化工原理设计(换热器设计).doc
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1、|广东石油化工学院 化工原理课程设计 说明书 题 目: 柴油预热原油的管壳式换热器 学生班级: 学生姓名: 学生学号: 18 指导教师: 李燕 化学化工学院年 月 日化工原理课程设计任务书|一、设计题目:列管式换热器设计 二、设计任务及操作条件 某炼油厂用柴油将原油预热。柴油和原油的有关参数如下表, 两侧的污垢 热阻均可取1.7210 -4 m 2 .K/W,要求两侧的阻力损失均不超过0.510 5 Pa。试选用 一台适当型号的列管式换热器。(x:学号) 三、设计要求提交设计结果,完成设计说明书。设计说明书包括:封面、目录、设计任务书、设计计算书、设计结果汇总表、 参考文献及设计自评表、换热器
2、装配图等。 (设计说明书及图纸均须手工完成)四、定性温度下流体物性数据 温 度 物料 入口 出口 质量流量 kg/h 比 热 kJ/kg. 密 度 kg/m 3导热系数 W/m. 粘度 Pa.s 柴油 175 T 234220 2.48 715 0.133 0.6410 -3原油 70 110 44330 2.20 815 0.128 3.010 -3推荐总 K=45280 W/m. 注:若采用错流或折流流程,其平均传热温度差校正系数应大于 0.8 五、参考书目: 1、姚玉英 . 化工原理 ,上册,1版.天津:天津大学出版社,1999 2、柴诚敬.化工原理课程设计. 1版.天津:天津大学出版社
3、,1994 3、匡国柱.化工单元过程及设备课程设计. 1版.北京:化学工业出版社,20024、李功祥.常用化工单元设备设计.1版.广州:华南理工大学出版社,2003|目 录 1.设计任务书.1 2.概述.2 3.设计条件及物性参数表.2 4.方案设计和拟定.3 5.设计计算.6 6.热量核算.11 7.参考文献.16 8.心得体会.17|1设计任务书 1.1设计题目 用柴油预热原油的管壳式换热器 1.2设计任务 1.查阅文献资料,了解换热设备的相关知识,熟悉换热器设计的方法和步骤; 2.根据设计任务书给定的生产任务和操作条件,进行换热器工艺设计及计算; 3.根据换热器工艺设计及计算的结果,进行
4、换热器结构设计; 4.以换热器工艺设计及计算为基础,结合换热器结构设计的结果,绘制换热器装配图; 5.编写设计说明书对整个设计工作的进行书面总结,设计说明书应当用简洁的文字和 清晰的图表表达设计思想、计算过程和设计结果。 1.3操作条件 温 度 物料 入口 出口 质量流量 kg/h 比 热 kJ/kg. 密 度 kg/m 3 导热系数 W/m. 粘度 Pa.s 柴油 170 T 2 35080 2.48 715 0.133 0.6410 -3 原油 60 105 41104 2.20 815 0.128 3.010 -3|2.概述 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。在
5、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 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,它们也是这些行 业的通用设备,并占有十分重要的地位。 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。 3.设计条件及物性参数表 3.1操作条件 原油:入口温度60 出口温度105 质量流量:41104 kg/h 加热介质柴油:入口温度170 出口温度T2 质量流量:(350
6、80)kg/h 允许压降:不超过0.3105Pa 4.方案设计和拟订 根据任务书给定的冷热流体的温度,来选择设计列管式换热器中的浮头式换热器; 再依据冷热流体的性质,判断其是否易结垢,来选择管程走什么,壳程走什么。在这 里,柴油走管程,原油走壳程。从手册中查得冷热流体的物性数据,如密度,比热容, 导热系数,黏度。计算出总传热系数,再计算出传热面积。根据管径管内流速,确定 传热管数,标准传热管长为6m,算出传热管程,传热管总根数等等。再来就校正传热 温差以及壳程数。确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤,计算出壳体内径, 选择折流板,确定板间距,折流板数等,再设计壳程和管程的内径。分别对换热
7、器的|热量,管程对流系数,传热系数,传热面积进行核算,再算出面积裕度。最后,对传 热流体的流动阻力进行计算,如果在设计范围内就能完成任务。 4.1列管式换热器种类选取根据固定管板式的特点: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。U形管式特点: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。浮头式特点: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。我们设计的换热器的流体 是油,易结垢,再根据可以完全消除热应力原则我们选用浮头式换热器。 4.2管程与壳程的选取 根据以下原则: 1.不洁净和易结垢的流体宜
8、走管内,以便于清洗管子 2.腐蚀性的流体宜走管内,以免壳体和管子同时受腐蚀,且管子也便于清洗和检修 3.压强高的流体宜走管内,以免壳体受压 4.饱和蒸气宜走管间,以便于及时排除冷凝液,且蒸气较洁净,冷凝传热系数与流速 关系不大 5.被冷却的流体宜走管间,可利用外壳向外的散热作用,以增强冷却效果。 6.需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内,因管程流通面积常小于壳程, 且可采用多管程以增大流速。 7.粘度大的液体或流量较小的流体,宜走管间 因流体在有折流挡板的壳程流动时,由于流速和流向的不断改变,在低Re(Re100)下 即可达到湍流,以提高对流传热系数,我们选择柴油走管程,原油走壳程。
9、 4.3流体流速的选择 增加流体在换热器中的流速,将加大对流传热系数,减少污垢在管子表面上沉积|的可能性,即降低了污垢热阻,使总传热系数增大,从而可减小换热器的传热面积。 但是流速增加,又使流体阻力增大,动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡 算才能定出。此外,在选择流速时,还需考虑结构上的要求。例如,选择高的流速, 使管子的数目减少,对一定的传热面积,不得不采用较长的管子或增加程数。管子太 长不易清洗,且一般管长都有一定的标准;单程变为多程使平均温度差下降。这些也 是选择流速时应予考虑的问题。在本次设计中,根据表换热器常用流速的范围,取管 内流速 4.4管子的规格和排列方法选择 选择管径
10、时,应尽可能使流速高些,但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结 垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅 有252.5mm及19mm两种规格的管子。在这里,选择 252.5mm管子。管长的 选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗,且易弯曲。一般出厂的 标准钢管长为6m,则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m。此外,管长和壳径应相适 应,一般取L/D为46(对直径小的换热器可大些)。在这次设计中,管长选择4m。管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等,等边三角 形排列的优点有:管板的强度高;流体走短路的机会少,且管外流体扰动
11、较大,因而对 流传热系数较高;相同的壳径内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清 洗列管的外壁,适用于壳程流体易产生污垢的场合;但其对流传热系数较正三角排列 时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间,即对流传热系数(较直列排列的)可以 适当地提高。管子在管板上排列的间距 (指相邻两根管子的中心距),随管子与管板的连接方法 不同而异。通常,胀管法取t=(1.31.5)d ,且相邻两管外壁间距不应小于6mm,即 t(d+6)。焊接法取t=1.25d 4.5管程和管壳数的确定 当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时,有时会使管内流速较低,因 而对流传热系数较小。为了提高管内流速,可采用
12、多管程。但是程数过多,导致管程|流体阻力加大,增加动力费用;同时多程会使平均温度差下降;此外多程隔板使管板 上可利用的面积减少,设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有 1、2、4和6程等四种。采用多程时,通常应使每程的管子数大致相等。根据计算,管 程为6程,壳程为单程。 4.6折流挡板 安装折流挡板的目的,是为了加大壳程流体的速度,使湍动程度加剧,以提高壳 程对流传热系数。最常用的为圆缺形挡板,切去的弓形高度约为外壳内径的 1040,一般取2025,过高或过低都不利于传热。两相邻挡板的距离(板间距)B 为外壳内径D的(0.21)倍。系列标准中采用的B值为:固定管板式的有150、
13、300和 600mm三种,板间距过小,不便于制造和检修,阻力也较大。板间距过大,流体就难于 垂直地流过管束,使对流传热系数下降。这次设计选用圆缺形挡板。换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。初步设计 时,可先分别选定两流体的流速,然后计算所需的管程和壳程的流通截面积,于系列 标准中查出外壳的直径。 5设计计算 5.1确定设计方案 5.1.1 选择换热器的类型 因为, 2 1 Q Q 所以,|= 1 1 1 T C q p m 2 2 2 T C q p m ) 60 105 ( 20 . 2 3600 41104 ) 170 ( 48 . 2 3600 35080 2
14、 T 得到 =123.2256 2 T 两流体温度变化情况:热流体(柴油)进口温度170,出口温度123.2256;冷 流体(原油)进口温度60,出口温度105。该换热器用柴油预热原油,为易结垢的 流体。该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大,因此初步确定选用浮头式换热器。 5.1.2 流动空间及流速的测定 为减少热损失和充分利用柴油的热量,采用柴油走管程,原油走壳程。选用 252.5mm的碳钢管,根据表三管内流速取u i =1.0m/s。 . 5.2确定物性数据 根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 柴油的有关物性数据如下: 密度 3 1 / 715 m kg 定压比热容 ) k
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- 化工 原理 设计 换热器
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