.5 5.6 5.0 5.2 4.0 4.0 5.5 5.5 5.5

由qm?136080kg/h，qv2=

?q?m?i=

136080=136.9(m3/h)，经过上表的参数对比，994应选用isw-125-160a型泵：r=2900 r/min，qv泵2=140(m3/h)（便于调节），H=28（m），(NPSH)r=4.0(m)

五、设计结果设计一览表

换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。

参数 流率/（kg/h） 管 程 136080 壳 程 25011

进/出温度/℃ 压力/ MPa 物 性 定性温度/℃ 密度（/kg/m3） 定压比热容/（kJ/（kg·K）） 粘度/（Pa·s） 热导率/〔w/（m·K）〕 普朗特数 设 备 结 构 参 数 壳体内径/mm 管径/mm 管长/mm 管数目/根 形式 30/40 0.4 35 994 4.08 140/40 0.3 90 825 2.22 0.000725 0.000715 0.626 0.140 4.73 浮头式 台数 700 壳程数 11.34 1 1 ф25×2.5 5000 324 管心距/mm 管子排列 折流板数/个 32 △ 27 传热面积/m2 127.2 折流板间距/mm 210

管程数 主要计算结果 流速/（m/s） 表面传热系数/〔w/（m2·K）〕 污垢阻力/（w/m2·K） 阻力/MPa 热流量/kW 传热温差/K 传热系数/〔w/（m2·K）〕 裕度/%

2 管程 1.268 3782 材质 壳程 0.260 677.5 碳钢 0.00034 0.57 1542 33.54 417.5 15.64 0.00017 0.0044

六、设计评述

本次化工课程设计是对列管式换热器的设计，通过查阅有关文献资料、上网搜索资料以及反复计算核实，本列管式换热器的设计可以说基本完成了。下面就是对本次设计的一些评述。

本设计所需要的换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，故本次设计确定选用浮头式换热器。易析出结晶、沉淀、淤泥及其他沉淀物的流体，最好通入比较容易进行机械清洗的空间，而浮头式换热器的管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生热效应力。对于浮头式换热器，一般易在管内空间进行清洗。所以选择浮头式换热器较合适。本设计选择了冷却水走管程，煤油走壳程的方案。由于本设计所要冷却的煤油的流量不是很大，故选择所需的换热器为单壳程、4管程，可以达到了设计的要求，且设计的列管式换热器所需的换热面积较合适，计算得的面积裕度也较合适，这样所损耗的热量相对来说不会很大。至于本设计能否用在实践中生产，或者生产的效率是否会很低，这些只有在实践中才能具体的说明。

课程设计需要学生自己做出决策，自己确定实验方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备的计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是增强工程观念、培养提高学生独立工作能力的有益实践。

通过本次设计，我学会了如何根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。了解到了工艺设计计算过程中要进行工艺参数的计算。通过设计不但巩固了对主体设备图的了解，还学习到了工艺流程图的制法。通过本次设计不但熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及网上资源，对前面所学课程有了更深的了解。但由于本课程设计属我第一次设计，而且时间比较短，查阅的文献有限，本课程设计还有较多地方不够完善，不能够进行有效可靠的计算。

本次设计非常感谢罗建平老师的指导，有了她的指导使得我们更快的进入课程设计的状态，使我们少走弯路，同时非常感谢我的同组员，正是有他们在一起讨论，才使我较快及顺利地在较短时间内完成本设计。

七、附图（后附上） 八、参考资料

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匡国柱、史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化工工

业出版社，2002

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姚玉英.化工原理.天津：天津：大学出版社，1999

刘巍.冷换设备工艺计算手册.北京：中国石化出版社，2003 黄璐、王保国.化工设计.北京：化学工业出版社，2001 谭天恩等.化工原理.北京：化学工业出版社，2006 董振珂.化工制图.北京化学工业出版社，2001

王非、林英.化工设备用钢.北京：化学工业出版社，2003 秦叔经、叶文邦.换热器.北京：化学工业出版社，2002 李克永.化工机械手册. 天津：天津大学出版社，1991 贺匡国.化工容器及设备简明设计手册.北京：化学工业出版

社，1989

［11］

网络资料

九、主要符号说明

P——压力，Pa ; Q——传热速率，W； R——热阻，㎡·K/W； ReS——传热面积，㎡； tT——热流体温度，℃； uqm——质量流速，㎏/h; W/(㎡·K);

?——有限差值； W/(m·K);

?——粘度，Pa·s; ?——校正系数。 rH——扬程，m 余量，m

A——实际传热面积，m2 PrNB——板数，块 KW/(㎡·K)

qv——体积流量 NNp——管程数 lKC——传热系数，W/(m·K)

——雷诺准数；

——冷流体温度，℃； ——流速，m/s;

h——表面传热系数

?——导热系数，

? ——密度，㎏/m3;

——转速，n/(r/min)

(NPSH)r——必须汽蚀——普郎特系数 ——总传热系数，t

——管数，根

——管长，m

△tm——平均传热温差，℃