原油预热器的设计课程设计.doc

JINGCHU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY荆楚理工学院课程设计成果 学院: 化工与药学院 班 级 13过控（2）班 学生姓名: 黄超 学 号: 设计地点（单位） A2204 设计题目: 原油预热器的设计 完成日期： 2014 年 12 月 11 日 指导教师评语: _ 成绩(五级记分制): 教师签名: 荆楚理工学院课程设计任务书设计题目：原油预热器的设计设计内容及要求1. 设计内容 某炼油厂需用柴油预热原油。要求设计一台列管式换热器，完成该生产任务。1) 确定设计方案：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。2) 估算换热器的传热面积。3) 计算换热器的主要工艺结构尺寸。4) 对换热器进行核算。5) 绘制原油预热器工艺流程图。6) 绘制换热器工艺条件图。2. 设计要求：1) 方案和流程的选择要阐明理由；2) 设计计算过程中所采用的公式、数据、图表要注明出处，要列出详细计算过程；3) 设计结束后要对计算结果进行汇总；4) 说明书要采用统一封面和A4纸打印，要条理清晰，排版美观，装订成册上交。3.设计参数1) 两侧的阻力损失均不超过Pa。2) 所设计的列管式换热器为非标准式。3) 柴油和原油的有关参数如下表：物料温 度 质量流量(×104kg/h)密 度(kg/m3 )粘度(×10-3Pa.s)比 热(kJ/kg.K)导热系数(W/m.K)入口出口原油701104.28153.02.20.128柴油175T23.37150.642.480.1334. 进度要求1) 2014.12.8 搜集查阅资料，确定设计方案2) 2014.12.9 完成换热器工艺计算及主要结构尺寸设计3) 2014.12.10 换热器校核、绘图4) 2014.12.11 编写设计说明书5) 2014.12.11 装订、上交课程设计报告5. 参考资料1) 马江权，冷一欣.化工原理课程设计.第四版. 北京：中国石化出版社，20092) 王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理.北京：化学工业出版社，20103) 张洪流，张茂润.化工单元操作设备设计.华东理工大学出版社，20114) 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社，20085) 化工工艺设计手册（第四版）上册.北京：化学工业出版社，20146. 说明1) 本表应在每次实施前一周有负责教师填写二分，教研室审批后交学院备案，一份由负责教师留用。2) 若填写内容较多可另纸附后。3) 一题多名学生共用的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。指导教师：郝修丽教研室主任：郝修丽 2014年 12月 1日 原油预热器的设计 目录1. 列管式换热器综述述.3 1.1 列管式换热器基本简介.3 1.2 列管式换热器种类介绍.31.2.1 管板式换热器.31.2.2 浮头式换热器.41.2.3 填料函式换热器.4 1.2.4 U型管式换热器.5 1.3 设计规范.52.设计条件及设计任务.63. 确定设计方案.7 3.1 选择换热器的类型.7 3.2 流动空间及流速的确定.74. 确定物性参数.75. 计算总传热系数.8 5.1 热负荷.8 5.2平均传热温差.8 5.3 总传热系数.86. 计算传热面积.97. 工艺结构尺寸的计算.10 7.1管径和管内流速.10 7.2 管程数和传热管数.10 7.3 平均传热温差校正及壳层数.10 7.4 传热管排列和分程方法.10 7.5壳体内经.11 7.6折流板.11 7.7接管.12 7.8 拉杆的确定.128.换热器核算.12 8.1热量核算.128.1.2 管程对流传热系数.138.1.3 传热系数K.148.1.4 传热面积.14 8.2 换热器的内流体的流动阻力.158.2.1 管程流动阻力.15 8.2.2 壳层阻力.158.2.3 换热器主要结构尺寸和计算结果.169. 设计评述.1810.工艺流程图.1911.工艺条件图.1912. 布管图.2013.符号说明.21致谢.22参考文献.231. 列管式换热器综述 1.1 列管式换热器基本简介 列管式换热器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；另一种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程列管式换热器。 为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力，根据所采取的温差补偿措施。 1.2 列管式换热器种类介绍1.2.1 固定管板式换热器图1 固定管板式换热器 列管式换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。 1.2.2 浮头式换热器图2 浮头式换热器 换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。1.2.3 填料函式换热器图3 填料函式换热器 这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。1.2.4 U型管式换热器图4 U型管式换热器 U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。 1.3 设计规范 本换热器的设计是按照管壳式换热器GB 151-1999标准执行，并遵照钢质石油化工压力容器设计规定与钢制管壳式换热器设计规定。2.设计条件及设计任务设计题目：原油预热器的设计设计内容及要求1.设计内容 某炼油厂需用柴油预热原油。要求设计一台列管式换热器，完成该生产任务。1) 确定设计方案：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。2) 估算换热器的传热面积。3) 计算换热器的主要工艺结构尺寸。4) 对换热器进行核算。5) 绘制原油预热器工艺流程图。6) 绘制换热器工艺条件图。2.设计要求：1) 方案和流程的选择要阐明理由；2) 设计计算过程中所采用的公式、数据、图表要注明出处，要列出详细计算过程；3) 设计结束后要对计算结果进行汇总；4) 说明书要采用统一封面和A4纸打印，要条理清晰，排版美观，装订成册上交。3.设计参数4) 两侧的阻力损失均不超过Pa。所设计的列管式换热器为非标准式。5) 柴油和原油的有关参数如下表：物料温 度 质量流量(×104kg/h)密 度(kg/m3 )粘度(×10-3Pa.s)比 热(kJ/kg.K)导热系数(W/m.K)入口出口原油701104.28153.02.20.128柴油175T23.37150.642.480.1333. 确定设计方案 3.1 选择换热器的类型 （公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理 P142 4-36）两流体温度变化情况：热流体（柴油）进口温度175，出口温度129.8；冷流体（原油）进口温度70，出口温度110。该换热器用柴油预热原油，原油容易结垢，且换热器的管壁温度和壳体壁温度之差较大，同时为了便于拆卸清理，因此确定选用浮头式换热器。 3.2 流动空间及流速的确定由于原油的容易结垢，且粘度大，在装有者流挡板的壳层中流动有利于提高湍流，增大传热系数，柴油温度高，且为了减少热损失和充分利用柴油的热量，以及清洗方便，流程采用柴油走管程，原油走壳程。选用25×2.5mm的无缝碳钢管，管内流速初步取u1=1.0m/s。4. 确定物性参数 已知定性温度下，原油、柴油的物性参数如下： 5. 计算总传热系数 5.1 热负荷 （公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理 P142 4-35） 5.2平均传热温差 （公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理 P144 4-40） 5.3 总传热系数 管程传热系数： （公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理 P28） （公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理 P132 4-19） 壳程传热系数 假设壳程的传热系数 污垢热阻 管壁的导热系数 （本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计 P64 2-14）6. 计算传热面积 （本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计 P62 2-5） 考虑15%的面积裕度 S=S×1.15=65.5×1.15=75.36m27. 工艺结构尺寸的计算 7.1管径和管内流速 选用25mm×2.5mm传热管(碳钢),取管内流速u1=1.0m/s。 7.2 管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数 （本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计 P71） 按单程管计算，所需的传热管长度为 （本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计 P71）按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m，则该换热器管程数位 传热管总根数 N=41×4=164 根 7.3 平均传热温差校正及壳层数平均传热温差校正系数： 按单壳程, 4管程结构,温差校正系数应查附图对数平均温差校正系数 可得： =0.92 符合的要求平均传热温差 7.4 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 （本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计 P59 2-3） 7.5 壳体内经采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为： （本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计 P59 2-3） 圆整可取D=600mm 7.6 折流板 采用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 h =0.25×600=150mm取折流板间距， 则B=300 可取B为300mm。 折流板数 折流板圆缺面水平装配。 7.7 拉杆的确定本换热器传热管外径为25mm，拉杆数量与直径查化工单元操作设备设计张洪流版表2-9、2-10,其拉杆直径为16mm，共有4根拉杆。7.8 接管 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159mm×4.5mm。 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140mm×4.5mm。8. 换热器核算 8.1 热量核算8.1.1 壳层对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式： （本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计 P65 表2-7）当量直径，由正三角形排列得： 壳程流通截面积： 壳程流体流速及其雷诺数分别为： （公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理 P131）普兰特准数： （公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理 P131）粘度校正 8.1.2 管程对流传热系数 （本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计 P65 表2-7）管程流通截面积管程流体流速： 普朗特准数 8.1.3 传热系数K 8.1.4 传热面积 该换热器的实际传热面积： 该换热器的面积裕度为： 传热面积裕度够大，该换热器能够完成生产任务. 8.2 换热器的内流体的流动阻力8.2.1 管程流动阻力 （以下公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计P67） , , , 由，传热管相对粗糙度0.01/20=0.005 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。8.2.2 壳层阻力（以下公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计P67） 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。 8.2.3 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器主要结构尺寸和计算结果见表1表1 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器形式:浮头式换热器换热面积/69.5工艺参数名称管程壳程物料名称柴油原油阻力损失/Pa26110.5624770操作温度/175/129.870/110流量/(kg/h)33×10³42×10³进、出口接管内径140mm×4.5mm159mm×4.5mm流体密度/(kg/m³）715815流速/(m/s)0.9940.55传热量/kw1026.7总传热系数/(w/·)295传热系数/(w/·)1047.5734.5污垢系数/(·/w)0.0003440.000344程数41推荐使用材料碳钢碳钢壳体内径/mm600管子规格25×2.5mm管数164管长6000mm管间距/mm32排列方式正三角形折流板形式上下间距/mm间距/mm300折流板数目19切去圆缺高度/mm150拉杆直径/mm16拉杆数目4 10. 设计评述一个星期的课程设计结束了，这次设计的是原油预热器，虽然时间不长，但是我收获颇多。这次课程设计，我是一步一步往下算的，弄懂每一步的步骤，搞清楚为什么要这么做。课程设计的这几天，我为了完成好课程设计，每天不是在电脑上查资料，就是去图书馆查资料，在换热器核算的时候，算了两次都不合格，我得从头开始一步一步的往下计算，检查哪里有错误，虽然很麻烦，但是当算正确的时候，心里也是感到蛮开心的。这次设计一个换热器，虽说不全是我自己弄的，前面的综述有些是在网上摘抄的，但是后面的，都是我自己一个公式一个字的敲出来的，每计算一步，我都要验算一下，怕自己因为失误而计算错了，包括画表格，在电脑上用cad画工艺条件图和布管图。通过此次设计，了解了很多关于换热器的知识，如换热器的选型，换热器结构和尺寸的确定，以及计算换热器的传热面积和流体阻力等等。最最重要的是我深刻认知做设计计算时要非常小心，因为一不留神就会出错，如果前面错了没发现，后面就全错。这是设计中的禁忌。这次课程设计让我们自己动手设计了一个换热器，真正的算是把课本上的知识用在现实生后生产中了，在此，感谢学院给我们提供了这么一个学习的机会，让我们把所学的知识得以运用，感谢郝老师给我们耐心的指导，让我们的设计得以顺利完成，让我明白什么是严谨的科学态度，也感谢我的同组同学，在我有问题的时候，他们给我细心的解答，解决不了的，我们大家一起来讨论解决。 10. 工艺流程图图5 浮头式换热器1-管板隔层 2-壳层隔板 3-浮头 4-柴油入口 5-柴油出口 6-原油入口 7-原油出口11.工艺条件图图6 工艺条件图12.布管图图6 分程图图7 布管图13. 符号说明B折流板间距，m Re雷诺准数S传热面积， d管径，mT冷流体温度， D换热器外壳内径，ma管心距，m f摩擦系数T热流体温度， F系数u流速，m/s h圆缺高度，mqm质量流量，kg/s K总传热系数，(w/·)L管长，m m程数n指数、管数、程数 N管数、程数NB折流板数 P压力，PaPr普兰特准数 q热通量，W/Q热负荷，W R热阻，·/W希腊字母：对流传热系数，w/· 有限差值导热系数，w/· 粘度，Pa·s密度，kg/m³ 校正系数下标：1热流体，管内 2冷流体，管外s污垢 m平均 致谢感谢学校给我们这次机会，自己动手设计一个换热器，让我们真正的用课本上的知识在现实中应用。 感谢郝老师耐心的给我们指导，细心的为我们解答。 感谢同组的同学给我的帮助。祝老师工作顺利、万事如意。 参考文献 1.马江权，冷一欣.化工原理课程设计.第四版. 北京：中国石化出版社，2009 2.王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理.北京：化学工业出版社，2010 3.张洪流，张茂润.化工单元操作设备设计.华东理工大学出版社，2011 4.匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社，2008 5.贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计).天津大学出版社，20021. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究 3. MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究 4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制 5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究 6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器7. 单片机控制的二级倒立摆系统的研究8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现 9. 基于单片机的蓄电池自动监测系统 10. 基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究 12. 基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发 13. 基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制 14. 基于单片机的自动找平控制系统研究 15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发 16. 基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发 17. 模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现 18. 一种基于单片机的轴快流CO,2激光器的手持控制面板的研制 19. 基于双单片机冲床数控系统的研究 20. 基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制 21. 基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制 22. 基于单片机的软起动器的研究和设计 23. 基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究 24. 基于单片机的机电产品控制系统开发 25. 基于PIC单片机的智能手机充电器 26. 基于单片机的实时内核设计及其应用研究 27. 基于单片机的远程抄表系统的设计与研究 28. 基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制 29. 基于微型光谱仪的单片机系统 30. 单片机系统软件构件开发的技术研究 31. 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制32. 基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制 33. 基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用 34. 基于单片机的光纤光栅解调仪的研制 35. 气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制 36. 基于单片机的数字磁通门传感器 37. 基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究 38. 基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究 39. 单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制 40. 基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪 41. 基于单片机的电机运动控制系统设计 42. 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