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1、化工原理课程设计说明书设计题目3.171 M05t/a原油加热器的工艺设计院系化学与环境工程学院专 业化学工程与工艺年级 2011 级化工*班学生姓名邓宗保学生学号 201108014*指导老师赖庆轲完成时间2013年12月目录化工原理课程设计任务书 11设计方案的选择 21.1 计算热流量21.2 初步选定换热器型号 31.21换热器中流体的流动方式的选取 32工艺计算 42.1 计算平均温差),逆42.2 计算参数P和R及Utm 52.3 换热管数及管长的确定 52.31 管内流速的确定及管排列方式的选取 52.32 估算传热面积 A估及管数及管长的计算 63主要设备工艺尺寸设计 83.1
2、管阻力损失计算83.11 管程的流速、雷诺数及摩擦系数的计算 83.12 管程流动阻力计算。 93.2壳阻力损失计算103.21 壳程的流速、雷诺数及摩擦系数的计算 103.22 折流挡板数NB的计算113.23 壳程阻力113.3传热计算133.31 管程给热系数 % 133.32 壳程给热系数支。133.33 传热系数,按管外面积进行计算，并且忽略其管壁热阻 143.34 所需要的传热面积 A及裕度*的计算 144辅助设备选型与计算 155设计结果汇总 176工艺流程图及列管式换热器工艺条件图 18列管式换热器工艺条件图7设计评述及感想 197设计评述及感想 错误！未定义书签。7.1 对本
3、设计的评价 207.2 设计感想20参考文献 21i2011级化学工程与工艺专业化工原理课程设计化工原理课程设计任务书一、设计题目t/a原油加热器的工艺设计设计条件某炼油厂用柴油将原油预热。柴油和原油的有关参数如下表，两侧的污垢热阻均可取1.72x10-4m2 K/W,要求两侧的压力损失均不超过0.3x105Pa。试选用一台适当型号的列管式换热器。物料温度C质里流里kg/h比热kJ/kg G密度kg/m3导热系数W/m C粘度Pa s入口出口柴油175T234000+10x2.487150.1330.64x10-3原油7011044000+15x2.208150.1283.0x10-3（x:学
4、号后两位）二.设计要求简述每个设计者必须提交的设计成果有：设计说明书一份，图纸一幅（用 A3打印）。1、设计说明书必须包括下述内容：封面、目录、设计任务书、设计计算书、设计结果汇总表、参考文献以及设计自评等。2、设计计算书的主要内容应包括的步骤：1）计算热负荷、收集物性常数。根据设计任务求出热流体放热速率或冷流体吸热速率，考虑了热损失后即可确定换热器应达到的传热能力Q;按定性温度确定已知条件中未给出的物性常数；2）根据换热流体的特性和操作参数决定流体走向（哪个走管程、哪个走壳程）；计算平均温差；3）初步估计一个总传热速率常数K估，计算传热面积 A估；4）根据A估初选标准换热器；若是设计换热器，
5、则先确定换热管的规格、长度，接着 计算所需换热管根数 n；按单程求出流通面积，计算管内流速 5,管程数Nt=u适宜仙；确定折 流挡板间距h,挡板形式，管子排列方式，外壳内径等。定出实际的传热面积A实际。5）换热面积的核算。分别按关联式求出管内、外传热膜系数，估计污垢热阻，求出传 热速率常数K,得出所需传热面积 A,将A与A实际进行比较，若A实际比A大15%左右则设 计成功；若A比A实际还大，则需再设参数，重新设计，直到 A实际比A大15%左右。6）管程和壳程压力降的计算。7）接管尺寸的计算。3、参考文献的列出格式：作者，文献题名，书刊名，出版地：出版者，出版年（卷），参考页码。例如：1吴婉娥，
6、葛红光，张克峰.废水生物处理技术M.北京：化学工业出版社，2003.1:77-1682秦浩然，马魁英.浅谈硝化细菌及其在自然界的意义 J.生物学通报，1989.12 （ 1） :184、对图纸的要求用一张2#图纸（用A3打印）绘出设备装配图，包括主视图、俯视图或左视图，主视图局部剖 切，主要尺寸标注，接管表，图标等。1设计方案的选择首先根据所给操作及物性条件确定已知条件中未给出的物性常数，尔后通过判断进行 换热器的初步选定。现已知：柴油：Ti=175 C ,质量流量密度E =715kg/m3 ,导热系数ms1=34030kg/h ,比热 cp1=2.48 kJ/kg C -,_，. 、,_ _
7、 3兀=0.133 W/m- C ,粘度匕=0.64父10 Pas原油：t1=70C , 密度：-o =815kg/m3t2=ll0 C ,质量流量 ms2 = 44045kg/h，比热 Cp2 =2.20kJ/kg G ,导热系数 九o= 0.128 W/mC ,粘度 匕=3.0父10,Pas1.1计算热流量按原油加热所需来计算换热器的热流量Q =ms2cp2a2 一t1) = 44045父 2.2m (110 70) =3875960kJ h,(1-1)年加热原油的量mx440455mx =3 父24M300=3.171父10 t/a(1-2)10由热量衡算式Q = msiCpi(Ti -
8、丁2) = ms2cp2 & -ti)(1-3)式中：msi,ms2分别为热冷流体的质量流量，kg,s；11Cpi,Cp2为热冷流体的定压比热容，kJkg ,K ，可取定性温度下的数值作为常数；t2,ti为冷流体出、入口温度，C；1,72为热流体进、出口温度，C。联立式1-1和1-2可解得Q3875960T2 =1=175=17546=129七 (1-4)ms1cpi34030 2.481.2初步选定换热器型号由于两流体间的温差较大，同时为了便于清洗壳程的污垢，因而采用浮头式列管换热器。而柴油温度高，走管程可以减少热量散失。原油粘度为3.0x10-3 Pas大于1.52.5 Pas,属于高粘度
9、液体，因而原油应在壳空间通过，因在设有挡板的壳程中流动时，流到截面和流向都在不断改变，在低 Re下（Re100）即可达到湍流，有利于提高管外流体的给热系数。1.21换热器中流体的流动方式的选取通过前人的计算推导可知，当两流体的进出口温度都已经确定时，逆流的平均温差比 并流的大，因此传递相同的热流量时，逆流所需要的传热面积比并流的小。而逆流的另一 个优点是可以节省冷却剂或加热剂的用量，从而可以节约一定的能源，可实现节能减排的 目的。第21页，共21页2工艺计算2.1计算平均温差1J,逆175c (柴油)t 129 c110c (原油),70c65c (温差)59 C换热器进出口处的对数平均温差计
10、算公式 二一 ln ： Lt| / . ：t2(2-1)当At % 2时，可用算术平均值计算，即_ 65+59m,逆=二62 C二 LI tm tm逆(2-2)(2-3)对于常用的复杂折流或错流的换热器，求其平均温度差的计算式，通常采用一种比较简单的计算方法，即先求两边流体假定在逆流的情况下的对数平均温差LI却说，再根据实11 m,世际流动情况乘以校正系数中而得到实际平均温差 Utmo选换热器的流动类型为符合单壳程、偶数管程的图1-1,尹;：图1-1校正系数平由图可知中1,即UtmLltm,逆，这是由于复杂流动中同时存在逆流和并流。在设计时应注 意使中0.9 ,至少不应低于0.8 ;否则经济上
11、不合理。2.2 计算参数P和R及|_|tm12 T 110-70(2-4)P=-10.381-匕 175-70175-129110-70= 1.15(2-5)按图1-1查得邛=0.91,符合中0.9的要求，可得(2-6)L1tm=62 M 0.91=56.4 C2.3 换热管数及管长的确定2.31 管内流速的确定及管排列方式的选取(1)管内流速的确定。在决定管数及管长前得决定管内流速，而决定管速则依据其粘度作出判断，从题中条件看，柴油粘度为 0.64m Pas小于1m Pa-s,此为低粘度油。参照表 2-1,可取管程流体流速ui =1.0m $,而壳程流体流速则为 uo=0.5ms，表2-1列
12、管式换热器常用的流速范围流体种类流速/ms-1流体种类流速/ms1管程壳程管程壳程冷却水1-3.50.51.5油蒸汽51536一般液体(度不高)0.53.00.21.5气体530315低黏油0.81.80.41.0气液混合流体260.50.3高黏油0.51.50.30.8(2)管径425mmx 2.5mm的选择及其管按正方形排列方式的选取根据目前我国的系列标准中最常用的管径为425mm父2.5mm和419mmM 2mm两种规格，这对于一般流体是适用的。其中固定管板式换热器采用d25mmM2.5mm的管，以正三角形排列；在浮头式换热器中采用弧9mmM 2mm的管，以正三角形排列，而采用425mm
13、M2.5mm的管则采用正方形排列。在此设计中为增加其换热量，故而选用e25mmM2.5mm的管，排列方式为正三角形排列。按选定的管径和流速可以确定管数，再根据所需要的传热面积，就可以求得管长。但管长L又应该与壳径D相适应，一般L/D约为46,同时应该按照出厂的钢管长度合理截用。2.32 估算传热面积A估及管数及管长的计算(1)估算传热面积A估为求得A估首先应确定传热系数，先进行试算，按表2-2,有机溶剂和轻油间进行传热时的K值大名勺为120400W m-2 K-1,先取K值为260 W m2 K1进行换热的流体传热系数KW- m-2 K-1进行换热的流体传热系数KW m-2 K-1表2-2列管
14、式换热器中K值的大致范围由气体到气体1235水莫春气冷凝到水2904700由气体到水1260水莫春气冷凝到油(有机液体)60350由煤油到水350左右水莫春气冷凝到油沸腾290870由水到水8001800由有机溶剂到轻油120400则所需传热面积为3875960 e , 2二 73.4 m23.6 260 56.4(2-7)式中：Q为换热器的热流量，kJh；K为传热系数，W- m-2 K-1 ；|_|tm为平均温差，C。(2)管数及管长的计算设需要的单程管数为n, 125mmx2.5mm的管内径为0.02m,从管内体积流量二 2340303vi =n 0.021.0 3600 = = 47.6
15、m *h4715(2-8)从而求得n=42根，由传热面积A = n二 d0l = 73.4m2(2-9)式中：n为单程管数；d0为管外径，m;l为单程管长，m。 可以求得单程管长73.442 二 0.025=22.2m(2-10)若选用6m长的管，4管程，则一台该换热器的总管数为4乂 42 =168根。从谭天恩主编的化工原理第三版上册附录十九可查得浮头式换热器的主要参数，整理得表2-3表2-3初选浮头式换热器的主要参数项目数据项目数据壳径D ( DN )600mm管尺寸e25父 2.5mm管程数Np(N)4管长l(L )6m管数n188管排列方式止方形斜转45中心排管数nc10管心距t=32m
16、m (与固定管板式相同)管程流通面积Si0.0148m2传热面积A86.9m2对表2-3的数据进行核算每程的管数n总管数n/管程数N=188/4=47,管程流通面积(2-11)S 二(0.02)2 47=0.01476n24与查得的0.0148m2吻合程度高。传热面积 A = nd0ln =冗乂0.025父6父188=88.前2比所查数据大，这是因为管长的一小部分需用于在管板上固定管子。因而应该以所查得的A = 86.9 m2为准 中心排管数nc,从参数表查得的nc=10,按图2-1 (3)排列 正三角形排列 (2)正方形排列 (3)正方形错列图2-1管子在管板上的排列nc=10时n最多为10
17、0,按式(2-12)公式计算。管子按正三角形排列时：%=1.1. n(2-11)管子按正方形排列时：nc=1.19.n(2-12)式中：n为换热器的总管数。nc =1.19而=1.194188=16.3(2-13)取整数nc =163主要设备工艺尺寸设计3.1 管阻力损失计算流体流经列管式换热器时由于流动阻力产生一定的压力降，所以换热器的设计必须满 足工艺要求的压力降，一般的合理压力降的范围如表3-1表3-1合理压力降的选取操作情况操作压力 p/MPa合理的压力降 p/MPa操作情况操作压力 p/MPa合理的压力降 p/MPa减压00.1 （绝压）P/10中压13 （表压）0.0350.18低
18、00.07P/2较局38 （表压）0.070.25压0.0710.035压3.11 管程的流速、雷诺数及摩擦系数的计算vi47.6流速(3-1)二逅=J600_= 0.895m sSi0.0148式中M为管内体积流量;Si为管内横截面积。雷诺数Rei0.020 0.895 715 3=200000.64 10(3-2)式中di为管内径；ui为管内流速;R为柴油密度;4为柴油粘度。摩擦系数的确定，参照表3-2,确定钢管的绝对粗糙度名=0.1mm表3-2某些工业管材的绝对粗糙度管道类别绝对粗糙度 w/mm管道类别绝对粗糙度z / mm无缝黄铜管、钢管、铅管0.010.05非干净点玻璃管、塑料管0.
19、00150.01金新的无缝钢管、镀锌铁管0.10.2橡皮软管0.010.03新的铸铁管0.3金木管道0.251.25属轻度腐蚀的无缝钢管0.20.3属陶土排水管0.456.0显著腐蚀的无缝钢管0.5以上很好整平的水泥管0.33管旧的铁管0.85以上石棉水泥管0.030.8则相对粗糙度 6/di =0.1/20=0.005,根据Re =20000查图3-1得A =0.03550000100001000iiiiiiiiiiiiOJO图3-1摩擦系数与雷诺准数的实验关系3.12 管程流动阻力计算。多管程列管式换热器，管程压力降(3-2)“ Pi = R 仙 FtNsNp式中：口为直管中摩擦阻力引起的
20、压力降，Pa;：u26为回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa;可由经3公式 Ap2 M i厂估算Ft为结垢校正系数， 无因次，425mmM 2.5mm的换热管取1.4； 419mmM 2mm的 换热管取1.5;Ns为串联的壳程数；N 0为管程数。 pFt =1.4,Ns =1,Np =4管内阻力损失(3-3)60.895 715: 0.035 0.02.2=10.5 286 =3010Pa回弯阻力损失 ：u2(3-4)(3-5)甲2 = -u-=3 286 =858Pa2管程总损失% p = R甲2 FtNsNpF.3010 858 1.4 1 4二 21660 Pa因为工Api =21660
21、Pa500)；nc为横过管束中心线的管数；D为壳体直径，m；NB为折流板数目；u。为按壳程流通截面积 s =hM(D -ncdo )计算的流速，m/so壳程损失 p。=甲1 甲2 Ft Ns个9200 4710 1.15 1二16000Pa因为工Ap。=16000Pa 4 管程 n = 0.6 0.8正方形排列：2管程刈 = 0.55 0.74 管程”=0.45 0.65所以D=1.05a. NX=1.05 32 . 188/0.6-594 mm壳体内径D应该圆整为600mm(2)体壁厚度的选择 按表4-1选取壳体内径/mm325400500600700800900100011001200最小
22、壁厚/mm8101214因而壁厚选为11mm。(3)接管尺寸的计算壳程流体进、出口接管，取接管内油品的流速u=0.5ms,，则接管内径为4V 4 44045/ 3600 815 d0.196m，二u -3.142 0.5取标准管径为70mm。管程流体进出口接管：取接管内流体的流速为u = 1.5m*s,，则接管内径为4 34030/ 3600 7153.142 1.0=0.130m(4)为了防止壳程物料进口处流体对换热管表面积的直接冲刷，应在壳程进口管处设置防冲板。而在立式换热器中，为了使气、液介质更均匀流入管间，防止流体对进口处的冲刷，并减少远离接管处的死区，提高传热效果，可考虑在壳程进口处
23、设置导流筒。设置防冲板和导流筒的条件为:1)对于腐蚀性或有磨蚀性的气体、蒸汽及气液混合物，应设置防冲板；2)对于液体物料，当壳程进口处流体的p2 ( p为流体密度，kg/m3; u为流体流速,m/s)为下列数值时，应在壳程进口处设置防冲板或导流筒。3)非腐蚀性、非磨蚀性的单相液体，p22300kg/(m s2)者；4)其他液体，包括沸点下的液体，p2740kg/(m S2)者；对壳程进出口接管距管板较远，液体停滞区过大时，应设置导流筒，以减少流体停滞 区，增加换热管的有效换热长度。5设计结果汇总通过设计与详细的计算得出此浮头式换热器的主要结构尺寸和结果汇总如下表5-1。表5-1设备一览表换热器
24、形式：浮头式管口表换热面积/m286.9符号尺寸用途连接形式工艺参数ADN150管程入口凸面名称物料名称操作压力/MPa操作温度/C流量 /(kg/h)管程壳程BDN150管程出口凸面柴油原油CDN200壳程入口凸面/DDN200壳程出口凸面175/12970/110Ei/排气口螺纹3403044045E2/排尽口螺纹流体密度/(kg/m 3)715815流速(m/s)1.00.5&传热量/kW1076.7总传热系数/(W/m 2 K)274rL,1J1、传热系数/(W/m 2 C )0.1330.128JL，一r%别P污垢系数/(m2 K/W)0.000172口 1A阻力降/MPa不大于0.
25、3程数41*推荐使用材料碳钢碳钢管子规格电5mm M2.5mm管数188管长6m管间距32mm排列方式止方形斜转45折流板形式上下间距/mm200切口高度25%壳体内径600mm保温层厚度6工艺流程图及列管式换热器工艺条件图裕 度 过 大 或 过 小列管式换热器工艺条件图A一柴油入口； B一柴油出口； C原油入口;A原油出口；E1 一排气口 ；E2 一排气口7设计评述及感想7.1对本设计的评价列管式换热器的应用已经有较悠久的历史，而且其在工业上应用极其广泛，并且定下 了系列标准，因而设计者设计过程中有标准作参照，从而可以对设计者的设计进行相应的 评判。首先此设计整体上按照课程设计任务书的要求，
26、根据实际计算情况，如热力设计(根 据使用单位设计要求合理的选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算)、流动设 计(主要是计算压降，为了换热器的辅助设备的选择做准备)、结垢设计(根据传热面积 的大小计算主要零部件的尺寸)以及强度设计(在材料选择上尽量选择国产的材料和部件,并根据所定的国标进行核算设备)等逐个进行核算后整理排版而成。整个设计思路清晰，图文并茂，表达流畅，基本上符合本阶段课程设计的要求。7.2设计感想通过对本课程化工原理课程设计的学习与实践，让我从各方面得到不一样的极好 的锻炼。(1)查阅资料，选用公式和搜集数据的能力。刚开始接触任务书往往令人感觉到迷茫， 不知从何开始，因而需要
27、设计者迎难而进，通过认真阅读任务书后，根据任务要求查阅大 量相关资料去搜集整理数据，并选择对应的计算公式，这要求我们充分调动大脑的各个线 路，详尽地考虑后去确定设计方案。(2)通读各种设计参考书，选用设计参数到位，树立技术上和经济上达到最优配置的 工程观点，同时还应当考虑对环境的影响，及环境保护，可持续发展方面考虑。(3)精准、详细地对其进行工程计算。通篇整个设计可以看到其计算复杂程度是很高 的，因而精准是很重要的，稍有不慎便会整个设计造成极大的影响。(4)掌握化工设计的基本程序和方法，学会用简洁的文字和适当的图表表示自己的设 计思想。(5)设计完成后还要对其进行文档编辑，在公式计算时还需要使
28、用公式编辑器，后期 仍需要作出CAD图，使电脑应用更贴近化工。本设计的繁琐状况对于我来说是空前的，尽管如此，我仍然坚信：只要功夫深，铁杵 磨成针！在这两个多月的时间里，在确定了设计方案后，本着每天坚持完成一定量的的设 计任务，终于于两个多月后得出设计成果，这个结果对我来说是巨大的，有鼓舞性的，因 为它再一次给予我动力，让我尝到收获的喜悦。在日后的学习生活中，踏实的走好每一步，一步一步往前，我终会抵达理想的彼岸！参考文献1 乌江权，冷一欣，姚超.化工原理课程设计M.北京：中国石化出版社,2009, 1;48-922 王国胜.化工原理壳程设计M.大连：大连理工大学出版社,2013.3;40-623 谭天恩.化工原理上册M.北京：化学工业出版社，2012.3;133-2134 任晓光.化工原理课程设计M.北京:化学工业出版社，2009, 2;3-425 张宏丽.化工单元操作M.北京:化学工业出版社，2010, 5;93-1236 贾韶义.化工单元操作课程设计M.天津：天津大学出版社，2011,9;41-767 汤善甫，朱思明.化工设备机械基础M.上海:华东理工大学出版社，2004, 12;275-3108 程惠亭，梁少晖.流体流动对筛版稳定性的影响J.化学工程，2013.9(9):239 叶文邦，陈伟.工业管道压力试验的选择与计算J.化工设备与管道，2013(4):63