某三甘醇天然气脱水工艺设计——换热器选型.doc

重庆科技学院重庆科技学院油气集输工程课程设计报告院（系）:_石油与天然气工程学院_ 专业班级:油气储运09-2 学生姓名: 向晋宏 学 号: 2009443854 设计地点（单位）_K713_ _ _ _设计题目: 某三甘醇天然气脱水工艺设计换热器选型 完成日期： 2012 年 6 月 20日 指导教师评语: _ _ _ _ 成绩（五级记分制）:_ _ 指导教师（签字）:_ _ 摘要热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备，换热器是石油工业及其它行业中广泛使用的热量交换设备。在这种设备内，至少有两种温度不同的流体参与传热。一种流体温度较高，放出热量；一种流体温度较低，吸收热量。按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。间壁式换热器的特点是冷、热两流体被固体壁面隔开，不相混合，通过间壁进行热量的交换。了解各种换热器的特点，根据工艺要求正确选用适当类型的换热器是非常重要的。通常在石油化工工艺中，换热器约占全部工艺设备投资的35-40%。石油化工装置中的换热设备，应用得最为广泛的是管壳式换热器。虽然管壳式换热器在换热效率、紧凑性及金属消耗量等方面不及其它新型换热器，但它具有结构坚固、可承受较高压力、制造工艺较成熟、适应性大、材料范围广等优点，因而目前仍是石油化工生产中的主要设备。工业生产使用中可选用标准系列产品，也可以按特定条件设计，以满足生产工艺的要求。关键词：换热器 设计 定性温度 物性参数 换热面积 传热系数 压强降 壁温 折流板 裕度 目录1确定设计方案31.1选择换热器的类型31.2固定管板式换热器主要特点31.3固定管板式换热器可选用和设计步骤41.4流速的选择42确定物性数据63 设计计算及说明73.1估算传热面积73.1.1热流量73.1.2富甘醇流量73.1.3平均传热温度73.1.4初算传热面积73.2工艺结构尺寸83.2.1管径和管内流速83.2.2管程数和传热管数83.2.3平均传热温差校正及壳程数83.2.4传热管排列和分程方法93.2.5壳体直径93.2.6折流板93.2.7接管103.2.8其他附件尺寸选择103.3换热器核算10 3.3.1管程对流传热系数10 3.3.2壳程对流传热系数11 3.3.3传热系数K12 3.3.4传热面积12 3.3.5壁温核算133.3.6核算压强降13 4 设计结果概要表154.1换热器主要结构尺寸和计算结果154.2主要符号说明165总结176 参考文献1818重庆科技学院1确定设计方案确定设计方案的原则:满足工艺和操作上的要求，确保安全生产，做到经济、技术上的合理，即尽可能节省设备费用和操作费用。根据换热器设计手册和天然气集输工程的一般设计，贫甘醇应走壳程，富甘醇应走管程。由给出的温度考虑，两液体应该是逆流设计。1.1选择换热器的类型贫/富甘醇进口与出口温度：贫甘醇进口温度196，出口温度为86； 富甘醇进口温度为32，出口温度为t。计算贫甘醇热负荷： 贫甘醇在平均温度为144的比热容为2.86，贫甘醇热负荷为：计算富甘醇出口温度： 假定富甘醇出口温度为149。富甘醇（99.0%）在88.5时的比热容为 2.6157由热量平衡确定富甘醇的出口温度，经迭代计算得：t=149 从两流体的温度来看，换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用固定管板式换热器。1.2固定管板式换热器主要特点 （1）耐腐蚀性：聚丙烯具有优良的耐化学品性，对于无机化合物，不论酸，碱、盐溶液，除强氧化性物料外，几乎直到100都对其无破坏作用，对几乎所有溶剂在室温下均不溶解，一般烷、径、醇、酚、醛、酮类等介质上均可使用。（2）耐温性：聚丙烯塑料熔点为164-174，因此使用温度可达110-125。（3）无毒性：不结垢，不污染介质，也可用于食品工业。（4）重量轻：对设备安装维修极为方便。1.3固定管板式换热器可选用和设计步骤（1）确定设计方案。（2）计算传热量和平均温差，平均温差一般按逆流计算后再用系数校正。（3）估算总传热系数和冷却水的流速，估计传热面积。（4）计算出单程管数、管长，确定选用哪种型号的换热器。管程数Np,壳程数Ns,总管数N等.（5）核算总传热系数K，若与假设值相差不大（/=1.151.25）就不再重新计算，否则应重新K值选型。（6）校核传热面积，若欲度在15%28%之间不再重新计算。（7）校核壁温，与初始假设壁温相差在1范围内不再重新计算。（8）计算管程、壳程阻力损失。1.4流速的选择 流体在壳程或管程内的流速增大，不仅对流传热系数增大，也可减少杂质沉积或结垢，但流体阻力也相应增大。故应选择适宜的流速，通常根据经验选取。表1、表2附出了一些经验值。表1 管壳式换热器中常用的流速范围流体种类流速（m/ S-1）管程壳程低黏度流体0.5 30.2 1.5易结垢流体10.5气体530215 表2 管壳式换热器中不同粘度液体的常用流速液体粘度，mPas 1500150050050010010035351 1最大流速，m/s0.60.751.11.51.82.42确定物性数据定性温度：对于低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故管程富甘醇的定性温度为：壳程贫甘醇的定性温度为： 富甘醇在90.5的有关物性数据如下：密度：=1086kg/m3 定压热容比：=4190J/(kgK)热导率：=0.662W/(mK)粘度：=0.00054Pas液化热：=2168.1kJ/kg贫甘醇在142的有关物性数据如下：密度：=1047kg/m3 定压热容比：=4174J/(kgK)热导率：=0.6176W/(mK)粘度：=0.0008007Pas 3设计计算及说明3.1估算传热面积3.1.1热流量3.1.2富甘醇流量3.1.3平均传热温度先按逆流计算 3.1.4初算传热面积列管换热器中K值范围两流体K/()有机物水有机物黏度0.5300800=0.51.02005001.050300根据流体情况，假设3.2工艺结构尺寸3.2.1管径和管内流速 选用f252.5mm较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速。3.2.2管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数按单管程计算，所需的传热管长度为按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=6m，则该换热器的管程数为传热管总根数 n=1492=2983.2.3平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数计算如下按单壳程，双管程结构，换热器设计手册，得： 平均传热温差为 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。3.2.4 传热管排列和分程方法 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。见下图。取管心距，则 隔板中心到离其最近一排中心距离： 各程相邻管的管心距为44mm。3.2.5壳体直径 采用多管程结构，壳体直径估算。取管板利用率，则壳体直径为： 所以去壳体直径D=650mm,此时壳壁厚S取10mm。3.2.6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%，则切去的圆缺高度为： 故可取h=150mm取折流板间距B=200mm （0.2DBD）,则 折柳板数为 折流板厚度5mm折流板高度 70*D=320mm3.2.7接管 壳程流体进出口接管：取接管内液体的流速为 ，则接管径为 m 圆整后可取管内径为200mm。 管程流体进出口接管：取接管内液体流速，则接管内径为 0.2167m圆整后取管内径为250mm。3.2.8 其他附件尺寸的选择管板厚度=3d/4=0.75*25=18.75mm 管子与管板的连接 胀接法拉杆直径 12 最小拉杆数 4 支撑板厚度8mm3.3换热器核算3.3.1管程对流传热系数 按下面公式计算 管程流体通截面积管程流体流速 普兰特准数3.3.2壳程对流传热系数 使用公式：管子按正三角形排列，传热当量直径为 壳程流通截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数黏度校正 3.3.3 传热系数K查表*知污垢热阻，管壁导热系数 3.3.4传热面积裕度传热面积该换热器的实际传热面积A 则该换热器的面积裕度按式/在1.151.25范围内，传热面积裕度合适，该换热器能完成生产任务。故该换热器合适。3.3.5壁温核算因管壁很薄，且管壁热阻很小，故壁温可按式 计算。由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较小。计算中应按最不利的操作条件考虑，因此取两侧污垢热阻为零计热。已知 ， ， 换热器平均壁温为： 壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即。壳体壁温与传热管壁温之差为： 该温差小于50，故不需要设置温差补偿装置。3.3.6核算压强降3.3.6.1管程流动阻力管程阻力等于流体流经传热管直管阻力和管程局部阻力之和。即 为管程结垢校正系数，量纲为1，对f252.5mm的管子可近似取1.4。设管壁粗糙度，查表得所以 由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力比较适宜。壳程阻力按下式计算 其中 。3.3.6.2流体流经管束的阻力 F=0.5 3.3.6.3流体流过折流板缺口的阻力 其中h=0.45 ，D=1.4 m ，则 36882总阻力 由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力比较适宜。4 设计结果概要表4.1换热器主要结构尺寸和计算结果：设计数据结果一览表参数管程壳程流量（kg/h）132700进/出口温度（）32/149198/86压力（kpa）常压300（绝压）物性参数定性温度（）90.5142密度（kg/m3）10861047定压比热容（J/(kg)）41904174粘度（PaS）0.000540.0008007热导率（W/(m)）0.6620.6176普朗特数4.991.704设备结构参数形式固定管板式台数1管体内径（mm）20壳程数1管径（mm)25管子排列正三角形管长（mm）3000材质碳钢管数目（根）298传热面积（m2）64.18管程数2污垢热阻(m2k)/w)1.7210-48.6010-5主要计算结果流速（m/s）2.41.47表面传热系数(w/(m2k)92511322阻力(kpa)139306传热量（W）2322250传热温差（K）21.8传热系数(w/(m2k)795.84裕度1.234.2主要符号说明B折流板间距，m；C系数，无量纲；d管径，m；D换热器外壳内径，m；f摩擦系数；F系数；h圆缺高度，m；K总传热系数，W/(m2)；L管长，m；n指数；N管数； 程数；NB折流板数；Nu努塞尔特准数；P压力，Pa；因数；Pr普兰特准数；q热通量，W/m2；Q传热速率，W；r半径，m；气化潜热，kJ/kg；R热阻，m2/W； 因数；e雷诺准数；S传热面积，m2；t冷流体温度；管心距，m；T热流体温度，；u流速，m/s；W质量流量，kg/s，V体积流量，m3/s。5总结 本次为期两周的课程设计（某三甘醇天然气脱水工艺设计换热器选型），我们从开始的初定流程，到自己小组配合拟定计算步骤，再到最后自己设计报告的完成。每一个步骤，我都学到了很多课本上学不到的知识。设计过程真的有很多感慨和体会： 第一，我的设计任务“贫/富甘醇换热器的计算与选型”是本学期所学的知识，想要设计出高效合理的换热器，我得从新把本学期的知识温故，并且查阅更多的文献和资料，力求对理论有透彻的理解。而在温故而知新得到过程中，我就像海绵吸水一样吸取着换热器方面的知识，不断开阔设计性的思维。第二，在不断学习的过程中，换热器的设计蓝图已经在我脑海中浮现，剩下的就是把蓝图变为实物的设计报告。因此，这次课程设计使我有了一次通过理论联系实际，来解决实际问题的经历，还培养了我分析问题，解决问题的能力，以及上网检索信息的能力。第三，设计过程中由于某些参数的可选定范围太大，所以往往算到最后才知道所设定的参数不符合条件，一切又要从新来过，但正是由于设计具有这样的难度，才更赋予我们挑战性，而当设计成功时所获得的成就感也才更无与伦比。第四，从设计结果可以看出，若要保持总传热系数，温度越大、换热管数越多，折流板数越多、壳径越大，这主要是因为水的出口温度增高，总的传热温差下降，所以换热面积要增大，才能保证Q和K。因此，换热器尺寸增大，金属材料