柴油原油換熱器設計說明書

1、化工原理課程設計柴油換熱器設計說明書設計者：班級：過控 132組長：吳世杰成員：劉云杰李亞芳鄭仕業(yè)刁昌東王宇學生姓名：吳世杰日期： 2015年 9月 4日指導教師：佟白目錄一. 設計說明書3二. 設計條件及主要物性的確定31 定性溫度的確定32. 流體有關物性3三. 確定設計方案41. 選擇換熱器的類型42. 流程安排 4四. 估算傳熱面積41. 傳熱器的熱負荷42. 平均傳熱溫差43. 傳熱面積估算4五. 工程結構尺寸51. 管徑和管內(nèi)流速52. 管程數(shù)和傳熱管數(shù)53. 平均傳熱溫差校正和殼程數(shù)54. 傳熱管排列和分程方法55. 殼程內(nèi)徑66. 折流板 67. 其他附件 68. 接六. 換熱

2、器核算71. 熱流量核算7(1) 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)7(2) 管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)7(3) 污垢熱阻和管壁熱阻8(4) 傳熱系數(shù)K8(5) 傳熱面積裕度82壁溫核算93換熱器內(nèi)流體的流動阻力9(1) 管程流動阻力9(2) 殼程流動阻力10七. 換熱器主要工藝結構尺寸和計算結果表11八. 設備參考數(shù)計算121.殼體壁厚122. 接管法蘭123. 設備法蘭124. 封頭管箱125. 設備法蘭墊片(橡膠石棉板) 126. 管法蘭用墊片137. 管板 138. 支墊(鞍式支座) 139. 設備參數(shù)總表13九. 設計總結15十.主要符號說明16H一 .參考文獻17一、設計說明書1.設計任務書和設計條件原油44

3、000kgh由70 C被加熱到110 C與柴油換熱，柴油流量34000kgh ,柴油入口溫度 175 C,岀口溫度127。已知兩則污垢熱阻為就C/W,管程與殼程兩則降壓小于或等于，熱阻損失5%初設k=250wm2 CO二、設計條件及主要物性參數(shù)設計條件由設計任務書可得設計條件如下表:-參 參數(shù) 類型體積流量(標準kg/h )進口溫度(C)岀口溫度(C)操作壓力(MPa)設計壓力(MPa)柴油(管內(nèi))34000175127原油(管外)4400070110注：要求設計的冷卻器在規(guī)定壓力下操作安全，必須使設計壓力比最大操作壓力略大，本設計的設計壓 力比最大操作壓力大。確定主要物性數(shù)據(jù)根據(jù)流體力學(上

4、)P177,公式(4-109 ),熱流量為Q=WCPC(TI T2) =44000 ( 148 42)=X 106kJh= 106W管程柴油的定性溫度為151 CT 175 1272殼程原油的定性溫度為701102根據(jù)由上面兩個定性溫度數(shù)據(jù)，查閱參考書可得原油和柴油的物理性質(zhì)。運用內(nèi)插法(公式為y yb (yayb)(ta tb)tavg tb ),可得殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。原油在90 C ,下的有關物性數(shù)據(jù)如下:物性密度Pi(kgm3)定壓比熱容CPikJ( kg C )粘度 i(Pa S)導熱系數(shù)i-1-1(WmC )原油815-3 10柴油在151 C的物性數(shù)據(jù)如下:物性密度P

5、o(kg/m3)定壓比熱容CpokJ/( kg C )粘度。(Pa S)導熱系數(shù) o-1-1(WmC )柴油715-3 10、確定設計方案選擇換熱器的類型由于溫差較大和要便于清洗殼程污垢，對于油品換熱器，以采用Fe系列的浮頭式列管換熱器為宜。采用折流擋板，可使作為被冷卻的原油易形成湍流，可以提高對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，提高傳熱效率。流程安排柴油溫度高，走管程課減少熱損失，原油黏度較大，走殼程在較低的Re數(shù)時即可達到湍流，有利于提高其傳熱膜系數(shù)。四、估算傳熱面積熱流量平均傳熱溫差怙=仃1 t2) (T2 t1) = W5 11)(1277)(0 C ,1atm)=61 C2 2傳熱面積由于管程氣體壓力

6、較高，故可選較大的總傳熱系數(shù)。初步設定設K =250W m2 C -1。根據(jù)化工單元過程及設備課程設計P44,公式3-8 ,則估算的傳熱面積為QiKitm1.13 106250 6174.1 m五工程結構尺寸管徑和管內(nèi)流速選用 25 的傳熱管（碳鋼管）；由傳熱傳質(zhì)過程設備設計P7表1 3得管殼式換熱器中常用的流速范圍的數(shù)據(jù)，可設空氣流速Ui = 1ms ,用Ui計算傳熱膜系數(shù)，然后進行校核。管程數(shù)和傳熱管數(shù)依化工單元過程及設備課程設計P46,公式3-9可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)Vi34000/(715 3600) z.HXnsi242 (根).20.785 0.022 1di Ui

7、4按單程管計算，所需的傳熱管長度為22.5mS74.1dins 3.14 0.025 42按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構?，F(xiàn)取傳熱管長l=7m,則該換熱器管程數(shù)為N）=L/I =74 （管程）傳熱管總根數(shù) N=42 4=168 （根）。平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)依化工單元過程及設備課程設計P46，公式3-13a和3-13b，平均傳熱溫差校正系數(shù)mT1T2175127R=-=t2 t111070Ct2t111070T1t117570依傳熱傳質(zhì)過程設備設計 溫度校正系數(shù)為P16,公式 3-13，.R2t-In =1 PR|n2 p(1R Jr2 1)2 P(1R P26 ,公式 1-43

8、 )Pr =33Cpo o= 2.2 106.65 100.128ho=0.3610.128 15560.55 114? 1.050.027因此，殼程水的傳熱膜系數(shù) ho為2=668W(m C )由化工單元過程及設備課程設計P55 ,公式3-22，3-33,得hi= L其中：di管程流通截面積2=07850.0221682管程空氣的流速及其雷諾數(shù)分別為Vi _ 34000/(3600 715)i =Si0.026376Re=PiUidi.2 5 715111721oooo30.64 10普蘭特準數(shù)PrCpi i _ 2.48 1030.64 10 30.133因此,管程空氣的傳熱膜系數(shù)hi為h

9、i = 0.133冷卻水側的熱阻 艮=c W0.02熱空氣側的熱阻 Ri =C VV碳鋼的導熱系數(shù)= 50W m1 C -1因此，依化工單元過程及設備課程設計P53,公式 3-211ho+ Ro +bdodmRSidodidohdi+ + 0.0000566825+20 557.32522.5+ 0.00022520解得：Ko = 236W(m2 C )傳熱面積裕度依化工單元過程及設備課程設計P56,公式 3-35 : Q = KiSi M得:1061.13Si = Q( Ki t m)=236 61該換熱器的實際傳熱面積SPSP= doIN = 7 X 168=依化工單元過程及設備課程設計P

10、56 ,公式3-36該換熱器的面積裕度為SP SSi100% =92.3 78.4978.49=%壁溫核算計算。因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁溫度可按 化工單元過程及設備課程設計P77,公式3-42由于傳熱管內(nèi)側污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作早期， 污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應按最不利的操作條件考慮。因此，取兩側 污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是按式3-42有P77,式中，冷流體的平均溫度tm和熱流體的平均溫度 Tm分別按化工單元過程及設備課程設計公式3-44、3-45計算2Tm= X 175+ 125=146 C t m=

11、 110+ 70=86Chc=ho=668W(m C )Ohh=hi=557W(m C )傳熱管平均壁溫146 丄 0.0002668865570.00021/668 1/5570.0002 0.0002殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=90C殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 t= 90=C該溫差不大，不需要建立溫度補償裝置。0.038 ,流速 u=s,換熱器內(nèi)流體的流動阻力（壓降）Pi0.03827715 0.5、0.02 2I I . UO IPCl丿2 U715 0.52PrO268.125 (Pa)322總壓降A Pi =( p+Ap2) FtNLM=(+) XX 1 X 4=8

12、740Pa9800Pa（符合設計要求）由Re 11172 ,傳熱管相對粗超度為，查莫狄圖得其中，F(xiàn)t為結垢校正系數(shù)，??；NS為串聯(lián)殼程數(shù)，取 1 ; NP為管程數(shù)，取 4。由化工單元過程及設備課程設計P58,公式3-51,3-52 ,得:流體橫過管束的壓降：其中：F=f o= X =Nb=38Uo=S PO= XXX （38+1） X （815 X /2 = 36989Pa P- NB (空)D20 Uo22 0 18=38X()X (815 X /2 = 18107Pa0.6總壓降：A o=( p1 + p2) FSNS=(36989+18107 )XX1其中，F(xiàn)S為殼程壓強降的校正系數(shù)，對

13、于液體??；NS為串聯(lián)的殼程數(shù)，取 1。七. 換熱器主要結構尺寸和計算結果表參數(shù)管程殼程流量，kg/h3400044000物性操作溫度，C175/12770/110定性溫度，C15190流體密度，kgm3715815定壓比熱容，kj/黏度，傳熱系數(shù)，W/ （m C）普朗特數(shù)設備結構參數(shù)形式浮頭式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑，mm600殼程數(shù)1管徑，mm管心距，mm32管長，mm7000管子排列正方形旋轉(zhuǎn)45管數(shù)目根168折流板數(shù)38傳熱面積，m2折流板間距，mm180管程數(shù)4材質(zhì)碳鋼主要計算結果管程殼程流速，m/s-2表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)， W/ （mC）668污垢系數(shù)，m KW阻力降，Pa熱流量，kw1130傳熱溫

14、差，k傳熱系數(shù)，W/（m C）236裕度八、設備參數(shù)計算1. 殼體壁厚由Po=, Di= 60Omm對殼體與管板采用單面焊，焊接接頭系數(shù) =,腐蝕裕度C=1mm t=112MPa +C=16600 +仁2 tPo2 112 0.9 1.6圓整后取8mm2. 接管法蘭Dg管子平焊法蘭螺栓焊縫PdHSDD1D2fbd重量數(shù)直徑KH(kg)I量1001084215180158326188M16 :563.設備法蘭Dg管子平焊法蘭螺栓焊縫dHSDD1D2fbd重量（kg）數(shù) 量直徑KH60063098407707205504120M3610114.封頭管箱封頭：以外徑為公稱直徑的橢圓形封頭公稱直徑Dg

15、曲面咼度h1直邊高度h2內(nèi)表面積F容積V (m3)600150405.設備法蘭墊片（橡膠石棉板）公稱直徑Dg墊片內(nèi)徑d公稱壓力F（m2）墊片外徑D600615166556.管法蘭用墊片法蘭公稱壓力MPa介質(zhì)溫 度密封面型式墊片名稱材料油品 200光滑式耐油橡膠 石棉墊片耐油橡 膠石棉 板7.管板管板厚度35mm，長度300mm，材料為16MnR8.支墊（鞍式支座）公稱直 徑Dg每個支 座允許 負荷tb1LBlK1bm重量(kg)600180550120260420902209.設備參數(shù)總表序 號圖號標準名稱數(shù)量材料單重（kg）總量（kg）1LNQ-001-3前瑞管箱1組合件2HG20592法蘭

16、2Q235-B3GB8163-87接管108X5L=1602Q235-B4LNQ-Oo1-2折流板29Q235-A5筒體1Q235-B2786LNQ-Oo1-2拉桿4Q235-B7GB/T6170螺母M1684級8LNQ-001-3法蘭120II879墊片642600S=34石棉橡膠板10JB/T4701-2000法蘭1Q235-B11筒體DN600X8L=1401Q235-B12JB/T4746-2002封頭EHA600X51Q235-B1713GB/T14976換熱管，L=60001560Cr18Ni914JB/T4712-92支座500-S2Q235-A /Q235- B15JB/470

17、1-2000法蘭1Q235-B16SYJ11-65墊片2橡膠板17LNQ-001-3防松吊耳2Q235-B18LNQ-001-2管板116MnR6519GB/T6170螺母M201286級20JB/T4707螺栓M20x150-A62級九、設計總結兩周的化工原理課程設計即將結束，我們小組設計的是柴油原油換熱 器，雖然時間不長，但我們卻從中學到了很多知識。加深和鞏固了上學 期所學的化工原理這雖然剛開始會感到無從下手，很多所學的知識也有些生疏。但通過 佟白老師的細心講解，我們大家共同合作，一起討論研究，通過一周的 翻閱資料,查找公式,設計計算,使我對換熱器有了進一步的了解，對傳熱的 具體過程有了深

18、刻的認識尤其是從最初的無從下手到現(xiàn)在的可根據(jù)傳熱 的不同而選擇不同的換熱器另外,我對于換熱器的用途也有了更多的認 識。最后我們順利的完成了整個設計。在佟白老師的細心講解和指導下獨立完成了本次課程設計，通過這次 的鍛煉,為我今后的學習工作做了良好的開端這次的課程設計對我今后的 生活產(chǎn)生巨大的影響也會終生難忘的通過這初次的課程設計使我們深刻 的了解了化工原理這門課的主要內(nèi)容以及對將來工作的深遠影響。在此，感謝學院為我們提供了一個鍛煉自我，學習與歷練的機會，感謝 佟白老師耐心，認真的輔導，使我們的設計得以順利完成。十、主要符號說明原油的定性溫度T柴油定性溫度t原油密度P o柴油密度P i原油定壓比熱容Cpo柴油定壓比熱容GPi原油導熱系數(shù) o柴油導熱系數(shù) i原油黏度 o柴油黏度 i原油熱流量Wo柴油流量熱負荷Qo平均傳熱溫差總傳熱系數(shù)管程雷諾數(shù)溫差校正系數(shù)管程、殼程傳熱系數(shù)初算初始傳熱面積A估傳熱管數(shù)初算實際傳熱面積A管程數(shù)殼體內(nèi)徑D橫過中心線管數(shù)折流板間距B管心距t折流板數(shù)NB接管內(nèi)徑管程壓力降當量直徑殼程壓力降面積裕度H一、參考文獻【1】申迎華，郝曉剛.化工原理課程設計.北京，化學工業(yè)出版社，2009【2】姚玉英等.化工原理（上）天津，天津大學出版社，2005【3】任曉光.化工原理課程設計指導北