化工原理设计原油换热器

1、原理课程设计6目:原油加热器固定式换热器指导教师:李先生院国家特级院级:高分子材料与工程系学生姓名:目录.绪论、设计条件及主要物性参数1、设计条件2、定性温度的确定三.确定设计方案选择换热器的类型 流程安排估算传热面积热流量四.41、2、1、2、平均传热温差-3、传热面积五.工程结构尺寸-1、管径和管内流速2、管程数和传热管数3、平均传热温差校正及壳数4、传热管的排列和分程方法5、折流板6、接管六、换热器核算1、壳程传热系数2、管程传热系数5555567778883、污垢热阻和管壁热阻4、总传热系数 K5、传热面积裕度7、管程流动阻力8、壳程流动阻力 七、设计计算结果汇总91010111112

2、、绪论时，时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点：结构简1.加热器简介1.1.固定管板式固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同单，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1.2.U 形管式侧，U 形管式换热器每根管子均弯成 U 形，流体进、出口分别安装在同一端的两 封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。 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。1.3. 浮头式换热器两端的管板，一端

3、不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。 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。本实验采用的是浮头式加热器，包括输油管，输油管上套有密闭的外壳，外壳的一段管道上设有加热体，该加热体用固定卡固定在外壳表面上，所述外壳的外表面上包覆有保温层。本实用新型具有传热速度快、均温性好的特点，避免了在输送过程中热损失大而导致油品凝固难以输送的问题。2. 设计目的培养学生综合运用本门课程及有关选修课程基础理论和基础知识完成某项单元操作设备设计的实践操作能力。设计的设备必学在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友

4、好的、设计条件及主要物性参数2.1设计条件由设计任务书可得设计条件如下表:体积流量进口温度出口温度设计压力类型(标准t/h)(C)(C)(Kpa)柴油3417580原油337011080项目密度(kg/m3)比热Cp(kJ/kgC)导热系数（W/m2 C）黏度卩（Pas）柴油7152.480.13330.64 10原油8152.20.1286.65 10 322定性温度的确定Wc：原油流量（kg/h） Wh:柴油流量（kg/h ） Cpc：原油比热容Cp h：柴油比热容t1, t2：原油的岀、进口温度T1、T2:柴油的进、岀口温度根据夏清陈常贵化工原理（上）P225,公式（4-33）,热流量为

5、Qc = Wc Cpc(tl t2)=33000 2.2 X( 110 70) 13.6=806667 W柴油岀口温度：Qh = Qc = Wh Cph (T1 T2)806667=34000X2.48 (175 T2)/3.6T2=140.5 C可取流体进岀口温度的平均值。管程柴油的定性温度T= ( 175+140.5 ) / 2=157.5 C壳程原油的定性温度为t=(70+110) / 2=90 C、确定设计方案3.1选择换热器的类型由设计任务选择固定管板式换热器。3.2流程安排柴油温度高，走管程可减少热损失，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。四、

6、估算传热面积4.1热流量4.2平均传热温差根据化工原理课程设计P47,公式（3-9）t = (Ti t2)仃2 ti)=(175 110) (140.5 70) =67 8Q4.3传热面积根据夏清 陈常贵 化工原理（上）P356表，初步设定K=160W m-2 Q1。根据化工原理课程设计P47,公式（3-5）五.工程结构尺寸5.1管径和管内流速选用 25X 2.5m的传热管（碳钢管）。5.2管程数和传热管数根据估算的传热面积，然后查JB1145-73得:公称直管管管管程流通面径D程数长积(m2 )(mm)数(mm)500216860000.0264传热面积A=77.9 m2外径D=500mm管

7、程N=2单程传热管数n=168管程流通面积Si =0.0264m2该换热器型号为 G500 n -2.5-805.3平均传热温差校正及壳程数根据化工原理课程设计P47,公式（3-12）平均传热温差校正系数TiT2R =t2 t1175 140.5 = 0.8611070P= t2 t1T1 t1= 0.381175 70根据夏清陈常贵化工原理（上）P231,公式（4-46）平均传热差校正为 tm= t tm =67.8 Q=119.2mmV U1V3.14 1圆整后取管内直径为 120mm.（2）管程流体进岀口接管取接管内液体流速U2=1.5m/s,圆整后取管内直径为130mm六.换热器核算6

8、.1总传热系数核算6.1.1壳程传热系数根据夏清陈常贵化工原理（上）P253,公式94-77a） 得0 = 0.36* Re de0.55 _ 1/3 .卩0 0.14Pr ()卩w因此，壳程水的传热膜系数0为其中: 粘度校正为（b）0.14=o.92%当量直径，管子为正方形旋转450形排列时,根据化工原理（上）P253,公式(4-78)4(t2-d2o)de= 4do3 2432 103.14 0.0253 0.025 2=0.027壳程流通截面积，根据化工原理（上） P253,公式（4-80）,得Ao = BD（1 ）=0.400 区500 x（ 1 0 ）= 0.044m2t0.032式

9、中B 两挡板间距离，mD换热器间的外壳内径，m壳程原油的流速及其雷诺数分别为3= =3 = 0.26 m/s0.044Reo=PUi = 815 O.26 03027 = 860 o6.65 10 3普朗特准数（ 传热传质过程设备设计P26,公式1-43）33C Cpo o 2.2 106.65 10 cPr= =114.3o0.128入0=0.计o_Re0.55 Pr1/3(土严卩W= 0.36 01280.02718600.55 114.3 0.92 =308W/(m 2 C)6.1.2管程传热系数根据夏清陈常贵化工原理（上）P248，公式（4-70a）得匸 0.023Re0.8 Pr0.

10、4d其中:管程流通截面积Si =0.0264m2 管程柴油的流速及其雷诺数分别为u =二 0.5 m/s0.0264Re=PiUidi _ 0.02 0.5 715 =伯仃？0.64 10 3 普兰特准数p= cpi2.48 1030.64 10 3 一 cc=11.930.133因此，管程空气的传热膜系数i为0804 0.1332i = 0.023 11172 X11.93 X=714W/(m 2 C )0.026.1.3污垢热阻和管壁热阻查阅夏清 陈常贵 化工原理（上）P354,附录表20,得原油侧的热阻Rso= 0.00034m2 ：C W-1柴油侧的热阻Rsi= 0.00034m C

11、W-1查阅化工原理（上）P354,附录表13,得碳钢的导热系数 A 50Wm-1 C-16.1.4总传热系数K因此，查夏清陈常贵化工原理（上）P227,公式（4-40）丄=丄+ Rso+些+ Rs* +生K a。dm diaidi0.02050 0.0225二丄 + 0.00034+ O.。025 O.。25 + 0.00034 遊 308+0.025714 0.02解得：K = 172W/ (m2 :C)b:管壁的厚度d0：管的外径dm:管的平均直径di:管的内径根据化工原理课程设计P47,6.1.5传热面积裕度公式(3-5)Si = Qi/( Ki tm)= 806667 = 69.2m2

12、 172 67.8该换热器的实际传热面积Sp2Sp= dolN t=3.14 X.025 XX68=79.1m依化工单元过程及设备课程设计 P76,公式3-36该换热器的面积裕度为H Sp S 100%=79.1 69.2 =14.3%Si69.2传热面积裕度合适。该换热器能够完成生产任务。6.2换热器内流体的流动阻力（压降）6.2.1管程流动阻力由Re=11172,传热管相对粗超度为0.01 mm，内径 di20mm流速 u=0.5m/s.相对粗糙度d罟 0-0005查夏清陈常贵化工原理（上）P54莫狄图得i 0.034Pi0.03460.02715 0.529122(pa)Pr3 715

13、20.5268(pa)总压降:( P1+AP2)Ft Ns Np=(912+268) X1.4 t2=3.3KPa 860-0.228=1.07Nb=14 uo=0.26m/s p,=0.4 X.07 16X(14+1) (815 ：0.262)/2 = 2823Pa P2 = Nb (3.5-竺)D 2=14 X( 3.5- 2 0.400 ) (815 0.262)/2= 733 Pa0.500总压降：po=( p1+p2)Fs Ns=(2823+ 733) 1.1 1 =3.91K pa 80K pa其中，Fs为壳程压强降的校正系数，对于液体取 1.1;Ns为串联的壳程数，取1。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t=c- 曰、去 曰f/Ifl.、3400033000质量流量 /（kg/h）进/岀口温度/C175/140.5110/70操作压力/kPa定性温度/C1513.91物密度 /(kg/m 3)715815性