原油預熱器的設計課程設計

1、 JINGCHU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY荊楚理工學院課程設計成果 學院: 化工與藥學院 班 級 13過控（2）班 學生姓名: 黃超 學 號: 設計地點（單位） A2204 設計題目: 原油預熱器的設計 完成日期： 2014 年 12 月 11 日 指導教師評語: _ 成績(五級記分制): 教師簽名: 荊楚理工學院課程設計任務書設計題目：原油預熱器的設計設計內容及要求1. 設計內容 某煉油廠需用柴油預熱原油。要求設計一臺列管式換熱器，完成該生產任務。1) 確定設計方案：對確定的工藝流程及換熱器型式進行簡要論述。2) 估算換熱器的傳熱面積。3) 計算換熱器的主要工藝結構尺

2、寸。4) 對換熱器進行核算。5) 繪制原油預熱器工藝流程圖。6) 繪制換熱器工藝條件圖。2. 設計要求：1) 方案和流程的選擇要闡明理由；2) 設計計算過程中所采用的公式、數據、圖表要注明出處，要列出詳細計算過程；3) 設計結束后要對計算結果進行匯總；4) 說明書要采用統(tǒng)一封面和A4紙打印，要條理清晰，排版美觀，裝訂成冊上交。3.設計參數1) 兩側的阻力損失均不超過Pa。2) 所設計的列管式換熱器為非標準式。3) 柴油和原油的有關參數如下表：物料溫 度 質量流量(×104kg/h)密 度(kg/m3 )粘度(×10-3Pa.s)比 熱(kJ/kg.K)導熱系數(W/m.K)

3、入口出口原油701104.28153.02.20.128柴油175T23.37150.642.480.1334. 進度要求1) 2014.12.8 搜集查閱資料，確定設計方案2) 2014.12.9 完成換熱器工藝計算及主要結構尺寸設計3) 2014.12.10 換熱器校核、繪圖4) 2014.12.11 編寫設計說明書5) 2014.12.11 裝訂、上交課程設計報告5. 參考資料1) 馬江權，冷一欣.化工原理課程設計.第四版. 北京：中國石化出版社，20092) 王志魁，劉麗英，劉偉.化工原理.北京：化學工業(yè)出版社，20103) 張洪流，張茂潤.化工單元操作設備設計.華東理工大學出版社，2

4、0114) 匡國柱，史啟才.化工單元過程及設備課程設計.北京：化學工業(yè)出版社，20085) 化工工藝設計手冊（第四版）上冊.北京：化學工業(yè)出版社，20146. 說明1) 本表應在每次實施前一周有負責教師填寫二分，教研室審批后交學院備案，一份由負責教師留用。2) 若填寫內容較多可另紙附后。3) 一題多名學生共用的，在設計內容、參數、要求等方面應有所區(qū)別。指導教師：郝修麗教研室主任：郝修麗 2014年 12月 1日 原油預熱器的設計 目錄1. 列管式換熱器綜述述.3 1.1 列管式換熱器基本簡介.3 1.2 列管式換熱器種類介紹.31.2.1 管板式換熱器.31.2.2 浮頭式換熱器.41.2.3

5、 填料函式換熱器.4 1.2.4 U型管式換熱器.5 1.3 設計規(guī)范.52.設計條件及設計任務.63. 確定設計方案.7 3.1 選擇換熱器的類型.7 3.2 流動空間及流速的確定.74. 確定物性參數.75. 計算總傳熱系數.8 5.1 熱負荷.8 5.2平均傳熱溫差.8 5.3 總傳熱系數.86. 計算傳熱面積.97. 工藝結構尺寸的計算.10 7.1管徑和管內流速.10 7.2 管程數和傳熱管數.10 7.3 平均傳熱溫差校正及殼層數.10 7.4 傳熱管排列和分程方法.10 7.5殼體內經.11 7.6折流板.11 7.7接管.12 7.8 拉桿的確定.128.換熱器核算.12 8.

6、1熱量核算.128.1.2 管程對流傳熱系數.138.1.3 傳熱系數K.148.1.4 傳熱面積.14 8.2 換熱器的內流體的流動阻力.158.2.1 管程流動阻力.15 8.2.2 殼層阻力.158.2.3 換熱器主要結構尺寸和計算結果.169. 設計評述.1810.工藝流程圖.1911.工藝條件圖.1912. 布管圖.2013.符號說明.21致謝.22參考文獻.231. 列管式換熱器綜述 1.1 列管式換熱器基本簡介 列管式換熱器列管式換熱器是目前化工及酒精生產上應用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質 ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。

7、在進行換熱時，一種流體由封頭的連結管處進入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另一種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程列管式換熱器。 為提高殼程流體流速，往往在殼體內安裝一定數目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。常用的折流擋板有圓缺形和圓盤形兩種，前者更為常用。列管式換熱器必須從結構上考慮熱膨脹的影響，采取各種補償的辦法，消除或減小熱應力，根據所采取的溫差補償措施。 1.2 列管式換熱器種類介紹1.2.1 固定管板式換熱器圖1 固定管板式換熱器 列管式換熱器的結構比

8、較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內管外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于6070和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6Mpa時由于補

9、償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償的作用，就應考慮其他結構。 1.2.2 浮頭式換熱器圖2 浮頭式換熱器 換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當兩種換熱器介質的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產生溫差應力。其缺點為結構復雜，造價高。1.2.3 填料函式換熱器圖3 填料函式換熱器 這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結構比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內介質有外漏的可能，殼程中不應處理易揮發(fā)

10、、易燃、易爆和有毒的介質。1.2.4 U型管式換熱器圖4 U型管式換熱器 U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點是結構簡單，質量輕，適用于高溫高壓條件。 1.3 設計規(guī)范 本換熱器的設計是按照管殼式換熱器GB 151-1999標準執(zhí)行，并遵照鋼質石油化工壓力容器設計規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設計規(guī)定。2.設計條件及設計任務設計題目：原油預熱器的設計設計內容及要求1.設計內容 某煉油廠需用柴油預熱原油。要求設計一臺列管式換

11、熱器，完成該生產任務。1) 確定設計方案：對確定的工藝流程及換熱器型式進行簡要論述。2) 估算換熱器的傳熱面積。3) 計算換熱器的主要工藝結構尺寸。4) 對換熱器進行核算。5) 繪制原油預熱器工藝流程圖。6) 繪制換熱器工藝條件圖。2.設計要求：1) 方案和流程的選擇要闡明理由；2) 設計計算過程中所采用的公式、數據、圖表要注明出處，要列出詳細計算過程；3) 設計結束后要對計算結果進行匯總；4) 說明書要采用統(tǒng)一封面和A4紙打印，要條理清晰，排版美觀，裝訂成冊上交。3.設計參數4) 兩側的阻力損失均不超過Pa。所設計的列管式換熱器為非標準式。5) 柴油和原油的有關參數如下表：物料溫 度 質量流

12、量(×104kg/h)密 度(kg/m3 )粘度(×10-3Pa.s)比 熱(kJ/kg.K)導熱系數(W/m.K)入口出口原油701104.28153.02.20.128柴油175T23.37150.642.480.1333. 確定設計方案 3.1 選擇換熱器的類型 （公式來自王志魁，劉麗英，劉偉.化工原理 P142 4-36）兩流體溫度變化情況：熱流體（柴油）進口溫度175，出口溫度129.8；冷流體（原油）進口溫度70，出口溫度110。該換熱器用柴油預熱原油，原油容易結垢，且換熱器的管壁溫度和殼體壁溫度之差較大，同時為了便于拆卸清理，因此確定選用浮頭式換熱器。 3.2

13、 流動空間及流速的確定由于原油的容易結垢，且粘度大，在裝有者流擋板的殼層中流動有利于提高湍流，增大傳熱系數，柴油溫度高，且為了減少熱損失和充分利用柴油的熱量，以及清洗方便，流程采用柴油走管程，原油走殼程。選用25×2.5mm的無縫碳鋼管，管內流速初步取u1=1.0m/s。4. 確定物性參數 已知定性溫度下，原油、柴油的物性參數如下： 5. 計算總傳熱系數 5.1 熱負荷 （公式來自王志魁，劉麗英，劉偉.化工原理 P142 4-35） 5.2平均傳熱溫差 （公式來自王志魁，劉麗英，劉偉.化工原理 P144 4-40） 5.3 總傳熱系數 管程傳熱系數： （公式來自王志魁，劉麗英，劉偉.

14、化工原理 P28） （公式來自王志魁，劉麗英，劉偉.化工原理 P132 4-19） 殼程傳熱系數 假設殼程的傳熱系數 污垢熱阻 管壁的導熱系數 （本公式來自馬江權，冷一欣.化工原理課程設計 P64 2-14）6. 計算傳熱面積 （本公式來自馬江權，冷一欣.化工原理課程設計 P62 2-5） 考慮15%的面積裕度 S=S×1.15=65.5×1.15=75.36m27. 工藝結構尺寸的計算 7.1管徑和管內流速 選用25mm×2.5mm傳熱管(碳鋼),取管內流速u1=1.0m/s。 7.2 管程數和傳熱管數依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數 （本公式來自馬江權，冷

15、一欣.化工原理課程設計 P71） 按單程管計算，所需的傳熱管長度為 （本公式來自馬江權，冷一欣.化工原理課程設計 P71）按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。現(xiàn)取傳熱管長L=6m，則該換熱器管程數位 傳熱管總根數 N=41×4=164 根 7.3 平均傳熱溫差校正及殼層數平均傳熱溫差校正系數： 按單殼程, 4管程結構,溫差校正系數應查附圖對數平均溫差校正系數 可得： =0.92 符合的要求平均傳熱溫差 7.4 傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法，即每程內均按正三角排列,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 （本公式來自馬江權，冷一欣.化工原理課程設計 P

16、59 2-3） 7.5 殼體內經采用多管程結構，取管板利用率，則殼體內徑為： （本公式來自馬江權，冷一欣.化工原理課程設計 P59 2-3） 圓整可取D=600mm 7.6 折流板 采用弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%,則切去的圓缺高度為 h =0.25×600=150mm取折流板間距， 則B=300 可取B為300mm。 折流板數 折流板圓缺面水平裝配。 7.7 拉桿的確定本換熱器傳熱管外徑為25mm，拉桿數量與直徑查化工單元操作設備設計張洪流版表2-9、2-10,其拉桿直徑為16mm，共有4根拉桿。7.8 接管 殼程流體進、出口接管:取接管內流速為，則接管內徑為 取標準管徑為

17、159mm×4.5mm。 管程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速，則接管內徑為 取標準管徑為140mm×4.5mm。8. 換熱器核算 8.1 熱量核算8.1.1 殼層對流傳熱系數對圓缺形折流板，可采用凱恩公式： （本公式來自馬江權，冷一欣.化工原理課程設計 P65 表2-7）當量直徑，由正三角形排列得： 殼程流通截面積： 殼程流體流速及其雷諾數分別為： （公式來自王志魁，劉麗英，劉偉.化工原理 P131）普蘭特準數： （公式來自王志魁，劉麗英，劉偉.化工原理 P131）粘度校正 8.1.2 管程對流傳熱系數 （本公式來自馬江權，冷一欣.化工原理課程設計 P65 表2-7）管

18、程流通截面積管程流體流速： 普朗特準數 8.1.3 傳熱系數K 8.1.4 傳熱面積 該換熱器的實際傳熱面積： 該換熱器的面積裕度為： 傳熱面積裕度夠大，該換熱器能夠完成生產任務. 8.2 換熱器的內流體的流動阻力8.2.1 管程流動阻力 （以下公式來自馬江權，冷一欣.化工原理課程設計P67） , , , 由，傳熱管相對粗糙度0.01/20=0.005 查圖摩擦系數與雷諾準數及相對粗糙度的關系得 流速，所以： 管程流動阻力在允許范圍之內。8.2.2 殼層阻力（以下公式來自馬江權，冷一欣.化工原理課程設計P67） 流體流經管束的阻力 ， 流體流過折流板缺口的阻力 , 總阻力 殼程流動阻力也比較適

19、宜。 8.2.3 換熱器主要結構尺寸和計算結果換熱器主要結構尺寸和計算結果見表1表1 換熱器主要結構尺寸和計算結果換熱器形式:浮頭式換熱器換熱面積/69.5工藝參數名稱管程殼程物料名稱柴油原油阻力損失/Pa26110.5624770操作溫度/175/129.870/110流量/(kg/h)33×10³42×10³進、出口接管內徑140mm×4.5mm159mm×4.5mm流體密度/(kg/m³）715815流速/(m/s)0.9940.55傳熱量/kw1026.7總傳熱系數/(w/·)295傳熱系數/(w/

20、3;)1047.5734.5污垢系數/(·/w)0.0003440.000344程數41推薦使用材料碳鋼碳鋼殼體內徑/mm600管子規(guī)格25×2.5mm管數164管長6000mm管間距/mm32排列方式正三角形折流板形式上下間距/mm間距/mm300折流板數目19切去圓缺高度/mm150拉桿直徑/mm16拉桿數目4 10. 設計評述一個星期的課程設計結束了，這次設計的是原油預熱器，雖然時間不長，但是我收獲頗多。這次課程設計，我是一步一步往下算的，弄懂每一步的步驟，搞清楚為什么要這么做。課程設計的這幾天，我為了完成好課程設計，每天不是在電腦上查資料，就是去圖書館查資料，在換熱

21、器核算的時候，算了兩次都不合格，我得從頭開始一步一步的往下計算，檢查哪里有錯誤，雖然很麻煩，但是當算正確的時候，心里也是感到蠻開心的。這次設計一個換熱器，雖說不全是我自己弄的，前面的綜述有些是在網上摘抄的，但是后面的，都是我自己一個公式一個字的敲出來的，每計算一步，我都要驗算一下，怕自己因為失誤而計算錯了，包括畫表格，在電腦上用cad畫工藝條件圖和布管圖。通過此次設計，了解了很多關于換熱器的知識，如換熱器的選型，換熱器結構和尺寸的確定，以及計算換熱器的傳熱面積和流體阻力等等。最最重要的是我深刻認知做設計計算時要非常小心，因為一不留神就會出錯，如果前面錯了沒發(fā)現(xiàn)，后面就全錯。這是設計中的禁忌。這次課程設計讓我們自己動手設計了一個換熱器，真正的算是把課本上的知識用在現(xiàn)實生后生產中了，在此，感謝學院給我們提供了這么一個學習的機會，讓我們把所學的知識得以運用，感謝郝老師給我們耐心的指導，讓我們的設計得以順利完成，讓我明白什么是嚴謹的科學態(tài)度，也感謝我的同組同學，在我有問題的時候，他們給