柴油加热器设计说明书.doc

齐齐哈尔大学 机电工程学院化工原理课程设计柴油加热器设计说明书设计者：班级：过控114班组长：何.成员：李. 张. 崔. 杨. 日期 ：2013年8月20日 指导教师 设计成绩 目录一设计说明二概述三设计条件及主要物性的确定1定性温度的确定 2流体有关物性四. 确定设计方案1 选择换热器的类型五估算传热面积1. 传热器的热负荷2. 平均传热温差3. 传热面积估算六工程结构尺寸1. 管径和管内流速2. 管程数和传热管数3. 平均传热温差校正和壳程数4. 传热管排列和分程方法5. 壳程内径6. 折流板7. 其他附件8. 接管七换热器核算 1.热流量核算 （1）壳程表面传热系数 （2）管程表面传热系数 （3）污垢热阻和管壁热阻 （4）传热系数k （5）传热面积裕度2.壁温核算3.换热器内流体的流动阻力 （1）管程流动阻力 （2）壳程流动阻力八换热器主要工艺结构尺寸和计算结果表九设备参考数计算 1.壳体（1）壳体内经 （2）壳体壁厚（3）壳体质量2.管板（1）管板参数（2）管板与壳体的连接（3）管子在管板上的固定方式3.拉杆4.分程隔板5.折流板6.封头及管箱（1）封头（2）管箱（3）管箱法兰及筒体法兰7.接管及其法兰8.排气排液口9.浮头10.支座设计（1）支座的设计选型十设计计算结果汇总表十一设计总结十二.主要符号说明十三.参考文献齐齐哈尔大学1.化 工 原 理 课 程 设 计 任 务 书 专业：过程装备与控制工程 班级：11.班 姓名：何. 学号：201111 1. 设计题目：原油加热器的设计 2. 操作条件： （1）处理量： 柴油处理量：34000kg/h 原油处理量：44000kg/h （2）设备型式： 浮头式换热器 （3）操作条件： 柴油： 进口温度： 175 原油： 进口温度： 70 出口温度; 110设计条件： （1）：两侧污垢热阻为0.0002 m/w （2）：管程两侧压降小于或等于0.3 at,壳程小于0.5 at （3）：热损失 5%3.设计一台适宜浮头式换热器，完成生产任务。4.画出装备图 2.概述及简介换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常用作把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。换热器既可是一种单元设备，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，如氨合成塔内的换热器。换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知。管壳式管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品，迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。我国在发展不锈钢铜合金复合材料、铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。钛对海水、氯碱、醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化传热，效果将更好，一些制造单位已较好的掌握了钛材的加工制造技术。浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。在设计时必须考虑浮头管板的外径do。该外径应小于壳体内径di，一般推荐浮头管板与壳体内壁的间隙b1=35mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将管束从壳体内抽出。以便于进行检修、清洗。浮头盖在管束装入后才能进行装配，所以在设计中应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间。钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用。随着幞头式换热器的设计、制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构形式也得到了不段的改进和完善。钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。浮头式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累了丰富的经验。尽管受到不断涌现的新型换热器的挑战，但反过来也不断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中扔占主导地位。优缺点优点：（1）管束可以抽出，以方便清洗管、壳程；（2）介质间温差不受限制；（3）可在高温、高压下工作，一般温度小于等于450度，压力小于等于6.4兆帕；（4）可用于结垢比较严重的场合；（5）可用于管程易腐蚀场合。三、设计条件及主要物性 3.1设计条件由设计任务书可得设计条件如下表：数参类型体积流量（标准kg/h）进口温度（）出口温度（）柴 油（管内）34000175 -原油（管外）4400070110 3.2确定主要物性数据 qy =qc wy cpy(t1t2) = wc cpc (t1t2) 440002.2（11070）=340002.48（175t2）0.95柴油出口温度： t2=126.67127 可取流体进出口温度的平均值。管程柴油的定性温度为 壳程原油的定性温度为 3.2.2流体有关物性数据根据由上面两个定性温度数据，查阅参考书可得原油和柴油的物理性质原油在90，下的有关物性数据如下：物性密度i（kg/m3）比热容cpi kj/(kg)粘度i（pas）导热系数0（wm-1-1）原油 8152.23.010-3 0.128 柴油在151的物性数据如下：物性密度o（kg/m3）比热容cpo kj/(kg)粘度o（pas）导热系数i（wm-1-1）柴油715 2.480.6410-30.133四、确定设计方案4.1 选择换热器的类型由于温差较大和要便于清洗壳程污垢，对于油品换热器，以采用fe系列的浮头式列管换热器为宜。采用折流挡板，可使作为被冷却的原油易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提高传热效率。柴油温度高，走管程课减少热损失，原油黏度较大，走壳程在较低的re数时即可达到湍流，有利于提高其传热膜系数。五、估算传热面积5.1热流量q=4.06106 kj/h=1.13106w5.2平均传热温差= =615.3传热面积由于管程气体压力较高，故可选较大的总传热系数。初步设定设ki=250 wm-2-1。根据传热传质过程设备设计p14，公式1-2，则估算的传热面积为 m2六工程结构尺寸6.1管径和管内流速选用252.5mm的传热管(碳钢管8631 密度7850kg/m)；由化工原理及设备课程设计主编（李芳）p4表11得管壳式换热器中常用的流速范围的数据，粘性液体流速为（0.5-1.2 m/s）可设流速u1m/s，用u计算传热膜系数，然后进行校核。6.2管程数和传热管数(根) 按单程管计算，所需的传热管长度为m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= 7 m ，则该换热器管程数为np=l / l=22.5/74（管程）传热管总根数 n = 424= 168 （根）。单根传热管质量785073.140.02250.0025=9.705kg6.3 平均传热温差校正及壳程数依化工单元操作课程设计主编（柴诚敬）p61平均传热温差校正系数r1.2p0.381 依化工单元操作课程设计主编（柴诚敬）p53，表查得，0.9tm=tm =610.92=54.9 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。6.4 传热管的排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正四边形排列，其优点为管板强度高，流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高，相同的壳程内可排列更多的管子。查化工原理课程设计指导主编（任晓光）p20， 管间距，取管间距：t 1.25d=1.25x25=32 mm 。p22s=t/2+6=32/2+6=22 mm取各程相邻管的管心距为44mm。6.5 壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率=0.7，由化工原理课程设计指导主编（任晓光）p33，得壳体内径为d =1.05t=1.0532=520 mm , 查阅化工原理课程设计指导p33：热交换器标准尺寸，取d =600mm。6.6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h=0.25600=150 mm ，故可取h=150 mm。上书p34取折流板间距b=0.6d，则b=0.6600=360 mm。取板间距h150mm，则：折流板数 nb=1=1=18.4419 块折流板圆缺面水平装配。6.7其他附件 由化工设备机械基础p215 7-10知选择直径为10mm的拉杆4根。6.8接管（1）壳程流体进出口接管 取接管内液体流速u1=0.5m/s, =0.195(m)圆整后取管内直径为200mm.(2) 管程流体进出口接管 取接管内液体流速u2=1m/s,圆整后取管内直径为150mm七换热器核算7.1热量核算7.1.1壳程表面流传热系数 对于圆缺形折流板，可采用克恩公式。由化工原理课程设计p57得o = 其中：粘度校正为=0.95当量直径，管子为四边形角形排列时，依化工单元过程及设备课程设计p72，公式3-22得de0.02 m壳程流通截面积so = bd(1)=0.360.6（1）0.04725 m2壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为uo =0.3173 m/sreo1723.996普朗特准数pr =51.56因此，壳程水的传热膜系数ho为o = =490.974 w/(m2)7.1.2管程表面流传热系数由化工传递与单元操作课程设计p57得i = 0.023re0.8pr0.4其中：管程流通截面积s= m2管程空气的流速及其雷诺数分别为ui =1.00159 m/sre22379.27普兰特准数pr =11.93因此，管程空气的传热膜系数i为i=0.02322379.270.811.930.4=1244.91 w/(m2)7.1.3污垢热阻和管壁热阻l 柴油侧热阻rso0.0002m2w-1l 原油侧热阻rsi0.0002m2w-1l 碳钢的导热系数50wm-1-17.1.4总传热系数ki因此，依化工原理课程设计主编（马江权）p67公式 注：（b为管厚d为管内外平均壁厚） k = =276.81086 w/ (m2)解得：276.8 w/ (m2) 7.1.5 传热面积裕度依化工单元过程及设备课程设计p75，公式3-35：qisitm得：siqi/(tm)74.35 m2该换热器的实际传热面积spsp=3.140.0257168=92.316 m2依化工原理课程设计该换热器的面积裕度为=24.2%7.2 壁温核算 因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按化工原理课程设计主编（杨长龙）p74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。但在操作早期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。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算传热管壁温。于是有式中，液体的平均温度tm和气体的平均温度tm分别按化工单元过程及设备课程设计p77，公式3-44、3-45计算tm=0.4175+0.6127=146.08tm=0.470+0.6110=94 = 490.97 w/ (m2) = 1244.90w/ (m2)传热管平均壁温=129.1413 壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即t=146.08 壳体壁温和传热管壁温之差为 t=146.08129.14 =16.93 7.3换热器内流体的流动阻力(压降)7.3.1管程流体压降 由化工原理课程设计主编（马江权）p67 （f=1.4 n=1 n=4） (pa)(pa)总压降：pi（p1+p2）ft ns np（3765.69+1075.91）1.41427112.97 0.3at（符合设计要求） 其中， ft为结垢校正系数，取1.4；ns为串联壳程数，取1；np为管程数，取4。 7.3.2壳程流动阻力：由化工原理课程设计主编（马江权）p67流体横过管束的压降：其中：f=0.4fo=5.01723-0.228=0.5846nb=19uo=0.373 m/sp=0.415.4224.62(19+1)(8150.3732)/2 6993.903panb（3.5）19（3.5）(8150.3732)/23231.618pa总压降：po（）fs ns（6993.903+3231.618）1.15111759.351pa0.3at 其中，fs为壳程压强降的校正系数，对于液体取1.15；ns为串联的壳程数，取1八.换热器主要结构尺寸和计算结果表参数管程壳程流量，kg/h3400044000物性操作温度，175/12770/110定性温度，15190流体密度，kg/m3715815定压比热容，kj/(kg.k)2.482.2黏度，pa.s传热系数，w/（m2）0.1330.128普朗特数11.9351.56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，mm管心距，mm32管长，mm7000管子排列正方形管数目，根168折流板数19传热面积，92.316折流板间距，mm360管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速，m/s1.0020.313表面传热系数，w/（m2）1244.9073490.97污垢系数，m2k/w0.00020.0002阻力降，pa27112.9711759.35热流量，w1130000传热温差，k54.9传热系数，w/（m2）276.81裕度24.16%九、设备参数计算9.1壳体9.1.1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di600 mm。查阅化工原理课程设计指导主编（任晓光）p25 2-5-3知的无缝钢管制作筒体时容器的公称直径，本次采用公称直径为dn6000mm10mm的壳体，则do620mm，di=600mm。9.1.2壳体壁厚 圆整后取10mm 9.1.3壳体质量壳体长度=7m质量=785073.14（0.62020.6002）/4 =1052.51kg。9.2管板 由化工原理课程设计指导主编 任晓光p29 表2-109.2.1 管板参数浮头式换热器固定动管板工程直径（mm）工程压力（kgf/c）a mm b mm c mm bmmmxl管程数净重kgf二管程四管程二管程四管程6001664759659632m16202001885556.3浮头式换热器浮动管板由化工原理课程设计指导主编 任晓光p31 表工程直径（mm）工程压力（kgf/c）a mm b mm c mm bmmmxl管程数净重kgf二管程四管程二管程四管程6001659056256232m162020018842.644.19.2.2管板与壳体的连接管板夹于壳体法兰和顶盖法兰之间，9.2.3管子在管板上的固定方式采用焊接法在管板上固定管子。根据换热器设计手册p172，表1-6-20，管子伸出长度约为5mm。9.3拉杆本换热器壳体内径为600mm，查阅化工单元过程及设备课程设计p135，表4-7和表4-8得：拉杆螺纹公称直径：=16mm拉杆长：l1=7.00m l2=7.00m前螺纹长la=20mm 后螺纹长lb=60mm拉杆数：4根。9.4隔板隔板厚度选10mm9.5折流板前面已算出：折流板数 nb=19 块圆缺高度 h150 mm板间距 b360mm查阅换热器设计手册p182，表1-6-26和表1-6-33，得：折流板直径 da(6003.50.5)mm=596mm折流板厚度 c5 mm。折流板的管孔，按gb151规定i级换热器，管孔直径=19+0.4=19.4mm 折流板质量：m=190.0004187850=62.35 kg9.6封头及管箱9.6.1 封头查阅材料与零部件上海科学技术出版社p328，本换热器采用椭圆型封头(jb115473)一个，材料采用高合金钢，公称直径dg600mm（以内径为公称直径），曲面高度h1150mm，直边高度h240mm，厚度10mm,重量=37.7kg。焊接于管箱。9.6.2 管箱管箱所用材料和壳体材料相同 用a3f9.6.3容器法兰查阅材料与零部件上海科技技术出版社，材料：16mr选用甲型平焊法兰公程直径 mm公程压力kgf/cddddb螺栓规格数量600 1674070066565536m2028一个法兰焊接在管箱，再与前管板连接；另一个法兰焊接在筒体，与后管板连接。9.7接管及其法兰 由前面的计算可知壳程进口接管直径选取 200mm管程进口接管直径选取为 150mm查表材料与零部件上海科技技术出版社p376表dddddbf螺栓规格数量15028024021223283m20820031029527023283m2012接管质量=3.140.20.0040.157850=2.957kg 9.10支座设计9.10.1 支座的设计选型查材料与零部件（上）上海科学技术出版社p627，公程直径 mm每个支座负荷 tblblkbm重量kg600 36.8180550120260369022026.3a0.27=1.4m，支座间距70002521400=4190mm。十、设计计算结果汇总表换热器的工艺计算及结构设计的主要结果和主要尺寸汇总于下表：工艺参数管程壳程质量流量/(kg/h)3400044000进/出口温度/175/127110/70 物性参数定性温度/15190密度/(kg/m3)715815定压比热熔/kj/(kgk)2.482.2粘度/(pas)0.6410-33.010-3热导率/w/(mk)0.1330.128工艺主要计算结果流速/(m/s)1.001590.3173污垢热阻/m2k/ w0.000020.00002阻力（压降）/mpa27112.9711759.35对流传热系数/w/(m2k)1244.9073490.97总传热系数/w/(m2k)276.8108平均传热温差/54.9热流量/w1130000传热面积裕度/%24.16 设备结构设计程数41推荐使用材料碳钢碳钢换热器型式浮头管板式台数1壳体内径/mm600传热面积/m292.316管 径/mm252.5折流板型式上下管 数/根168折流板数/个19管 长/mm7000折流板间距/mm360管子排列方式正方形切口高度/mm150管间距/mm32封头1个do=600封头法兰dh=600mm隔板b=10mm拉杆4根d=16mm支座(jb1167-81)a型容器法兰（非标准）do=600mm管箱法兰dh=740mm定距管252管板壳程接管150壳程接管法兰dh280mm管程接管200管程接管法兰dh=310mm备注 十一、设计总结此次化工原理课程设计题目是“柴油-原油加器设计”，尽管刚刚开始的时候一脸的茫然，不知道从何下手，因为毕竟是第一次做，所以不免有一点紧张与不安，但是正是这种紧张的压力下，才使得我决心去图书馆查阅，终于一点点的学习下找到了点思路，经过不懈的努力从什么都不懂都有点精进真的是不容易，在查阅资料的时候又学到了一些新的知识，还有一些以前模糊的化工知识都也清楚了真的是受益匪浅啊。数据计算 这是设计第一阶段的主要任务。数据计算的准确性直接影响到后面的各阶段，这就需要我们具有极大的耐心。从拿到原始设计数据到确定最终参数，持续了将近一个星期：确定需要求的参数，查资料找公式、标准值等，一步一步进行计算。一、 查资料二、 这是特别关键的一步，因为这是我们初次接触到这么庄重的设计，所以不免有点思路混乱，最初的思路都来自书本，但是等到了图书馆去看着茫茫书犯愁，不知道该借那个，那个有用，所以只好耐着心思慢慢看，最终确定了什么有用什么没用四 autocad绘图 看到这个很专业的软件也仅仅是有一种似曾相识的感觉，因为在大一学习的时候不是很专业，等到这次画图的时候却发现有好多东西都不怎么会，所以只能边看书边画图，尽管这样画起来特别辛苦，但经过这次的课程实践，过去不懂得cad这次也学得才不多了，大一学工程制图时有接触到这个软件，陌生是因为正真会用或用得好的同学是凤毛麟角。但是，没有压力哪来动力，在下定决心之后，马上借来几本autocad学习的资料，重温各种操作工具及技巧等。在准备了两天天之后才开始正式画图，不断修改，差漏补缺，知道最后完成整个设计图。三、 完成设计说明书 这次课程设计完成之后最大的感受与收获就是，就是当我们遇到不懂的东西的时候只要不放弃，虚心学习，总有懂的时候，还有就是，在一项重大的工作上面，团队合作是特别重要的，尽管这次做的不是特别好，但相信我下次会做的更好的在一个组织或部门之中，团队合作精神显得尤为重要，那么所以怎样加强与别人的合作呢？在一个组织之中，很多时候，合作的成员不是我们能选择得了的，所以，很可能出现组内成员各方面能力参差不齐的情况，如果作为一个领导者，此时就需要很好的凝聚能力，能够把大多数组员各方面的特性凝聚起来，同时也要求领导者要有很好地与不同的人相处与沟通的能力。如果领导者在开始时没有以身作则做好各方面的工作，就会产生许多不良的后果。例如，在一个集体中如果成员之间缺少最基本的信任，那么成员总是想要在同伴面前保护自己，他们就不可能彼此争论，所谓的明哲保身的做法，只要是与自己利益无关的事情便高高挂起，即不愿对彼此负责，那么，还有谁会对集体的发展负责？这样的团队，其发展是令人担忧的。所以，要加强与他人的合作，首先就必须保证集体成员是忠诚的，有责任心的，有意志力的，而且，还要有着对于自身团队的荣誉感，使命感。领导者必须信任团队的所有成员，彼此之间要开诚布公，互相交心，做到心心相印，毫无保留；要与团队的每一个成员紧密合作，直到整个团体都能紧密合作为止；分析每一个成员完成工作的动机，研究他们的迫切需要，针对他们的动机和需要，集思广议，多听听别人的建议，不要一意孤行，俗话说：“人心齐，泰山移。”同时，领导者也要有领导者的风范，工作上对成员严格要求，在生活上也要关心成员，做好团队成员之间的沟通和协调工作，使整个团队像一台机器一样，有条不紊地和谐运转。，十二、主要符号说明原油的定性温度t柴油定性温度t原油密度o柴油密度i原油定压比热容cpy柴油定压比热容cpc原油导热系数o柴油导热系数i原油黏度o柴油黏度i原油热流量wo柴油流量热负荷qo平均传热温差总传热系数管程雷诺数温差校正系数管程、壳程传热系数 初算初始传热面积a估传热管数初算实际传热面积a管程数壳体内径d横过中心线管数折流板间距b管心距t折流板数nb接管内径 管程压力降当量直径壳程压力降面积裕度h十三、参考文献【1】贾绍义 柴诚敬化工单元操作课程设计.天京大学出版社【2】刁玉玮 王立业 喻健良化工设备机械基础 大连理工大学出版社【3】任晓光.化工原理课程设计指导.北京，化学工业出版社【4】杨长龙化工原理课程设计.哈尔滨工程大学出版社【5】材料与零部件.上海科技技术出版社【6】化工原理上李然 华中科技大学出版社【7】陈锦昌. 计算机工程制图华南理工大学出版社齐齐哈尔大学1.化 工 原 理 课 程 设 计 任 务 书 专业：过程装备与控制工程 班级：114班 姓名：何琪 学号：2011112076 1. 设计题目：原油加热器的设计 2. 操作条件： （1）处理量： 柴油处理量：34000kg/h 原油处理量：44000kg/h （2）设备型式： 浮头式换热器 （3）操作条件： 柴油： 进口温度： 175 原油： 进口温度： 70 出口温度; 110设计条件： （1）：两侧污垢热阻为0.0002 m/w （2）：管程两侧压降小于或等于0.3 at,壳程小于0.5 at （3）：热损失 5%3.设计一台适宜浮头式换热器，完成生产任务。4.画出装备图齐齐哈尔大学1.化 工 原 理 课 程 设 计 任 务 书 专业：过程装备与控制工程 班级：114班 姓名：张杰夫 学号：2011112030 1. 设计题目：原油加热器的设计 2. 操作条件： （1）处理量： 柴油处理量：34