化工原理設(shè)計原油換熱器

1、化工原理課程設(shè)計題目:原油加熱器固定式換熱器指導(dǎo)教師：李先生院士職 稱:國家特級院士班 級:高分子材料與工程系學(xué) 號:學(xué)生姓名:目錄一緒論3二. 設(shè)計條件及主要物性參數(shù) 41、設(shè)計條件42、定性溫度的確定4三. 確定設(shè)計方案 51、選擇換熱器的類型52、流程安排四. 估算傳熱面積51、 熱流量52、 平均傳熱溫差53、 傳熱面積五工程結(jié)構(gòu)尺寸61、管徑和管內(nèi)流速 62、管程數(shù)和傳熱管數(shù) 63、平均傳熱溫差校正及殼數(shù) 64、傳熱管的排列和分程方法 75、 折流板76、接管六、換熱器核算81、殼程傳熱系數(shù) 82、管程傳熱系數(shù) 83、污垢熱阻和管壁熱阻94、總傳熱系數(shù) K 105、傳熱面積裕度 10

2、7、管程流動阻力 118、殼程流動阻力 11七、設(shè)計計算結(jié)果匯總12一、緒論1. 加熱器簡介1.1. 固定管板式固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大 時，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個補(bǔ)償圈（或膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同 時，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。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。1.2. U 形管式U 形管式換熱器每根管子均彎成 U 形，流體進(jìn)、出口分別安裝在同一端的兩側(cè)，封頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補(bǔ)償問題。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

3、，管程流體必須是潔 凈和不易結(jié)垢的物料。1.3. 浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連 同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。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。本實驗采用的是浮頭式加熱器，包括輸油管，輸油管上套有密閉的外殼，外殼 的一段管道上設(shè)有加熱體，該加熱體用固定卡固定在外殼表面上，所述外殼的外表 面上包覆有保溫層。本實用新型具有傳熱速度快、均溫性好的特點(diǎn)，避免了在輸送 過程中熱損失大而導(dǎo)致油品凝固難以輸送的問題。2. 設(shè)計目的培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)選修課程基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)知識完成某項單 元操作設(shè)備設(shè)計的實

4、踐操作能力。設(shè)計的設(shè)備必學(xué)在技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上是合 理的，操作上是安全的，環(huán)境上是友好的 。二、設(shè)計條件及主要物性參數(shù)2.1設(shè)計條件由設(shè)計任務(wù)書可得設(shè)計條件如下表：體積流量進(jìn)口溫度出口溫度設(shè)計壓力類型(標(biāo)準(zhǔn)t/h)(C)(C)(Kpa)柴油3417580原油337011080項目密度(kg/m3)比熱Cp(kJ/kgC)導(dǎo)熱系數(shù)(W/m2 C)黏度卩(Pas)柴油7152.480.1330.64 10 3原油8152.20.1286.65 10 322定性溫度的確定WC：原油流量(kg/h) Wh:柴油流量(kg/h)Cpc：原油比熱容Cph：柴油比熱容tl, t2：原油的岀、進(jìn)口溫度T1

5、、T2:柴油的進(jìn)、岀口溫度根據(jù)夏清陳常貴化工原理(上)P225,公式(4-33),熱流量為Qc = Wc Cpc(tl t2)=33000 Z.2 X( 110 70) /3.6=806667 W柴油岀口溫度： Qh = Qc = Wh Cph (T1 T2)806667=34000X2.48 (175 T2) /3.6T2=140.5 C可取流體進(jìn)岀口溫度的平均值。管程柴油的定性溫度T= ( 175+140.5 ) / 2=157.5 C殼程原油的定性溫度為t=(70+110) / 2=90 C三、確定設(shè)計方案3.1選擇換熱器的類型由設(shè)計任務(wù)選擇固定管板式換熱器。3.2流程安排柴油溫度高，走

6、管程可減少熱損失，原油黏度較大，走殼程在較低的Re數(shù)時即可達(dá)到湍流，有利于提高其傳熱膜系數(shù)。四、估算傳熱面積4.1熱流量4.2平均傳熱溫差根據(jù)化工原理課程設(shè)計P47,公式（3-9）tm=678C(Ti t2)仃2 切_(175 110)(140.5 70)2 = 24.3傳熱面積根據(jù)夏清 陳常貴 化工原理（上）P356表，初步設(shè)定K=160W m-2 C-1根據(jù)化工原理課程設(shè)計P47,公式（3-5）五工程結(jié)構(gòu)尺寸5.1管徑和管內(nèi)流速選用© 25X 2.5mr的傳熱管（碳鋼管）5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)估算的傳熱面積，然后查JB1145-73得:公稱直徑D（mm）管程數(shù)管數(shù)管長(mm)

7、管程流通面積（m2 ）500216860000.0264傳熱面積A=77.9 m2外徑D=500mm管程N(yùn)=2單程傳熱管數(shù)n=168管程流通面積Si =0.02642 m該換熱器型號為 G500 n -2.5-805.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)根據(jù)化工原理課程設(shè)計P47,公式(3-12) 平均傳熱溫差校正系數(shù)P=t2TTti175 140.511070t11101757070=0.381根據(jù)夏清陳常貴化工原理(上)P231,公式(4-46)平均傳熱差校正為 tm= t > tm'=67.8 (X95=64.4C )由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8,同時殼程流體流量較大，故取單殼

8、程合適5.4傳熱管的排列和分程方法采用正三角形排列法，則管間距t=32mm5.5折流板采用弓形折流板，取折流板間距B=400 mm折流板數(shù)“傳熱管長Nb=折流板間距仁6000 仁14塊400折流板圓缺面水平裝配。5.6接管(1)殼程流體進(jìn)出口接管取接管內(nèi)液體流速 u1=1.0m/s,/4 33000/(3600 815)U. =119.2mmU1；3.14 1圓整后取管內(nèi)直徑為 120mm.(2)管程流體進(jìn)岀口接管取接管內(nèi)液體流速U2=1.5m/s,圓整后取管內(nèi)直徑為130mm六換熱器核算6.1總傳熱系數(shù)核算殼程傳熱系數(shù)根據(jù)夏清陳常貴化工原理（上）P253,公式94-77a） 得0 = 0.3

9、6* Re0de0.551/3 , o、0.14Pr (一) w其中:粘度校正為（匕）0.14=0.92 w當(dāng)量直徑，管子為正方形旋轉(zhuǎn)450形排列時,根據(jù)化工原理（上）P253,公式(4-78)4(t2-d2o)4de=4do3 2432 103.14 0.025空 0.025 2=0.027 殼程流通截面積，根據(jù)化工原理（上）P253,公式（4-80），得Ao = BD（1 如）=0.400 區(qū)500 X（ 1 0 ）= 0.044m2t0.032式中B 兩擋板間距離，mD換熱器間的外殼內(nèi)徑，m 殼程原油的流速及其雷諾數(shù)分別為型0.26 m/sVo _ 33000/(3600Uo =A0.0

10、44Reo Po%de o815 0.26 0.0276.65 10860 普朗特準(zhǔn)數(shù)（ 傳熱傳質(zhì)過程設(shè)備設(shè)計P26,公式1-43）PrCpo o3322 106.65 10 =114.30.1280 = 0.36 * Re0de0.551/3 ,卩。、0.14Pr (一)卩W= 0.36 倬0.0278600551114.3 空 0.92 =308W/(m2 C)管程傳熱系數(shù)根據(jù)夏清陳常貴化工原理（上）P248，公式（4-70a）得i = O.O23R?.8Pr0.4di其中:管程流通截面積Si =0.0264m2管程柴油的流速及其雷諾數(shù)分別為UiSi出=34000/(3600 7佝=0.5

11、 m/s0.0264°.°2 O'5 715 = 111720.64 10普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr= CpL2i332.48 100.64 10=11.930.133因此，管程空氣的傳熱膜系數(shù)i為0804 0.1332i = 0.023 11172 X11.93 X，=714W/(m 2 C )0.02污垢熱阻和管壁熱阻查閱夏清 陳常貴 化工原理（上）P354,附錄表20,得原油側(cè)的熱阻Rso= 0.00034m2 C W-1柴油側(cè)的熱阻Rs= 0.00034m2 ;C W-1查閱化工原理（上）P354,附錄表13,得碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù) 入=50W- m-1 C -1總傳熱系數(shù)K

12、因此，查夏清 陳常貴化工原理（上）P227,公式(4-40)丄二丄+ Rso+処+Ka。dm di+企aid.10.0025 0.0250.025+ 0.00034+ 0.00034 -30850 0.02250.020+0.025714 0.02解得：K 172W/ (m2 -C)b:管壁的厚度do：管的外徑dm:管的平均直徑 di:管的內(nèi)徑傳熱面積裕度根據(jù)化工原理課程設(shè)計P47,公式(3-5)Si = Qi/(Ki tm)= 806667 = 69.2m2172 67.8該換熱器的實際傳熱面積 Sp2Sp= dolN t=3.14 E.025 6X168=79.1m依化工單元過程及設(shè)備課程

13、設(shè)計P76,公式3-36Sp SSi該換熱器的面積裕度為100% = 791 692 =14.3%69.2傳熱面積裕度合適。該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)6.2換熱器內(nèi)流體的流動阻力（壓降）管程流動阻力由Re=11172,傳熱管相對粗超度為0.01mm,內(nèi)徑di 20mm流速 u=0.5m/s.相對粗糙度孑弩0-0005查夏清陳常貴化工原理（上）P54莫狄圖得0.034Pi6715 0.520.034 -0.02 2912 (pa)Pr715 0.522268 (pa)總壓降： 仝Pi=(AP1+Ap2)Ft Ns Np=(912+268) X1.4 X>2=3.3KPa < 80KPa

14、 (符合設(shè)計要求)其中，F(xiàn)t為結(jié)垢校正系數(shù)，取1.4;Ns為串聯(lián)殼程數(shù)，取1; Np為管程數(shù)，取2。殼程流動阻力：根據(jù)化工原理(上)P284,公式(4-124)、( 4-125)得流體橫過管束的壓降：其中：F=0.4fo=5.0 卷60-0.228=1.07Nb=14uo=0.26m/s p,=0.4 為.07 X6X(14+1) (815 ：0.262)/2 = 2823Pa p2 = Nb (3.5竺)oUoD 2=14 X( 3.5- 2 0.400 ) >(815 >0.262)/2= 733 Pa0.500總壓降：po=( p1 + p2) Fs Ns=(2823+ 733) >.1 > =3.91Kpa < 80Kpa其中，F(xiàn)s為殼程壓強(qiáng)降的校正系數(shù)，對于液體取 1.1;Ns為串聯(lián)的殼程數(shù)，取1。設(shè)計計算結(jié)果匯總表換熱器的工藝計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要結(jié)果和主要尺寸匯總于下表質(zhì)量流量/(kg/h)3400033000進(jìn)/岀口溫度/C175/140.5110/70操作壓力/kPa定性溫度/C1513.91物密度 /(kg/m