化工原理?yè)Q熱器課程設(shè)計(jì)

1、 重慶理工大學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題 目： 柴油預(yù)熱原油的管殼式換熱器 學(xué)生班級(jí)： 111150201 學(xué)生姓名： 何吉雨 學(xué)生學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 白薇揚(yáng) 化學(xué)化工學(xué)院 2014 年 6 月 13 日 目 錄1.設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)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117. 參考文獻(xiàn)168.心得體會(huì)171設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)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(shū)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

2、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(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行書(shū)面總結(jié)，設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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(guò)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60105411042.208150.1283.0×10-32. 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

3、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(guò)0.3×105Pa 3.2物性參數(shù)表物料

4、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60105411042.208150.1283.0×10-34.方案設(shè)計(jì)和擬訂根據(jù)任務(wù)書(shū)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

5、，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)

6、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

7、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(guò)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?/p>

8、差下降。這些也是選擇流速時(shí)應(yīng)予考慮的問(wèn)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(guò)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25×2.5mm及19×mm兩種規(guī)格的管子。在這里，選擇 25×2.5mm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46(對(duì)直徑小的換熱器可大些)。在這次

9、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?。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=(1.31.5)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

10、.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(guò)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(wèn)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1040，一般取2025，過(guò)高或過(guò)低

11、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(0.21)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(guò)小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過(guò)大，流體就難于垂直地流過(guò)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裕?=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123.22

12、56；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25×2.5mm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

13、 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(guò)程,宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(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

14、正三角排列,隔板兩惻采用正方形排列.取管心距,則橫過(guò)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

15、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(guò)折流板缺口的壓降 ， 總壓降 殼程壓降也比較適宜。5.6.2.3 換

16、熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表1冷熱流體物性數(shù)據(jù)表物料名稱操作壓操作溫度污垢系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)比熱流體密度粘度MPam2./WW/m.kJ/kg. kg/m3Pa.s 柴油<0.03170/123.22560.0001720.1332487150.00064原油<0.0360/1050.0001720.1282.208150.00300表2 工藝設(shè)備尺寸表?yè)Q熱器型式換熱面積/管子規(guī)格管數(shù)管長(zhǎng)管間距排列方式折流板型式間距切口高度殼體內(nèi)徑浮頭式式72.7768176600032正方形上下2001305807.參考文獻(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，20093匡國(guó)柱，史啟才化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20024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，19898.心得體會(huì)在此次的課程設(shè)計(jì)中，由于處理的數(shù)據(jù)量龐大，對(duì)換熱器一塊的知識(shí)量需求較大也較深入，所以在做該次課程