化工原理設(shè)計(jì)換熱器設(shè)計(jì)

..XX石油化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)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(jì)任務(wù)書設(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1.72×10-4m2.K/W,要求兩側(cè)的阻力損失均不超過0.5×10三、設(shè)計(jì)要求提交設(shè)計(jì)結(jié)果,完成設(shè)計(jì)說明書。設(shè)計(jì)說明書包括：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)自評表、換熱器裝配圖等?！苍O(shè)計(jì)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175T2342202.487150.1330.64×10-3原油70110443302.208150.1283.0×10-3推薦總K=45~280W/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:姚玉英.化工原理,上冊,1版.天津:天津大學(xué)出版社,1999柴誠敬.化工原理課程設(shè)計(jì).1版.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(jì).1版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20024、李功祥.常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì).1版.XX:華南理工大學(xué)出版社,2003..目錄1.設(shè)計(jì)任務(wù)書 12.概述 23.設(shè)計(jì)條件及物性參數(shù)表 24.方案設(shè)計(jì)和擬定 35.設(shè)計(jì)計(jì)算 66.熱量核算 11參考文獻(xiàn) 168.心得體會 17..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,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)說明書對整個(gè)設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行書面總結(jié),設(shè)計(jì)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(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170T2350802.487150.1330.64×10-3原油60105411042.208150.1283.0×10-3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(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：41104kg/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0.3×105Pa4.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(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(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)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(jià)高,便于清洗和檢修,完全消除溫差應(yīng)力,應(yīng)用普遍。我們設(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：不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi),以便于清洗管子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(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(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(shí)應(yīng)予考慮的問題。在本次設(shè)計(jì)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(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。我國目前試用的列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中僅有φ25×2.5mm及φ19×mm兩種規(guī)格的管子。在這里,選擇φ25×2.5mm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4～6<對直徑小的換熱器可大些>。在這次設(shè)計(jì)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(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)生污垢的場合；但其對流傳熱系數(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,即對流傳熱系數(shù)<較直列排列的>可以適當(dāng)?shù)靥岣摺?/p>

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=1.25d4.5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(shí),有時(shí)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(shí)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(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)?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φ25×2.5mm的碳鋼管,根據(jù)表三—管內(nèi)流速取ui=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)?，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)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)?？傻闷骄鶄鳠釡夭?.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)K5.6.1.4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,,所以管程壓降在