化工原理设计原油换热器.pdf

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1、实用文档 文案大全 化工原理课程设计 题目: 原油加热器固定式换热器 指导教师 : 李先生院士 职称: 国家特级院士 班级: 高分子材料与工程系 学号: 学生姓名 : 实用文档 文案大全 目录 一绪论 3 二、设计条件及主要物性参数 4 1、设计条件 4 2、定性温度的确定 4 三. 确定设计方案 5 1、选择换热器的类型 5 2、流程安排 5 四估算传热面积 5 1、热流 量 5 2、平均传热温 差 5 3、传热面 积 5 五工程结构尺 寸 6 1、管径和管内流速 6 2、管程数和传热管数 6 3、平均传热温差校正及壳数 6 4、传热管的排列和分程方法 7 5、折流板 7 6、接管 7 六、

2、换热器核算 8 1、壳程传热系数 8 2、管程传热系数 8 3、污垢热阻和管壁热阻 9 4、总传热系数K 10 5、传热面积裕度 10 7、管程流动阻力 11 8、壳程流动阻力 11 七、设计计算结果汇总 12 实用文档 文案大全 一、绪论 1.加热器简介 1.1.固定管板式 固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差 较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈（或膨胀节）。当壳体和管束 热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨 胀。特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净 不易结垢的物料。 1.2.U 形管式 U 形管式换热器每根管子

3、均弯成U 形，流体进、出口分别安装在同一 端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿 问题。特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困 难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。 1.3. 浮头式 换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时， 管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。特点：结构复 杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。 本实验采用的是浮头式加热器，包括输油管，输油管上套有密闭的外 壳，外壳的一段管道上设有加热体，该加热体用固定卡固定在外壳表面上， 所述外壳的外表面上包覆有保温层。本实用新型具有传热

4、速度快、均温性 好的特点，避免了在输送过程中热损失大而导致油品凝固难以输送的问题。 2. 设计目的 培养学生综合运用本门课程及有关选修课程基础理论和基础知识完成 某项单元操作设备设计的实践操作能力。设计的设备必学在技术上是可行 实用文档 文案大全 的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的。 二、设计条件及主要物性参数 2.1 设计条件 由设计任务书可得设计条件如下表： 类型 体积流量 （标准 t/h） 进口温度 （） 出口温度 （） 设计压力 （Kpa） 柴 油34 175 - 80 原油33 70 110 80 项目密度 （kg/m 3） 比热 Cp （kJ/kg?C） 导热系数

5、（ W/m 2?） 黏度 （Pa?s ） 柴油715 2.48 0.133 0.64 3 10 原油815 2.2 0.128 6.65 3 10 2.2.定性温度的确定 Wc: 原油流量（ kg/h）Wh: 柴油流量（ kg/h）Cpc:原油比热容 Cph： 柴油比热容t1，t2： 原油的出、进口温度 T1、T2:柴油的进、出口温度 根据夏清陈常贵 化工原理（上）P225，公式（ 4-33） ， 热流量为 Qc = Wc Cpc(t1t2) =33000 2.2 （11070）/3.6 =806667 W 参 数 实用文档 文案大全 柴油出口温度：Qh = Qc = Wh Cph (T1T2

6、) 806667=34000 2.48 （175T2）/3.6 T2=140.5 可取流体进出口温度的平均值。管程柴油的定性温度T=（ 175+140.5）/ 2=157.5 壳程原油的定性温度为t=(70+110) / 2=90 三、确定设计方案 3.1 选择换热器的类型 由设计任务选择固定管板式换热器。 3.2 流程安排 柴油温度高，走管程可减少热损失，原油黏度较大，走壳程在较低的Re数 时即可达到湍流，有利于提高其传热膜系数。 四、估算传热面积 4.1 热流量 WQ806667 4.2 平均传热温差 根据化工原理课程设计P47，公式（ 3-9） mt= 2 )()( 1221 tTtT

7、= 2 )705 .140()110175( =67.8 4.3 传热面积 根据夏清 陈常贵 化工原理（上）P356表，初步设定 K=160W m -2 -1。 根据化工原理课程设计P47，公式（ 3-5） 实用文档 文案大全 2 m 4 .74 8.67160 806667 t m K Q S i i 五工程结构尺寸 5.1 管径和管内流速 选用 252.5mm 的传热管 (碳钢管 )。 5.2 管程数和传热管数 根据估算的传热面积，然后查JB1145-73 得： 公 称 直 径D （mm） 管 程 数 管 数 管 长 （mm） 管程流通面 积( 2 m) 500 2 168 6000 0.

8、0264 传热面积A=77.9 2 m 外径D=500mm 管程N=2 单程传热管数n=168 管程流通面积S i=0.0264 2 m 该换热器型号为G500-2.5-80 5.3 平均传热温差校正及壳程数 实用文档 文案大全 根据化工原理课程设计P47，公式（ 3-12） 平均传热温差校正系数 R 70110 5.140175 12 21 tt TT 0.86 P 70175 70110 11 12 tT tt 0.381 t 1 1 2 R R 95.0 11 2 11 2 ln 1 1 ln 2 2 RR P RR P PR P 根据夏清陈常贵 化工原理（上）P231，公式（ 4-46

9、） 平均传热差校正为tm= t tm =67.8 0.95=64.4( ) 由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程 合适。 5.4 传热管的排列和分程方法 采用正三角形排列法，则管间距t=32mm 5.5 折流板 采用弓形折流板 , 取折流板间距 B=400 mm。 折流板数NB= 折流板间距 传热管长 1= 400 6000 1=14块 折流板圆缺面水平装配。 5.6 接管 （1）壳程流体进出口接管 取接管内液体流速u1=1.0m/s, 实用文档 文案大全 114.3 )8153600/(3300044 1 1 u v D=119.2mm 圆整后取管内直径为12

10、0mm. (2) 管程流体进出口接管 取接管内液体流速 2 u=1.5m/s, mm u v D6 .129 5 .114. 3 )7153600/(3400044 2 2 圆整后取管内直径为130mm 六换热器核算 6.1 总传热系数核算 6.1.1 壳程传热系数 根据夏清陈常贵 化工原理（上）P253，公式 94-77a) 得 0 = 14. 03/155.0 )(PrRe36.0 w o e o d 其中： 粘度校正为 14. 0 )( w o =0.92 当量直径，管子为正方形旋转45 0 形排列时，根据化工原理（上） P253， 公式（ 4-78） 得 de o o d dt) 4

11、(4 22 = 025.014.3 025.0 4 14.3 10324 2 2 3 =0.027 壳程流通截面积，根据化工原理（上）P253，公式（ 4-80） ，得 实用文档 文案大全 Ao = BD(1 t do )=0.400 0.500 （1 0.025 0.032 ）0.044m 2 式中B两挡板间距离， m D换热器间的外壳内径，m 壳程原油的流速及其雷诺数分别为 uo o o A V = 044.0 )8153600/(33000 0.26 m/s Reo o eoo du 3 1065.6 027.026.0815 860 普朗特准数（ P26，公式 1-43） Pr o o

12、po c = 128.0 1065.6102.2 33 =114.3 因此，壳程水的传热膜系数 0 为 0 = 14. 03/155.0 )(PrRe36.0 w o e o d =92.03.114860 027.0 128.0 36.0 3 1 55. 0 =308W/(m 2 ) 6.1.2 管程传热系数 根据夏清陈常贵 化工原理（上）P248 ，公式（ 4-70a）得 i= 0.023Re 0.8Pr0.4 i i d 其中： 管程流通截面积Si =0.0264m 2 管程柴油的流速及其雷诺数分别为 ui i i S V = 0264.0 )7153600/(34000 0.5 m/s

13、 Re i iii du 3 1064.0 7155.002.0 11172 普兰特准数 Pr i ipi c = 133.0 1064.01048.2 33 =11.93 实用文档 文案大全 因此，管程空气的传热膜系数 i为 i0.023 11172 0.8 11.930.4 02.0 133.0 =714W/(m 2 ) 6.1.3 污垢热阻和管壁热阻 查阅夏清陈常贵 化工原理（上）P354，附录表 20，得 原油侧的热阻 Rso0.00034m 2 W-1 柴油侧的热阻 Rsi0.00034m2 W -1 查阅化工原理（上）P354，附录表 13，得 碳钢的导热系数 50W m -1 -

14、1 6.1.4 总传热系数K 因此，查夏清陈常贵 化工原理（上）P227，公式（ 4-40） K 1 o a 1 Rso m o d bd i o si d d R ii o da d 308 1 0.00034 0225.050 025. 00025.0 020.0 025.0 00034. 0 02.0714 025. 0 解得： K 172W/ (m 2 ) b: 管壁的厚度d0: 管的外径dm: 管的平均直径di: 管的内径 6.1.5 传热面积裕度 根据化工原理课程设计P47，公式（ 3-5） SiQi/( i Ktm) 8 .67172 806667 69.2m2 该换热器的实际传

15、热面积Sp Sp=TolNd=3.14 0.025 6 168=79.1m 2 依化工单元过程及设备课程设计P76，公式 3-36 该换热器的面积裕度为 %100 i ip S SS H= 2 .69 2 .691.79 =14.3% 传热面积裕度合适。该换热器能够完成生产任务。 实用文档 文案大全 6.2 换热器内流体的流动阻力(压降 ) 6.2.1 管程流动阻力 由 Re=11172，传热管相对粗超度为0.01mm，内径 dmm i20 流速 u=0.5m/s, 相对粗糙度0005.0 20 01.0 i d 查夏清陈常贵 化工原理（上）P54莫狄图得034.0 i 3 /715mkg 9

16、12 2 5 .0715 02.0 6 034.0 2 i p(pa) 268 2 5 .0715 3 2 22 u pr(pa) 总压降： pi（p1+p2）Ft Ns Np（912+268） 1.4 1 2 3.3KPa 80KPa（符合设计要求） 其中， Ft为结垢校正系数，取1.4； Ns为串联壳程数，取1；Np为管程数，取 2。 6.2.2 壳程流动阻力： 根据化工原理（上） P284，公式（ 4-124） 、 （4-125）得 流体横过管束的压降： 2 )1( 2 o Btcoo u NNFfp 其中： F=0.4 fo=5.0 860 -0.228=1.07 根164 .1516

17、819.119.1 5. 05.0 TTC NN 实用文档 文案大全 NB=14 uo=0.26m/s p1=0.4 1.07 16 (14+1) (815 0.26 2)/2 2823Pa p2NB（3.5 D B2 ） 2 2 oou 14 （3.5 500. 0 400.02 ） (815 0.262)/2733 Pa 总压降： po（p1p2）Fs Ns （2823733） 1.1 1 3.91Kpa 80Kpa 其中， Fs为壳程压强降的校正系数，对于液体取1.1； Ns 为串联的壳程数，取1。 设计计算结果汇总表 换热器的工艺计算及结构设计的主要结果和主要尺寸汇总于下表 工艺参数管

18、程壳程 质量流量 /(kg/h) 34000 33000 进/出口温度 /175/140.5 110/70 操作压力 /kPa 物 性 参 数 定性温度 /151 3.91 密度 /(kg/m 3) 715 815 定压比热熔 /kJ/(kgK) 2.48 2.2 粘度 /(Pa s) 0.64 10 -3 6.5 10 -3 热导率 /W/(m K) 0.133 0.128 工 艺 主 要 计 流速 /(m/s) 0.5 0.26 污垢热阻 /m 2 K/ W 0.00034 0.00034 阻力（压降）/kPa 3.3 0.3 对流传热系数 /W/(m 2 K) 714 308 实用文档 文案大全 算 结 果 总传热系数 /W/(m 2 K) 172 平均传热温差 /64.4 热流量 /kW 806.667 传热面积裕度/% 14.3