处理量7万吨每年轻柴油冷却器的设计.doc

吉林化工学院油气储运课程设计吉林化工学院 油气储运 课 程 设 计题目 处理量7吨/年轻柴油冷却器的设计 教 学 院 化工与材料工程学院 专业班级 油气储运0802 学生姓名 学生学号 指导教师 2010 年 12 月 28 日 课程设计任务书1、设计题目：处理量7吨/年轻柴油冷却器的设计2、操作条件：（1）轻柴油：入口温度145；出口温度45；（2）冷却介质：采用循环水，入口温度20，出口温度36； （3）允许压降：不大于105Pa；（4）轻柴油定性温度下的物性数据：（5）每年按330天计，每天24小时连续生产。*其它参数可查阅石油化工设计手册估算3、设计任务：（1）处理能力：7104t/a煤油；（2）设备型式：列管式换热器；（3）选择适宜的列管换热器并进行核算；（4）绘制带控制点的工艺流程图和设备结构图，并编写设计说明书。4、设计要求：7104t/a轻柴油冷却器5、参考书：（1）化工设计手册上、下，上海医药设计院；（2）谭天恩.麦本熙，化工原理下册，化学工业出版社出版；（3）匡国柱.史启才，化工单元过程及设备课程设计；（4）化工设计全书编辑委员会，金国淼等编，吸收设备化学工业出版社；（5）陈敏恒等编化工原理下册，化学工业出版社出版；（6）其它参考书。19目 录课程设计任务书1摘要2第一章 绪论311 换热器技术概况312换热器设备的发展313换热器在工业生产中的应用5第二章 设计方案82.1换热器类型的选择822 流程的安排8第三章 换热器的工艺计算93.1 基础物性数据93.2 换热器面积的估算93.2.1热负荷的计算93.2.2 冷却水用量的计算103.2.3 平均传热温差的计算103.2.4 初算换热面积的计算103.3换热器工艺结构尺寸的计算113.3.1 总传热系数K113.3.2壳程传热系数113.4管长管径计算113.4.1 管程数和传热管数113.4.2 平均传热温差校正系数123.4.3 传热管排列和分程方法123.5 换热器核算133.5.1壳程对流传热系数133.5.2普兰特准数143.5.3管程对流传热系数143.5.4传热系数 K153.5.5传热面积 S153.5.6换热器内流体的流动阻力163.6换热器主要结构尺寸计算结果汇总18结束语19主要参考文献19主要符号说明19附 录22摘要在接到本次课程设计任务之后，我到图书馆查阅了换热器的相关资料，并对本次课程设计有用的资料做了抄录，总结与归纳。结合传热学课堂上所学到的知识，对本次课程设计有了大概的了解。在这一个月的设计中，我通过向指导老师和同学的请教，逐步的完成了对换热器及相关流体物性的查找，并完成了换热器的设计任务。在此过程中，完成了换热器面积的估算、工艺结构尺寸的计算、管长管径计算及对换热器最后的核算。关键词：换热器 物性 面积 工艺结构尺寸 管长管径计算 核算第一章 绪论11 换热器技术概况金属换热器按结构可分为间壁式换热器和混合式换热器。 陶瓷换热器按结构可分为单循环换热器和多循环换热器换热器按材质可分为金属换热器和陶瓷换热器。 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器,简称为换热器。换热器是一种实现物料之间热量传送的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在换热器中至少要有两种温度不同的流体,一种流体温度较高,放出热量;另一种流体则温度较低,吸收热量。在炼油、化工装置中换热器占设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。目前，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。12换热器设备的发展换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能用量十分大的领域，随着技能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热设备，结构和形式亦不同，换热器种类随新型、高效换热器的开发不断更新。近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展，换热器的需求水平大幅上涨，但国内企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供给缺口需要进口来弥补。二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。列管式换热器有以下几种：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。2）U形管式U形管式换热器每根管子均弯成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。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。13换热器在工业生产中的应用换热器在工农业各领域应用十分普遍，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可缺少的工艺设备之一，因此设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在下大力寻找新的能源及在节能上研究新途径。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时，由于相变时只放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层)，和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。随着环境保护要求的提高，近年来加氢装置的需求越来越多，如加氢裂化、煤油加氢、汽油、柴油加氢和润滑油加氢装置等建设量增加，所需的高温、高压换热器数量随之加大，螺纹锁紧环换热器，密封环换热器，金属垫圈式换热器，密封盖板式换热器技术的发展越来越快，不仅在承温、承压上满足正在运行需求，而且在传热与动力消耗上发展较快，同时亦适合用于乙烯裂解，化肥中合成氨、聚合天然气等场合，可满足承压高达35MPa，承温达700的使用要求。在这些场合，换热器占有的投资占50%以上。第二章 设计方案2.1换热器类型的选择 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。 在凹型和梯型凹槽之间钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，设浮头法兰为凸型和梯型凸台双密封，分程隔板与梯型凸台相通并位于同一端面的宽面法兰，且凸型和梯型凸台及分程隔板分别与浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相对应匹配，该浮头法兰与无折边球面封头组配焊接为浮头盖，其法兰螺孔与浮头管板的丝孔或螺杆相组配，用螺栓或螺帽紧固压紧浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其垫片，该结构必要时可适当加大浮头管板的厚度和直径及圆筒的内径，同时相应变更加大相关零部件的尺寸；另配置一无外力辅助钢圈，其圈体内径大于浮头管板外径，钢圈一端设法兰与外头盖侧法兰内侧面凹型或梯型密封面连接并密封，另一端设法兰或其他结构与浮头管板原凹型槽及其垫片或外圆密封。 浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来。这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。22 流程的安排1.先在管板上做好配对标记，然后在壳程简体上划分一条线。2.先把折流板、拉杆和一端管板进行连接，为增加其刚度，可适当穿入几根换热管。3.把上述组件套入已经焊好的壳程简体，对壳程简体和管板进行固定。4.装上另一端管板5.制作一个导入引入头，插在换热管上，从管板的一端穿入，另一端引出，换热管的按如此方法一根一根传入。第三章 换热器的工艺计算3.1 基础物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值 轻柴油： 循环冷却水：t=根据设计，轻柴油走壳程，循环冷却水走管程95轻柴油物性数据28水物性数据3.2 换热器面积的估算3.2.1热负荷的计算 M =Q=mCpt=88382.56（145-45）=2.2610Kj/h=628Kw3.2.2 冷却水用量的计算冷却水用量W= 水的比热为4.3Kj/（Kg.）W=3.2.3 平均传热温差的计算 （以逆流计算）假定冷却器为壳侧单程，管侧6程的1-6型换热器，则 查修正系数Ft，进一步计算查表可知 Ft=0.97所以，t=570.97=55.3假定总传热系数K=300W/(.)3.2.4 初算换热面积的计算 考虑15%的裕度则A=1.1537.9=43.63.3换热器工艺结构尺寸的计算3.3.1 总传热系数K 管程传热系数（管程走冷却水）3.3.2壳程传热系数（壳程走轻柴油）假设壳程传热系数 =540 污垢热阻 管壁的导热系数 =341.93.4管长管径计算3.4.1 管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热按单程管计算,所需的传热管长度为按单程管设计,传热管过程,宜采用多管程结构,现取传热管长，则该换热器管程数为 传热管总根数N=304=120（根）3.4.2 平均传热温差校正系数 查温差校正系数得 平均传热温差3.4.3 传热管排列和分程方法采用组合排列法,即每程内均按正三角排列,隔板两恻采用正方形排列.取管心距,则横过管束中心线的管数采用多管程结构,取管板利用率,则壳体内径为取整可得 D=500mm采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为取折流板间距， 则 可取B为140mm。 折流板数 折流板圆缺面水平装配。 壳程流体进出口接管:取接管内流速为，则接管内径为 取标准管径为100mm。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速，则接管内径为 取标准管径为150mm。3.5 换热器核算3.5.1壳程对流传热系数 对圆缺形折流板,可采用克恩公式 当量直径,由正方形排列得 壳程流通截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 3.5.2普兰特准数 粘度校正 3.5.3管程对流传热系数 管程流通截面积 管程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数 3.5.4传热系数 K 3.5.5传热面积 S 该换热器的实际传热面积 该换热器的面积裕度为 符合15%-25%的范围，该换热器能够完成生产任务。3.5.6换热器内流体的流动阻力 , , , 由，传热管相对粗糙度，查图摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系得，流速， 所以 管程流动阻力在允许范围之内。 流体流经管束的阻力 ， 流体流过折流板缺口的阻力 总阻力 壳程流动阻力也比较适宜。3.6换热器主要结构尺寸计算结果汇总参数管程（水）壳程（轻柴油）流量/329918838进/出口温度/36/20145/45定性温度/2895密度/994860定压比热容/4.32.56粘度/0.0008420.000885热导率/0.6140.14普朗克数5.7316.18形式管板式台数1壳程内径/mm500壳程数1管径/mm管心距32管长/mm4000管子排列管数目/根120折流板数28传热面积/43.6折流板间距125管程数4材质碳钢流速/（m/s）1.00.14表面传热系数5090580污垢热阻/0.00020.0001阻力/MPa0.0268380.001903热流量/KW628传热温差/K57传热系数252.1290结束语课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，换热器已经成为当今工农业生产中不可或缺的设备，在生活中可以说得是无处不在。因此作为油气储运专业的大学来说掌握换热器的开发技术是十分重要的。 回顾起此次换热器的课程设计，至今我仍感慨颇多，在整整一个月的日子里，可以说是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟是第一次做，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在指导老师和同学们的辛勤指导与帮助下，终于游逆而解，在次我表示感谢！主要参考文献（1）化工设计手册上