化工原理設(shè)計(jì)(換熱器設(shè)計(jì))

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廣東石油化工學(xué)院 化工原理課程設(shè)計(jì) 說(shuō)明書 題 目： 柴油預(yù)熱原油的管殼式換熱器 學(xué)生班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào)： 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(jì)任務(wù)書 一、 設(shè)計(jì)題目：列管式換熱器設(shè)計(jì) 二、設(shè)計(jì)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1.7210-4m2.K/W，要求兩側(cè)的阻力損失均不超過0.5105Pa。試選用一臺(tái)適當(dāng)型號(hào)的列管式換熱器。(x:學(xué)號(hào)) 三、設(shè)計(jì)要求 提交設(shè)計(jì)結(jié)果，完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書。 設(shè)計(jì)說(shuō)明書包括：封面、目錄、設(shè)計(jì)任務(wù)書、設(shè)計(jì)計(jì)算書、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表、參考文獻(xiàn)及設(shè)計(jì)自評(píng)表、換熱器裝配圖等。（設(shè)計(jì)說(shuō)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 0.6410-3 原油 70 110 44330 2.20 815 0.128 3.010-3 推薦總K=45~280 W/m.℃ 注：若采用錯(cuò)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(cè),1版.天津:天津大學(xué)出版社,1999 2、 柴誠(chéng)敬.化工原理課程設(shè)計(jì). 1版.天津:天津大學(xué)出版社,1994 3、匡國(guó)柱.化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì). 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(jì).1版.廣州:華南理工大學(xué)出版社,2003 2 1 目 錄 1.設(shè)計(jì)任務(wù)書 1 2.概述 2 3.設(shè)計(jì)條件及物性參數(shù)表 2 4.方案設(shè)計(jì)和擬定 3 5.設(shè)計(jì)計(jì)算 6 6.熱量核算 11 7. 參考文獻(xiàn) 16 8.心得體會(huì) 17 3 1 1．設(shè)計(jì)任務(wù)書 1.1設(shè)計(jì)題目 用柴油預(yù)熱原油的管殼式換熱器 1.2設(shè)計(jì)任務(wù) 1.查閱文獻(xiàn)資料，了解換熱設(shè)備的相關(guān)知識(shí)，熟悉換熱器設(shè)計(jì)的方法和步驟； 2.根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)及計(jì)算； 3.根據(jù)換熱器工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算的結(jié)果，進(jìn)行換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 4.以換熱器工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算為基礎(chǔ)，結(jié)合換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果，繪制換熱器裝配圖； 5.編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行書面總結(jié)，設(shè)計(jì)說(shuō)明書應(yīng)當(dāng)用簡(jiǎn)潔的文字和清晰的圖表表達(dá)設(shè)計(jì)思想、計(jì)算過程和設(shè)計(jì)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 170 T2 35080 2.48 715 0.133 0.6410-3 原油 60 105 41104 2.20 815 0.128 3.010-3 2. 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(jiǎn)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;另一種流體則溫度較低,吸收熱量 在化工、石油、動(dòng)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(jì)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0.3105Pa 4.方案設(shè)計(jì)和擬訂 根據(jù)任務(wù)書給定的冷熱流體的溫度，來(lái)選擇設(shè)計(jì)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(lái)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(cè)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(jì)算出總傳熱系數(shù)，再計(jì)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(zhǎng)為6m，算出傳熱管程，傳熱管總根數(shù)等等。再來(lái)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(jì)步驟，計(jì)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(jì)殼程和管程的內(nèi)徑。分別對(duì)換熱器的熱量，管程對(duì)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(duì)傳熱流體的流動(dòng)阻力進(jìn)行計(jì)算，如果在設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，造價(jià)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(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場(chǎng)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(jià)高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。我們?cè)O(shè)計(jì)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(shí)受腐蝕，且管子也便于清洗和檢修 3.壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓 4.飽和蒸氣宜走管間，以便于及時(shí)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(duì)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(dòng)時(shí)，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(duì)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(duì)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(dòng)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(shí)，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(duì)一定的傳熱面積，不得不采用較長(zhǎng)的管子或增加程數(shù)。管子太長(zhǎng)不易清洗，且一般管長(zhǎng)都有一定的標(biāo)準(zhǔn)；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆怠＿@些也是選擇流速時(shí)應(yīng)予考慮的問題。在本次設(shè)計(jì)中，根據(jù)表?yè)Q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(shí)，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(guó)目前試用的列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中僅有φ252.5mm及φ19mm兩種規(guī)格的管子。在這里，選擇 φ252.5mm管子。管長(zhǎng)的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長(zhǎng)管不便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標(biāo)準(zhǔn)鋼管長(zhǎng)為6m，則合理的換熱器管長(zhǎng)應(yīng)為1.5、2、3或6m。此外，管長(zhǎng)和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取L/D為4～6(對(duì)直徑小的換熱器可大些)。在這次設(shè)計(jì)中，管長(zhǎng)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(cuò)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(huì)少，且管外流體擾動(dòng)較大，因而對(duì)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)生污垢的場(chǎng)合；但其對(duì)流傳熱系數(shù)較正三角排列時(shí)為低。正方形錯(cuò)列排列則介于上述兩者之間，即對(duì)流傳熱系數(shù)(較直列排列的)可以適當(dāng)?shù)靥岣摺? 　　管子在管板上排列的間距 (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=(1.3～1.5)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=1.25d 4.5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(shí)，有時(shí)會(huì)使管內(nèi)流速較低，因而對(duì)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(dòng)力費(fèi)用；同時(shí)多程會(huì)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(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些問題。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(shí)，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等。根據(jù)計(jì)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(dòng)程度加劇，以提高殼程對(duì)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10～40％，一般取20～25％，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(0.2～1)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(duì)流傳熱系數(shù)下降。這次設(shè)計(jì)選用圓缺形擋板。 　　換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于(對(duì)浮頭式換熱器而言)管板的直徑。初步設(shè)計(jì)時(shí)，可先分別選定兩流體的流速，然后計(jì)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(jì)計(jì)算 5.1確定設(shè)計(jì)方案 5.1.1 選擇換熱器的類型 因?yàn)椋? 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(dòng)空間及流速的測(cè)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φ252.5mm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(jì)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(jì)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(jì)算,所需的傳熱管長(zhǎng)度為 按單程管設(shè)計(jì),傳熱管過程,宜采用多管程結(jié)構(gòu)。現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)， 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(duì)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200mm。 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(duì)流傳熱系數(shù) 對(duì)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(duì)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(duì)粗糙度，查附圖二——摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)及相對(duì)粗糙度的關(guān)系得，流速，， 所以 管程壓降在允許范圍之內(nèi)。 5.6.2.2 殼程壓力降 流體流經(jīng)管束的壓降 ， 1 流體流過折流板缺口的壓降 ， 總壓降 殼程壓降也比較適宜。 7.參考文獻(xiàn) ［1］柴誠(chéng)敬,張國(guó)亮等．化工流體流動(dòng)與傳熱[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社 ［2]馬江權(quán)，冷一欣等?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)。北京：中國(guó)石化出版社，2009 ［3］匡國(guó)柱，史啟才．化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002 ［4］夏清，賈紹義。化工原理（上冊(cè)）。 天津：天津大學(xué)出版社，2013 [5]劉積文主編，石油化工設(shè)備制造概論，哈爾濱；哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1989 15 1