浮头式换热器工艺说明书.doc

18原油加热器浮头式换热器设计说明书化工原理课程设计 原油加热器浮头式换热器工艺说明书 学院：材料科学与工程 专业：高分子材料与工程 班级：高分子112班 姓名： 郭家绅 学号：2010016062 指导教师：佟 白 1目录第1章绪论3设计任务和设计条件4第2章工艺设计与计算52. 1浮头式换热器的选用52.1.1 流动途径52.1.2 物性参数的确定52.1.3 热负荷的计算52.1.4 估算传热面积A52.2 工艺结构尺寸62.2.1 管径和管内流速62.2.2 管程数和传热管数62.2.3 平均传热温差校正及壳程数62.2.4 传热管排列和分程方法72.2.5 壳体内径72.2.6 折流板82.2.7 接管82.2.8 法兰9 2.2.9 其他附件10 2.3换热器核算112.3.1 传热能力核算112.3.2壳程流体传热膜系数112.3.3管程传热膜系数122.3.4总传热系数13 2.3.5传热面积裕度 2.3.6壁温核算2.3.7换热器内流体的流动阻力14 2.3.8管程流体阻力15 2.3.9壳程流体阻力16第3章 3.1设备参数计算 3. 2设计结果一览表 17参考文献18主要符号说明18设计评述19 设计任务和设计条件原油处理量：44000Kg，柴油处理量：34000Kg，操作条件：1、原油入口温度70，出口温度110; 柴油入口温度175； 2、两侧污垢热阻均为0.0002（m2）/W 3、两侧压力不可大于0.3at； 4、换热器热损失为5%Q 5、K预选为250W/(m2)设计一个浮头式换热器将原油加热工艺计算及设备的结构计算3.1浮头式换热器的选用3.1.1 流动途径由于原油粘度大，为了减小损失和充分利用柴油的热量，采用柴油走管程，原油走壳程。3.1.3 热负荷的计算 柴油：进口温度T1：175 出口温度：T2原油：进口温度 t1：70 出口温度t2：110 热负荷为：Q=1.05W1Cp1(t2-t1)=1.05(44000/3600)2.2(110-70)=1.129 (W)则柴油出口温度为： ()管程柴油定性温度为()壳程原油定性温度为()由上两个定性数据，查阅参考书可得柴油和原油的物理性质如下；物性参数柴油原油密度/kg/m3715815比热容/kJ/(kgK)2.482.2粘度/(Pas)6.410-43.010-3热导率/w/(mK)0.1330.1283.1.4 估算传热面积A t1 =T1-t2=175-110=65() t2=T2-t1=127-70=57() 因为=1.140.8 故选单壳程、四管程。平均传热温差校正为tm=tm=0.9161=55.51(C)3.2.4 传热管排列和分程方法 采用组合排列法，即每程内均按正方形排列，其优点是管板强度高，流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流体传热系数较高，相同的壳程内可排列更多的管子。取管心距t=1.25，则： t=1.2525=31.2532() 隔板中心到离其最近一排管心距离： s=+6=+6=22() 则各程相邻的管心距为：222=44() 3.2.5 壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体的内径为; Di=1.05t(N)0.5=1.0532(1680.7)0.5=520.53(mm) 圆整得Di=600mm 3.2.6 折流板 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%。则切去圆缺高度为： h=0.25Di=0.25600=150(mm) 折流板间距： B=0.4Di=0.4600=240(mm) 折流板数： NB=60002401=24(块)3.2.7 接管壳程中接管，由化工原理课程设计表 3-16 流体在管内流动的适宜流速可取u1=0.5ms。 则壳程接管直径为： 可取D1=200mm管程中接管，由化工原理课程设计表 3-16 流体在管内流动的适宜流速可取流速 则管程接管直径为： ,圆整后可取D2=150mm3.3 换热器核算 3.3.1 传热能力核算3.3.1.1壳程流体传热膜系数 由于壳程流体原油的黏度较大，且易结垢，为了便于清洗，则换热管的排列方式选正方形排列。 换热管按正方形排列，则当量直径为： 壳程流体的截面积为：壳程流体流速：u0=V0S0=44000(36008150.032)=0.47(ms)雷诺数：普兰特数： 取（）=0.92 则壳程传热膜系数为：3.3.1.2管程传热膜系数 管程流体流通截面积： 雷诺数： 普兰特准数： 因为管程中柴油被冷却，故n=0.3 ，则由可得 管程传热膜系数： 3.3.2 总传热系数 可求得所需要的传热面积为： 换热器实际传热面积： Sp=d0LN=3.140.0256168=79.1(m2)3.3.3 传热面积裕度 H= (Sp-Si)Si 100= (79.1-76.1) 76.1 100=3.93.3.4 壁温核算先忽略壁的热阻，因其很小，则管壁温度为：流体平均温度：Tm=0.41750.6127=146.2(),tm=0.41100.670=86()c=0=515.6，h=i=970.2平均壁温为T=（146.2515.686970.2）（1515.61970.2）=124.07（）壳体壁温近似取为壳体平均温度，t=90传热管壁温和壳体壁温之差 温差不是很大。故不需设 温度补偿装置。选浮头式换热器则可。 3.3.3换热器内流体的流动阻力3.3.3.1管程流体阻力管程总阻力的计算式： 其中流体流过直管段由于摩檫引起的压力降计算式为: 由传热管的相对粗糙度和 1.0m，流速u=1.0ms, 查莫狄图得： 则： 流体流过弯管因摩檫所引起的压力降计算式为： 为局部阻力系数，一般情况下取3，则流体流过弯管因摩檫所引起的压力降为： 由，且： 则柴油流体流动阻力为： 0.3atm 所以管程符合要求。3.3.3.2壳程流体阻力当壳程装有圆缺型折流板时，壳程压力降计算式为： 流体流过管束压力降的计算式： 换热管按正方形排列，取F=0.3，则：2 因为 所以： 又： u0 =0.47ms 则流体流过管束压力降为： 流体通过折流板缺口的压力降为： Ns=1,且对流体取Fs=1.15 则壳程压力降为： 0.3atm 所以壳程符合要求。设备参数计算壳体壁厚其中钢密度为7850kgm3由P0=1.6MPa，Di=600, 对壳体与管板采用单面焊，焊接接头系数=0.65，腐蚀度C=2mm。碳素钢、普通低合金钢板许用应力=113MPa, Di=600mm,最小壁厚查化工原理课程设计表3-8 壳体的最小壁厚可得： 10mm壳内直径根据前面的工艺计算，本次设计采用的换热器壳体内径Di=600mm。本次采用公称直径为DN=600mm10mm的壳体，则D0=620mm,Di=600mm。拉杆由其折流板板间距B=240mm,和筒体公称直径DN=600mm查化工原理课程设计表 3-12 折流板的最小厚度得折流板厚度可取： 4mm 因为圆筒内径为600mm，由化工原理课程设计表 3-15 拉杆直径与最小拉杆数可查得：其拉杆直径=12mm，根数为4根。折流板前面已算出：折流板数：NB=24块圆缺高度：h=150mm板间距B=240mm封头本换热器采用椭圆型封头（JB115473）一个，材料采用高合金钢，焊接于管箱。接管及法兰壳程接管直径为： 可取D1=200mm管程接管直径为： ,圆整后可取D2=150mm3.2.8 法兰 选用凹凸面整体管制法兰，由管径和管路附件设计选用手册在可查得PN2.5MPa时的管法兰尺寸： 壳程接管法兰：D1=200mm，查表选用DN=200mm的凹凸面整体管法兰，法兰外径为360mm，螺栓孔中心圆直径为310mm，螺栓孔直径26mm，螺栓规格：M24，数量12。 管程接管法兰：D1=130mm,采用DN=150mm的凹凸面整体管法兰；法兰外径为300mm，螺栓孔中心圆直径为250mm，螺栓孔直径26mm，螺栓规格：M24，数量8。 壳体及管箱法兰：D=600mm，查表选用DN=600mm的凹凸面整体管法兰；3. 4设计结果一览表 浮头式换热器主要结构尺寸和计算结果主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.00.47对流传热系数/W/(m2)970.2515.6污垢热阻/(m2K/W)0.00020.0002阻力/Pa28828.816053.39热负荷/W1.129106壳、管壁平均传热温度差/34.07总传热系数/W/(m2K)267.38裕度/ %3.9%物性参数管程壳程进/出口温度/175/12770/110定性温度/15190密度/kg/m3715815比热容/kJ/(kgK)2.482.2粘度/(Pas)6.410-43.010-3热导率/w/(mK)0.1330.128普兰特数11.9351.56参数管程壳程设备结构参数形式浮头式台数1壳体内径/mm600壳程数1管径/mm252.5管间距t/mm32折流板间距B/mm240管子排列正方形传热面积/m279.1 折流板数/个24管数目/根168管长/mm6000管程数4材质碳钢参考文献1李然,郑旭煦.化工原理（上册）M.武汉:华中科技大学出版,2009.2杨长龙.化工原理课程设计M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社.3化工设备设计全书编辑委员会.换热器设计M.上海:上海科学技术出版社,1988.4朱跃钊,廖传华,史勇春.传热过程与设备M.北京:中国石化出版社,2008.5天周明衡,常德功.管路附件设计选用手册M.北京:化学工业出版社,2004.6张承翼,李春英.化学工程制图机械制图M. 北京:化学工业出版社,1994.7化工部设备设计技术中心站.钢制管法兰、垫片、紧固件M.北京:化工部工程建设标准编辑中心,1998.8董大勤,高炳军,董俊华.化工设备机械设计基础M.北京:化学工业出版社，2012.9宋宝宇.简明机械设计手册M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，200810赵慧清,蔡记宁.化工制图M. 北京：化学工业出版社，200811李建新,李东生,徐眉举.计算机绘图应用教程M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009 主要符号说明18密度，黏度，Cp比热，导热系数，T热流体温度，t冷流体温度管心距，Q热负荷，WA传热面积，平均传热温度差，K-总传热系数，u-流速，m/s管数，根N-管数，程数L-管长，mN管程数R，P辅助量对数平均温度差校正系数隔板中心到离其最近一排管心距离Di换热器外壳内径，m管板利用率d管径，mm 圆缺高度，mmB折流板间距，mmNB折流板数V体积流量，Re雷诺数Pr普兰特数壳程流体传热膜系数管程流体传热膜系数F面积裕度/管子排列方式对压力降的校正因数 Fs壳程压力降结垢校正因数Ft结垢校正系数R热阻，W-质量流量，小结本次化工原理课程设计历时两周，是学习化工原理以来第一次独立的工业设计。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形；理解计算机辅助设计过程，利用编程使计算效率提高。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。 在短短的两周里，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。我们从中也明白了学无止境的道理，在我们所查找到的很多参考书中，很多的知识是我们从来没有接触到的，我们对事物的了解还仅限于皮毛，所学的知识结构还很不完善，我们对设计对象的理解还仅限于书本上，对实际当中事物的方方面面包括经济成本方面上考虑的还很不够。在实际计算过程中，我还发现由于没有及时将所得结果总结，以致在后面的计算中不停地来回翻查数据，这会浪费了大量时间。由此，我在每章节后及时地列出数据表，方便自己计算也方便读者查找。在一些应用问题上，我直接套用了书上的公式或过程，并没有彻底了解各个公式的出处及用途，对于一些工业数据的选取，也只是根据范围自己选择的，并不一定符合现实应用。因此，一些计算数据有时并不是十分准确的，只是拥有一个正确的范围及趋势，而并没有更细地追究下去，因而可能存在一定的误差，影响后面具