化工原理课程设计说明书
银川能源学院 化工原理课程设计说明书
题目：年处理量15×104
学生姓名
学 号
指导教师
院 系
专业班级
设计时间
化学工程教研室制
摘 要
本课题是年处理量15×104t/a煤油冷却器的设计，煤油入口温度为140℃，出口温度为40℃；冷却水入口温度为30℃，出口温度为40℃。两流体温差大，为实现物料之间热量传递的节能，故选用了固定管板式换热器。并选用双管程，单壳程且煤油走壳程，冷却水走管程的换热器。本设计先确定了设计方案和物性数据，通过估算传热面积来算工艺结构尺寸，选用了管径为φ25mm⨯2.5mm的碳素钢管、确定使用传热管总计228根和壳体内径为600mm。然后进行换热器核算，最终验证了传热系数、有效平均温差39.09℃、流体流动阻力、面积裕度19.0%和压降等都在合理范围内。通过计算可得出本设计的正确性后，进行筒体、管箱、管板、法兰、折流板及其它设备进行计算和选型，并进行必要的校核。最后运用CAD制图软件进行装配图和工艺流程图的绘制。
关键词：固定管板式；面积裕度；压降
Abstract
This topic is the design of the handling capacity of 15×104 t/a of kerosene cooler, kerosene entrance temperature of 140 degrees centigrade, the outlet temperature is 40 degrees centigrade; cooling water entrance temperature of 30 degrees centigrade, the outlet temperature is 40 degree Celsius. Two fluid temperature difference, to achieve energy-saving heat transfer between the materials. So the selection of the fixed tube plate heat exchanger. And the double, single shell and kerosene go shell cooling water, go pipe heat exchanger process. This design to determine the design scheme and material data, by estimating the heat transfer area to calculate process structure size, choose diameter of carbon steel , determined using the heat transfer tube of a total of 228 root and the inside diameter of the shell is 600 mm. and heat exchanger calculation, the final validation of the effective heat transfer coefficient, average temperature of 39.09 degrees centigrade, fluid flow resistance, area 19% margin and pressure drop are within a reasonable range can be obtained by calculation. The correctness of the design, for the cylinder, tube box, tube plate, baffle and flange. Other equipment calculation and selection, and carry out the necessary verification. Finally using CAD drawing software drawing assembly drawings and process flow chart.
Keywords:Fixed tube plate; area margin; pressure drop
目 录
任务书 ........................................................................................................................................................... 1
1. 概述 ........................................................................................................................................................ 2
1.1 设计目的 ...................................................................................................................................... 2
1.2 换热器设备的在生产中作用及应用 ........................................................................................... 2
1.2.1 浮头式换热器 .................................................................................................................... 2
1.2.2 固定管板式换热器 ............................................................................................................ 2
1.2.3 U型管式换热器 ................................................................................................................ 2
1.3 列管换热器的特点 ....................................................................................................................... 3
1.3.1 浮头式换热器 .................................................................................................................... 3
1.3.2 固定管板式换热器 ............................................................................................................ 3
1.3.3 U型管式换热器 ................................................................................................................ 3
2. 设计内容 ................................................................................................................................................ 4
2.1 确定设计方案............................................................................................................................... 4
2.1.1 选定换热器类型 ................................................................................................................ 4
2.1.2 选用流体流动空间及流速 ................................................................................................ 4
2.3 流程叙述 ...................................................................................................................................... 4
2.4 估算传热面积............................................................................................................................... 4
2.4.1 计算热负荷 ........................................................................................................................ 4
2.4.2 计算冷却用水量 ................................................................................................................ 4
2.4.3 计算逆流平均温差 ............................................................................................................ 4
2.4.4 初选总传热系数K ............................................................................................................ 5
2.4.5 估算传热面积 .................................................................................................................... 5
2.5 工艺结构尺寸............................................................................................................................... 5
2.5.1 管径和管内流速 ................................................................................................................ 5
2.5.2 管程数和传热管数 ............................................................................................................ 5
2.5.3 平均传热温度差校正及壳程数 ........................................................................................ 5
2.5.4 传热管排列和分程方法 .................................................................................................... 6
2.5.5 壳体内径............................................................................................................................ 6
2.5.6 折流板................................................................................................................................ 6
2.5.7 接管 ................................................................................................................................... 6
2.5.8 其他附件............................................................................................................................ 7
2.6 换热器核算................................................................................................................................... 7
2.6.1 传热能力核算 .................................................................................................................... 7
2.6.2 壁温核算............................................................................................................................ 9
2.7 换热器内流体的流动阻力 ........................................................................................................... 9
2.7.1 管程流动阻力 .................................................................................................................... 9
2.7.2 壳程流动阻力 .................................................................................................................. 10
换热器主要工艺结构参数及计算结果一览表 ......................................................................................... 12
课程设计心得体会 ..................................................................................................................................... 13
致 谢 ......................................................................................................................................................... 14
附录 ............................................................................................................................................................. 15
附录1 列管式换热器中总传热系数K的经验值 .......................................................................... 15
附录2 常用的换热管的管中心距 ................................................................................................... 15
附录3 工程上常用物质的热导率大致范围 ................................................................................... 15
附录4 合理压降的选取 ................................................................................................................... 16
附录5 污垢热阻的大致数值范围 ................................................................................................... 16
参考文献 ..................................................................................................................................................... 17
任务书
设计题目：处理量15×104吨/年煤油冷却器的设计
1. 设计原始数据
(1)煤油：入口温度140℃，出口温度40℃
(2)循环介质：采用冷却水，入口温度30℃，出口温度40℃
(3)允许压降：不大于105Pa
(4)煤油定性温度下的物性参数：
ρc=825kg/m3 ，μ=7.15×10-4Pa·s，Cpc=2.22KJ/（kg·℃）,λ=0.14W(m·℃)
(5)每年按300天计，每天24h连续生产
2. 设计任务
（1）处理能力：15×104t/a煤油
（2）设备型式：列管式换热器
（3）选择适宜的列管式换热器并进行核算
（4）绘制带控制点的工艺流程图（A4图纸）
（5）绘制换热器结构图（A1图纸）
（6）编写设计说明书（具体要求见附件）
3. 设计要求
参加设计的班级需确定一个固定教室作为设计场所，每个班分为两个大组，每个大组指定一名指导教师。为使学生独立完成课程设计，每个大组分成若干小组，每小组1名学生，每组学生的原始数据均不同，理化性质可通过化工设计手册查得。请同学们认真根据自己的原始数据及设计任务进行设计，严禁雷同和抄袭。
4. 设计时间
2017年5月29日------2017年6月9日
1. 概述
在石油、化工生产过程中，换热器应用很广泛，它是完成各种不同换热过程的设备，如加热式冷却用加热器或冷却器，蒸馏或冷凝用蒸馏釜等。随着炼油、化工及石油化工的迅速发展，各种换热器发展很快，新结构不断出现。虽然管壳式换热器在换热效率、紧凑性及金属消耗量等方面不及其它新型换热器，但它具有结构坚固、可承受较高压力、制造工艺较成熟、适应性大、材料范围广等优点，因而目前仍是炼油、化工及石油化工生产中的主要设备。工业生产中可选用标准系列产品，也可以按特定条件设计，以满足生产工艺的要求。
1.1 设计目的 本课题研究的口的主要是针対给定固定管板式换热器设计要求, 通过査阅资料、分析设计条件,以及换热器的传热计算、壁厚设计和强度校核等设计,基本确定固定管板式换热器的结构。通过分析固定管板式换热器的设计条件,确定设计步骤。对固定管板式换热器筒体、封头、管板等部件的材料进择、壁厚计算和强度校核。对固定管板式换热器前端管箱、后端管箱、传热管和管板等结构进行设计, 对换熱器进行开孔强校核。绘制符合合设计要求的固定管板式换热器。
1.2 换热器设备的在生产中作用及应用
1.2.1 浮头式换热器
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，完全消除了温差应力。[1]浮头式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累了丰富的经验，不断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中仍占主导地位。
1.2.2 固定管板式换热器
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%。近年来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。
1.2.3 U型管式换热器
U形管式换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。此类换热器的特点是管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。但管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，
又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凄，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。[2]此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分需用壁较厚的管子。这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质清洁及不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。
1.3 列管换热器的特点
1.3.1 浮头式换热器
浮头式换热器是采用法兰把管束一端的管板固定到壳体上，另一端管板可以在壳体内自由伸缩，并在这端管板上加一顶盖后称为“浮头”。这类换热器的主要特点是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，不会产生热应力。但这种换热器结构较为复杂，造价高，制造安装要求高。适用于壳体壁温与管壁温差较大或者壳程流体易结垢的场合。
1.3.2 固定管板式换热器
这类换热器制作简单、便宜。最大的缺点是管外侧清洗困难。因而多用于壳侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。当管壁与壳壁温度相差较大时，由于两者热膨胀不同，产生很大的温差应力，以至于管子的管子扭弯或使管子从管板上松落，甚至毁坏整个换热器，因此，一般管壁与壳壁温度相差50℃以上时，换热器应有温度差补偿装置。
1.3.3 U型管式换热器 这类换热器仅有一个管板，并用隔板将封头隔成两空，中部呈U形，可以自由伸缩，故壳体与管子间温差很大时，也可以使用。缺点是管内的清洗较困难，管板上排列管子少。[3]
2. 设计内容
2.1 确定设计方案
2.1.1 选定换热器类型
两流体温度变化情况：热流体（煤油）入口温度为140℃，出口温度为40℃；
冷流体（冷却水）入口温度为30℃，出口温度为40℃。
两流体的定性温度如下：
煤油的定性温度 Tm=（140+40）/2=90℃
冷流体定性温度 tm=（40+30）/2=35℃
两流体的温差 Tm-tm=90-35=55℃ （>50℃，
可选用带温度补偿的固定管板式换热器。
2.1.2 选用流体流动空间及流速
因冷却水较易结垢为便于污垢清洗，故选用冷却水走管程，煤油走壳程。
2.3 流程叙述
煤油入口温度为140℃，出口温度为40℃；冷却水入口温度为30℃，出口温度为40℃。煤油走壳程从列管内流过，冷却水从列管内流过。隔板将分配室等分为二，煤油只能先流经一半的管束，待流到另一分配室折回而再流经另一半管束，然后从接管流出换热器。两流体温差大，为补偿温度故选用了固定管板式换热器。[4] 2.4 估算传热面积
2.4.1 计算热负荷
按管间流体煤油计算，即
15⨯104
Q=qmocpo∆T=⨯2.22⨯(140-40)=1284.7kW 300⨯24⨯360
2.4.2 计算冷却用水量
忽略热损失，则水的用量为
Q1090⨯103
qmi===26.11kg/s=94010.5kg/h Cpi∆ti4.174⨯(40-30)
2.4.3 计算逆流平均温差
(T-t)-(T2-t1)=(140-40)-(40-30)=39.09℃ ∆t-∆t逆流温差：∆tm,逆=12=12ln1ln12ln∆t2T2-t140-30
2.4.4 初选总传热系数K
根据附录1知，参考总传热系数的大致范围，同时考虑到壳程气压压力较高，故可较大的传热系数，现假设K=450W/（m2·℃）。
2.4.5 估算传热面积
A'=Q1284700==73.03m2 K∆tm,逆450⨯39.09
考虑15%的面积裕度: A=1.15⨯A'=1.15⨯73.03=84m2
2.5 工艺结构尺寸
2.5.1 管径和管内流速
前已选定管径为φ25mm⨯2.5mm 管内流速ui=1.1ms
2.5.2 管程数和传热管数
根据传热内径和流速确定单程传热管数ns
ns=V
=31.994
0.785⨯0.02⨯0.842=120.1≈120(根)
4
按单程计算所需换热管的长度 L di2ui
L=S84==8.92m nsπdo120⨯3.14⨯0.025
按单程设计，传热管过长，根据本设计实际情况，取传热管长l=4.5m
L8.92≈2(管程) 则该换热器的管程数为 Np==l4.5
传热管的总根数 NT=114⨯2=228(根)
2.5.3 平均传热温度差校正及壳程数
P=t2-t140-30T-T140-40==0.09R=12==10T1-t1140-30t2-t140-30
按单壳程，双管程结构，温差校正系数图
但R=10的点在图上很难读出，因而以1/R代替R，PR代替P，查同一图线
可得ψ∆t=0.82
平均传热温度：∆tm=ψ∆t⋅∆tm,逆=0.82⨯39.09=32.05℃
由于温差校正系数>0.8，同时壳程流体流量亦较大，故取单壳程较合适。
2.5.4 传热管排列和分程方法
采用组合排列，即每层内按正三角形排列，隔板两侧按正方形排列。 取管心距参考附录2[5] t=1.25do则 t=1.25⨯25≈32mm
隔板中心到其最后一排的距离S：按净空不小于6mm的原则确定 亦可按下式求取： S=t2+6mm=2+6=22mm
分程隔板两侧相邻管排之间的管心距： ta=2S=2⨯22=44mm 管中心距t与分程隔板槽两侧相邻管排中心距ta 2.5.5 壳体内径
采用两管程结构，取管板利用率η=0.7 则壳体内径
D=1.05tN=1.05⨯0.7=544.8mm
圆整取 D=600mm 2.5.6 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% 则切去圆缺高度为：h=0.25⨯600=150mm 折流板间距： B=0.3D 则B=0.3⨯600=180mm 折流板数NB=传热管长-1=32.3≈32 （块）
折柳板间距
考虑到支撑板相当于一块折流板，故实际折流板数为31块[6]。 2.5.7 接管
（1）壳程流体（煤油）进出口接管 取接管内煤油流速为10ms，则接管内径为
d=
4V4⨯20833.(3600⨯825)
==0.095m πu3.14⨯1.0
取标准管径为 Φ108mm⨯5mm （2）管内流体（冷却水）进出口接管 取接管内冷却水流速为2.5ms，则接管内径为
d=
4V4⨯(3600⨯994)
==0.164m πu3.14⨯1.5
取标准管径为 Φ194mm⨯15mm （3）其余接管忽略
2.5.8 其他附件
拉杆直径为Φ12mm，其数量应不少于10根，本设计取31根。
2.6 换热器核算
2.6.1 传热能力核算 （1）壳程对流传热系数
对于圆缺形折流板，可采用克恩（ken）公式：
λodeuoρo0.55Cpoμoμo0.14
αo=0.36()()()
deμoλoμw
当量直径由正三角形排列得：
4(de=
2π2π
t-do)4(⨯0.0322-⨯0.0252)==0.020m πdo3.14⨯0.025
壳程流通截面积：
So=BD(1-
do0.025
)=0.18⨯0.60⨯(1-)=0.024m2 t0.032
0.14
⎛μo⎫
黏度校正： μ⎪⎪
⎝w⎭
≈1
壳程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为：
20833.ρouo===0.29ms So0.024
qmo
Reo=
douoρo
μo
0.020⨯0.29⨯825
==6692.3 -4
7.15⨯10
Pro=
αo=0.36⨯
λo
de
Cpouo
λo
0.55
2.22⨯103⨯7.15⨯10-4==11.3
0.14
(Reo)(Pro)(
μo0.14
)μw
0.140.55
=0.36⨯⨯6692.3⨯11.3⨯10.14
0.02
=712.8W(m2⋅℃)
（2）管程传热系数
管程流通截面积：Si=BD(1-
d0240)=0.785⨯0.022⨯=0.0289m2 t2
壳程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为：
31.994
ρ
ui=i==1.1ms
Si0.0289
qmi
Rei=
diuiρi
μiCpiui
=
0.020⨯1.1⨯994
=30163>10000 -4
7.25⨯10
Pri=
λi
4.08⨯103⨯7.25⨯10-4==4.73
0.626
αi=0.=0.023⨯
λi
di
(Rei)
0.55
(Pri)
0.6260.8
⨯30163⨯4.730.4 0.020
=5138W(m2⋅℃)
（3）污垢热阻与管壁热阻
-42
W 查查附录3[7]得管外侧污垢热阻：Rso=1.72⨯10m·
-42
查查附录3[7]得管内侧污垢热阻：Rsi=3.44⨯10m⋅W
查查附录4[8]得管壁（碳钢）的热导率：λ=45W(m⋅℃) （4）总传热系数
ddbd11=o+Rsio+o+Rso+Kαodidiλdmαo=
0.0255138⨯0.02=0.0023707
+3.44⨯10-4⨯
0.0250.0025⨯0.0251
++1.72⨯10-4+ 0.02045⨯0.0225712.8
K=421.8W(m2⋅℃) （5）传热面积 理论传热面积A=
Q1284700==95m2 K∆tm421.8⨯32.05
.04m 该换热器的实际换热面积 Ap=πd0LNT=3.14⨯0.025⨯6⨯240=113
面积裕度 ：H=
2
Ap-AA
⨯100%=
113.04-95
⨯100%=19.0% 95
面积裕度在15%-25%之间，故该换热器能够完成生产任务。 2.6.2 壁温核算
因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管程壁温按下式计算：
Tm(t=
1
αc
1
+Rc)+tm(+Rc+
1
1
αh
+Rh)
αcαh
+Rh
Tm=(T1+T2)2=(140+40)2=90℃tm=0.4t1+0.6t2=0.4⨯40+0.6⨯30=34℃
2
取两侧污垢热阻为零计算壁温，查附录5得传热管平均壁温：
2
α=α=712.8W/m·℃ αc=αi=5138W/m·℃ h0
t=
Tmc+tmh+712.8
==40.8℃
c+h5138+712.8
壳体平均壁温近似取壳程流体的平均温度90℃
壳体平均壁温与传热管平均壁温之差：90-40.8=49.2℃
2.7 换热器内流体的流动阻力
2.7.1 管程流动阻力
∑∆pi=(∆p1+∆p2)FtNpNs
式中，Ft卫结构校正系数；Np为管程数；Ns为壳程数。 取换热器管壁粗糙度为0.1mm，则d=0.005，而Rei=20163 查莫迪图[9]得 λi=0.030W/m2·℃
流速ui=1.1m/s， 密度
()
ρ=994kg⋅m-3，因此
Lρui6994⨯1.12
∆p1=λi=0.030⨯⨯=5412.33Pa
di20.022 994⨯1.12
∆p2=3⨯=3⨯=1804.11Pa
22
2
ρui2
对φ25mm⨯2.5mm的管子有Ft=1.4,Np=2,Ns=1
∑∆p=(∆p
i
1
+∆p2)FtNpNs
=(5412.33+1804.11)⨯1⨯2⨯1.4 =20206.032pa
2.7.2 壳程流动阻力
∑∆p=(∆p'+∆p')FN
o
1
2
s
s
式中，Fs为结垢校正系数，对液体Fs=1.15；Ns为壳程数。 流体流经管束的阻力
'=Ffonc(NB+1)∆p1
F为管子排列方式对压降的校正系数
2
ρu0
2
正三角形排列时F=0.5，正方形直列时F=0.3，正方形错列时F=0.4。
fo为壳程流体的摩擦系数，当Reo>500时
fo=5.0Reo-0.228=5.0⨯(6692.3)
-0.228
=0.671
nc为横过管束中心线的管数 nc=1.NT=1.228=17 折流板间距B=0.18m，折流板数NB=31,uo=0.29m/s
825⨯0.292
'=0.5⨯0.671⨯17⨯(31+1)⨯∆p1=12.663kPa
2
流体流经折流板缺口的阻力
2Bρuc2
∆p'2=N（ B3.5-D2
2⨯0.18994⨯0.292∆p'2=31⨯(3.5-)⨯=3.758kPa 0.62
∑∆p=(∆p'+∆p')FN=(12663+3758)⨯1.5⨯1
o
1
2
s
s
=24631pa
参考附录6，该换热器的压降在合理范围内，故设计的换热器合理。
换热器主要工艺结构参数及计算结果一览表
表 1 换热器主要工艺结构参数及计算结果一览表
课程设计心得体会
本次设计是有关换热器的课程设计，虽然时间很短，但收获颇多。
首先，本次课程设计是我接触的第一个专业课程设计，所要用到的知识很多，包括化工原理、机械制图、传热学、流体力学和换热器原理与设计等方面的知识。这些知识不是机械的相加，还是需要全面的考虑和整体布局。不止一次因为考虑不全儿而要重新来过，有时会不耐烦，可想想不耐烦对我没有任何益处，便及时的调整过来。这次设计巩固我以前所学的知识，让我专业知识有了更深的认识和理解。
其次，这次课程设计还考验了班级的团队合作精神，以及严谨的工作态度和平和的心态。这次设计工作量大，用到的知识多，而我们又是第一次设计，所以单独考自己是无法完成本次课程设计，我们经常要进行讨论，甚至争论，现在依然记得大家争着面红耳赤的场面，这没有什么关系，因为问题就是这样发现，比较合理的结果和方法就是这样产生的。大家都明白了，那其他都不是问题。同时争论让我更加清楚地了解自己，让我明白我要更加耐心的表达我的想法，把问题解析清楚，也要耐心的听其他同学的意见。
酸甜苦辣，基本上每一天的工作时间上都在10到12小时，连续两个星期是一件挺辛苦的事。有时为了一个数据查找了好几本书，还有找不到结果的时候，是挺纳闷的，很容易让人想放弃。但有目标在，和继续请教其他同学，或继续寻找，努力终会有结果，这结果就是对努力的奖励。特别是在其他同学都还没找到，而你找到到时候，拿来跟其他同学共享，那更是一件快乐的事。很辛苦的同时，享受着辛苦带来收获的喜悦。
致 谢
本课题在选题及进行过程中得到朱鋆珊老师的耐心指导。设计过程中，朱老师多次帮助我分析思路，开拓视角。朱老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。再多华丽的言语也显苍白。在此，谨向朱老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。感谢大学两年来，石油化工学院所有老师对我学习上帮助和生活上的关怀，正是您们的辛勤工作，才使我得以顺利地完成本次课程设计。感谢师姐马荣的帮助，在我课题研究过程中给予我技术上的极大支持和心理上的鼓励。感谢过控1501班所有同学，是你们的陪伴让我度过了最难过的时光。
附录
附录1 列管式换热器中总传热系数K的经验值
表 1 列管式换热器中总传热系数K的经验值
附录2 常用的换热管的管中心距
表 2 常用的换热管的管中心距
附录3 工程上常用物质的热导率大致范围
表 3 工程上常用物质的热导率大致范围
附录4 合理压降的选取
表 4 合理压降的选取
附录5 污垢热阻的大致数值范围
表 5 污垢热阻的大致数值范围
参考文献
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