化工原理設(shè)計(換熱器設(shè)計)

1、 廣東石油化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計說明書題 目： 柴油預(yù)熱原油的管殼式換熱器 學(xué)生班級： 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 18 指導(dǎo)教師： 李燕 化學(xué)化工學(xué)院 年 月 日 化工原理課程設(shè)計任務(wù)書一、 設(shè)計題目：列管式換熱器設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)及操作條件某煉油廠用柴油將原油預(yù)熱。柴油和原油的有關(guān)參數(shù)如下表, 兩側(cè)的污垢熱阻均可取1.72×10-4m2.K/W，要求兩側(cè)的阻力損失均不超過0.5×105Pa。試選用一臺適當(dāng)型號的列管式換熱器。(x:學(xué)號) 三、設(shè)計要求 提交設(shè)計結(jié)果，完成設(shè)計說明書。 設(shè)計說明書包括：封面、目錄、設(shè)計任務(wù)書、設(shè)計計算書、設(shè)計結(jié)果匯總表、參考文獻(xiàn)及設(shè)計自評表、換

2、熱器裝配圖等。（設(shè)計說明書及圖紙均須手工完成） 四、定性溫度下流體物性數(shù)據(jù)物料 溫 度 質(zhì)量流量 kg/h 比 熱 kJ/kg. 密 度 kg/m3 導(dǎo)熱系數(shù) W/m. 粘度 Pa.s 入口 出口 柴油 175 T2 34220 2.48 715 0.133 0.64×10-3 原油 70 110 44330 2.20 815 0.128 3.0×10-3 推薦總K=45280 W/m.注：若采用錯流或折流流程，其平均傳熱溫度差校正系數(shù)應(yīng)大于0.8 五、參考書目:1、 姚玉英 . 化工原理 ,上冊,1版.天津:天津大學(xué)出版社,19992、 柴誠敬.化工原理課程設(shè)計. 1版.

3、天津:天津大學(xué)出版社,19943、匡國柱.化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計. 1版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002 4、李功祥.常用化工單元設(shè)備設(shè)計.1版.廣州:華南理工大學(xué)出版社,200321目 錄1.設(shè)計任務(wù)書12.概述23.設(shè)計條件及物性參數(shù)表24.方案設(shè)計和擬定35.設(shè)計計算66.熱量核算117. 參考文獻(xiàn)168.心得體會17311設(shè)計任務(wù)書1.1設(shè)計題目用柴油預(yù)熱原油的管殼式換熱器1.2設(shè)計任務(wù)1.查閱文獻(xiàn)資料，了解換熱設(shè)備的相關(guān)知識，熟悉換熱器設(shè)計的方法和步驟；2.根據(jù)設(shè)計任務(wù)書給定的生產(chǎn)任務(wù)和操作條件，進(jìn)行換熱器工藝設(shè)計及計算；3.根據(jù)換熱器工藝設(shè)計及計算的結(jié)果，進(jìn)行換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計；4

4、.以換熱器工藝設(shè)計及計算為基礎(chǔ)，結(jié)合換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)果，繪制換熱器裝配圖；5.編寫設(shè)計說明書對整個設(shè)計工作的進(jìn)行書面總結(jié)，設(shè)計說明書應(yīng)當(dāng)用簡潔的文字和清晰的圖表表達(dá)設(shè)計思想、計算過程和設(shè)計結(jié)果。1.3操作條件物料溫 度 質(zhì)量流量kg/h比 熱kJ/kg.密 度kg/m3導(dǎo)熱系數(shù)W/m.粘度Pa.s入口出口柴油170T2350802.487150.1330.64×10-3原油60105411042.208150.1283.0×10-32. 概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器,簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體,一種流體溫度較高,放出熱量;另一種

5、流體則溫度較低,吸收熱量在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,它們也是這些行業(yè)的通用設(shè)備,并占有十分重要的地位。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。3.設(shè)計條件及物性參數(shù)表3.1操作條件原油：入口溫度60 出口溫度105 質(zhì)量流量：41104 kg/h加熱介質(zhì)柴油：入口溫度170 出口溫度T2 質(zhì)量流量：(35080)kg/h允許壓降：不超過0.3×105Pa 4.方案設(shè)計和擬訂根據(jù)任務(wù)書給定

6、的冷熱流體的溫度，來選擇設(shè)計列管式換熱器中的浮頭式換熱器；再依據(jù)冷熱流體的性質(zhì)，判斷其是否易結(jié)垢，來選擇管程走什么，殼程走什么。在這里，柴油走管程，原油走殼程。從手冊中查得冷熱流體的物性數(shù)據(jù)，如密度，比熱容，導(dǎo)熱系數(shù)，黏度。計算出總傳熱系數(shù)，再計算出傳熱面積。根據(jù)管徑管內(nèi)流速，確定傳熱管數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)傳熱管長為6m，算出傳熱管程，傳熱管總根數(shù)等等。再來就校正傳熱溫差以及殼程數(shù)。確定傳熱管排列方式和分程方法。根據(jù)設(shè)計步驟，計算出殼體內(nèi)徑，選擇折流板，確定板間距，折流板數(shù)等，再設(shè)計殼程和管程的內(nèi)徑。分別對換熱器的熱量，管程對流系數(shù)，傳熱系數(shù)，傳熱面積進(jìn)行核算，再算出面積裕度。最后，對傳熱流體的流動阻力進(jìn)

7、行計算，如果在設(shè)計范圍內(nèi)就能完成任務(wù)。4.1列管式換熱器種類選取 根據(jù)固定管板式的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。U形管式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。浮頭式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。我們設(shè)計的換熱器的流體是油，易結(jié)垢，再根據(jù)可以完全消除熱應(yīng)力原則我們選用浮頭式換熱器。4.2管程與殼程的選取根據(jù)以下原則：1. 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子2. 腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，且管子也便于清洗和檢修3.壓強(qiáng)高的流

8、體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓4.飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大5.被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強(qiáng)冷卻效果。6.需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。7.粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達(dá)到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)，我們選擇柴油走管程，原油走殼程。4.3流體流速的選擇增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總

9、傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟(jì)衡算才能定出。此外，在選擇流速時，還需考慮結(jié)構(gòu)上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對一定的傳熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數(shù)。管子太長不易清洗，且一般管長都有一定的標(biāo)準(zhǔn)；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆?。這些也是選擇流速時應(yīng)予考慮的問題。在本次設(shè)計中，根據(jù)表換熱器常用流速的范圍，取管內(nèi)流速4.4管子的規(guī)格和排列方法選擇選擇管徑時，應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)超過前面介紹的流速范圍。易結(jié)垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。我國目前試用的列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中僅有25&

10、#215;2.5mm及19×mm兩種規(guī)格的管子。在這里，選擇 25×2.5mm管子。管長的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長管不便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標(biāo)準(zhǔn)鋼管長為6m，則合理的換熱器管長應(yīng)為1.5、2、3或6m。此外，管長和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取L/D為46(對直徑小的換熱器可大些)。在這次設(shè)計中，管長選擇4m。管子在管板上的排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯列等，等邊三角形排列的優(yōu)點(diǎn)有:管板的強(qiáng)度高；流體走短路的機(jī)會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內(nèi)可排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點(diǎn)是便于清洗列管的外壁，適用于殼程流體易產(chǎn)生

11、污垢的場合；但其對流傳熱系數(shù)較正三角排列時為低。正方形錯列排列則介于上述兩者之間，即對流傳熱系數(shù)(較直列排列的)可以適當(dāng)?shù)靥岣摺９茏釉诠馨迳吓帕械拈g距 (指相鄰兩根管子的中心距)，隨管子與管板的連接方法不同而異。通常，脹管法取t=(1.31.5)d，且相鄰兩管外壁間距不應(yīng)小于6mm，即t(d+6)。焊接法取t=1.25d4.5管程和管殼數(shù)的確定當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時，有時會使管內(nèi)流速較低，因而對流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過多，導(dǎo)致管程流體阻力加大，增加動力費(fèi)用；同時多程會使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少，設(shè)計時應(yīng)考慮這些

12、問題。列管式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多程時，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等。根據(jù)計算，管程為6程，殼程為單程。4.6折流擋板安裝折流擋板的目的，是為了加大殼程流體的速度，使湍動程度加劇，以提高殼程對流傳熱系數(shù)。最常用的為圓缺形擋板，切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的1040，一般取2025，過高或過低都不利于傳熱。兩相鄰擋板的距離(板間距)B為外殼內(nèi)徑D的(0.21)倍。系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的B值為:固定管板式的有150、300和600mm三種，板間距過小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過大，流體就難于垂直地流過管束，使對流傳熱系數(shù)下降。這次設(shè)計選用圓缺形擋板。換熱器殼體

13、的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于(對浮頭式換熱器而言)管板的直徑。初步設(shè)計時，可先分別選定兩流體的流速，然后計算所需的管程和殼程的流通截面積，于系列標(biāo)準(zhǔn)中查出外殼的直徑。5設(shè)計計算5.1確定設(shè)計方案5.1.1 選擇換熱器的類型因?yàn)?，所以?=得到=123.2256 兩流體溫度變化情況：熱流體（柴油）進(jìn)口溫度170，出口溫度123.2256；冷流體（原油）進(jìn)口溫度60，出口溫度105。該換熱器用柴油預(yù)熱原油，為易結(jié)垢的流體。該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。5.1.2 流動空間及流速的測定為減少熱損失和充分利用柴油的熱量，采用柴油走管程，原油走殼程。選用25×2.5

14、mm的碳鋼管，根據(jù)表三管內(nèi)流速取u i=1.0m/s。.5.2確定物性數(shù)據(jù)根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。柴油的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 定壓比熱容）導(dǎo)熱系數(shù) 黏度 原油的物性數(shù)據(jù)：密度 定壓比熱容）導(dǎo)熱系數(shù) 黏度 5.3計算總傳熱系數(shù)5.3.1 熱流量5.3.2 平均傳熱溫差 5.3.3 總傳熱系數(shù) K 管程傳熱系數(shù) 殼程傳熱系數(shù) 假設(shè)殼程的傳熱系數(shù) 污垢熱阻 管壁的導(dǎo)熱系數(shù) 5.4計算傳熱面積 考慮15%的面積裕度， 5.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸5.5.1 管徑和管內(nèi)流速 選用傳熱管(碳鋼),取管內(nèi)流速5.5.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) 按單程管計算

15、,所需的傳熱管長度為 按單程管設(shè)計,傳熱管過程,宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長， 則該換熱器管程程數(shù)為 傳熱管總根數(shù)5.5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均傳熱溫差校正系數(shù) 按單殼程, 4管程結(jié)構(gòu),溫差校正系數(shù)應(yīng)查附圖一對數(shù)平均溫度校正系數(shù)。 可得 平均傳熱溫差 5.5.4 傳熱管排列和分程方法采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角排列,隔板兩惻采用正方形排列.取管心距,則橫過管束中心線的管數(shù) 5.5.5 殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu),取管板利用率,則殼體內(nèi)徑為 圓整可取5.5.6 折流板 采用弓形折流板,取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%,則切去的圓缺高度為 取折流板間距， 則 可取B為200m

16、m。 折流板數(shù) 折流板圓缺面水平裝配。5.5.7 接管 殼程流體進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)流速為，則接管內(nèi)徑為 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為150mm。 管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速，則接管內(nèi)徑為 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為150mm。5.6熱量核算5.6.1.1 殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板,可采用凱恩公式 當(dāng)量直徑,由正方形排列得 殼程流通截面積 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 普蘭特準(zhǔn)數(shù) 粘度校正 5.6.1.2 管程對流傳熱系數(shù) 管程流通截面積 管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 普蘭特準(zhǔn)數(shù) 5.6.1.3 傳熱系數(shù) K 5.6.1.4 傳熱面積 S 該換熱器的實(shí)際傳熱面積 該換熱器的面積裕度為 傳熱面積裕度大,該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)5.6.2 核算壓力降5.6.2.1 管程壓力降 , , , 由，傳熱管相對粗糙度，查附圖二摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)及相對粗糙度的關(guān)系得，流速